Основные параметры качества материала поверхностного слоя деталей

Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев. В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы: 1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами. 2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Методы изменения структуры

Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД). В сущности, деформация поверхности – это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип. Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Рmax (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии. В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами. Основное назначение ППД – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм. Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др. Дробеструйная обработка — обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса. При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка роликами улучшает микрогеометрию изделия. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45. Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б). Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).

Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом

Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.

Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей. Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а). На поверхности, подвергавшейся обработке, видны следы фрезы (рис.3,б).

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева – нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным. Справа – участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.

Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура

И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности. Более темный слой – мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск. В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).

Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а – слои мартенсита закалки и отпуска, б – мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г – троостит и мартенсит в сердцевине.

Поверхностное упрочнение стали

Отпуск стали

Мартенсит – это неустойчиваяструктура за счет большого запаса внутренней энергии. А, как нам известно, система всегда стремится к минимальному запасу внутренней энергии. И мартенсит, кристаллическая решетка которого искажена большим количеством углерода, можно сравнить с чемоданом битком набитом вещами – состояние чемодана неустойчивое – достаточно небольшого толчка, он откроется и лишние вещи из него выпадут.

Тоже можно сказать и про мартенсит – это неустойчивое состояние и система стремится перейти в более устойчивое равновесное состояние. Нагревание закаленной стали при отпуске облегчает этот переход.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ (отпуске)

Закаленная сталь со структурой М+ Аост, находится в неустойчивом состоянии и стремится перейти в более устойчивое. Нагревание закаленной стали при отпуске облегчает этот переход.

ОТПУСК всегда проводитсяпосле закалки –для снятия внутренних напряжений, получения более равновесной структуры, которая обеспечивает вязкость и пластичность стали .

ОТПУСКОМ называют нагрев закаленной стали до температур, не превышающих РSК (727)

Превращения при отпуске связаны с процессом распада твердых растворов Мартенсита и А ост с образованием в конечном счете феррито-цементитной смеси .

СУЩНОСТЬ РАСПАДА СОСТОИТ В ПОРСТЕПЕННОМ ВЫДЕЛЕНИИ УГЛЕРОДА ИЗ МАРТЕНСИТА

Образующиеся при отпуске структуры имеют те же названия, что и продукты диффузионного распада Аустенита.: троостит, сорбит, перлит. Однако структуры имеют зернистое строение, а не пластинчатое и добавляется индекс, например Сотп (сорбит отпуска).

ОТПУСК – это окончательнаятермическая обработка. С повышением температуры нагрева при отпуске, прочность и твердость обычно снижаются, а а пластичность и вязкость увеличиваются. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемых свойств конкретной детали. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

НИЗКИЙ отпуск . Температура нагрева составляет 150-300 градусов. В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения, происходит некоторое увеличение вязкости и пластичности без заметного снижения твёрдости. Полученная структура называется Мотп (мартенсит отпуска). Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей (инструменту необходима высокая твердость), а также для деталей, подвергшихся цементации, от которых требуется высокая твердость поверхности.

СРЕДНИЙотпуск . Температура нагрева составляет 300-450 градусов. Получают структуру Троостит отпуска , сочетающую высокую твердость (40 НRС) с хорошей упругостью и вязкостью. Такому отпуску подвергают изделия типа пружин, рессор.

ВЫСОКИЙотпуск. Температура нагрева составляет 450-650 градусов. Структура после высокого отпуска –Сорбит отп. В результате прочность и твёрдость снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали –– сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.Она является основным видом обработки конструкционных сталей сталей с содержанием углерода 0,3-0,5 %.

( достигается оптимальное сочетание свойств — золотая середина).

Поверхностное упрочнение стали

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твёрдости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку –– в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц–10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагревающие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с увеличением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжительности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, в пределах 1-10 мм. Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, отсутствие окалинообразования. Недостаток – высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийному производству.

Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы –– лазерная обработка. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объём металл приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твёрдости и износостойкости.

