Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Конспекты / Материаловедение в вопросах и ответах

Материаловедение в вопросах и ответах


  • Другое

Поделитесь материалом с коллегами:


ВОПРОС 1.Опишите точечные дефекты кристаллического строения металлов. Каково их влияние на свойства?

ОТВЕТ:Классификация дефектов кристаллической решетки металлов

В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения (несовершенства).

Вопрос: Точечные дефекты и их влияние на свойства материалов. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на 4 – е группы:

  1. Точечные (нульмерные);

  2. Линейные (одномерные);

  3. Поверхностные (двухмерные);

  4. Объемные (трехмерное).

2. Точечные дефекты

Эти дефекты малы во всех трех измерениях и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров.

К точечным дефектам относят вакансии («дырки» – дефекты Шоттки), межузельные атомы (дефекты Френкеля), примесные атомы образующие твердые растворы внедрения и замещения.

Вакансии образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность, или их полного испарения с поверхности кристалла (рис. 1).

С повышением температуры концентрация вакансий возрастает.

Межузельные атомы – эти дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие (на месте атома образуется вакансия). В металлах возникают очень трудно, связано с большими затратами энергий на переход атома в междоузлие.

Атомы примесей присутствующие даже в самом чистом металле, как правило, образуют твердые растворы (рис. 2)

hello_html_4e0701a2.jpg

Рисунок 1. Схема точечных дефектов в кристалле:

l – примесный атом замещения; 2 – дефект Шоттки; 3 – примесный атом внедрения; 4 – дивакансия; 5 – дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 – примесный атом замещения

hello_html_7e9a49e5.jpg

Рисунок 2. Схема точечных дефектов в кристалле (на примере решетки ОЦК):

l – чистый металл; 2 – твердый раствор замещения; 3 – твердый раствор внедрения

Точечные (нульмерные) дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные искажения решетки (смещение атомов), окружающие нульмерный дефект, создается только на расстояниях нескольких атомных диаметров (составляют доли межатомного расстояния).

Дефекты Шоттки и Френкеля оказывают влияние на свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства, предопределяют процесс диффузии в металлах, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.  Влияние дефектов зависит от расположения дефектов.


ВОПРОС 2. Что такое твердость? Назовите переносные приборы для измерения твердости. Опишите особенности определения твердости с помощью этих приборов.

ОТВЕТ:

1.1 Что такое твердость?

Под твердостью понимают сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

Общий принцип определения твердости заключается в том что, инденторт внедряется в поверхность материала, который нужно испытать под определенной нагрузкой на установленный интервал времени. Определение твердости осуществляется по известным размерам или глубины отпечатка.

Твердость – не фундаментальное свойство материала, а реакция на определенный метод испытаний. В основном, величины твердости произвольны, и не имеется никаких абсолютных стандартов для твердости.

Твердость не имеет никакого количественного значения, кроме как в условиях данной нагрузки, применяемой определенным, воспроизводимым способом и с указанной формой индентора.

Статическое определение твердости вдавливанием, при котором шарик, конус или пирамида проникает в поверхность материала, является широко распространенным испытанием. Отношение нагрузки к площади поверхности или глубине отпечатка – число твердости, получаемое с твердомерами по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу или Кнупу.

Различные методы и инденторы различной формы, использованные, например,

Бринеллем и Роквеллом поставляют несходные реакции материала на испытание.

Таблицы соотношения чисел твердости HRC и HB – только приближения – не существует математических уравнений, чтобы перейти от одной шкалы к другой.

Так называемые таблицы соотношения между числами твердости, определенными различными методами, содержат значения определенные эмпирически экспериментальной оценкой для определенного материала твердости различными

методами испытаний. Для сравнения твердости двух различных образцов, оба должны быть испытаны, используя одну и ту же шкалу твердости, или шкала должна быть разработана, чтобы переходить от одного способа измерения к другому.

1.2 Для чего необходимо испытание на твердость?

Материалы в производстве, прежде всего, испытываются по двум причинам: 1)

чтобы исследовать характеристики нового материала или 2) для проверки

1.3 Испытание твердости на месте

ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ПРИБОРЫ: переносной прибор Польди , . Твердомеры Krautkramer DynaMIC или DynaPOCKET, ТЭMП-2у, ТПКМЭ-20-96, Ультразвуковой твердомер МЕТ-У1А, Динамический твердомер МЕТ-Д1А, Комбинированный твердомер МЕТ-УДА

При использовании стационарных твердомеров подобных приборам Роквелла,

Бринеля или Виккерса требуется, чтобы испытываемый образец помещался под

измерительным устройством; что не всегда возможно. Переносные измерительные устройства разработаны для того, чтобы позволить проводить определение твердости не только в лаборатории, но и в полевых условиях.

