Понятие материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования.

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение

Выполнил:

Студент группы 2792

Чередниченко Виталий Валерьевич

Стрежевой 2012 г.



Вопросы

1. От каких основных факторов зависит величина зерна закристаллизовавшегося металла и почему?

2. Каким видом пластической деформации (холодной или горячей) является деформирование железа при температуре 500С? Объясните, как при этом изменяются структура и свойства железа

3. Вычертите диаграмму состояния «железо - карбид железа», укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения для сплава, содержащего 0,4 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

4. Используя диаграмму состояния «железо - цементит» и график зависимости твердости от температуры отпуска, назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь твердость 28...30 HRC. Опишите превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, получаемую структуру

5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривые режимов обычной закалки, ступенчатой и изотермической. Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?

6. С приведением схемы опишите способ непрерывной разливки стали и укажите его преимущества по сравнению с разливкой в изложницы

7. Какие требования предъявляются к формовочным стержневым смесям? Охарактеризуйте их основные свойства и состав

8. Изобразите схемы и опишите принцип действия кривошипных прессов простого и двойного действия, применяемых для листовой штамповки

9. Опишите процессы нанесения специальных покрытий методами наплавки. Каковы особенности наплавки порошковыми проволоками и пластинчатыми электродами?

10. Охарактеризуйте абразивные инструменты, опишите процессы износа и правки, испытания и балансировки шлифовальных кругов

металл деформация термический



1. От каких основных факторов зависит величина зерна закристаллизовавшегося металла и почему?

Ответ:

Величина зерна зависит от:

- степени переохлаждения;

- температура нагрева и разливки жидкого металла;

- химический состав и присутствие посторонних примесей.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ДТ):

Процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения

При небольшой степени переохлаждения ДТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно.

Размер зерна сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

2. Каким видом пластической деформации (холодной или горячей) является деформирование железа при температуре 500С? Объясните, как при этом изменяются структура и свойства железа

Ответ:

Деформация это изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением.

Деформации разделяют на два вида упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил.

Способность веществ пластически деформироваться, называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность.

В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации.

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации (Т<Трек). Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры (Т>Трек).

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых зерен, с исходной, до деформации, плотностью дефектов кристаллического строения.

При этих температурах деформация также вызывает упрочнение «горячий наклеп», которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении. В отличие от статической полигонизации (Полигонизация - процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.) и рекристаллизации, рассмотренных ранее, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.

По правилу А.А. Бочвара можно оценить в первом приближении температурный порог рекристаллизации по известной температуре плавления металла:

.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления, для металлов

Тпл - температура плавления металла;

К - шкала по Кельвину.

Температура начала рекристаллизации железа:

°С.

Следовательно, деформирование железа при температуре 500 °C является горячей деформацией.

При горячей обработке - деформирование при Т>Трек также происходит упрочнение металла, но оно частично или полностью снимается одновременно протекающим процессом рекристаллизации.

Для облегчения горячей обработки металла (увеличения пластичности, устранения наклепа) деформирование проводят обычно при температурах, значительно превосходящих Трек. Например, для железа и сталей - сплавов на его основе Трек450 °С, температура рекристаллизационного отжига 600...700 °С, температура горячей обработки 900...1300 °С.

Металл после горячей обработки часто имеет анизотропные свойства. Обычно это обусловлено закономерным расположением примесей и неметаллических включений, которые вытягиваются в направлении деформации, образуя волокнистую или, иногда, полосчатую (слоистую) структуру. Рекристаллизационные процессы, протекающие при горячей обработке, не изменяют такой структуры, так как затрагивают лишь зерна самого металла.

Пониженная пластичность таких слоев приводит к значительному ухудшению свойств металла в направлении, перпендикулярном этим слоям (волокнам). При нагружении изделия вдоль слоев их отрицательное влияние почти полностью компенсируется основным металлом, занимающим подавляющую часть площади сечения и воспринимающим практически всю нагрузку.

Особенно сильно такое волокнистое строение металла отражается на анизотропии пластичности и ударной вязкости.

При измерении этих свойств в образцах, вырезанных поперек волокон, характеристики пластичности ( и )на 20…40 %, а ударная вязкость на 50...70 % ниже, чем в «продольных» образцах.

Анизотропия свойств пластически деформированного металла должна учитываться при изготовлении изделий. Для получения наилучших эксплуатационных свойств конструкция и технология изготовления детали должны обеспечить такую конфигурацию волокнистой структуры, при которой главные действующие усилия были бы направлены не поперек, а вдоль волокон. Обычно это достигается, когда волокна огибают контуры детали.