Химико-термическая обработка (ХТО)

ХТО–– процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счёт насыщения её различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твёрдости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование , нитроцементация…

Цементация –– процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путём нагрева стальных деталей при 880–950 С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации –– газовую и твёрдую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СH и оксид углерода CO. Твёрдая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей Na CO или Ba CO .

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,1–0,3%). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0–1,2%. Толщина цементованного слоя составляет 1–2,5 мм. Цементацией достигается только выгодное распределение углерода по сечению детали. Высокая твёрдость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твёрдость поверхности составляет HRC 60. Цементации подвергают зубчатые колеса, втулки, оси, ролики…

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышается не только твёрдость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500–600 С в среде аммиака NH в течение длительного времени (до 60 часов). Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твёрдость стали повышается за счёт образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твёрдость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3–0,6 мм., твёрдость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при цементации HV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твёрдость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса Азотируют детали автомобилестроения, пресс-формы…

Цианирование–– процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом.Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaCN или KCl. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500–600 С, время процесса 1 – 1,5ч. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет до 2 мм, твёрдость поверхности –– HV 1000. Низкотемпературное цианирование применяют для инструмента из быстрорежущей стали. После цианирования необходима термообработка : закалка + низкий отпуск.

Преимущества процесса : малая продолжительность, отсутствие коробления , высокая твердость поверхности. Недостаток — высокая токсичность цианистых солей

Нитроцементация — то же, что и цианирование (углеродом и азотом одновременно), но насыщение идет из газообразной фазы. Температура процесса ниже, чем при цементации, а твердость и износостойкость выше.

Все рассмотренные процессы – это насыщение поверхности неметаллами. Наряду с эти проводят насыщение металлами – металлизация

Металлизация

Алитирование – насыщение поверхностного слоя алюминием — для повышения жаростойкости.

Хромирование— насыщение хромом. Цель – получение высокой твердости, жаростойкости, коррозионной стойкости поверхности.

Борирование – насыщение бором. Борированные слои имеют очень высокую твердость (НV 2000), но очень хрупки.

Металлизация — процесс очень дорогостоящий, осуществляется при очень высоких температурах(1000-1200о С), в течение длительного времени (растворы замещения, а не внедрения, как при цементации)

Поверхностное упрочнение пластическим деформированиемосновано на способности стали к наклёпу при пластической деформации. Наиболее распространёнными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обработка поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробемётов направляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0,5–1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твёрдость и износостойкость обработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструйной обработке составляет около 0,7 мм.

Обкатка роликами производится с помощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина упрочнённого слоя доходит до 15 мм.

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные имеют ряд преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего, прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и коробления деталей. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства). Классификация:

1. По содержанию легирующих элементов – низколегированные (общее содержание л.э. до

2,5 %.), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (свыше 10 %).

2. По назначению : конструкционные, инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами(нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные…)

3. По качеству: качественные, высококачественные, особовысококачественные. Отметим , что стали, обыкновенного качества могут быть только углеродистыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качественными.

Легирующие элементы по-разному влияют на свойства сталей:

— хром и кремний — ↑ твердость, прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость ( при содержании в стали хрома более 12 %, сталь становится нержавеющей).

— никель и марганец — ↑ прочность, не снижая пластичности.

— вольфрам и молибден — ↓ величину зерна, улучшают режущие свойства стали.

Легирующие элементы влияют на положение точек диаграммы железо –цементит.

— различают л.э – никель, марганец, медь , расширяющие γ – область, т.е устойчивость аустенита увеличивается и стали вплоть до комнатной температуры могут иметь структуру аустенита- такие стали называют сталями аустенитного класса.

— сужающие γ – область —хром, ванадий, вольфрам, молибден, кремний, титан — и сталь вплоть до температур плавления остается ферритной.

Карбидообразующие л.э. – это Cr W V Mo Ti и др. – они могут растворяться в цементите (Fе Ме)3С или образовывать самостоятельные карбиды Cr 23С6, VС, TiС… Карбиды л.э. имеют более высокую твердость, чем карбид железаFе 3С .

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ

К этому типу относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием углерода до

0,25% , также углеродистые (до 0,25% углерода).