Статический метод заключается в измерении сдвига частоты резонирующего стержня с пирамидкой Виккерса, который происходит, когда ромб проникает в испытательный материал, применяя определенную пробную нагрузку при испытании. Частота сдвига оценивается и с помощью электроники преобразуется к величине твердости, отображаемой на ЖК-индикаторе. Прибор Krautkramer MIC 10 работает согласно этому методу, так называемому UCI метод.

Другой известный принцип для переносных приборов для определения твердости

метод отскока. Твердомеры Krautkramer DynaMIC или DynaPOCKET, например, измеряют скорость приведенного в движение ударного тела непосредственно до и после удара о поверхность испытываемого материала. Отношение между обеими

скоростями указывает твердость материала, которая может быть преобразована в различные шкалы, используя таблицы соотношения, сохраненные в приборе для различных материалов.

2. UCI Метод (MIC 10, MIC 20)

Твердомер переносной ТЭMП-2у

Переносной твердомер предназначен для экспрессного измерения твердости различных изделий (из стали, чугуна, цветных металлов, резины и др. материалов) в производственных и лабораторных условиях по шкалам Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Виккерса (HV), Шора "D" (HSD), а также для определения пределов прочности и текучести, в том числе по ГОСТ 22761-77. Твердомер переносной ТЭМП-2у является усовершенствованным вариантом твердомера ТЭМП-2 с большим количеством шкал, позволяющим использовать его в первую очередь как трубный твердомер. Только переносной твердомер ТЭМП-2у позволяет точно измерить твёрдость, предел прочности и текучести тонкостенных труб разных диаметров с толщиной стенки менее 8 мм (а также листов и обечаек от 2 мм и выше), при этом используется специальная методика, разработанная в ООО НПП "Технотест". Твёрдость труб с толщиной стенки свыше 8 мм измеряется твердомером ТЭМП-2у напрямую без каких-либо дополнительных методик. Твердомер прошел Госиспытания (сертификат № 9315), зарегистрирован в Государственном Реестре средств измерений ГОССТАНДАРТа России под № 15711-96 и допущен к применению в Российской Федерации. Переносной твердомер ТЭМП-2у также зарегистрирован в Государственных Реестрах средств измерений ГОССТАНДАРТов Украины, Беларуси, Казахстана и в отраслевом Реестре средств измерений МПС РФ под № МТ-021.2000.
По техническим характеристикам и надежности программируемый твердомер ТЭМП-2у не уступает лучшим зарубежным аналогам.

Возможности переносного твердомера ТЭМП

  • твердомер позволяет проводить измерение твердости деталей, в том числе сложной формы и крупногабаритных изделий, имеющих труднодоступные зоны измерений, при различных пространственных положениях датчика прибора;

  • высокая производительность, простота измерений и обслуживания твердомера;

  • диагностирование твердости эксплуатируемого оборудования твердомером с целью оценки его остаточного безопасного ресурса;

  • электронный блок твердомера позволяет проводить усреднение результатов измерений, их ввод в буфер памяти и последующий вывод из него на дисплей твердомера или на компьютер, распечатка данных на принтере в виде протокола либо сохранение их в виде файла;

  • твердомер имеет энергонезависимую память 64-х программируемых шкал твердости и до 255 усредненных результатов измерений твердости;

  • твердомер позволяет программировать (калибровать) шкалы твердости с его клавиатуры или при помощи компьютера и программы на компакт-диске. При этом используются поставляемые с твердомером кабели USB (порт COM).

  • определение предела прочности на растяжение Rm (σB) твердомером путем автоматического пересчета с НВ по ГОСТ 22761-77 для углеродистых сталей перлитного класса;

  • самоотключение твердомера, индикация ресурса батарей питания;

  • подсветка дисплея твердомера обеспечивает устойчивую работу при низких (до минус 20°С) температурах и в неосвещенных местах;

  • графический ЖКИ позволяет отслеживать все действия пользователя при работе с твердомером (усреднение, работа с памятью, положение датчика, программирование, разряд батарей, включение и выключение подсветки);

  • твердомер может комплектоваться специальными датчиками разного назначения, в том числе спецдатчиком с удлиненной насадкой, позволяющим измерять твердомером твердость шестерен с модулем четыре и выше во впадинах, и по эвольвенте зуба, а также твердость шкивов, пазов под шпонки, труднодоступных мест, например зон термического влияния у сварных валиков на трубах.

