Файл: Готовления их выбрана сталь зохма а расшифруйте состав и определите группу стали по назначению.pdf

1. Кулачки должны иметь минимальную деформацию и высокую твер-
дость и износоустойчивость поверхностного слоя (НУ750—1000). Для из-
готовления их выбрана сталь ЗОХМА:
а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению;
б) назначьте режим термической и химико-термической обработки, при-
ведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на
превращения в стали при ее термической обработке.
в) опишите структуру и свойства изделий на поверхности и в сердце-
вине.
Сталь 30ХМА содержит в среднем 0,3% углерода, Х - указывает содержание хрома в стали примерно 1%, М - указывает содержание молибдена в стали до
1%, буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.
Легированная конструкционная сталь 30ХМА применяется для деталей рабо- тающих при высокой температуре (до 500°С): валы, турбинные роторы и диски, крепежные детали и т.п.
Сталь обладает повышенной прокаливаемостью.
Химический состав в % материала 30ХМА
C
Si
Mn
Ni
S
P
Cr
Mo
Cu
0.26 - 0.33 0.17 - 0.37 0.4 -
0.7 до
0.3 до
0.025 до
0.025 0.8 -
1.1 0.15 -
0.25 до
0.3
Механические свойства:
s в
- Предел кратковременной прочности , [МПа] s
T
- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной де- формации), [МПа] d
5
- Относительное удлинение при разрыве , [ % ] y
- Относительное сужение , [ % ]
KCU - Ударная вязкость , [ кДж / м
2
]
HB - Твердость по Бринеллю , [МПа]
Физические свойства :
T - Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E - Модуль упругости первого рода , [МПа] a
- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20° - T
) , [1/Град] l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)] r - Плотность материала , [кг/м
3
]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20° - T ), [Дж/(кг·град)]
R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]
Магнитные свойства :
H
c
- Коэрцитивная сила (не более), [ А/м ]
U
max
- Магнитная проницаемость (не более), [ МГн/м ]
P
1.0/50
- Удельные потери (не более) при магнитной индукции 1.0 Тл и частоте
50 Гц, [ Вт/кг ]
B
100
- Магнитная индукция Tл (не менее) в магнитных полях при напряжен- ности магнитного поля 100, [ А/м ]
Свариваемость :
без ограничений
- сварка производится без подогрева и без последую- щей термообработки ограниченно свари- ваемая
- сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и по- следующей термообработке трудносвариваемая
- для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-
300 град. при сварке, термообработка после сварки
Механические свойства при Т=20 °С материала 30ХМА
Сортамент Размер Напр. s в
s
T
d
5
y KCU Термообр.
- мм
-
МПа МПа % % кДж / м
2
-
Пруток
Ж 15 930 735 12 50 880
Закалка 880 °C, масло, От- пуск 540 °C, вода
Твердость материала 30ХМА после отжига HB 10
-1
= 229 МПа
Физические свойства материала 30ХМА
T
E 10
- 5
a 10 6
l r
C
R 10 9
Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м
3
Дж/(кг·град) Ом·м
20 2.08 7820 230 100 2.07 11.6 46 7800 462 200 2.04 12.5 44 7770 300 1.97 13.2 42 7740 400 1.88 13.8 42 7700 500 1.76 14.3 39 7660

T
E 10
- 5
a 10 6
l r
C
R 10 9
Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м
3
Дж/(кг·град) Ом·м
600 1.6 37 700 36 800 32
Технологические свойства материала 30ХМА
Свариваемость: ограниченно свариваемая
Флокеночувствительность: чувствительна
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна
Температура критических точек материала 30ХМА
Ac
1
= 757, Ac
3
(Ac m
) = 807