Примеры: сталь15, 20, 25, 15Г , 20Г, 20Х, 15Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА…

После цементации и последующей закалки с низким отпуском достигается высокая поверхностная твердость и прочность при мягкой вязкой сердцевине.

Применяется для деталей работающих на износ(высокая твердость поверхности), испытывающих ударные и переменные нагрузки (вязкая сердцевина): кулачки, шестерни, поршневые кольца…

УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ

Это средне- и низколегированные стали с содержанием углерода 0,3 – 0,5 %, а также углеродистые с таким же интервалом по углероду. Их подвергают улучшению — закалка + высокий отпуск

(500-600оС, структура — сорбит). После такой обработки они обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью и вязкостью (лучший набор свойств). Применяют для деталей, работаюших в сложных напряженных условиях ( противостоят переменным и ударным нагрузкам).

Примеры: сталь 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА…

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500МПа (150кгс/мм2).

Применяются в машино-, ракето-, самолетостроении. Такой высокий уровень прочности можно получить:

1). В среднеуглеродистых легированных сталях, применяя закалку с низким отпуском. Примеры:

30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА, 40ХН2МА…

2). А также высокая прочность может быть получена за счет термомеханической обработки. Это совмещение пластической деформации (например ковка) стали , нагретой до аустенитного состояния, с ее последующей закалкой и далее отпуск (при деформации в аустенитной области происходит измельчение аустенитного зерна и последующей закалкой фиксируется тонкоигольчатый мартенсит, что и дает выигрыш в характеристиках прочности).

3). Третий путь — это применение мартенсито-стареющих сталей .

Пример:03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 04Х11Н9М2Д2ТЮ…

Это высоколегированные безуглеродистые сплавы (углерода не более 0,03%) сплавы железа с никелем (в пределах 8-25%), содержащие также кобальт, молибден, титан, алюминий, хром , медь.

При проведении закалки (охлаждение возможно на воздухе) фиксируется железоникелевый мартенсит, имеющий высокую пластичность (это объясняется тем, что это перенасыщенный твердый раствор замещения, а не внедрения, как в мартенсите углеродистых сталей). Прочность после закалки в районе 900-1100 МПа . После закалки проводят формообразующие операции – давлением, резанием (пластичность хорошая, а прочность не очень высокая). Упрочнение происходит при старении — это термообработка, заключающаяся в выдержке при температуре 480-520 оС, при старении происходит выделение из мартенсита мелкодисперсных интерметаллидных фаз (интер с латинского – «между», т.е. соединения металл- металл) : NiAl , Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo . После старения прочность повышается до высоких значений — 2400МПа. Механизм упрочнения объясняется торможением дислокаций мелкими интерметаллидными частицами, выделившимися из пересыщенного твердого раствора.

РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов, пружин, рессор. Эти стали должны обладать: высоким пределом упругости и выносливостью (многократность нагружения) при достаточной пластичности и вязкости . (Вспомним: предел упругости- это напряжение, при котором относительное остаточное удлинение составляет очень малые значения (сотые, тысячные доли %); первое требование к пружинам – высокий предел упругости, т.к. пружины должны деформироваться упруго, пластическая (остаточная )деформация не допускается.) Эти свойства достигаются после термообработки, заключающейся в закалке и последующем среднем отпуске.

В качестве рессорно-пружинных сталей применяют углеродистые стали с повышенным содержанием углерода 0,5-0,8%, а для ответственных деталей – легированные стали (углерод в тех же пределах). У легированных помимо лучших показателей прочности, прокаливаемости, выносливости (сопротивление усталости) , увеличивается релаксационная стойкость (релаксация – ослабление) . В процессе работы пружин часть упругой деформации переходит в пластическую (остаточную), поэтому пружины с течением времени теряют свои упругие свойства. Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, более надежны, следовательно применяют для более ответственных деталей.

Наружные дефекты на поверхности пружин являются концентраторами напряжений и могут стать причиной образования усталостных трещин. Поэтому поверхность пружин д.быть без загрязнений, плен,, микротрещин…

Примеры: сталь 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 60С2ХА, 50ХФА, 60С2Н2А…

Свойства стали 60С2 после т/о (закалка с 870 оС в масло, отпуск — 470 оС ) : 42-48 НRС, σв (предел прочности) ~ 1300МПа, δ (относительное удлинение) ~ 6 %, φ (относительное сужение) ~ 25 %.