Технические характеристики переносного твердомера

  • Диапазоны измерений твердости по шкалам:
    Бринелля, НВ 100 - 450;
    Роквелла, HRC 22-68;
    Виккерса, HV 100-950;
    Шора, HSD 22-99
    Для резины 20-80 по Шору А
    При необходимости шкалы твердости и указанные диапазоны шкал могут быть расширены

  • Минимальная толщина измеряемого изделия, мм 2

  • Погрешность показаний твердомера не более, % 3

  • Время одного измерения, не более, сек 1

  • Число измерений, усредняемых твердомером от 3 до 100

  • Максимально возможное общее количество записанных шкал 64

  • Программируемое время подсветки ЖКИ твердомера после измерения или нажатия кнопки, сек 0, 15 или вкл. постоянно

  • Рабочий диапазон температур, ° С от -20 до 60

  • Время непрерывной работы твердомера на 2-х элементах типа АА (по 1,5В) не менее, час 120

  • Шероховатость контролируемой поверхности не более, Ra 2,5

  • Время до автоматического отключения твердомера, мин 1,5

  • Габаритные размеры, мм 30х65х135

  • Масса твердомера в пластмассовом корпусе, кг 0,22

Твердомер внесен в ряд РД разных отраслей промышленности России, в том числе и в РД, утвержденных Госгортехнадзором РФ, в частности:

  1. ТПКМЭ-20-96. "Типовая программа контроля механических свойств металла трубопроводов АЭС с ВВЭР-1000 после 100 тысяч часов эксплуатации". Разработана ГП ВНИИАЭС, ОКБ "Гидропресс". Утверждена в ГП Концерне "РОСЭНЕРГОАТОМ", Москва, 1996 г.

  2. РД 153-34.1-003-01. "Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования". (РТМ-1с), Минэнерго России, ПИО ОБТ, Москва, 2001 г.

  3. РД 12-411-01. "Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов. Госгортехнадзор России, Москва, 2001 г.

  4. РД 243 РФ 3.11-99. "Техническое состояние подземных газопроводов". ОАО РОСГАЗИФИКАЦИЯ, ОАО ГИПРОНИИГАЗ, Саратов, 1999 г.

  5. "Методика проведения экспертизы промышленной безопасности и определения срока дальнейшей эксплуатации газового оборудования промышленных печей, котлов, ГРП, ГРУ, ШРП и стальных газопроводов. Госгортехнадзор. Москва, 2004 г.

  6. РД 31.114-98. "Методика выполнения измерений твердости рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес тяговых передач тягового подвижного состава". ВНИТИ МПС, МПС РФ, Москва, 1998 

Ультразвуковой, динамический и комбинированный твердомеры предназначены для неразрушающего контроля твёрдости изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях. Твердомеры достоверно измеряют твердость металлов и сплавов по шкалам твердости:

  • основным: Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD);

  • дополнительным: Роквелла (HRB), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Лейба (HL) и другим.

Позволяют измерять твердость металлов существенно отличающихся по свойствам от стали (алюминиевых, медных сплавов и т.д.) и определять предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса.

Твердомеры зарегистрированы в государственных реестрах утвержденных типов средств измерений России, Украины, Белоруссии и Казахстана, а также в отраслевых реестрах ОАО "РЖД" и Госкорпорации "Росатом".

Центр "МЕТ" имеет лицензию на производство твердомеров.

КЛЮЧЕВЫЕ КАЧЕСТВА

Точность измерений обеспечивается передачей значений твёрдости от Государственных Эталонов Твердости РФ непосредственно портативному твердомеру, минуя промежуточные звенья государственной поверочной схемы.

Прямое измерение по основным шкалам твёрдости (Роквелла, Бринелля, Виккерса и Шора) достигается за счет калибровки только с помощью эталонных мер твердости без использования переводных таблиц, которые "зашиты" в программы других твердомеров, увеличивающих погрешность измерения.

Возможность самостоятельно откалибровать твердомер (в течение нескольких минут), что позволяет восстановить точность показаний твердомера при возможном износе механических частей датчика (пружина, боёк) в процессе интенсивной эксплуатации.

Удобство передачи и обработки данных на компьютере достигается за счет подключения твердомера к современному высокоскоростному порту USB и использования эксклюзивного програмного обеспечения.

Высокая степень защиты алюминиевого, герметичного, пыле-влагозащищенного, термостойкого корпуса электронного блока.

3 года гарантийного обслуживания и последующая техническая поддержка.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД СТАЦИОНАРНЫМИ ТВЕРДОМЕРАМИ

Работа с поверхностным слоем металла: cтационарные твердомеры под действием больших нагрузок "продавливают" поверхностный слой, подвергнутый наплавлению, напылению, механической, термической и другим видам поверхностной обработки металла.

Крупногабаритные изделия и труднодоступные места в изделиях: для стационарных твердомеров подобный контроль твердости недоступен из-за технических и конструкционных ограничений.

Измерения на месте производства и эксплуатации изделий: портативность позволяет измерять твёрдость изделия непосредственно на месте производства и эксплуатации изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях.

8 шкал твердости: экспресс-анализ твёрдости изделия по 8-ми различным шкалам твёрдости (в отличии от 1-3 шкал в стационарных твердомерах).

Высокая производительность: время одного измерения портативным твердомером в 5-10 раз меньше времени измерения стационарным.



