Контрольная работа по "Материаловедению"

Оглавление

 

1 Алитирование сталей и сплавов. Режимы, марки сплавов, основные свойства, применение

Алитирование, алюминирование (от нем. alitiren, от Al — алюминий) — покрытие поверхности стальных деталей алюминием для защиты от окисления при высоких температурах (700—900 °C и выше) и сопротивления атмосферной коррозии. Один из методов упрочнения машин и деталей. [Ссылка 1]

Цели алитирования

1. Повышение жаростойкости.
2. Повышение коррозионной стойкости при работе в растворах солей и азотной кислоты.
3. Повышение эрозионной стойкости.

Чаще всего  алитируются детали из малоуглеродистых аустенитных сталей и жаропрочных сплавов.

Алитирование  проводят в порошкообразных смесях (50 % Al или ферроалюминия, 49 % Al₂O₃ и 1 % NH₄CI или 99 % ферроалюминия и 1 % NH₄CI). При 1000 °C и выдержке в течение 8 ч образуется слой в 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием.

Алитирование выполняется также:

1. металлизацией (на поверхность детали наносят слой алюминиевого порошка и после изоляционной обмазки деталь подвергают диффузионному отжигу);
2. покраской деталей алюминиевой краской (с последующим диффузионным отжигом в защитной атмосфере);
3. погружением в расплав алюминия (с 6—8 % кремния (Si)) при 700—800 °C с последующей выдержкой, при этом концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ~ от 80 % и выше. Толщина слоя 20-1000 мкм в зависимости от длительности нахождения в расплаве. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до 500HV, износостойкость наиболее высокая из всех методов.

Алитированный слой обладает лучшим чем цинковый слой сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Для небольших изделий более доступен метод алитирования с помощью газотермического напыления.

Применение

Алитирование (алюминирование) применяют при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинганефти и газа, труб пароперегревателей, печной арматуры, защиты от коррозии металлоконструкций и т. п. Алитирование в расплавленном алюминии широко используются вместо горячего цинкования (листы, проволока, трубы, строит, детали).

Способы и режимы алитирования

В настоящее  время алитирование проводят как  в твёрдой, так и в жидкой средах. Кроме того, в заводской практике постепенно начинает расширяться способ металлизации.

1. Алитирование в порошках. Чаще всего здесь используют порошкообразные смеси следующих составов:
1. 49,5 % алюминия + 49,5 % Al₂O₃ + 1 % NH₄Cl;
2. 99 % ферроалюминия + 1 % NH₄Cl;
3. 48 % ферроалюминия + 48 % кварцевого песка + 4 % NH₄Cl.

Во всех составах температуру алитирования поддерживают на уровне 950…1050 °С, а время выдержки для указанных температур назначают в пределах от 6 до 12 ч. При таких режимах глубина алитированного слоя может составлять 0,25…0,6 мм.

Сам процесс  алитирования проводят следующим образом. Детали и порошки послойно загружают  в железные или нихромовые ящики. В процессе насыщения в них многократно добавляют 10-15 % свежей порошкообразной смеси. Если в состав смеси входит окись алюминия, то ее предварительно перед загрузкой в ящик прокаливают при температуре 800-900 °С. Все компоненты порошкообразных смесей просеивают через сито с размером ячейки 0,4-0,5 мм. Ящик, в котором проводят алитирование, обязательно должен быть снабжен плавким затвором. Вместе с деталями в ящик кладут по два-три контрольных образца, называемых свидетелями. С помощью таких свидетелей можно следить за ходом насыщения.

На рисунке 1.1 показана зависимость глубины алитированного слоя у стали 10 от продолжительности насыщения при различных температурах. 

Рисунок 1.1 – зависимость глубины алитированного слоя у стали 10 от продолжительности насыщения при различных температурах

2. Алитирование в расплавленном алюминии. Сущность этого способа заключается в выдержке деталей в ванне с расплавленным алюминием при температурах 720 -850 °С. Поскольку в жидком алюминии некоторые детали могут растворяться, то для предотвращения такого процесса в ванну вводят 8-12 % железа. В составе ванны нежелательно иметь примеси меди, цинка и кремния, т.к. они затрудняют процесс насыщения.

