Эссе на тему: "Магнитотвердые стали и сплавы"

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3
Глава 1. Характеристика сталей…………………………………………...5
1.1. Краткая характеристика легированных сталей…………………..…5
1.2. Характеристика рессорно-пружинных сталей……………………….7
1.3. Классификация и свойства рессорно-пружинных сталей………….8
Глава 2. Требования к работе пружин и рессор…………………………8
2.1 Условия работы пружин и рессор. Требования к рессорно-пружинным сталям……………………………………………………………….8
2.2 Термическая обработка пружин и рессор....................................…11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………...13
ВВЕДЕНИЕ
Магнитотвердые стали, и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вг. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.
Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.
У стали У12 после закалки в воде Нс = 4800 А/м, Вг = 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной индукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.
Легирование металла вызывает повышение магнитной твёрдости (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твёрдом растворе второй фазы, с повышением дискретности второй фазы, при возникновении напряжений в кристаллической решётке, при измельчении зерна.
В настоящее время для изготовления постоянных магнитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой. Е обозначается магнитная сталь.
Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100.°С в течение 10-24 ч).
Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придаёт им повышенную твёрдость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С. При отжиге происходит образование карбидов, что ухудшает магнитные свойства («магнитная порча»). Поэтому перед закалкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.
Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно проводить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом несколько снижаются магнитные свойства.
Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как устраняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.
Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечивает стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.
Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24.% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).
Магниты из этого сплава получают литьём, так как сплав не поддаётся деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем. Нагретый до 1300.°Cплав помещают между полюсами электромагнита напряжённостью 160. А/м и охлаждают до температуры ниже 500.°С, дальнейшее охлаждение проводят на воздухе. После такой обработки сплав обладает анизотропией магнитных свойств.
Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закалке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свойства: Я = 40 000 А/м, Вг = 1,2 Тл.
Последнее время находят применение сплавы на основе кобальта (52.% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.
В данном эссе необходимо рассмотреть:
Краткую характеристику легированных сталей
Характеристику рессорно-пружинных сталей
Классификацию и свойства рессорно-пружинных сталей
Условия работы пружин и рессор. Требования к рессорно-пружинным сталям
Термическую обработку пружин и рессор.
Глава 1. Характеристика сталей
1.1. Краткая характеристика легированных сталей
Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена ещё и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям. [1, стр. 40]
Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях. [1, стр. 50]
В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.
Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.
1.2. Характеристика рессорно-пружинных сталей
Основными характеристиками для данного вида сталей является высокое сопротивление упругим деформациям и низкий коэффициент остаточного растяжения. Это связано с недопустимостью увеличения или уменьшения конструкционного размера пружины. [1, стр. 59]
Хороших конструкционных и эксплуатационных свойств добиваются, протягивая заранее патентированную проволоку при низких температурах, при этом производят сильную обтяжку материала.
Для достижения одинаковых физико-химических свойств по всему сечению материала пружинная сталь должна пройти процесс прокаливания сквозной методикой, это обеспечит гомогенную структуру по всему сечению. Особенно важен этот метод для изготовления рессор и пружин большого диаметра, когда неравномерность свойств исходного материала может привести к разрушению готового изделия.
Как для любого другого материала, для рессорно-пружинной стали характерно наличие в составе углерода. В данном случае его содержание может колебаться в пределе 0.50-0.80 % от массы сплава. Дополнительно используют такие легирующие добавки:
кремний – до 2.5 %;
марганец – до 1.3 %;
вольфрам – до 1.3 %;
никель – до 1.7 %.
Микроструктура рессорно-пружинной стали
Стоит заметить, что хром и марганец при совместном легировании увеличивают сопротивление стали низким пластичным деформациям. Никель и вольфрам образуют тонкую и однородную структуру карбидной фракции, которая препятствует дислокации. [2, стр. 22]
Закалка данного типа производится при температурах 850 – 880 С, но после такой термической обработки сталь проявляет слабые упругие свойства из-за образования мартенсита, для повышения данного типа свойств её отпускают при температурах порядка 420-510. С, что способствует образованию троостита и повышению упругой деформации сплава до предела прочности 1200-1900 МПа и пределу текучести 1100-1200 МПа. При этом проведение закалки изотермически – при постоянной температуре – положительно сказывается на показателях пластичности и вязкости материала.
Стоит отметить так же несколько основных недостатков рессорно-пружинной стали.
плохая свариваемость – это обусловлено разрушением наружного слоя материала и локальном перегреве детали;
сложность резки – некоторые трудности возникают при попытках реза такого типа стали, связанно это напрямую с большим сопротивление деформации.