ВОПРОС 3. Вычертите упрощенный вариант диаграммы состояния сплавов железо – цементит» и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Для сплава, содержащего 0,6% углерода, постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие при охлаждении. Схематично покажите и опишите структуру данного сплава.

ОТВЕТ:

hello_html_m7e4534d5.gif

Структурные составляющие областей указаны на самой диаграмме: аустенит, аустенит + феррит характерны для доэвтектоидных сталей, отмечены жидкая фаза, двухфазное состояние вещества и твердая фаза. После точки с процентным содержанием углерода 2,14% сплав носит название чугун, который представлен структурами аустенит + цементит, при понижении температуры выделяется структура перлит.

1. Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - Fе3С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит {стабильная).

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.



Вопрос: Построение кривой охлаждения:

Через точку, соответствующую 0,6 % углерода проводим перпендикуляр( к оси абсцисс)- красный цвет, точки пересечения перпендикуляра линий графика указывают на температуры при которых происходит фазовые переходы сплавов:

  • При температуре 1480 0 Сиз жидкой фазы выделяются кристаллы аустенита, сплав состоит из жидкой фазы и кристаллов аустенита.

  • При температуре 14000 С исчезает жидкая фаза появляются кристаллические зерна аустенит

  • При температуре 7500 С появляются образования аустенит + феррит

3. При комнатной температуре этот сплав называется ДОЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛЬ он состоит из равновесной структуры феррит + перлит( феррит + цементит )

4. Кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,6 % углерода имеет вид точки А и В соответствуют температурам перехода из одного фазового состояния в другое.


участок 1-2 понижение температуры жидкого сплава, до 1480 градусов,

участок 2-2 понижение температуры двухфазной области до 1400 градусов,

участок 2-3 понижение твердого аустенита с выделением феррита до

температуры 750 градусов











hello_html_6ab9541d.jpg

Под структурой понимают строение, форму, размеры и характер расположения соответствующих фаз.  Фазы являются структурными составляющими, имеющими однородное (гомогенное) кристаллическое строение и агрегатное состояние, отделенные от других составных частей поверхностями (границами) раздела. Структура крупнозернистой доэвтектоидной стали имеет вид: весь углерод содержится в перлите – на чертеже представлены областями темного цвета, феррит представлен светлым фоном.

.Структура содержит твердые растворы: аустенит, феррит.


hello_html_4fa64706.jpghello_html_439c8cf2.jpg





ВОПРОС 4: Для изделий, выполненных из стали 15, требуется получить поверхность с высокой твердостью и износостойкостью. Выберите метод химико-термической обработки, опишите его технологию и структуру металла после окончательной термической обработки.

ОТВЕТ: С целью повышения твердости поверхностного слоя и повышения износостойкости можно провести цементацию, азотирование или борирование.

Цементация - это насыщение поверхностного слоя стали углеродом, может быть в твердой среде и газообразной.

Сталь 15 при цементации получит повышенную твердость поверхностного слоя и износостойкость, при этом сердцевина останется вязкой и пластичной. Такая обработка проводится при 560-580 0 С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования g-фазы в системе Fe - N. Цементация в разных средах.


¨ Цементация в твердом карбюризаторе.

¨ Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты

(далее т. в. ч.).

¨ Цементация в пастах.

¨ Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.

¨ Газовая цементация.

¨ Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.

¨ Цементация с нагревом т. в. ч.

¨ Ионная цементация.

¨ Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.

¨ Цементация в жидкой среде.

¨ Цементация в расплавленном чугуне.

Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно

много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется

довольно часто.

Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс

поверхностного насыщения стали азотом.

Цементация — процесс науглероживания поверхностного слоя стальных деталей, нагретых до температуры свыше 900—940° С, что определяет наибольшую скорость протекания процесса. В зависимости от состояния науглероживающей среды (карбюризатора) различают цементацию в твердом карбюризаторе, цементацию в жидкой среде и газовую цементацию стали.

В качестве твердой науглероживающей среды используют древесно-угольные карбюризаторы, в качестве жидкой среды — расплавленные соли (75— 80% Na2C03, 10—15% .NaCl и 8—12% SiC) и газовой среды — газы, содержащие метан СН4, окись углерода СО, углеводородные газы С6Н6, С3Н8, С4Н10 и др.     Глубина  цементации  зависит  от  температуры  и продолжительности

процесса.

Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют при 900—940° С со средней скоростью 0,08—0,1 мм/ч. Недостаток цементации в твердом карбюризаторе заключается в длительности процесса.

Цементация в жидком карбюризаторе выполняется при температуре 840— 860° С и средней скорости диффузии углерода 0,2—0,4 мм/ч. Преимуществами процесса цементации в жидком карбюризаторе являются: равномерность нагрева, более низкая температура, способствующая уменьшению деформаций детали, а также более мелкое зерно цементированного слоя.