Время выдержки может меняться в зависимости  от вида деталей и их назначения от 15мин. до 1ч. При таких режимах  можно получать алитированные слои глубиной 0,1…0,3 мм. Следует заметить, что при таком способе иногда может отмечаться повышение хрупкости, получаемого слоя. Поэтому, в целях устранения такого дефекта, детали после алитирования подвергают отжигу при температуре 950-1050 °С в течение 4-5 часов. При такой термообработке глубина слоя может увеличиться на 20-40 %.

В процессе алитирования на поверхности расплава рекомендуют  создавать слой флюса, состоящего, например, из 40 % NaCl; 40 % KCl; 10 % Na₃AlF₆; 10 % AlF₃. Такой флюс играет роль защиты и уменьшает процесс разъедания поверхности детали. На рисунке 1.2 показана зависимость глубины слоя у стали 10 от продолжительности алитирования в расплаве алюминия при различных температурах.

Рисунок 1.2 - зависимость глубины слоя у стали 10 от продолжительности алитирования в расплаве алюминия при различных температурах

Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия на базе химического соединения Fe₃Al. Такую фазу чаще называют фазой. Концентрация алюминия в этой фазе может доходить до 30 % и более.

В настоящее  время постепенно развивается и  расширяется алитирование способом металлизации. Сущность этого способа заключается в напылении на поверхность детали слоя алюминия с последующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000 °С. Перед отжигом деталь покрывают обмазкой, состоящей из 48 % серебристого графита, 30 % кварцевого песка, 20 % глины и 2 % хлористого аммония. Все компоненты замешиваются на жидком стекле и наносится на деталь толщиной 0,8-1,5 мм.

Температура, при которой  происходит насыщение, составляет 900-950 °С. Сам процесс может длиться 2-4 часа. При таких режимах можно получать слой толщиной 0,2-0,4 мм. Наибольшее применение алитирование получило при производстве клапанов двигателей внутреннего сгорания, чехлов термопар и т.п. В принципе, алитирование можно назначать для любых деталей, работающих при высокой температуре, и которым, прежде всего, предъяляют требования высокой окалиностойкости.

Маркировка сталей и сплавов в России     

Для обозначения  марок стали и сплавов разработана  система, принятая в стандартах. Обозначения  состоят из небольшого числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А - азот (буква А в конце марочного обозначения высококачественной стали указывает, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S и P<0,03% ), а также соблюдены все условия металлургического производства; буква А в начале марки означает - сталь автоматная); Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь;          К - кобальт; М - молибден; Н - никель; П - фосфор; Р - бор; С - кремний; Т - титан; Ф - ванадий;       Х - хром; Ц - цирконий; Ч - редкоземельные металлы; Ю - алюминий.

Первые цифры в обозначении  показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента          (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, следующие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует; при содержании около 1 % - цифра 1 и около 2 % - цифра 2 и т.д.).   

 Так, марка стали 15ГС содержит С 0,12-0,18 %; Mn 0,9-1,3 %; Si 0,7-1,0 %.

Марка стали 03Х18Н11 содержит не более С 0,03 %; Cr 17-19 %; Ni 10,5-12,5%.

Марка стали 9Х1 содержит не более  С 0,80-0,95 %; Cr 1,4-1,7 %.   

 Некоторые марки в  начале обозначения имеют три  нуля и минимальное содержание  углерода не более 0,030%. Например марка 000Х18Н12.   

 Один или  два нуля в марке перед буквенным  обозначением означает, что для  данного химического состава  легирующих элементов содержится  минимальное количество углерода. Например марка 00Х18Н10Т (03Х18Н10Т) содержит С 0,030%; 0Х18Н10Т (08Х18Н10Т) - С 0,08%.

Особо высококачественная сталь обозначается буквами Ш, ВД, ВИ, ПД и т.д. в конце наименования марки, где ВД обозначает, что сталь  или сплав получен вакуумно-дуговым  переплавом, Ш - электрошлаковым переплавом, ВИ - методом вакуумно-индукционной выплавки, ПД - плазменно-дуговым и т.д.    

 Наименование  многих марок сплавов состоит только из буквенных обозначений элементов, расположенных, как правило, в порядке убывания количества их содержания в сплаве. Исключение составляет никель, после обозначения которого указываются цифры его среднего содержания в процентах и некоторых других элементов. Пример показан в таблице 1.1.