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ

Шарикоподшипниковые стали предназначены для изготовления колец, шариков, роликов подшипников . Сталь должна иметь высокие : твердость, износостойкость, сопротивляемость контактной усталости (контактная выносливость).

Этим требованиям удовлетворяют высокоуглеродистые (0,95- 1,15 % углерода) хромистые стали высокого качества, чистые по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности.

Рис. 23 Вредное влияние неметаллических включений и карбидной неоднородности в шарикоподшипниковых сталях . Рисунок на доске.

У шарикоподшипниковых особая маркировка :ШХ4, ШХ15, ШХ15С2.

Ш- шарикоподшипниковая, Х – хромистая, цифра – содержание хрома в десятых долях процента (сравни: в обычной маркировке легированных , цифры после букв — процент легирующего элемента в целых процентах)

ШХ4 — шарикоподшипниковая хромистая сталь , содержание углерода ~ 1% (в маркировке % углерода не обозначен, но мы их обозначили как высокоуглеродистые ), хрома ~0,4 %;

ШХ15 — углерод ~ 1 %, хрома ~ 1,5 %.

Термообработка — закалка + низкий отпуск – дает структуру Мотп (мартенсит отпуска) с высокой твердостью 62-65 НRС , следовательно и износостойкость высокая.

Строительные стали, содержат малые количества углерода (0,1— 0,3%). Это объясняется тем, что детали строительных конструкций обычно соединяются сваркой. Низкое, содержание углерода обесп)ечивает хорошую свариваемость. В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 и Ст3, имеющие предел текучести б0,2 = 240 МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1,5% Мn и 0,7% Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, I4ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия и ниобия (до 0,1%) повышает предел текучести до 450 МПа за счет уменьшения величины зерна. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, I7Г2АФБ. Приведенные стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Инструментальные материалы подразделяются на: — материалы для режущего инструмента; для измерительного инструмента; штамповые стали ( штампы для обработки металлов давлением);

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕТА

Основные требования к материалам для режущего инструмента:

— высокая твердость и износостойкость; достаточная прочность и вязкость; теплостойкость;

Теплостойкость –(красностойкость) – способность сохранять высокую твердость, а следовательно и и режущую способность при продолжительном нагреве.

В процессе работы инструмент нагревается до высоких температур ( чем выше скорость резания, чем тверже обрабатываемый материал, тем больше силы трения, тем выше температура нагрева режущей кромки).

Нагрев в процессе резания можно сравнить с нагревами при отпуске:

окончательная низкий средний высокий

термообработка для отпуск отпуск отпуск

инструмента ~ 200 оС ~ 400 оС ~ 600 оС

Закалка + низкий отпуск

Структура – Мартенсит отп. Структура – М отп. Троостит отп. Сорбит отп.

Высокие твердость и прочность Высокие твердость и прочность твердость и прочность твердость и

Низкие пластичность, вязкость Низкие пластичность, вязкость снижаются прочность еще

больше снижаются

Т.е. в процессе работы, инструмент нагреваясь теряет свою твердость, а следовательно и режущую способность (Чем выше температура отпуска, тем ниже твердость и прочность. Для инструмента после закалки проводят низкий отпуск, чтобы получить мах твердость и прочность. А если режущая кромка при работе нагреется до температур превышающих температуру низкого отпуска, то чем выше нагрев, тем меньше будет твердость инструмента). Ниже дана классификация материалов для режущего инструмента с значениями теплостойкости

УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Содержат 0,7-1,35 % углерода. Маркируются буквой «У», далее — число обозначает содержание углерода в десятых долях процента : У7(У7А) … У13(У13А)

Пример : У7А – углеродистая инструментальная качественная сталь, 0,7 % углерода.