Газовая цементация выполняется при температуре, близкой к 1000° С со скоростью 0,8—1,2'мм/ч, что позволяет в некоторых случаях при использовании индукционного нагрева ТВЧ сократить продолжительность операции до  1  ч.

Собственно цементация не решает вопроса упрочнения детали. Для достижения указанного эффекта необходима последующая термическая обработка — закалка и отпуск. Закалка непосредственно после цементации сокращает продолжительность и удешевляет процесс упрочнения, а также уменьшает термическую деформацию детали.

Детали после цементации и последующей закалки имеют повышенную твердость (HRC 58—62) и прочность поверхностного слоя. На рис. 6.5 показана зависимость изменения твердости в глубь поверхностного цементированного слоя после закалки и отпуска.

Цементация повышает усталостную прочность деталей, благодаря увеличению твердости, прочности цементированного слоя и образованию в нем внутренних   напряжений   сжатия,   которые   снижают   влияние   концентраторов

напряжений.

Цементации подвергаются многие детали бурового и нефтегазопромысло-вого оборудования — турбобура, втулочно-роликовых цепей, буровых долот и др.

Азотирование (предложено русским ученым Н. П. Чижевским) — один из процессов химико-термической обработки, при котором поверхностные

слои стальных и чугунных деталей насыщаются азотом. Азотирование повышает твердость и износостойкость, усталостную прочность и увеличивает сопротивление коррозии. Процесс осуществляется при нагреве деталей в аммиаке.

Обычно азотированию подвергают стали, легированные хромом, молибденом и вольфрамом, так как соединения этих элементов с азотом (нитриды) обладают весьма высокой твердостью и износостойкостью. Нитриды блокируют цислокации, имеющиеся в металле, и повышают его прочность. Как правило, сначала выполняется закалка, а затем азотирование в муфельных печах при температуре 480—650° С в течение 2—3 сут.

Детали двигателей внутреннего сгорания (гильзы блока), глубинных нефтяных насосов (стальные втулки), подвергнутые азотированию, имеют резко увеличенный ресурс. 

hello_html_23c0181e.jpg

hello_html_24969d2c.jpg

Структура металла после окончательной термической обработки.

hello_html_m6838d143.jpg На рисунке концентрация углерода в структуре уменьшается справа налево, т.е. правый край, - это цементированная поверхность.

Как видно насыщенная зона имеет более темный цвет, затем наступает переходная зона, а потом и бездиффузионная зона. В некоторых случаях, когда диффузионная зона состоит из одной фазы и представляет собой твердый раствор, глубину слоя методом травления бывает сложно. В этом случае она определяется посредством определения твердости по поперечному сечению образца, т.к. твердость с уменьшением содержания насыщенного элемента, от поверхности к сердцевине, уменьшается.

ВОПРОС 5. Для изготовления режущего инструмента используют сплавы Т5К10 и Т15К6. Укажите химический состав сплавов, способ изготовления и область применения. Объясните область высокой теплостойкости этих сплавов.

ОТВЕТ:

Для изготовления режущих инструментов применяют карбидные материалы, состоящие из титана и кобальта.

Титановольфрамовые твердые сплавы (Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др.) предназначены для обработки вязких материалов: стали, латуни. Сплавом Т5К10, например, оснащают режущий инструмент для чернового точения, а также чернового и чистового строгания сталей по корке и окалине (включая стальные тюковки, штампованные заготовки и отливки)

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СПЛАВА:  Т5К10 - 15% карбида титана, 10%кобальта, остальное - карбид вольфрама.(100% -(15 +10)) = 85%)

Т15К6 – карбида титана 15%, кобальта 6% и 79% карбид вольфрама.


Титано-вольфрамовые твердые сплавы при содержании TiC менее 15% имеют структуру, состоящую из твердого раствора WC в TiC, твердого раствора Co в WC и TiС, а также избыточных карбидов WC. Если в сплаве более 15% TiC, то весь вольфрам растворяется в TiC и структура состоит из твердого раствора WC в TiC и твердого раствора Со в WC и TiC.

В России сплавы этой группы обозначаются буквами ТК, где Т со следующей за ней цифрой означают процентное содержание TiC, К – процентное содержание Со, остальное WC.

Твердость и теплостойкость твердых сплавов группы ТК выше, чем у сплавов ВК. Критическая температура достигает 850-9000С. Содержание TiC меняется в разных сплавах от 5 до 30%, при этом содержание кобальта соответственно меняется от 4 до 12%. С увеличением содержания кобальта увеличивается прочность, но уменьшается твердость.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Получение твердых сплавов методом порошковой металлургии

  1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов.

  2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.

  3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.

  4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).

  5. Холодное прессование (в смесь добавляют органический клей для временного сохранения формы).

  6. Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850 °C клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.