3. Вычертите диаграмму состояния «железо - карбид железа», укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения для сплава, содержащего 0,4 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Ответ:

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус) (рисунок №1.)

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических -- аустенит+ледебурит, эвтектических -- ледебурит и заэвтектических -- цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Рисунок 1: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,4% углерода



Сплав железа с углеродом, содержащий 0,4% С, называется среднеуглеродистой сталью. Его структура при комнатной температуре феррит + перлит.

4. Используя диаграмму состояния «железо - цементит» и график зависимости твердости от температуры отпуска, назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь твердость 28...30 HRC. Опишите превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, получаемую структуру

Ответ:

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит.

В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°С твердость НВ не более 200 ед., при 400°С - не более 280 ед., а при 200°С - не более 450 ед.

Поэтому для получения твердости 28…30 HRC закаленную сталь подвергают среднему отпуску при температуре 380-420°С. Структура стали после высокого отпуска - троостит отпуска.



5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривые режимов обычной закалки, ступенчатой и изотермической. Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?

Ответ:

Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше вероятность образования трещин, тем тщательнее нужно выбирать способ охлаждения.

Чем сложнее деталь, тем больше различие в сечениях детали, больше величина внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Существуют следующие способы закалки:

Закалка в одном охладителе получила наиболее широкое применение. Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют для деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей диаметром более 5 мм охлаждают в воде, а менее - в масле. Легированные стали охлаждают в масле. Такой способ наиболее распространен вследствие его простоты и дешевизны. Для обычной закалки характерно большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины детали, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 230-250 °С), и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения, коробление и опасность возникновения трещин. Правку изделий, склонных к короблению, осуществляют в период охлаждения на воздухе. Основной недостаток ступенчатой закалки - малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8-10 мм толщиной). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше Мн и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи. Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения. Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления - важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

6. С приведением схемы опишите способ непрерывной разливки стали и укажите его преимущества по сравнению с разливкой в изложницы

Ответ:

Способ непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную форму -- кристаллизатор. Частично затвердевший слиток непрерывно протягивают через него и дополнительно охлаждают в так называемой зоне вторичного охлаждения. В результате в процессе непрерывной заливки металла и его затвердевания образуется непрерывный слиток.

Агрегаты для разливки стали этим методом называют машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или установками непрерывной разливки стали (УНРС).

При использовании МНЛЗ (см. рисунок 25) сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор. В кристаллизаторе образуется оболочка, заполненная жидкой сталью по форме и сечению, отвечающему готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы - тянущей клети поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит полное затвердевание заготовок. Затвердевший слиток режется на мерные длины и готовые заготовки и с помощью рольганга или других транспортных средств направляются в прокатный цех или на склад.

Разливку ведут до израсходования металла в сталеразливочном ковше или же разливают без перерыва металл из нескольких ковшей (разливка методом «плавка на плавку»).

Основные преимущества непрерывной разливки по сравнению с разливкой в изложницы:

1) существенно повышается выход годного металла. Так, для спокойной стали получение слябов или блюмов путем непрерывной разливки вместо разливки в изложницы с последующей прокаткой обеспечивает повышение выхода годного на 10--15 % от массы разливаемой стали. Объясняется это тем, что верхняя часть каждого слитка (13--20 %) идет при прокатке в обрезь из-за наличия усадочной раковины и зоны обогащенной ливкатами, а при непрерывной разливке образуется одна усадочная раковина в конце разливки плавки;

2) непрерывно литые слитки или заготовки прокатывают непосредственно на листовых или сортовых станах. Применение непрерывной разливки стали позволяет исключить из производственного цикла операции по подготовке разливочного состава, стрипперованию слитков, прокатке на обжимных станах. Все это приводит к снижению капитальных затрат, устранению ряда трудоемких операций, сокращению длительности производственного цикла от выпуска стали до получения готового проката. То есть упрощается производство по заводу в целом и улучшаются его технико-экономические показатели, уменьшаются энергетические затраты, потребность в рабочей силе и площадь завода;

3) вследствие малых поперечных размеров слитка и высокой скорости кристаллизации стали ограничивается развитие ликвации, то есть повышается качество металла;

4) создаются широкие возможности для полной механизации и автоматизации разливки, повышения производительности и улучшения условий труда.

7. Какие требования предъявляются к формовочным стержневым смесям? Охарактеризуйте их основные свойства и состав

Ответ:

Пластичность формовочных и стержневых смесей

Пластичностью называется способность смесей деформироваться под действием внешних нагрузок без нарушения целостности и сохранять приданную им форму после снятия нагрузки. Эти свойства необходимы для получения в форме отчетливого отпечатка модели. Пластичность формовочной смеси возрастает при увеличении содержания в ней воды до 6%, глины и связующих мм и риалов, а также песка с мелким зерном.

