1. Какие
электрические печи применяют для выплавки стали? Кратко опишите их
В настоящее время для выплавки стали широко применяют электропечи. Основными достоинствами электропечей являются:
. Возможность быстрого нагрева металла, что позволяет вводить в печь большое количество легирующих добавок;
. Возможность создать окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуумную атмосферу, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений;
. Возможность плавно и точно регулировать температуру металла. Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных, конструкционных, специальных сталей и сплавов.
1. Дуговыми;
. Индукционными.
Основное количество электростали выплавляют в дуговых печах. Доля стали, выплавляемой в индукционных печах, в общем объеме выплавки невелика.
Дуговая электропечь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченным куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Она может быть основной (магнезитовой, магнезитохромитовой) или кислой (динасовой). В съемном своде расположены три цилиндрических электрода из графитизированной массы, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх или вниз, автоматически регулируя длину дуги. Печь питается трехфазным переменным током.
Шихтовые материалы загружают на под печи сверху в открываемое рабочее пространство. После их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев шихты осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.
Для управления ходом плавки в печи имеются
рабочее окно и отверстие для выпуска по желобу готовой стали (летка). С помощью
поворотного механизма печь может наклоняться в сторону сталевыпускного
отверстия или рабочего окна. Вместимость дуговых печей может составлять 0,5 -
400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а
в литейных - с кислой.
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:
· без окисления примесей методом переплава шихты из легированных отходов;
· с окислением примесей на углеродистой шихте.
Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой. Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.
В соответствии с заданным химическим составом металла при загрузке тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.
При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.
В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.
Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными их них являются:
· отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;
· наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи, способствует выравниванию химического состава, всплыванию неметаллических включений;
· небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать любую атмосферу или вакуум.
К недостаткам этих печей можно отнести:
· недостаточная температура шлака для протекания металлургических процессов между металлом и шлаком;
· малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и остановкам.
Поэтому в индукционных печах выплавляют
сталь из легированных отходов методом переплава или методом сплавления чистого
шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов.
2. Что называют дислокацией в кристаллических веществах? Объясните влияние количества дислокаций на механические свойства металлов. Какие есть способы увеличения дислокаций?
Дислокация - это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Простейшие виды дислокаций - краевые и винтовые.
Линейное несовершенство кристаллической решетки, которое в двух измерениях имеет размеры порядка атомных, а в третьем - значительно больший размер.
Наличие определенного небольшого числа
дислокаций в кристаллах металла делает его более мягким в сравнении с металлом
без дислокаций. Но при увеличении плотности дислокаций прочность и жесткость металла
увеличиваются. Это объясняется тем, что увеличение плотности дислокаций ведет к
образованию как параллельных друг другу дислокаций, так и дислокаций в разных
плоскостях и направлениях. Таким образом, дислокации мешают перемещению друг
друга и прочность повышается. Аналогично, прочность повышается при наличии
других дефектов, мешающих перемещению дислокаций: например, в случае со сталью
роль таких дефектов играет небольшое количество атомов углерода.
Собственно, сопротивление металлов пластическим деформациям растет с
увеличением плотности ρ дислокаций,
ρ
= Σ(L)/V,
где L - длины дислокаций, пропорционально
G*√ρ,
где G - модуль сдвига.
Если сильно увеличить плотность дислокаций, то по той причине, что скопления дислокаций являются концентраторами внутренних напряжений, в металле появятся микроскопические трещины. Это приведет к снижению его прочности.
От числа, характера расположения и подвижностей дислокаций в кристаллах зависят механические и многие физические свойства моно- и поликристаллов. Из-за наличия дислокаций прочность реальных кристаллов во много раз меньше, чем идеальных. В то же время значительное увеличение плотности дислокаций в металлических материалах приводит к повышению их прочностных характеристик после обработки давлением. Пластическая деформация осуществляется, главным образом, в результате движения дислокаций.
Дислокационные механизмы упрочнения реализуются в кристаллических материалах. В их основе лежат процессы размножения дислокаций, изменения их плотности и торможения.
Варианты упрочнения, реализуемые на основе дислокационных механизмов:
1. Твердорастворное упрочнение.
2. Дисперсионное упрочнение.
. Дисперсное упрочнение.
. Получение сверхмелкого зерна (зернограничное упрочнение)
5. Упрочнение сплавов путем образования прочной межзёренной сетки при их кристаллизации.
6. Деформационное упрочнение.
3. Опишите процесс азотирования стали. Укажите его достоинства и область применения
выплавка сталь азотирование кристаллический
Азотирование стали впервые предложено акад. Н.П. Чижевским. Процесс азотирования стальных деталей заключается в поверхностном насыщении азотом в среде аммиака (NH3) при температурах нагрева 500-700° С в течение 20-90 ч. Глубина азотированного слоя допускается в пределах 0,2-0,8 мм.
Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, предела усталости, сопротивления коррозии и жаропрочности.
Азотированию могут подвергаться детали из углеродистой низко-легированной и легированной сталей, а также чугун.
Детали из углеродистой и низколегированной стали азотируют для увеличения сопротивления коррозии. Твердость азотированной. поверхности у них не превышает HV 250-300.
Азотирование может быть низкотемпературным (500-600˚С) или высокотемпературным (600-1200˚С). Термическая диссоциация аммиака представляет собой ионизационный процесс, сопровождающийся образованием ионов в рабочем пространстве печи. Азотированию подвергаются стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, а также чугуны и другие сплавы. В результате азотирования сталь приобретает высокую твердость на поверхности, не изменяющуюся при нагреве до 400-450˚С; высокую износостойкость и низкую склонность к задирам; высокий предел выносливости; высокую кавитационную стойкость; хорошую сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и паре
Технологический процесс изготовления деталей при применении азотирования состоит из следующих этапов:
) предварительная термическая обработка заготовки;
) механическая обработка детали, включая шлифование;
) защита мест, не подлежащих азотированию (покрытие тонким слоем олова гальваническим способом);
) азотирование;
) окончательное шлифование или доводка в соответствии с заданными допусками.