ВОПРОС: ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ Применение специальных твердых сплавов дает возможность вести обработку металлов со сверхвысокими скоростями резания, поскольку эти сплавы обладают очень высокой твердостью, износоустойчивостью и красностойкостью. Основу твердых сплавов составляют карбиды тугоплавких металлов: WC, TiC, VC, TaC, NbC, CrC и др., которые имеют высокие температуры плавления, повышающие температуры плавления исходных металлов.

Металлический характер межатомных связей в карбидах определяет и металлический характер их физических свойств: повышенную электропроводность (уменьшающуюся с повышением температуры), повышенную теплопроводность, а также способность взаимодействовать в жидком и твердом состоянии между металлами данной и других групп. Это позволяет на основе карбидов тугоплавких металлов создавать различные композиции твердых сплавов. Карбиды можно получить в виде порошка и в литом состоянии. В зависимости от способа производства твердые сплавы делятся на две группы: металлокерамические и литые.

 

Металлокерамические твердые сплавы

Это сплавы карбидов некоторых тугоплавких металлов (W, Ti, Ta) с добавками Co (как цементирующего металла). Карбиды W и Ti имеют высокую твердость; Co придает сплавам вязкость и снижает температуру спекания. Металлокерамические твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии. По структуре карбидных составляющих металлокерамические твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамовые (W), титановольфрамовые (Ti-W), и титанотанталовольфрамовые (Ti-Ta-W). Сплавы вольфрамовой группы отличаются повышенной вязкостью, но меньшей твердостью. Изменяя состав сплавов (карбид WC от 97 до 85%, остальное Co), получают различные свойства в зависимости от области применения. Сплавы титановольфрамовой группы имеют более высокую твердость и износоустойчивость, но меньшую вязкость. Добавление карбида TiC взамен части карбида WC уменьшает коэффициент трения пары сплав-сталь. Такое же влияние оказывает и введение других карбидов тугоплавких металлов, кристаллизующихся, как и TiC, TaC или NbC. В результате взаимодействия TiC и WC образуется твердый раствор этих карбидов на основе TiC.

Металлокерамические вольфрамовые сплавы используют при изготовлении режущего инструмента для обработки чугуна, бронзы и неметаллических материалов. Из металлокерамических титановольфрамовых сплавовизготовляют режущий инструмент для обработки сталей. Металлокерамические твердые сплавы применяют также для изготовления волочильных фильер, штампов, прессформ и т.д.

Применение важнейших марок твердых сплавов

  • ВК2 - чистовая и получистовая обработка чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмасс, стекла), а также закаленных сталей.

  • ВК3 - резка стекла.

  • ВК3М - чистовая и получистовая обработка серого чугуна, цементованных и закаленных легированных и углеродистых сталей, весьма твердых чугунов, а также для изготовления инструментов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.

  • ВК4 - чистовая и получистовая обработка чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов, титана и титановых сплавов, нержавеющих сталей и жаропрочных сталей и сплавов.

  • ВК6М - чистовая и получистовая обработка жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твердых чугунов и бронзы, сплавов легких металлов, твердых и абразивных материалов, пластмасс, стекла, термически необработанных углеродистых и лерированных сталей.

  • ВК6 - черновая и чистовая обработка чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов.

  • ВК8 - черновая обработка чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов, а также для обработки резанием специальных труднообрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов.

  • ВК10 - используют для волочения прутков и труб из стали, а также для быстроизнашивающихся деталей, приспособлений и инструментов.

  • ВК15 - предназначаются для быстроизнашивающихся деталей, приспособлений и инструментов, работающих в условиях небольших ударных нагрузок, а также для режущего инструмента по дереву.

  • ВК20 - для быстроизнашивающихся деталей, приспособлений и инструментов, работающих в условиях средних ударных нагрузок.

  • ВК25 - для быстроизнашивающихся деталей, приспособлений и инструментов, работающих в условиях больших ударных нагрузок.

  • Т30К4 - чистовая обработка незакаленных и закаленных легированных и углеродистых сталей.

  • Т15К6 - черновая, получистовая и чистовая обработка легированных и углеродистых сталей.

  • Т14К8 - черновая, получистовая и чистовая обработка легированных и углеродистых сталей.

  • Т5К10 - черновая, получистовая и чистовая обработка легированных и углеродистых сталей (поковок, штамповок и отливок).

  • Т5К12В - тяжелая черновая обработка стальных поковок, штамповок и отливок, а также для строгания углеродистых и легированных сталей.

  • ТТ7К12 - тяжелая черновая обработка стальных поковок, штамповок и отливок, а также для строгания углеродистых и легированных сталей.

  • ТТ10К8Б - черновая и получистовая обработка некоторых труднообрабатываемых материалов (жаропрочные стали и сплавы и др.).