1.3. Классификация и свойства рессорно-пружинных сталей
Классификация пружинных сталей
Для начала разберём маркировку такого типа материала, чаще всего она имеет вид «50А2БВГ», где:
50 – содержание углерода в долях процента;
А2 – легирующий элемент №1 и его содержание в процентах;
Б, В, Г – легирующие элементы №2,3,4 и т.д.
Если после обозначения легирующего элемента не стоит число, значит, его массовое содержание не превышает 1.5%, если число 2 – массовая доля больше 1,5%, но меньше 2,5%, если 3 – массовая доля выше 2,5%.
Например, сталь 50ХГФ – это сплав, в котором содержание углерода составляет 0,50%, и легирующие компоненты хром, марганец и ванадий составляют меньше 1,5%.
Если в маркировке стали есть только цифра, например, ст. 50, ст. 65 и др., это обозначает, что она относится к углеродистым сталям, а если в названии есть минимум 2 элемента, такая рессорно-пружинная сталь относится к легированным. [3, стр. 65]
Рассмотрим основные классификации данного типа:
По способу обработки:
Кованный и горячекатаный.
Калиброванный.
Со специальной обработкой наружных поверхностей.
Горячекатаный круглый с обточенной поверхностью.
По химическому составу стали:
Качественная.
Высококачественная.
Марка рессорно-пружинной стали даёт возможность определить её конструкционные и физико-химические свойства, определить область использования и возможности по механической обработке. [1, стр. 18]
Глава 2. Требования к работе пружин и рессор.
2.1 Условия работы пружин и рессор. Требования к рессорно-пружинным сталям
Пружины и рессоры являются упругими элементами разнообразных машин, механизмов и приборов, предназначенных для создания, восприятия или гашения ударов, колебаний, сотрясений, а также для привода подвижных частей или для измерения усилий. [4]
Разнообразие видов пружин, применяемых в современной технике, весьма велико. По характеру работы различают:
пружины, работающие на сжатие, растяжение, кручение;
специальные пружины, воспринимающие комбинированную нагрузку, в основном изгиб.
По форме пружины делятся на винтовые, спиральные, тарельчатые и др.
Различные типы пружин могут эксплуатироваться при статическом приложении нагрузки (например, постоянно сжатые), при динамических нагрузках (буферные пружины) в многократных динамических нагрузках с большим числом циклов нагружения различной частоты (пружины клапанов двигателей). [5]
Основной рабочей характеристикой пружин является их жёсткость, т. е. способность деформироваться на определенный размер при заданных нагрузках. Величина и постоянство рабочих характеристик, а также отсутствие поломок и изменения размеров (проседание, растяжение) характеризуют качество пружин. [6]
Виды пружин
а – пружина сжатия цилиндрическая;
б – пружина сжатия коническая из проволоки круглого сечения;
в – пружина сжатия телескопическая из заготовки прямоугольного сечения; г – пружина растяжения цилиндрическая;
д – пружина кручения;
е – пружина спиральная плоская;
ж – пакет тарельчатых пружин;
з – пружина изгиба пластинчатая;
и – листовая рессора.
Наибольшее распространение в технике имеют винтовые пружины. Крупные винтовые пружины изготавливают из прутков диаметром более 12 мм, средние – из проволоки или прутков диаметром 1,5–12 мм. Мелкие пружины изготавливают из проволоки диаметром 0,2 –1,5 мм. [6]
В большинстве пружин материал работает на кручение, поэтому для расчёта пружин используют модуль сдвига материала. Для оценки качества пружинных материалов используют испытания на растяжение. [1, стр. 79]
При правильном выборе типоразмера пружин и рессор в соответствии с величиной и характером эксплуатационных нагрузок на их долговечность и надёжность влияют следующие факторы:
Химический состав и структурное состояние стали после термической обработки, а также его изменение в процессе нагружения.
Металлургическое качество стали (содержание неметаллических включений, неоднородность состава и структуры).
Качество поверхности проката (листа, полосы, ленты, проволоки). Наличие дефектов поверхности, играющих роль концентраторов напряжений в готовых пружинах и рессорах.
Наличие и глубина обезуглероженного слоя.
Напряжённое состояние, определяемое характером распределения и величиной внутренних остаточных напряжений. [5]
Стали для пружин и рессор представляют собой специальную группу конструкционных сталей с характерным комплексом свойств, важнейшим из которых является сопротивление малым пластическим деформациям. Оно характеризуется условным пределом упругости, отвечающим появлению остаточной деформация 10-3–10-4 %. Величина предела упругости определяет предельные напряжения, которые не должны быть превышены в упругих элементах в процессе эксплуатации. Также к материалам пружин и рессор предъявляются требования:
высокая релаксационная стойкость;
наличие некоторой минимальной вязкости и прочности;
высокий предел усталости; [5]
технологическая пластичность при горячей и холодной пластической деформации.
По назначению рессорно-пружинные стали классифицируются на:
стали общего назначения, используемые в качестве конструкционных материалов для работы в обычных атмосферных условиях;
стали специального назначения для изготовления упругих элементов, работающих в особых условиях (коррозионно - и теплостойкие).
Основными способами упрочнения пружинных сталей являются:
холодная пластическая деформация с последующим низкотемпературным нагревом (обработка “наклёп–отжиг”);
закалка на мартенсит с последующим отпуском;
закалка на пересыщенный твёрдый раствор с последующим старением;
термомеханическая обработка;
комбинированные обработки. [5]
2.2 Термическая обработка пружин и рессор
При высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) рессорных сталей температуру аустенитизации принимают на 100–150. °Свыше АС3, степень деформации 25–60 % при одновременном обжатии и до 70 % при дробной деформации. Оптимальные режимы ВТМО выбирают эмпирически для каждого изделия. В результате ВТМО достигается возрастание статической и усталостной (в том числе и малоцикловой) прочности, сопротивления разрушению, пластичности и ударной вязкости; понижение температуры порога хладноломкости, устранение обратимой отпускной хрупкости и уменьшение водородного охрупчивания при нанесении гальванических антикоррозионных покрытий. [4]
Повышение комплекса свойств при ВТМО установлено для широкого круга пружинных сталей с различной степенью легирования: кремнистых (55С2, 60С2), хромомарганцевых (50ХГА), сталей марок 50ХФА, 45ХН2МФА и др. Наибольшая эффективность от ВТМО достигнута на сталях, содержащих карбидообразующие элементы – хром, ванадий, молибден, цирконий, ниобий и т. п. (стали марок 50ХМФ, 50Х5СМЗФ и др.).
При ВТМО возможно использование различных схем деформации (прокаткой, волочением, экструзией, штамповкой), но ввиду анизотропии упрочнения необходимо, чтобы направление, в котором достигнуто максимальное упрочнение, совпадало с направлением действия максимальных напряжений при эксплуатации, т. е. схемы главных напряжений при ВТМО и в эксплуатации должны быть близки.
Важным преимуществом ВТМО, расширяющим область ее применения, является наследование субструктуры, созданной этой обработкой, даже после повторной закалки. [4]
Перспективным методом обработки пружинных сталей является дополнительное упрочнение холодной пластической деформацией, осуществляемой после ВТМО.
В результате окончательного отпуска при 250. Cохраняются прочностные характеристики стали и повышается ее пластичность.
Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) позволяет получить высокий комплекс пружинных свойств на углеродистых (У7А) и легированных сталях (70С2ХА и др.), что связано как с наследованием мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита, так и с развитием бейнитного превращения в процессе пластической деформации. Наиболее сильно после НТМО возрастает предел упругости. Эффект упрочнения при НТМО, как правило выше, чем при ВТМО. С точки зрения практического выполнения НТМО является более сложной обработкой. [4]
Свойства стали после НТМО, особенно предел упругости и релаксационная стойкость, могут быть повышены в ещё большей степени путём холодной пластической деформации с обжатием 10 % и старения.
Стабильность субструктуры и устойчивость упрочнения при нагреве стали после НТМО значительно меньше, чем после ВТМО. Повторная закалка почти полностью снимает эффект НТМО. [4]
Недостатком НТМО является то, что рост упрочнения часто сопровождается снижением пластичности, повышением чувствительности к концентраторам напряжений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Были исследованы магнитотвердые стали и сплавы. В этом эссе удалось рассмотреть ряд задач. Таких как:
Краткую характеристику легированных сталей
Характеристику рессорно-пружинных сталей
Классификацию и свойства рессорно-пружинных сталей
Условия работы пружин и рессор. Требования к рессорно-пружинным сталям
Термическую обработку пружин и рессор.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рахштадт, А.Г. Пружинные стали / М.: Металлургия, 1971 – 495 с.
2. Околович, Г.А. О сопротивлении инструментальных сталей усталостному разрушению / Г.А. Околович, А. В. Семичастная, В. Моисеев //Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент, 1973 - № 6
3. Околович, Г.А. Свойства пружинных сталей после термообработки и деформационного упрочнения/ Г.А. Околович, А. Околович, А. Гурьев // XV Международная научно-техническая конференция студентов и молодых учёных. – Томск, 2009 – С. 112-114.
Интернет-ресурсы
4. http://texinfo.inf.ua/razdeli/materiali/stati/to_prugin.html5. http://delta-grup.ru/bibliot/100/72.htm6. http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/69.html