2. Для обшивки летательных аппаратов использован сплав ВТ6. Приве-
дите состав сплава, режим упрочняющей термической обработки и по-
лучаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термиче-
ской обработке, и преимущества сплава ВТ6 по сравнению с ВТ5.
Класс: Титановый деформируемый сплав
Использование в промышленности: штампосварные детали, длительно работающие при температуре 400-450° ; класс по структуре α+β
Химический состав в % сплава ВТ6
Fe до 0,3
C до 0,1
Si до 0,15
V
3,5 - 5,3
N до 0,05
Ti
86,485 -
91,2
Al
5,3 - 6,8
Zr до 0,3
O до 0,2
H до 0,015
ВТ6 труба, лента, проволока, лист, круг ВТ6
Свойства:
Термообработка: Закалка и старение
Твердость материала: HB 10
-1
= 293 - 361 МПа
Свариваемость материала: без ограничений.
Механические свойства сплава ВТ6 при Т=20
o
С
Прокат
Размер Напр. σ
в
(МПа)
s
T
(МПа)
δ
5
(%) ψ %
KCU (кДж / м
2
)
Пруток
900-1100 8-20 20-45 400
Пруток
1100-1250 6
20 300
Штамповка
950-1100 10-13 35-60 400-800
Физические свойства сплава ВТ6

T (Град)
E 10
- 5
(МПа)
a 10
6
(1/Град) l (Вт/(м·град)) r (кг/м
3
) C (Дж/(кг·град)) R
10
9
(Ом·м)
20
1.15 8.37 4430 1600
100
8.4 9.21 1820
200
8.7 10.88 0.586 2020
300
9 11.7 0.67 2120
400
10 12.56 0.712 2140
500
13.82 0.795
600
15.49 0.879
Особенности термообработки титана ВТ6 (и близких по составу ВТ14 и т.д.): термическая обработка является основным средством изменения струк- туры титановых сплавов и достижения комплекса механических свойств, не- обходимых при эксплуатации изделий. Обеспечивая высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости, а также стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, термическая обработка имеет не меньшее значение, чем легирование.
Основными видами термической обработки титановых сплавов являются: отжиг, закалка и старение. Находят применение также термомеханические методы обработки.
В зависимости от температурных условий отжиг титановых сплавов может сопровождаться фазовыми превращениями (отжиг с фазовой перекристалли- зацией в области выше а→в - превращения) и может протекать без фазовых превращений (например, рекристаллизационный отжиг ниже температур а→в-превращения). Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов при- водит к разупрочнению или устранению внутренних напряжений, что может

сопровождаться изменением механических свойств. Легирующие добавки и примеси - газы существенно влияют на температуру рекристаллизации тита- на (рис. 1). Как видно из рисунка, температуру рекристаллизации в наиболь- шей степени повышают углерод, кислород, алюминий, бериллий, бор, рений и азот. Некоторые из элементов (хром, ванадий, железо, марганец, олово) действуют эффективно при введении их в относительно больших количе- ствах - не менее 3%. Неодинаковое влияние указанных элементов объясняет- ся разным характером их химического взаимодействия с титаном, различием в атомных радиусах и структурным состоянием сплавов.
Отжиг особенно эффективен для структурно нестабильных, а также дефор- мированных титановых сплавов. Прочность двухфазных а+в-сплавов титана в отожженном состоянии не является простой суммой прочности а- и в-фаз, а зависит и от гетерогенности структуры. Максимальной прочностью в отожженном состоянии обладают сплавы с наиболее гетерогенной структу- рой, содержащие примерно одинаковое количество а- и в-фаз, что связано с измельчением микроструктуры. Отжиг позволяет улучшить пластические ха- рактеристики и технологические свойства сплавов (табл. 4).
Неполный (низкий) отжиг применяют с целью устранения только внутренних напряжений, образовавшихся в результате сварки, механической обработки, листовой штамповки и др.
Помимо рекристаллизации в сплавах титана могут происходить и другие превращения, которые приводят к изменению конечных структур. Важней- шими из них являются: а) мартенситное превращение в-твердого раствора; б) изотермическое превращение в-твердого раствора; в) эвтектоидное или перитектоидное превращение в-твердого раствора с об- разованием интерметаллидных фаз;

