4. Задание 4

Приведите пример коррозионностойкой стали, опишите ее структуру и строение, обоснуйте выбор легирующих элементов и термообработки.

Ответ: Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией. Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.

Коррозионная стойкость может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы в таком количестве, при котором скачкообразно повысится электродный потенциал сплава.

Важнейшими коррозионно-стойкими техническими сплавами являются нержавеющие стали с повышенным содержанием хрома: хромистые и хромоникелевые.

Содержание хрома должно быть не менее 13% (13... 18%). Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида Сr₂O₃. Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.

В качестве коррозионностойкой стали выбираем сталь 08Х13 ферритного класса, содержит 0,08%С и 13%Cr. Из-за малого содержания углерода сталь не упрочняется термической обработкой. В отожженном состоянии эти стали пластичны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться не только горячей, но и холодной обработке давлением. Закаливают эти стали с температуры 1000°С в случае повышения или понижения температуры закалки увеличивается количество феррита. Температура закалки должна быть такой, чтобы растворить карбиды хрома и перевести его в твердый раствор. После закалки их подвергают высокому отпуску (600-700°С) для получения сорбитной структуры.

Таким образом, термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.

Хромистые ферритные стали типа 08Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, работающих в слабоагрессивных средах. К таким деталям относятся клапаны гидравлических прессов, мешалки, шнеки, валы в пищевой промышленности.

5. Задание 5

Какие керамические материалы применяются для изготовления сопел плазменных горелок и других деталей, от которых требуется высокая огнеупорность? Как изготавливают эти изделия?

Ответ:

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамика относится к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентноспособность промышленной продукции. В данное время керамика является третьим промышленным материалом после металлов и пластмасс, и первый конкурент металлических сплавов для использования при высоких температурах.

Керамические материалы выгодно отличаются от металлических и полимерных следующими свойствами: многофункциональностью, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию, биологической совместимостью, низкой плотностью.

Однако керамике присущ и ряд существенных недостатков: чувствительность к термоударам (особенно переохлаждению), хрупкость, низкое временное сопротивление, сложность механической обработки.

Для изготовления инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, керамических подшипников, тиглей для плавки металлов, сопел плазменных горелок применяется корундовая керамика.

Керамику, состоящую в основном из оксида алюминия, принято называть корундовой керамикой в соответствии с названием природного минерала корунда, представляющего собой чистый оксид алюминия α-А1₂О₃. Так как искусственно изготовленная техническая корундовая керамика содержит не только А1₂O₃, а в ряде случаев – некоторые введенные добавки и сопутствующие сырью примеси, то условно принято называть корундовой керамикой такую, которая содержит 95% и более А1₂O₃ и основной кристаллической фазой которой является корунд.

В нашей стране корундовую керамику, предназначенную для различных областей техники, называют по-разному: алюмооксид, корундиз, синоксаль, миналунд, стоал, 22ХС (ВК-94-1), микролит, М-7, поликор (КВ-100-1) и др. Все эти виды корундовой керамики отличаются типом и количеством вводимой добавки, некоторым различием в технологии изготовления и, как следствие, свойствами.

В качестве исходных материалов для производства корундовой керамики применяют главным образом безводные формы оксида алюминия, выпускаемые промышленностью в виде технического глинозема и белого электроплавленого корунда. Безводный оксид алюминия А1₂O₃ имеет несколько кристаллических модификаций. Безусловно установлены α-, β- и γ-модификации глинозема, причем α-и γ-А1₂O₃ представляют собой чистый оксид алюминия.

Изделия из оксида алюминия можно изготавливать разнообразными методами. Выбор метода зависит главным образом от формы и размеров изделия, а также от тех свойств, которые необходимо придать изделию. Применение корундовой керамики очень разнообразно, и в каждом отдельном случае стремятся максимально улучшить требуемое свойство. Например, если требуется высокая химическая чистота изделия (тигли для плавки чистых металлов), то стараются избежать введения добавок, способных засорить плавку. В вакуумно-плотную электроизоляционную керамику вводят добавку, которая бы одновременно не снижала диэлектрические свойства, способствовала формированию вакуумно-плотного тела изделия и улучшала способность к спайке с металлом. Исходя из этих условий, последовательность проведения некоторых технологических операций при производстве корундовых изделий и них существо могут различаться.

При массовом выпуске изделий наиболее часто применяют: 1) литье из водных суспензий; 2) литье под давлением из пластифицированного парафином шликера; 3) прессованние порошкообразных масс в разных вариантах. Независимо от того, какой метод изготовления изделий будет применен, технический глинозем предварительно обжигают, очищают от примесей (при изготовлении некоторых изделий) и тонко измельчают.

Корундовая керамика благоприятно сочетает высокие значения диэлектрических и механических свойств при высокой химической стойкости в различных средах. Так она отличается высокими прочностными свойствами: предел прочности её на изгиб достигает 350-600 МПа, на сжатие – 3000-5000 МПа. Она сохраняет свои прочностные свойства до температур 0,8-0,9 от температуры плавления материала, вследствие высокой прочности ионной связи в кристаллической решётке.

Корундовая керамика устойчива к испарениям при ее эксплуатации в вакууме при температурах 1800-1900°С (потеря массы 0,4-0,5%). При длительной эксплуатации свойства корундовой керамики ухудшаются. Это происходит в результате протекания процессов высокотемпературной рекристаллизации.

Корундовая керамика высокой степени чистоты обладает высокими электрофизическими характеристиками. Средние значения удельного объёмного сопротивления ρ_vпри нормальной температуре для корундовой керамики находится в пределах 10¹⁴-10¹⁶Ом·см в зависимости от чистоты материала, свойств стекловидной составляющей и структуры. С повышением температуры до 1000°С удельное объемное сопротивление снижается до 10⁶-10⁷, а при 1500°С – до 10⁴-10³Ом·см.

Благодаря высоким значениям физико-механических, электрофизических свойств, отличной химической устойчивости корундовая керамика широко применяется в самых различных областях техники. Электрофизические свойства используются в электроизоляционной, радиоэлектронной и электровакуумной технике для изготовления многих видов изделий. Так в электротехнике из нее изготавливают изоляторы, диэлектрические основания, платы.

В машиностроении делают высокоскоростные резцы, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и т.д. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной технике, пористую – как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавку металлов.