Таблица 1.1 –  маркировка сталей

Марка	C	Si	Mn	S	P	W	Cr	Ni	Mo	Другие
ХН40МГ3Б	н.б. 0,020	н.б. 0,20	2,50-4,0	н.б. 0,010	н.б. 0,015		17,0-19,0	39,0-42,0	4,50-5,50	Nb 0,35-0,75. N≤0,040.Ce≤расч. 0,10. Fe ост. ТУ 14-1-2391-78.    ЭП735

 

 

Сплавы (некоторые  сплавы) маркируются цифрами в  начале обозначения значением не менее 27, указывающее на количество основного или основного легирующего элемента, обозначннного следующей буквой, кроме хрома. (Цифры в начале обозначения перед буквой Х «хром» означают количество углерода). Далее идет буквенное обозначение. Пример показан в таблице 1.2.

Таблица 1.2 –  маркировка сталей

Марка	C	Si	Mn	S	P	W	Cr	Ni	Mo	V	Другие
35КХ6Ф	н.б. 0,08	н.б. 0,3	н.б. 0,4	н.б. 0,02	н.б. 0,02	-	7,5-8,5	-	-	5,5-6,5	Со 34,3-35,8.  Fe ост. СПЛАВЫ ПРЕЦИЗИОННЫЕ МАГНИТНО- ТВЕ РДЫЕ ГОСТ 10994-74.
35НКТ	н.б. 0,05	н.б. 0,50	н.б. 0,4	-	-	-	-	34,0-35,0	-	Ti 2,3-2,8. Co 5,0-6,0. Cu 0,2-0,4. Fe-ост.    СПЛ. ПРЕЦИЗИОННЫЕ  С ЗАДАННЫМ ТЕМП. КОЭФФ. ЛИНЕЙНОГО РАСШ. ГОСТ 10994-74.
40ХНВА	0,37-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	-	-	0,8-1,2	0,6-0,9	1,25-1,65	-	СТ.ХРОМО-НИК.ВОЛЬФР. И ХРОМОНИК. МОЛИБД. ГОСТ 4543-61

 

    Однако в ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от точного соблюдения системы ГОСТов (особенно это относится к сложнолегированным сталям). Нестандартные стали обозначают самым различным образом. Так, опытные марки, выплавленные на заводе "Электросталь", обозначаются буквой И (исследовательские) и П (пробные) и порядковым номером, например, ЭИ179, ЭИ276, ЭП398 и т.д. Опытные марки, выплавленные на металлургическом заводе "Днепроспецсталь", обозначают ДИ 80, где Д - завод-изготовитель, И - исследовательская, 80 - порядковый номер, присвоенный марке стали.  

 В инструментальных  сталях, имеющих углерода более  1 %, цифры, обозначающие его содержание, полностью опускают. Так, инструментальная  сталь Х6ВФ содержит  С 1,05-1,15 %;        Cr 5,5-7,0 %, W 1,1-1,5 %; V 0,4-0,7%. 

При маркировке электротехнических сталей (типа 1211, 1313, 2211 и т.д.) в обозначении марки цифры означают: первая - класс по структурному состоянию и виду прокатки; вторая - содержание кремния; третья - группу по основной нормируемой характеристике. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают тип стали; четвертая - порядковый номер типа стали.

Для изготовления строительных стальных конструкций  со сварными и другими соединениями применяются марки стали типа С235, С245, С255, С345, С590К и т.д. Буква С означает сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката, буква К - вариант химического состава. По требованию потребителя массовая доля меди в стали С345, С375, С390, С440 должна быть 0,15 - 0,30 %, при этом к обозначению стали добавляется буква Д, например, С345Д. 

Для изготовления рельсов широкой колеи типов  Р75 (цифра указывает на вес одного метра  - 75кг.), Р65 и Р50 применяются стали марок М76 и М74, где буква М указывает способ выплавки (мартеновский), цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Рельсы узкой колеи типа Р33 изготавливаются из спокойной углеродистой стали. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на нормальные (категория Н), твердые (категория Т) и повышенной твердости (категория ПТ).

Прокат из стали  повышенной прочности изготовляют  классов прочности: 265, 295, 315, 325, 345, 355, 375, 390 и 440, где цифры обозначают предел текучести.

 Для изготовления  конструкций, работающих при низких  температурах, применяется сталь марок ОН9, ОН9-Ш, ОН6Б, ОН3, ОН6 и т.д. Содержание углерода в них не более 0,1 %, цифра после буквы Н указывает содержание никеля в целых единицах (например, ОН9 содержит около 9 % никеля).

 Углеродистые  литейные стали маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента), и буквой Л.