г) изотермическое превращение нестабильного а-твердого раствора (напри- мер, а` в а+в).
Упрочняющая термическая обработка возможна лишь при условии содержа- ния в сплаве в-стабилизирующих элементов. Она заключается в закалке сплава и последующем старении. Свойства титанового сплава, получаемые в результате термической обработки, зависят от состава и количества метаста- бильной в-фазы, сохраняющейся при закалке, а также типа, количества и распределения продуктов распада, образующихся в процессе старения. На стабильность в-фазы существенное влияние оказывают примеси внедрения - газы. По данным И. С. Полькина и О. В. Каспаровой азот снижает стабиль- ность в-фазы, изменяет кинетику распада и конечные свойства, повышает температуру рекристаллизации. Также действует кислород, однако азот ока- зывает более сильное влияние, чем кислород. Например, по влиянию на ки- нетику распада в-фазы в сплаве ВТ15 содержание 0,1% N2 эквивалентно
0,53% 0 2
, а 0,01% N
2
- 0,2% О
2
. Азот, как и кислород, подавляет процесс об- разования ω-фазы.
М. А. Никаноровым и Г. П. Дыковой сделано предположение о том, что уве- личение содержания 0 2
интенсифицирует распад в-фазы благодаря его взаи- модействию с вакансиями закалки в-твердого раствора. Это, в свою очередь, создает условия для появления а-фазы.
Водород стабилизирует в-фазу, увеличивает количество остаточной в-фазы в закаленных сплавах, повышает эффект старения сплавов, закаленных из в- области, понижает температуру нагрева под закалку, обеспечивающую мак- симальный эффект старения.
В а + в- и в-сплавах водород влияет на интерметаллидный распад, приводит к образованию гидридов и потере пластичности в-фазы при старении. Водород в основном концентрируется в в-фазе.
Ф. Л. Локшин, изучая фазовые превращения при закалке двухфазных титано- вых сплавов, получил зависимости структуры после закалки из в-области и концентрацией электронов.
Сплавы ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТЗ-1 и ВТ14 имеют среднюю концентрацию элек- тронов на атом 3,91-4,0. Эти сплавы после закалки из в-области имеют струк- туру а`. При концентрации электронов 4,03-4,07 после закалки фиксируется а"-фаза. Сплавы ВТ 15 и ВТ22 с концентрацией электронов 4,19 после закал- ки из в-области имеют структурув-фазы.
Свойства закаленного сплава, а также процессы последующего упрочнения его при старении в значительной мере обусловливаются температурой закал- ки. При данной неизменной температуре старения с ростом температуры за- калки T
зак в (а + в)-области повышается прочность сплава и падают его пла-

стичность и вязкость. При переходе T
зак в область в-фазы понижается проч- ность без повышения пластичности и вязкости. Это происходит вследствие роста зерен.
С. Г. Федотов и др. на примере многокомпонентного а + в-сплава (7% Мо;
4% А1; 4% V; 0,6% Сr; 0,6% Fe) показали, что при закалке из в-области обра- зуется грубоигольчатая структура, сопровождающаяся понижением пластич- ности сплава. Чтобы избежать это явление, для двухфазных сплавов темпера- туру закалки принимают в пределах области а + в-фаз. Во многих случаях эти температуры находятся на границе или вблизи перехода а + в→в. Важной характеристикой титановых сплавов является их прокаливаемость.
С. Г. Глазуновым определены количественные характеристики прокаливае- мости ряда титановых сплавов. Например, плиты из сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ6 прокаливаются насквозь при толщине до 45 мм, а плиты из сплавов ВТ14 и
ВТ16 - при толщине до 60 мм; листы из сплава ВТ15 прокаливаются при лю- бой толщине.
В последние годы исследователями выполнены работы по изысканию опти- мальных практических методов и режимов упрочняющей термической обра- ботки промышленных титановых сплавов. Установлено, что после закалки двухфазных сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ16 предел прочности и предел текучести их понижаются. Близкую к ним прочность имеет после закалки и сплав ВТ15
(σ
в
=90-100 кгс/мм
2
).