Газопроницаемость формовочных и стержневых смесей

Газопроницаемостью называется способность смесей пропускать газы вследствие своей пористости. Из формовочных материалов во время заливки формы сплавом выделяется большое количество газов. Если газопроницаемость смеси недостаточна, то газы опадают в металл, что вызывает брак отливки по газовым раковинам. Чем крупнее и чем однороднее по размерам зерна песка,. Чем меньше в смеси глины, тем газопроницаемость смеси выше. Газопроницаемость определяют прибором, на котором через стандартный образец, изготовленный из формовочной смеси, пропускают 2000 см3 воздуха и определяют время прохождения воздуха. По полученным данным по расчетной формуле подсчитывают газопроницаемость смеси в условных единицах. Газопроницаемость формовочных смесей колеблется от 30 до 150 единиц.

Прочность формовочных и стержневых смесей

Прочностью называется способность смесей выдерживать внешние нагрузки без разрушения. Это свойство необходимо для того, чтобы форма не деформировалась и не разрушалась при транспортировании и при воздействии на нее давления жидкого металла. Прочность формовочных смесей возрастает при увеличении содержания в них глины, связующих материалов и песка с мелкими угловатыми зернами. Увеличение содержания воды до 3--5% повышает прочность смеси; при дальнейшем повышении влажности прочность смеси снижается. Прочность формовочной смеси определяют испытанием стандартных образцов на сжатие. Для форм применяют формовочную смесь с прочностью на сжатие в сыром состоянии 0,3--1,0 кГ/см2. Для повышения прочности формовочных смесей применяются связующие материалы -- жидкое стекло, цемент, сульфитно-спиртовую барду и др.

Противопригарность формовочных и стержневых смесей

Противопригарностью формовочных и стержневых смесей называется способность смесей не сплавляться и не спекаться с расправленным металлом. Формовочные смеси иногда пригорают к отливке и образуют на ее поверхности сплошную корку окиси металла и песка, которая сильно затрудняет механическую обработку. из смеси

Податливость формовочных и стержневых смесей

Податливостью называется способность смесей сжиматься под действием внешних сил. Это необходимо для того, чтобы форма или стержень не препятствовали свободной усадке при затвердевании отливки. При недостаточной податливости материала формы в остывающей отливке возникают внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин.

Хорошей податливостью обладает крупный речной песок. Глина, располагаясь в промежутке между зернами песка, ухудшает податливость формовочной смеси. Состав и свойства формовочных материалов, применяемых для изготовления смесей, играют большую роль в получении качественной отливки.

8. Изобразите схемы и опишите принцип действия кривошипных прессов простого и двойного действия, применяемых для листовой штамповки

Ответ:

Основным оборудованием для листовой штамповки являются ножницы, кривошипные и гидравлические прессы. Кривошипные прессы получили наибольшее применение. Кривошипные прессы по конструкции весьма разнообразны. Это объясняется особенностями производимых на них операций, например, для операций вырубки и пробивки применяются прессы простого действия с небольшим ходом ползуна.

Эти прессы бывают однокривошипные, двухкривошипные и четырехкривошипные. Характерной особенностью двух и четырех кривошипных прессов являются большие размеры стола и ползуна пресса.

Кинематическая схема кривошипного пресса простого действия, применяемого для листовой штамповки, аналогична схеме кривошипного обрезного пресса.

У четырехшатунных прессов центр усилия, возникающего при штамповке, расположен внутри четырехугольника, образуемого шатунами. Эти прессы допускают нецентральную нагрузку ползуна, что позволяет применять на них сложные штампы для изготовления асиметричных деталей больших габаритов.

Для вытяжки сложных деталей применяют специальные прессы двойного и тройного действия. Основной конструктивной особенностью прессов двойного и тройного действия является наличие двух (трех) ползунов. У прессов двойного действия (рис. 186) наружный ползун 1 служит для прижима заготовки 4, а внутренний 3 -- для вытяжки. Наружный ползун в прессах с усилием до 60 Т приводится в движение от кулачков 2, а в прессах большего усилия при помощи коленорычажного механизма.

Схема пресса двойного действия.

Наружный ползун начинает движение вниз первым. Достигнув своего крайнего нижнего положения, он останавливается, зажимая края заготовки. За наружным ползуном через некоторый интервал опускается внутренний ползун. Наружный ползун стается неподвижным в течение всего процесса вытяжки, а внутренний после выполнения рабочей операции первым поднимается вверх, обеспечивая свободный съем отштампованной детали.

Гидравлические прессы обладают наилучшей характеристикой для выполнения процесса листовой штамповки. Они осуществляют деформирование листового металла с постоянной скоростью. Для этих прессов не опасна перегрузка, недопустимая при работе на кривошипных прессах.