Инструмент ударного действия Сверла, метчики, фрезы напильники,

инструмент по дереву граверный инструмент

У7,У8 У9- У12 У13

→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→

↑ % углерода , ↑ твердость и прочность, ↓ ударная вязкость, пластичность

Для снижения твердости все инструментальные стали перед формообразующими операциями подвергают отжигу. После сфероидизирующего отжига цементит перлита приобретает зернистую форму, твердость которого меньше твердости пластинчатого перлита. Окончательная термообработка (т.е. обработка, придающая эксплуатационные свойства инструменту) заключается в закалке с низким отпуском.

Схема, поясняющая предварительную и окончательную термообработку инструмента:

Заготовка → предварительная т/о → механическая обработка → окончательная т/о

У9 сфероидизирующий отжиг придание формы инструменту закалка + низкий отпуск

Температура отпуска выбирается в зависимости от твердости, необходимой для инструмента. У7,У8 — температура отпуска 280-300 оС НRС 56-58 (но выше ударная вязкость); У9 –У13 — температура отпуска 150-200 оС НRС 62-64. Преимущества углеродистых сталей : высокая твердость, дешевизна. Недостатки : из-за низкой теплостойкости (до 200 оС ) и прокаливаемости ( у углеродистых ~ 10мм) применяют для изготовления инструментов небольших размеров и для резания материалов с низкой твердостью.

ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.

Содержание углерода 0,9-1,4 %, легирующие элементы : хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний…

Твердость и износостойкость примерно как у углеродистых и определяется высоким содержанием углерода. Легированием увеличивают прокаливаемость, повышают прочность и вязкость.

При окончательной термообработке закалку (8000-850 оС) проводят в масло, при этом уменьшается склонность к короблению и образованию закалочных трещин. Далее проводят низкий отпуск.

Маркировка – как и для углеродистых — % углерода вдесятых долях; при отсутствии цифры впереди марки – содержание углерода близко к 1 % или больше 1%.Цифры после букв – содержание легирующих элементов в целых единицах (как и в конструкционных), при отсутствии цифры л.э.~ 1%.

Пример: 9ХС – инструментальная легированная качественная сталь, содержание углерода — 0,9%, хрома и кремния ~ 1%.

ХВГ — инструментальная легированная качественная сталь, содержание углерода ~ 1%, хрома, вольфрама, марганца ~ 1%.

Из-за низкой теплостойкости, легированные имеют практически одинаковые с углеродистыми эксплуатационные свойства. Т.е. легированные также применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200-260 оС. Но в отличие от углеродистых, из легированных можно изготавливать инструмент больших размеров (прокаливаемость больше) и более сложной формы (закалка в масле обеспечивает меньшие напряжения).

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Такое название стали получили за свои свойства. Вследствие высоко теплостойкости 550-650 оС, изготовленные из них инструменты могут работать с высокими скоростями резания. Быстрорежущие сочетают высокую теплостойкость с высокой твердостью (68-70НRС) . Теплостойкость создается специальным легированием сильными карбидообразующими элементами: W , V, Mo, Cr ;с последующим применением специальной термообработки.

Маркировка: Р18, Р5М5, Р9К5, Р12Ф3 — в начале маркировки буква Р ( «рапид» — быстрый); цифра за буквой Р показывает содержание основного легирующего элемента вольфрама в целых процентах, цифры после других букв – содержание других легирующих в процентах. . Во всех быстрорезах присутствует хром ~ 4%, но его содержание в марке не указывают. Не указывают также молибден – при содержании до 1% и ванадия ~ до 2%. Содержание углерода во всех быстрорезах в районе 1%.

Р18 – инструментальная быстрорежущая сталь, содержание углерода до 1%, W -18%, Cr -4%, не более 1% Мо, не более 2% V.

Р6М5 – инструмент. Быстрореж. сталь, содержание углерода до 1%, W -6 %, Мо – 5%,Cr -4%, не более 2% V.

Быстрорежущие – это стали ледебуритного класса (легирующие элементы смещают эвтектику

(4,3 % С) влево и в стали с содержанием 1% углерода появляется эвтектика – ледебурит). Таким образом после литья быстрорежущие стали имеют в структуре ледебурит — механическая смесь Аустенит + Карбиды первичные (очень крупные). Измельчение первичных карбидов происходит при последующей горячей деформации. Высокие эксплуатационные свойства получают после закалки и 3-х кратного отпуска:

Рис.24 Термообработка быстрорежущей стали. Учебник, стр. 147, рис.14.1., а).