Литые твердые сплавы

В зависимости от химического состава делятся на три группы. К первой относится релит, являющийся композицией литых карбидов W (WC и W2C). Релит обладает температурой плавления 3500oC, его сплавы отличаются высокой твердостью и износоустойчивостью. Вторая группа - стеллиты - сплавы на Co-Cr-основе с W. Эти сплавы обладают температурой плавления, подобной температурам плавления сталей, высокой твердостью, износоустойчивостью и красностойкостью. На структуру и механические свойства стеллитов оказывает влияние скорость охлаждения. Так, при бысром охлаждении измельчается зерно и повышаются механические свойства. Стеллиты обладают также высокой антикоррозийностью. Хорошая свариваемость позволяет использовать стеллиты для наплавки на инструменты (подвергающиеся износу), благодаря чему их стойкость повышается. При изготовлении режущих инструментов стеллиты используют в виде пластинок или вставных ножей. К третьей группе относятсясормайты - сплавы на Fe-Cr-основе с Mn и Ni. Сормайты обладают меньшей твердостью и красностойкостью, чем стеллиты.

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Типы твёрдых сплавов

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.
Твердые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б.Безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30

По химическому составу твердые сплавы классифицируют:

  • вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК);

  • титановольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТК);

  • титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТТК).

Твердые сплавы по назначению делятся (классификация ИСО) на:

  • Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;

  • М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);

  • К — для обработки чугуна;

  • N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;

  • S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;

  • H — для закаленной стали.

Из-за дефицита вольфрама разработана группа безвольфрамовых твердых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своем составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никельмолибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твердым сплавам.

Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твердыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности, но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к наростообразованию при резании. Поэтому их рекомендуют использовать для чистового и получистового точения, фрезерования. По назначению относятся к группе Р классификации ИСО.

Свойства твёрдых сплавов

Пластинки из твердого сплава имеют HRС 86-92 обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800—1000 °C), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин.

Спечённые твёрдые сплавы

Твердые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта. Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1-10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200—300 кгс/см², а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1400—1500 °C, в защитной атмосфере. Термической обработке твердые сплавы не подвергаются, так как сразу же после изготовления обладают требуемым комплексом основных свойств.

Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитрид титана, реже — другие карбиды, бориды и т. п. В качестве матрицы для удержания зерен твердого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов), реже — никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).

Получение твердых сплавов методом порошковой металлургии

  1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов.

  2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.

  3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.

  4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).

  5. Холодное прессование (в смесь добавляют органический клей для временного сохранения формы).

  6. Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850 °C клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.

[править]Номенклатура спеченных твердых сплавов

Твердые сплавы условно можно разделить на три основные группы:

  • вольфрамосодержащие твердые сплавы

  • титановольфрамосодержащие твердые сплавы

  • титанотанталовольфрамовые твердые сплавы

Каждая из вышеперечисленных групп твердых сплавов подразделяется в свою очередь на марки, различающиеся между собой по химическому составу, физико-механическим и эксплуатационным свойствам.

Некоторые марки сплава, имея одинаковый химический состав, отличаются размером зерен карбидных составляющих, что определяет различие их физико-механических и эксплуатационных свойств, а отсюда и областей применения.

Свойства марок твердых сплавов рассчитаны таким образом, чтобы выпускаемый ассортимент мог в максимальной степени удовлетворить потребности современного производства. При выборе марки сплава следует учитывать: область применения сплава, характер требовании, предъявляемых к точности обрабатываемых поверхностей, состояние оборудования и его кинематические и динамические данные.

Обозначения марок сплавов построено по следующему принципу:

1 группа - сплавы содержащие карбид вольфрама и кобальт. Обозначаются буквами ВК, после которых цифрами указывается процентное содержание в сплаве кобальта. К этой группе относятся следующие марки:

ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК60М, ВК6КС, ВК6В, ВК8, ВК8ВК, ВК8В, ВК10КС, ВК15, ВК20, ВК20КС, ВК10ХОМ, ВК4В.

2 группа - титановольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, карбид вольфрама и кобальт. Обозначается буквами ТК, при этом цифра, стоящая после букв Т обозначает % содержание карбидов титана, а после буквы К - содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4.

3 группа — титанотанталовольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, тантала и вольфрама, а также кобальт и обозначаются буквами ТТК, при этом цифра, стоящая после ТТ % содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К - содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К12, ТТ20К9.

4 группа — сплавы с износостойкими покрытиями. Имеют буквенное обозначение ВП. К этой группе относятся следующие марки: ВП3115 (основа ВК6), ВП3325 (основа ВК8), ВП1255 (основа ТТ7К12).

Твердые сплавы применяемые для обработки металлов резанием: ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК60М, ВК8, ВК10ХОМ, ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, ТТ7К12, ТТ20К9.

Твердые сплавы применяемые для бесстружковой обработки металлов и древесины, быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК15, ВК20, ВК10КС. ВК20КС.