9. Опишите процессы нанесения специальных покрытий методами наплавки. Каковы особенности наплавки порошковыми проволоками и пластинчатыми электродами?

Ответ:

Наплавкой называют процесс наплавления на поверхности изделия слоя металла для изменения размеров или придания специальных свойств (твердости, антикоррозионности, износоустойчивости и т. д.). Наплавка может выполняться металлическими штучными электродами, стальной наплавочной проволокой (лентой) и твердыми сплавами.

Твердыми сплавами называют сплавы карбидо- и боридообразующих металлов --хрома, марганца, титана, вольфрама и других с углеродом, бором, железом, кобальтом, никелем и пр. Они могут быть литыми и порошковыми.

К литым твердым сплавам относится прутковый сормайт, поставляемый в виде стержней диаметром 6--7 мм и длиной 400--450 мм, содержащий 25--31% хрома, 3--5% никеля, 2,5-3,3% углерода, 2,8--3,5% кремния, до 1,5% марганца, до 0,07% серы и 0,08% фосфора, остальное -- железо, а также другие сплавы. Литые твердые сплавы применяют для наплавки штампов, измерительного инструмента, деталей станков и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа. Наплавку ведут ацетилено-кислородным пламенем, угольным электродом, а также вольфрамовым электродом в среде аргона.

К порошкообразным твердым сплавам относятся сталинит и сормайт. Порошкообразный сталинит содержит 24--26% хрома, 6--8,5% марганца, 7--10% углерода, до 3% кремния, до 0,5% серы и фосфора, остальное -- железо.

Металлические электроды для дуговой наплавки изготовляют по ГОСТ 10051--75, согласно которому электроды классифицируются в зависимости от химического состава и твердости наплавленного металла.

Виды наплавки

В настоящее время в промышленности используется большое количество различных видов наплавки.

Ручная дуговая наплавка. Наплавка выполняете металлическими плавящимися одиночными электродами, пучком электродов, лежачими пластинчатыми электродами, трубчатыми электродами, дугой прямого и косвенного действия и трехфазной дугой.

Наплавку электродами можно выполнять во всех пространственных положениях. Она выполняется путем последовательного наложения валиков, наплавляемых при расплавлении электрода, на поверхность изделия. Наплавляемая поверхность при этом должна быть чистой (зачищена до металлического блеска). Поверхность каждого наложенного валика и место для наложения следующего валика также тщательно зачищают от шлака, окалины и брызг. Для получения сплошного монолитного слоя наплавленного металла каждый последующий валик должен перекрывать предыдущий на 1/3 -- 1/2своей ширины.

Толщина однослойной наплавки составляет 3--6 мм. Если необходимо наплавить слой толщиной более 6 мм, перпендикулярно первому наплавляют второй слой валиков. При этом первый слой валиков должен быть тщательно очищен от брызг, окалины, шлаковых включений и других загрязнений.

Дуговая наплавка под флюсом

По способу выполнения может быть автоматической или полуавтоматической, а по количеству применяемых проволок -- одноэлектродной и многоэлектродной. Применяемые для наплавки под флюсом наплавочные проволоки по конструкции разделяют на сплошные и порошковые, а по форме -- на круглые и ленточные.

Дуговая наплавка в защитных газах вольфрамовым (неплавящимся) и проволочным металлическим (плавящимся) электродом. Для защиты дуги используют аргон, азот, водород и углекислый газ. Производительность труда при наплавке оценивают массой или площадью (размерами) наплавленного металла.

Вибродуговая наплавка

Эта наплавка является разновидностью электрической дуговой наплавки металлическим электродом и выполняется путем вибрации электрода. Амплитуда вибрации находится в пределах от 0,75 до 1,0 диаметра электродной проволоки.

Электрошлаковая наплавка

Отличительной особенностью этого способа наплавки является высокая производительность, при которой могут быть достигнуты не только десятки, но и сотни килограммов наплавленного металла в час. Наплавка производится с принудительным формированием металла за один проход. Электроды применяются практически любого сечения: прутки, пластины и т. п. Глубину проплавления основного металла можно регулировать в широких пределах.

Наплавка открытой дугой

Для этой цели применяют порошковую проволоку с внутренней защитой, которая позволяет расширить область применения механизированной износостойкой наплавки. При наплавке этой проволокой применение флюса или защитного газа не требуется, поэтому способ отличается простотой и маневренностью и создается возможность восстановления деталей сложной формы, глубоких внутренних поверхностей, деталей малых диаметров и пр. В настоящее время имеются различные конструкции аппаратуры, а также разработана технология упрочения деталей широкой номенклатуры. Расход проволоки составляет 1,15--1,35 кг на 1 кг наплавленного металла. Производительность при полуавтоматической наплавке повышается в 2--3 раза по сравнению с наплавкой штучными электродами.