Легированные стали с содержанием хрома, никеля, алюминия и молибдена после азотирования имеют поверхностную твердость HV 850-1200 (рис. 37). Это достигается за счет образования мелкодисперсных нитридов на поверхности детали (химических соединений азота с элементами AlN, GrN, Cr2N, MoN).
Достоинство азотированного слоя - сохранение высокой твердости при нагреве до высоких температур.
Эта особенность азотированного слоя расширяет область применения азотирования и дает хорошие результаты в борьбе с износом деталей, работающих при повышенных температурах.
Снижение хрупкости азотированного слоя
позволяет применять азотирование при изготовлении деталей, имеющих острые
кромки и вырезы, а также нешлифуемых деталей. Так, например, в станкостроении
для шпинделей, опор качения и ходовых винтов используют стали 40Х, 40ХФА,
18ХГТ, а для гильз, накладных направляющих планок, ходовых винтов пар качения -
стали 40ХФА, 20ХЗВА, 20ХЗМВФ.
4. Опишите сущность
модифицирования чугунов. Укажите свойства модифицированных чугунов, их
маркировку и область применения
Применяемые способы сфероидизирующей обработки условно можно разделить на четыре группы: модифицирование в форме, модифицирование в специальной реакционной камере, модифицирование в ковше и обработка чугуна модифицирующей проволокой.
Чугуны - это наиболее широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Температура плавления чугунов значительно ниже, чем у стали на 300-400°С, что облегчает процесс литья.
Чугун с графитом как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатывается резанием (образованием ломкой стружки) и получают более чистую поверхность, чем сталь (кроме автоматных). Чугуны имеют повышенное содержание углерода (2,2 - 4%) и кремния (0,8 - 2%) - элементов соответствующих графитизации. Однако в марках чугуна химический состав не указывается. Структура и свойства чугунов зависят главным образом от условий получения отливки (температура жидкого металла, введение модификаторов, и особенно значительно, от условий охлаждения при литье). Поэтому, при одинаковом химическом составе, чугун может иметь сильно отличающуюся структуру и свойства (например, белый или серый чугун).
Ферритно-перлитные СЧ18; СМ20 - станины станков и механизмов, поршни, цилиндры.
Перлитные СЧ25, СЧ30, СЧ35 - детали, работающие на износ (тормозные барабаны, цилиндры, шестерни).
Серый чугун - в структуре серых чугунов присутствует графит пластической формы. Отливки из этого чугуна получают в земляных и металлических формах, кокилях. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластины крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. Однако их механические свойства (особенно пластичность) ниже, чем у других чугунов с графитом. Серый чугун используют для менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.
Ферритные: СЧ10, СЧ15 - используют детали неответственного назначения (крышки, шкивы и т.п.).
Ковкий чугун - имеет в структуре графит хлоповидной формы и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Все ковкие чугуны содержат меньше кремния. Ковкие чугуны используются более целесообразно использовать для тонкостенных деталей.
Ферритно-перлитные КЧ 45-7 - задний мост, картер автомобиля, ступицы.
Высокопрочный чугун - имеет графит шаровидной формы, что в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы. Прочные свойства этих чугунов наиболее высокие, отступают в прочности углеродистым конструкционным стилям, подверженным термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов ниже, чем у стали и у ковкого чугуна. Использование в промышленности высокопрочных чугунов, главным образом для массивных отливок из-за повышенных механических свойств возрастает за счет серых чугунов.
Ферритный: ВЧ 50-70 - траверсы прессов, фланцы, цилиндры, шестерни.
Перлитный: ВЧ 80-2 - цилиндры, поршни.
Отбельный чугун - имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твёрдости (HB 450-500) ледебурит и персит. Отбельный чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих твёрдую поверхность при литье.
Используют прокатные балки, рабочие части различного оборудования, колёса неответственного назначения.
Белый чугун - имеет структуру персита и
цементита по всему сечению и, как правило, доэвтектический. При высокой
износостойкости и твёрдости, но плохой обрабатываемости резанием белые чугуны
имеют сильно сниженные механические свойства и почти не применяются.
5. Опишите технологию
термической обработки алюминиевого сплава АЛ7. Укажите его свойства и область
применения
Термическая обработка сплава АЛ7 проводится по двум режимам.
Режим Т4: нагрев при температуре 515±5°С, выдержка 10-15 ч, охлаждение в воде при 80 - 100°С. Этот режим обеспечивает получение повышенной прочности и пластичности.
Режим Т5: закалка та же, старение при температуре 150°С в течение 2-4 ч, охлаждение на воздухе. Этот режим обеспечивает повышение пределов прочности и текучести при снижении относительного удлинения по сравнению с режимом Т4.
Микроструктура сплава в литом состоянии состоит из зерен α-твердого раствора, по границам которых располагается эвтектика α+CuAl2. При нагреве под закалку фаза CuАl2 полностью переходит в твердый раствор и в структуре термообработанного сплава выявляются зерна твердого раствора различной окраски после травления шлифа в зависимости от их ориентировки. Пережог сплава АЛ7 при термической обработке вызывает выплавление эвтектики α+CuАl2, которая кристаллизуется по границам зерен или в виде округлых включений внутри их. Зерна твердого раствора укрупняются
Сплав алюминия с медью АЛ7 - высокотехнологичный материал, после термоупрочнения сравним по свойствам с низкоуглеродистыми сталями. Плохо сопротивляется коррозии, из-за чего используется с защитным покрытием.