Твердые сплавы применяемые для оснащения горного инструмента: ВК6В, ВК4В, ВК8ВК, ВК8, ВК10КС, ВК8В,ВК11ВК,ВК15.

В России и бывшем СССР для обработки металлов резанием применяются следующие спеченные твердые сплавы

РАБОТА С ТАБЛИЦЕЙ :

Российские спечённые твёрдые сплавы, применяемые в современной мировой промышленности:[скрыть]

Прочность на изгиб (σ),
МПа

Твёрдость,
HRA

Плотность (ρ),
г/см3

Теплопроводность (λ),
Вт/(м·°С)

Модуль Юнга (Е),
ГПа

ВК2

98

2

1200

91,5

15,1

51

645

ВК3

97

3

1200

89,5

15,3

50,2

643

ВК3-М

97

3

1550

91

15,3

50,2

638

ВК4

96

4

1500

89,5

14,9-15,2

50,3

637,5

ВК4-В

96

4

1550

88

15,2

50,7

628

ВК6

94

6

1550

88,5

15

62,8

633

ВК6-М

94

6

1450

90

15,1

67

632

ВК6-ОМ

92

2

6

1300

90,5

15

69

632

ВК8

92

8

1700

87,5

14,8

50,2

598

ВК8-В

92

8

1750

89

14,8

50,4

598,5

ВК10

90

10

1800

87

14,6

67

574

ВК10-ОМ

90

10

1500

88,5

14,6

70

574

ВК15

85

15

1900

86

14,1

74

559

ВК20

80

20

2000

84,5

13,8

81

546

ВК25

75

25

2150

83

13,1

83

540

ВК30

70

30

2400

81,5

12,7

85

533

Т5К10

85

6

9

1450

88,5

13,1

20,9

549

Т5К12

83

5

12

1700

87

13,5

21

549,3

Т14К8

78

14

8

1300

89,5

11,6

16,7

520

Т15К6

79

15

6

1200

90

11,5

12,6

522

Т30К4

66

30

4

1000

92

9,8

12,57

422

ТТ7К12

81

4

3

12

1700

87

13,3



ТТ8К6

84

8

2

6

1350

90,5

13,3



ТТ10К8-Б

82

3

7

8

1650

89

13,8



ТТ20К9

67

9,4

14,1

9,5

1500

91

12,5



ТН-20

79

(Ni15%)

(Mo6%)

1000

89,5

5,8



ТН-30

69

(Ni23%)

(Mo29%)

1100

88,5

6



ТН-50

61

(Ni29%)

(Mo10%)

1150

87

6,2



Иностранные производители твердого сплава, как правило, используют каждый свои марки сплавов и обозначения. При этом состав сплавов обычно держится в секрете.

В настоящее время в отечественной твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования, связанные с возможностью повышения эксплуатационных свойств твердых сплавов и расширением сферы применения. В первую очередь эти исследования касаются химического и гранулометрического состава RTP(ready-to-press) смесей. Одним из удачных примеров за последнее время можно привести сплавы группы ТСН (ТУ 1966—001-00196121-2006), разработанных специально для рабочих узлов трения в агрессивных кислотных средах. Данная группа является логическим продолжением в цепочке сплавов ВН на никелевой связке, разработанных Всероссийским Научно-Исследовательским Институтом Твердых Сплавов. Опытным путём было замечено, что с уменьшением размера зерен карбидной фазы в твердом сплаве, качественно повышаются такие характеристики, как твердость и прочность. Технологии плазменного восстановления и регулирования гранулометрического состава в данный момент позволяют производить твердые сплавы размеры зерен (WC) в которых могут быть менее 1 микрометра. Сплавы ТСН группы в настоящий момент находят широкое применение в производстве узлов химических и нефтегазовых насосов отечественного производства.

Литые твёрдые сплавы

Литые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья.

Применение

Твердые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твердосплавный инструмент обладает высокой твердостью HRA 80-92 (HRC 73-76), теплостойкостью (800—1000 °C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твердые сплавы имеют пониженную прочность (σи = 1000—1500 МПа), не обладают ударной вязкостью. Твердые сплавы нетехнологичны: из-за большой твердости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент, к тому же они ограниченно шлифуются — только алмазным инструментом, поэтому твердые сплавы применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним.

Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:

  • Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, свёрла, протяжки и прочий инструмент.

  • Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.

  • Клеймение: оснащение рабочей части клейм.

  • Волочение: оснащение рабочей части волок.

  • Штамповка: оснащение штампов и матриц(вырубных, выдавливания и проч.).

  • Прокатка: твердосплавные валки (выполняются в виде колец из твердого сплава, одеваемых на металлическое основание)

  • Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов.

  • Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.

  • Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.

  • Газотермическое напыление износостойких покрытий




Автор
Дата добавления 30.10.2016
Раздел Другое
Подраздел Конспекты
Просмотров82
Номер материала ДБ-300200
Получить свидетельство о публикации


Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх