Состав, свойства и применение фенопластов

Вариант 19

Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

Для изготовления пил чаще всего применяется инструментальная углеродистая сталь У11А, т.к. острие пилы при трении нагревается до достаточно высокой температуры.

Химический состав приведен в таблице.

Массовая доля элемента, %
Углерода	Кремния	Марганца	Серы	Фосфора
не более
1,05–1,14	0,17–0,33	0,17–0,28	0,018	0,025

Термическая обработка состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в таблице ниже.

Закалка	Отпуск
T _з, °С	Твердость HRC_Э	Т _отп, °С	Твердость HRC_Э
760–780	64–66	200–250	58–59

Мелкие инструменты, в частности пилы (диаметром до 120 и длиной до 250 мм), целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl₂ + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

Углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки — порядка 250°С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНМА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки.

Сталь 5ХНМА характеризуется невысокой теплостойкостью (350-450° С) и повышенной ударной вязкостью (более 4 кгс·м/см² на образцах с надрезом).

Температуры отжига с непрерывным охлаждением, изотермического отжига, высокого отпуска и твердость (НВ) стали после этих видов термической обработки показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Крити-ческие точки, °С	Изотермический отжиг	Отжиг с непрерывным охлаждением	Высокий отпуск
Ac₁	Ас₃	Температура, °С	Твердость НВ	Температура нагрева, °С	Твердость НВ	Температура нагрева, °С	Твердость НВ
нагрева	изотермической выдержки
		760—790	650—660	197 — 229	760—790	197 — 241	680 — 700	207 — 241

Режимы закалки и отпуска деталей штампового инструмента горячего деформирования, величина зерна и твердость после окончательной термической обработки приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Закалка	Балл зерна	Твердость HRC	Отпуск
Температура, °С	Температура нагрева, °С	Твердость HRC
Подогрева	Окончательного нагрева
700-750	840-860	-	56-60	500-550	38-41

Технологические режимы процессов поверхностного упрочнения штампов показаны в таблице 2.3.

Наименование процесса	Среда	Компоненты	Температура процесса, °С	Время процесСА, ч	Толщина слоя, мм	Твердость слоя HV
Азотирование	Газовая	Аммиак, степень диссоциации 25—40%	480—560	40—50	0,3—0,5	65СМ-70С
Борирование	Жидкая	Карбид бора В₄С — 84%, бура — 16%, хлористый аммоний — 3%		8 — 10	0,5—1	До 2500

Назначьте нержавеющую сталь для работы в слабоагрессивных средах (водные растворы солей и т.п.). Приведите химический состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозийной устойчивости стали и роль каждого легирующего элемента.

Стойкость сталей против химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой) наблюдается у стали мартенситного класса.

Мартенситный класс – стали с основной структурой мартенсита (хромистые стали с 12–17 % Cr, содержащие более 0,25 % С и, специальные добавки Мо, W, V и небольшое количество Ni — до 3 %).

Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах (водопроводная вода, водные растворы солей и т.д.), подходит сталь 20Х13, имеющая химический состав, приведенный в таблице (указаны процентные содержания элементов).

С	Si	Mn	Сr	Ni	Ti	Nb	S	P
Не более	Не более
0,16–0,25	0,8	0,8	12,0–14,0	–	–	–	0,025	0,030

Характеристики механических свойств и режимы термической обработки нержавеющей стали указаны в таблице ниже.

Режим термической обработки, температура (°С), среда охлаждения	σ_В	σ_0,2	δ₅	ψ	КСU, Дж/см²
МПа	%
Не менее
Закалка,1000–1050, воздух или масло; отпуск, 660–770, воздух, масло или вода

Эту сталь применяют преимущественно в термически обработанном состоянии, часто с тщательно шлифованной, а иногда и полированной поверхностью.

Структура и свойства стали в значительной степени зависят от содержания в них углерода: с понижением содержания углерода в этих сталях появляется структурно свободный феррит, ухудшающий механические свойства, и они переходят из мартенситного в мартенситно-ферритный и даже чисто ферритный классы; коррозионная стойкость их при этом несколько повышается. С повышением содержания углерода снижается коррозионная стойкость, увеличивается твердость, но возрастает хрупкость.

4. Для обшивки летательных аппаратов использован сплав ВТ6. Приведите состав сплава, режим упрочняющей термической обработки и получаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термической обработке. Какими преимуществами обладает сплав ВТ6 по сравнению с ВТ5?

Состав сплава ВТ6 приведен в таблице. Указаны процентное содержание легирующих элементов

основа

5,3–6,8

3,5–5,3

–

0,30

–

0,10

0,60

0,20

0,015

0,05

0,10

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рисунке 4.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

α -стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе
α -титана (рис. 4.1, а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой
α-структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные β -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β-титана (рис. 4.1, б).

Эвтектоидообразующие β -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→α+TiХ (рис. 17.1, в). Большинство β-стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (α↔β) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 4.1, г).