Плазменная наплавка

При плазменной наплавке источником тепла является высокотемпературная сжатая дуга, получаемая в специальных горелках. Большое применение получили плазменные горелки с дугой прямого действия, горящей между неплавящимся вольфрамовым электродом и наплавляемым изделием. Иногда применяют горелки комбинированного типа, в которых от одного электрода одновременно горят две дуги --прямого и косвенного действия.

Присадочным материалом при этом способе наплавки служит проволока, лента, порошок и пр. Практический интерес представляет прежде всего наплавка с присадкой мелкозернистого порошка. В этом случае применяется плазменная горелка комбинированного типа. Порошок при помощи транспортирующего газа подается из питателя в горелку и там вдувается в дугу. За время пребывания в дуге большая часть порошка успевает расплавиться, так что на наплавляемую поверхность попадают уже капельки жидкого присадочного материала.

Технология наплавки

Перед началом наплавки устанавливают высоту наплавочного слоя. Перед наплавкой, как и перед сваркой, поверхность, подлежащая наплавке, должна быть очищена от грязи, ржавчины, окалины, масла и влаги. При наложении первого слоя наплавки стремятся каждый предыдущий валик перекрывать на 25--30% его ширины, сохраняя при этом постоянство его высоты.

При необходимости увеличить высоту наплавочного валика, производят наплавку следующего валика, очистив перед наплавкой наплавленный слой от неметаллических включений и шлака, образованных при наложении предыдущего слоя.

В зависимости от марки металла наплавка может производиться без подогрева изделия и с предварительным подогревом. Основными требованиями, предъявляемыми к качеству наплавки, являются: надежное сплавление основного металла с наплавленным; отсутствие дефектов в наплавленном металле; идентичность свойств наплавленного металла.

Надежное сплавление наплавки с основным металлом обеспечивается подбором силы тока, что для наплавочных установок с постоянной скоростью подачи электрода соответствует подбору скорости подачи проволоки или ленты.

10. Охарактеризуйте абразивные инструменты, опишите процессы износа и правки, испытания и балансировки шлифовальных кругов

Ответ:

Абразивные инструменты изготовляются с заранее заданной структурой. Каждой структуре присваивается свой номер. Изготовляются инструменты со структурой от № 1 до № 12; чем выше номер структуры, тем больше связки и меньше шлифовального материала в единице объема инструмента. Структуры № 1-4 называют закрытыми (плотными), № 5-8 - средними, № 9-12 - открытыми.

Помимо шлифовальных кругов с заранее заданной структурой, на керамической связке изготовляются круги, отличающиеся повышенной пористостью (размер пор до 2-3 мм) и получившие название высокопористых. Поры в таких кругах создаются различными наполнителями, выгорающими в процессе термической обработки (пластмасса, уголь, древесная мука и т. д.). Наличие большого количества крупных пор создает лучшие условия для удаления стружки и уменьшает засаливание круга. При обработке мягких и вязких материалов (красной меди, алюминия, пластмассы, дерева, резины, кожи и т. п.) рабочая поверхность высокопористого круга дольше остается работоспособной и реже требует правки.

На выбор структуры инструмента влияют следующие факторы:

физико-механические свойства обрабатываемого материала (мягкие материалы с небольшим сопротивлением разрыву обрабатываются кругами открытых структур, твердые с мелкозернистым строением и хрупкие материалы - кругами закрытых структур);

требуемое качество отделки (для окончательной обработки следует использовать круги более закрытых структур, чем для предварительной или грубой обработки; для обдирки со значительным припуском рекомендуется использовать круги открытых структур);

величина давления при шлифовании (при больших давлениях следует применять круги средней и закрытой структур).

Выбор структуры абразивного инструмента в зависимости от операции шлифования приведен в таблице:

Номер структуры круга	Вид обработки
3-4	Профильное шлифование, при необходимости сохранить профиль круга, шлифование при больших, а также переменных нагрузках, абразивная отрезка.
5-6	Круглое наружное шлифование, бесцентровое шлифование, плоское шлифование периферией круга и заточка инструмента.
7-9	Плоское шлифование торцом круга, внутреннее шлифование.
8-10	Шлифование и заточка инструментов.
8-12	Резьбошлифование мелкозернистыми кругами, глубинное плоское (профильное) шлифование.

Абразивная обработка позволяет получить высокую точность и качество обработанных поверхностей. Основные требования к шлифованию сводятся к повышенной производительности, снижению себестоимости операции обработки при сохранении требуемого качества обработанных поверхностей. Под действием сил резания и высоких температур, возникающих в процессе обработки, а также в результате химического воздействия абразивных зерен на обрабатываемый материал заготовок происходит истирание режущих кромок зерен, появление площадок износа, скалывание режущих кромок, вырывание целых зерен из связки круга или налипание частичек металла на вершинах режущих кромок и заполнение пор круга металлической стружкой. Все это, как правило, приводит к износу и потере первоначальной геометрической формы и режущих свойств шлифовального круга. Требуется периодическая правка круга с целью восстановления его режущих свойств и геометрической формы. Периодичность правки зависит от качества абразивного инструмента, от обрабатываемого материала, условий шлифования и рациональной организации управления процессом абразивной обработки.

Особенность процесса шлифования заключается в том, что шлифовальный круг может самозатачиваться при частичном разрушении или полном выкрашивании затупившихся абразивных зерен, соединенных связкой. В случае большой нагрузки на зерна и применения мягких кругов процесс обычно протекает с интенсивным самозатачиванием рабочей поверхности круга. На окончательных операциях, когда нагрузка на зерно вследствие небольшой глубины шлифования оказывается меньше, происходит постепенное затупление абразивных зерен на рабочей поверхности круга.

При интенсивном самозатачивании из-за неравномерной нагрузки на зерна и неравномерного износа круг приобретает неправильную геометрическую форму. Это приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности и появлению вибраций и огранки. По мере затупления круга увеличивается радиус округления режущих граней абразивных зерен, на которые налипают частицы шлифуемого материала. При этом поры круга заполняются мельчайшими частицами металла и связки. При шлифовании затупленными кругами возрастает давление на деталь в зоне резания, появляются шлифовочные прижоги и огранка.

Таким образом, как всякий режущий инструмент, шлифовальные круги в процессе шлифования затупляются и теряют форму. Для восстановления режущей способности кругов и придания им правильной геометрической формы, размеров и профиля периодически в процессе работы производится их правка.

Практический опыт и разносторонние исследования показывают, что от правильного выбора средств и режимов правки зависят не только точность и шероховатость обрабатываемой поверхности, производительность операций, но и расход шлифовальных кругов, износостойкость инструментов до правки и себестоимость шлифования.

Широко применяемые в современном машиностроении шлифовальные круги зернистостями 40-25 и степени твердости СМ2-СТ2, в основном, расходуются не в процессе шлифования, где износ их крайне мал, а при правке. На правку расходуется, например, от 45 до 80% полезного объема кругов при круглом, плоском и внутреннем шлифовании и до 95% при шлифовании шеек коленчатых валов. Затраты времени на правку достигают 40% и более штучного времени обработки.

Массовое и серийное производство предъявляет высокие требования к правке шлифовальных кругов с точки зрения повышения как качества шлифования, так и производительности правки. В зависимости от применяемого для правки инструмента и режимов правки шлифовальным кругом одной характеристики можно получить шероховатость поверхности Ra 1,25-0,080 мкм, достичь точности обработки от 1 до 3 класса, получить высокую или низкую стойкость круга между правками.

Период работы круга между двумя правками характеризует его стойкостную наработку. За стойкость круга принимается способность шлифовального круга противостоять процессам затупления его режущих кромок и засаливания. Интенсивность этих процессов, а следовательно, и период стойкости круга зависят от его размеров и характеристики, материала и конфигурации обрабатываемой заготовки, режима шлифования, жесткости и виброустойчивости круга, станка и заготовки.

Различие в стойкости шлифовальных кругов и сохранение постоянных показателей их работы усложняют определение сроков проведения их правки. Часто время необходимой правки определяется опытным путем по субъективным признакам, сопутствующим процессу шлифования и снижению качества обрабатываемой поверхности. На станках с автоматическим циклом шлифования применяется принудительная правка кругов через определенные отрезки времени их работы с минимальным удалением рабочего слоя круга.

В настоящее время в зависимости от требований к точности и шероховатости обрабатываемой поверхности осуществляют алмазную и безалмазную правку следующими методами

обтачиванием алмазным инструментом

обкатыванием шлифовальными кругами, твердосплавными и металлическими дисками

шлифованием кругами из карбида кремния и алмазно-металлическими роликами

тангенциальным точением профильной поверхности круга алмазным инструментом

накатыванием накатным роликом

Правка методом обтачивания (см. рис. 1, а) представляет собой процесс разрушения абразивных зерен и связки шлифовального круга. Правка осуществляется либо отдельными сравнительно крупными алмазными зернами, зачеканенными в державку (ГОСТ 8090--85 и ГОСТ 17564--72), или алмазно-металлическими карандашами диаметром 8-10 мм (ГОСТ 607--80Е).

Наибольшее применение имеют алмазно-металлические карандаши, в которых в определенном порядке размещены кристаллы алмазов, прочно сцементированные специальным сплавом. Этот сплав имеет коэффициент теплового расширения, по величине близкий коэффициенту теплового расширения алмаза, поэтому при изменениях температуры в процессе правки алмазы не испытывают дополнительных тепловых деформаций.

Для правки кругов используются четыре типа алмазно-металлических карандашей:

Ц - с алмазами, расположенными цепочкой вдоль оси карандаша

С - с алмазами, расположенными слоями неперекрывающимися и перекрывающимися

Н - с неориентированным расположением алмазов

Каждый тип карандашей подразделяется на марки, отличающиеся массой и количеством алмазов, а также размерами вставки и оправки.

Карандаши типа Ц находят наибольшее применение при правке кругов для круглого и бесцентрового, внутреннего и профильного шлифования. Карандаши типа С, обладающие повышенной износостойкостью, применяются для правки шлифовальных кругов при окончательном шлифовании в автоматическом цикле работы станка. Карандаши типа Н применяются при правке шлифовальных кругов зернистостями 8-4 при круглом бесцентровом шлифовании, резьбо-, зубо- и шлицешлифовании.

В процессе правки кристаллы алмазов и вставки алмазно-металлического карандаша изнашиваются с образованием площадок, поэтому такие алмазные инструменты обычно устанавливаются так, чтобы ось карандаша или оправки была наклонена под углом 12-15о в сторону вращения круга (рис. 3). Это позволяет периодически поворачивать алмазный инструмент вокруг оси. уменьшать площадь контакта алмаза с кругом, вводить в работу незатупившиеся грани алмаза и тем самым улучшать условия работы правящего инструмента, уменьшать его износ. Такая установка алмазных инструментов предохраняет алмаз от перегрузок, исключает вибрации в системе «станок - круг - алмаз» и преждевременное разрушение кристаллов алмаза.

Для правки кругов больших размеров, а также при профильном шлифовании применяются алмазы больших размеров в оправках, представляющих собой стальную державку, в которой закреплен необработанный алмаз с острой вершиной. Такие оправки имеют преимущество перед алмазно-металлическими карандашами, потому что они изготовляются из более качественных алмазов, и, следовательно, их износостойкость значительно выше.

Для закрепления алмазов в оправке применяются три основных способа крепления: механический зажим (резьбовым колпачком, пружиной, двумя планками), пайка различными припоями и зачеканка в медные или стальные оправки с медными вставками. Большое значение имеет правильность установки и закрепления алмаза в оправке. Алмаз должен быть установлен в оправке таким образом, чтобы плоскости сколов кристалла не совпадали с направлением сил, действующих на алмаз при правке. После закрепления алмаз должен выступать из оправки не более чем на 1/4 своей высоты.

Для правки кругов при однопрофильном резьбошлифовании применяются алмазные иглы (рис. 4), изготовленные по ГОСТ 17564--72. Для изготовления игл применяются природные алмазы в виде кристаллов формы октаэдра, а также пиленые или колотые.

Стоимость ограненных алмазных инструментов выше стоимости алмаза в оправках, так как ограненные кристаллы алмаза подвергаются трудоемкой операции шлифования. Однако высокая производительность правки кругов, повышение точности и качества шлифования оправдывают расходы на изготовление такого инструмента.

Правка кругов методом обтачивания позволяет получить высокую точность рабочей поверхности круга, которая за счет изменения величины продольной подачи алмазного инструмента может обеспечить различную шероховатость поверхности обрабатываемой детали. В процессе правки кругов методом обтачивания возникают очень небольшие силы (не превышающие 29,4-49 Н), способствующие меньшему разрушению абразивных зерен при правке и их износу при шлифовании.

Алмазные правящие инструменты находят применение в основном при профилировании шлифовальных эльборных кругов на керамических связках. Наиболее эффективна правка алмазными карандашами кругов из Эльбора на керамической связке, обеспечивающая высокую производительность процесса правки и режущие свойства рабочей поверхности круга.

Правка методом обкатывания представляет собой процесс дробления и скалывания абразивных зерен на рабочей поверхности круга правящим инструментом, получающим вращение от быстровращающегося шлифовального круга. В качестве правящих инструментов применяются:

круги из карбида кремния 54С 80 ВТ - ЧТ К;

твердосплавные монолитные ролики;

крупнозернистые твердосплавные ролики на металлической связке.

Под действием режущей кромки правящего инструмента, перемещающейся по образующей шлифовального круга со скоростью, равной величине продольной подачи, поверхностный слой связки разрушается, выступающие зерна выкрашиваются, а зерна, сидящие глубже в связке, раскалываются на части. Проскальзывание между шлифовальным кругом и правящим инструментом приводит к затуплению абразивных зерен на выправляемой поверхности круга.