3. Опишите антифрикционные пластмассовые материалы. Укажите их
свойства и область применения в машиностроении.
Для снижения трения в подвижных узлах любого оборудования требу- ется их своевременное смазывание. Выбор вида и способа смазки произво- дится с учетом конструкции и условий эксплуатации пары трения.
Механизм действия традиционных жидких и пластичных смазочных материалов состоит в образовании разделительной смазочной пленки между движущимися поверхностями при определенном сочетании нагрузки и ско- рости, необходимом для установления гидродинамического или полужид- костного режима трения.
Однако реальные условия работы механизмов далеки от идеальных.
Некоторые из механизмов (например, оборудование кирпичного производ- ства) предназначены для постоянной эксплуатации в пыльной среде под воз- действием высоких температур, нагрузок. Узлы большинства машин и обо- рудования в отдельные моменты времени или в течение всей эксплуатации также работают в режиме, при котором происходят локальные нарушения смазочной пленки, приводящие к повышенному трению, изнашиванию и об- разованию задиров. В таком режиме находятся не только тяжелонагружен- ные тихоходные узлы, но и все механизмы в моменты пуска, останова, ревер- сирования движения и в процессе приработки. Наиболее очевидным под- тверждением этого факта является износ, который сопровождает работу всех машин.
В последние годы получил распространение новый вид смазочных ма- териалов – антифрикционные покрытия. Они существенно снижают износ, значительно повышают надежность работы и ресурс узлов и механизмов.
Связующие элементы обеспечивают адгезию к субстрату, химическую стойкость и защиту от коррозии. В качестве связующих используют эпок- сидные смолы, титанаты, полиуретаны, акриловые, фенольные, полиамид- имидные и специальные компоненты.

При использовании органических связующих элементов термостой- кость антифрикционных покрытий достигает +250 °С, а неорганические си- стемы позволяют покрытиям работать при экстремально высоких темпера- турах - вплоть до +600 °С.
Растворители предназначены для переноса и распределения твердых смазок и связующих на субстрате, а также для обеспечения нужной вязко- сти антифрикционного покрытия путем разбавления перед нанесением.
Для улучшения необходимых свойств, а также для модификации и придания антифрикционным покрытиям новых свойств в них добавляют присадки.
Антифрикционные покрытия наносятся на поверхность с помощью обычных технологий окрашивания, таких как распыление, трафаретная пе- чать, окунание, нанесение кистью. После нанесения покрытия и сушки рас- творитель испаряется, а связующие вещества полимеризуются и обеспечива- ют надежное сцепление с основой. Выбор конкретного способа нанесе- ния антифрикционных покрытий зависит от геометрии покрываемых деталей и желаемого результата с точки зрения равномерности и долговечности по- крытий.
При нанесении покрытия на одну из деталей пары трения в процессе работы происходит частичный перенос твердых смазок на сопряженную по- верхность. Таким образом, в процессе трения под нагрузкой формируются плотные и очень гладкие антифрикционные пленки, закрывающие неровно- сти материала основы. В результате при работе пары трения скорость изна- шивания покрытия сводится к минимуму.
Эти процессы иллюстрирует фотография, полученная с помощью ска- нирующего электронного микроскопа при увеличении 1000 раз. На левой ча- сти показано покрытие сразу после отверждения, а на правой – после прира- ботки и формирования гладкой пленки из твердых смазок.
Преимущества антифрикционных покрытий перед другими видами смазочных материалов

Применение антифрикционных покрытий на сегодняшний день являет- ся самым перспективным способом решения многих проблем, связанных с потерями на трение в движущихся узлах.
В отличие от сухих смазок в виде натертых пленок частицы твердых веществ антифрикционных покрытий прочно удерживаются на поверхности с помощью связующего компонента.
По сравнению с применением традиционных смазочных материалов – пластичных и жидких смазок – антифрикционные покрытия имеют ряд пре- имуществ.
После нанесения антифрикционного покрытия образовавшаяся тонкая сухая смазочная пленка предотвращает налипание абразивной пыли и грязи на поверхность.
Благодаря тому, что твердые смазочные вещества удерживаются на по- верхности связующими, антифрикционные покрытия в большинстве случаев обеспечивают смазку на весь срок службы. Сухие смазки в составе АФП об- ладают исключительной термической стабильностью и химической инертно- стью, стойкостью к окислению и влаге. Они не стареют и не испаряются, способны эффективно работать в условиях радиации и вакуума даже после продолжительного простоя узла.
Толщина покрытия легко контролируется и может составлять от 5 до
20 мкм, что практически не влияет на исходную точность размеров детали.
Возможно локальное нанесение антифрикционных покрытий на определен- ные участки поверхности. Обладая высокими противоизносными и антикор- розионными свойствами, АФП могут заменить хромирование, цинкование и другие виды обработки.
Сравнение основных видов твердых смазок
Результаты испытаний антифрикционных покрытий Molykote показали их способность снижать трение до минимальных значений.
Сравнение некоторых свойств сухих смазок приведено в таблице 1.
Таблица 1. Основные виды твердых смазок и их свойства