Полиморфное β→α-превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α´ или при большей степени легированности — α´´. Кристаллическая структура α, α´, α´´ практически однотипная (ГПУ), однако решетка α´ и α´´ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. При старении из фаз α´ и α´´ выделяется β-фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 4.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):

а) «Тi-a -стабилизаторы»; б) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;

в) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»; г) «Тi-нейтральные элементы»

Рис. 4.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит α´ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием β-стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 4.3). Она справедлива для изоморфных β-стабилизаторов (рис. 4.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих β-стабилизаторов (рис. 4.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Рис. 4.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-β-стабилизатор»

в зависимости от скорости охлаждения и закалки из β-области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации β-стабилизаторов, могут быть получены структуры: α, α+β или β соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М_н–М_к (на рис. 4.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией β-стабилизирующих элементов до С₁, т. е. сплавы, которые при закалке из β-области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢)-структуру. После закалки этих сплавов с температур (α+β)-области в интервале от полиморфного превращения до Т ₁, их структура представляет собой смесь фаз α´ (α´´), α и β, а после закалки с температур ниже Т _кр они имеют (α+β)-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С₁ до С_кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру α´ (α´´) и β. Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т _кр имеют структуру α´ (α´´), α и β, а с температур ниже Т _кр — структуру (α+β).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией β-стабилизирующих элементов от С_кр до С₂ с температур β -области или с температур от полиморфного превращения до Т ₂ сопровождается превращением части β-фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (β+ω). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т ₂ имеют структуру (β+α).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно β-структуру, а с температур ниже полиморфного превращения — (β+α).

Необходимо отметить, что превращения β→β+ω может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С_кр–С₂)_,так и при старении сплавов с концентрацией более С₂, имеющих метастабильную β-фазу. В любом случае, присутствие ω-фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в β-состояние (Т _пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (α+β)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз β, α´, α´´ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α- и β-фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α- и β-фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Преимущество сплава ВТ6 в том, что наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Из сплава ВТ5 листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемый сплав обладает удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Рекомендуемые режимы упрочняющей термической обработки сплава ВТ6 приведены в таблице.

Температура полиморфного превращения Т _пп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч
980–1010	900–950	450–550	2–4

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна β-фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — снижению прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева сплава до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Рис. 4.4. Девятибальная шкала микроструктуры сплава ВТ6

Состав, свойства и применение фенопластов.

Фенопласты изготовляют на основе фенолформальдегидных смол, они широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, теплостойкостью, а также наличием диэлектрических свойств. Из фенолформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.

Характеристики, свойства и применение фенопластов различных марок представлены в таблице.

Марка	Плотность, г/см³	Теплостойкость по Мартенсону, °С	Рабочая температура, °С	Коэффициент теплового линейного расширения n· 10⁵	Электрическая прочность, кВ/мм	Основные свойства и применение
О2-010-02 О3-010-02	1,45 1,4		- -	4,5…5,3 4,6…5,3		Порошки выпускаются черного, коричневого, красного и табачного цвета. Рекомендуются для изготовления ненагруженных армированных и неармированных деталей общетехнического потребления (корпусов приборов, кнопок, маховичков, дисков, патронов, выключателей, деталей сигнальной аппаратуры). Температура эксплуатации от -60 до +60°С
Э1-340-02 Э2-330-02 Сп3-342-02	1,4 1,4 1,4		-60…100 -50…100 -60…115	- 4,5…5,3 4,3…7		Черный или коричневый цвет. Повышенные диэлектрические свойства (основания, платы, контактные колодки, каркасы катушек, разъемы и т. д.). Эксплуатация допустима в среде масла, бензина. Марка СпЗ-342-02 используется для изготовления плат и панелей, соприкасающихся с серебряными контактами
Э3-340-65 Э3-340-61	1,95 1,95		-60…115 -40…110	2…5 2…5	15…21 15…21	Предназначены для изготовления мало нагруженных радиотехнических деталей (работающих при повышенной влажности (тропикостойки).
Вх1-090-34	1,6		-40…110	-		Цвет черный или натуральный желтый. Стоек к воде и кислотным средам; тропикостоек.
Вх4-080-34	1,75		-60…200	-		Применяется для деталей с повышенной водостойкостью, работающих при ударных нагрузках.
У2-301-07 У4-301-07	1,45 1,45		-40…110 -40…110	3…3,5 3…3,5		Применяются для изготовления деталей повышенной при ударной нагрузке прочности (основания, диски шестерен, стойки кулачков, рукоятки). Водостойкость низкая.
У5-301-41 У6-301-41	1,95 1,95		-40…130 -40…130	2,5 2,5	1,7…2,5 1,7…2,5	Для деталей с повышенной теплостойкостью и механической прочностью, а также как фрикционный материал.
В-4-70 К-114-35	1,75		-60…150 -60…100	3,5 2…5	16…33 16…22	Зеленый цвет. Применяется для изготовления деталей повышенной точности в электрической автоматике, работающих при повышенной влажности и токах высокой частоты.