При правке методом обкатывания возможны два случая взаимного положения правящего инструмента и шлифовального круга:

оси вращения шлифовального круга и правящего инструмента находятся в одной плоскости (w=0)

оси вращения шлифовального круга и правящего инструмента находятся в пересекающихся плоскостях под углом w

С увеличением угла w в зоне правки возрастают разрушающие усилия, действие которых интенсифицирует процесс правки рабочей поверхности круга и увеличивает износ правящего инструмента.

В процессе правки шлифовального круга крупнозернистым правящим инструментом, изготовленным из крошки твердого сплава и карбида кремния, проскальзывание между кругом и правящим инструментом оказывает меньшее влияние на качество правки, чем при правке монолитным твердосплавным роликом.

В первом случае происходит дополнительное скалывание режущих зерен на выправляемой поверхности шлифовального круга, во втором проскальзывание вызывает шлифование правящего инструмента и значительное заглаживание рабочей поверхности круга после правки. Поэтому всегда целесообразно применять правящие инструменты, более твердые и прочные, чем абразивный материал круга. Предпочтение следует отдавать абразивным и крупнозернистым твердосплавным роликам, зерна которых даже в случае проскальзывания в зоне правки дополнительно скалывают выправляемые абразивные зерна и при этом существенно не изнашиваются.

Правка кругов методом обкатывания безалмазными правящими инструментами чаще всего применяется как предварительная, когда необходимо снять рабочий слой большой толщины с недостаточно хорошо сбалансированного круга при значительной его неуравновешенности и неравномерности снимаемого рабочего слоя. При такой правке используются стальные диски, звездочки и шарошки, устанавливаемые в специальные правящие приспособления.

Следует обратить внимание на правку шлифовальных кругов металлическими дисками диаметром 50 и 70 мм , изготовляемыми из сталей 10, 20 и 30 по ГОСТ 1050-74 глубиной цементации 0,3-0,5 мм и твердостью HRC 55-60. Наличие у дисков мягкого, незакаленного слоя материала способствует более интенсивному процессу правки, меньшему заглаживанию режущих граней абразивных зерен круга, обеспечивает им при правке высокую режущую способность. Эти диски, применяемые для правки перед окончательными операциями шлифования, обеспечивают шероховатость обработанных поверхностей Ra 2,5-0,63 мкм.

При безалмазной правке методом обкатывания возникают большие усилия, вызывающие значительный износ рабочей поверхности круга. Обычно при этом износ кругов между правками гораздо больше, чем при правке алмазными инструментами.

Правка методом обкатывания используется исключительно при профилировании шлифовальных кругов из электрокорунда и карбида кремния. Алмазные и эльборные круги профилировать этим методом не рекомендуется из-за значительного силового воздействия правящего инструмента на рабочий слой, вызывающего повышенный его износ и низкую размерную стойкость инструмента.

Правка методом шлифования представляет собой процесс срезания и дробления абразивных зерен медленно вращающимся правящим инструментом, который получает принудительное вращение от самостоятельного привода или от привода передней бабки шлифовального станка. В качестве правящего инструмента применяются крупнозернистые алмазные ролики на твердосплавной связке (ГОСТ 16014-78) и круги из карбида кремния высокой степени твердости.

При этом методе вследствие разности скоростей шлифовального круга и правящего инструмента происходит скалывание абразивных зерен, а иногда - выкрашивание целых зерен под давлением правящего инструмента. В настоящее время для этого вида правки все большее применение находят алмазно-металлические ролики, получающие принудительное вращение по направлению вращения шлифовального круга или против него.

Для правки кругов методом шлифования применяются круги из карбида кремния на керамической связке зернистостями 125-50, степеней твердости СТ1-ВТ, наружным диаметром 60-250 мм. Алмазные ролики (рис. 6) для правки шлифовальных кругов по ГОСТ 16014--78Е изготовляются наружным диаметром 70 мм и высотой 20 мм из природных алмазов с равномерным их расположением на рабочей поверхности ролика. Ролик состоит из корпуса, изготовленного из стали 35 или 45 по ГОСТ 1050--74, и алмазоносного слоя, прочно соединенного с корпусом. Алмазоносный слой состоит из алмазов, сцементированных специальной твердосплавной связкой.

В настоящее время все более широкое применение находят алмазные ролики, позволяющие осуществлять правку кругов по нескольким рабочим поверхностям: прямолинейным, криволинейным и их сочетаниям. Такая правка за счет одновременной обработки нескольких поверхностей детали, а также за счет сокращения времени на правку круга позволяет значительно повысить производительность труда при шлифовании.

...