При закалке быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур (1290 о С) – для полного растворения карбидов в аустените, чтобы получить высоколегированный мартенсит и обеспечить высокую теплостойкость. Необходимость ступенчатого прогрева до достижения температуры закалки вызвана низкой теплопроводностью быстрорежущей стали.

Структура после закалки – Мартенсит закалки + карбиды + Аустенит остат. (до 40%),твердость ~ НRС62.

Наличие Аустенита остаточного ухудшает режущие свойства (имеет меньшую твердость). Для снижения Аустенита остаточного после закалки применяют 3-х кратный отпуск при 560 оС. При этом Аост. превращается в Мартенсит отп. И твердость увеличивается до 68-70НRС. Структура после закалки и 3-х кратного отпуска – Мотп. + карбиды +небольшое количество Аост.

Инструмент из быстрорежущих сталей : резцы, сверла, протяжки, метчики… Часто из дорогостоящей быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть, а «державку» — из углеродистой.

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

В качестве материалов для инструментов используют твердые сплавы, так называемую металлокерамику, состоящую из твердых тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала (Та) и связующей фазы. Их изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов(WC, TiC, TaC) смешивают с порошком кобальта (Со играет роль связки), прессуют , далее спекают при температуре ~ 1500 оС. При этой температуре кобальт плавится и связывает частички карбидов. После охлаждения получается плотный материал, состоящий на 80-95 % из карбидов (остальное – связка).

Твердые сплавы имеют очень высокую твердость 74-76 НRС при достаточно высокой прочности, отличаются высокой износостойкостью и теплостойкостью 800-1000 оС.

Основные твердые сплавы:

-группа ВК (WC +Со) — ВК3, ВК6, ВК25 – число после буквы К указывает процент кобальта, остальное карбид WC. Чем больше в сплаве Со –связки, тем выше прочность, но ниже твердость.

— группа ТК( WC+ TiC + Со) – Т30К6 – твердый сплав, содержащий 30% TiC, 6% Со, остальное (64%) — WC.

-группа ТТК ( WC+ TiC + ТаС + Со) – ТТ7К12 — сумма карбидов титана и тантала составляет 7%, кобальта 12%, остальное карбид вольфрама.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают рабочие части резцов, сверл, фрез… По эксплуатационным свойствам они превосходят быстрорезы и применяются для резания с высокими скоростями.

СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость которого(10000НV) ~ в 6 раз больше твердости карбида вольфрама (1700НV) и ~ в 8 раз больше твердости быстрорежущей стали (1300НV).

Основное количество алмазов (и природных и синтетических) чаще используют в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента. Чаще это шлифовальные круги для обработки особо твердых металлов и горных пород.

Необходимо отметить, что у алмаза высокая адгезия (прилипание) к железу, что является причиной низкой износостойкости при точении сталей и чугунов.

Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, пластмассу, керамику – при этом обеспечивается хорошая шероховатость поверхности.

СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Применяемые марки : У12, Х, ХВГ, Х9…

Для измерительного инструмента огромное значение имеет постоянство формы и размеров в течение срока службы инструмента. При термообработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации Мартенсита и Аустенита ост., чтобы в процессе работы не происходило превращение Аост. в М и не изменялась тетрагональность (искаженность ) решетки Мартенсита, а следовательно и размеров.

Это достигается соответствующим режимом термообработки : закалка + низкий отпуск с большой выдержкой —12-50часов

. (при большой выдержке полностью проходят все превращения и это дает стабильность размеров). Плоские инструменты – шаблоны, скобы, линейки изготавливают из низкоуглеродистых сталей (сталь15,20) — после цементации их подвергают закалке с низким отпуском, также с длительной выдержкой.

МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

1 ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ С ВЫСОКИМИ ЛИТЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Важнейшие свойства для получения качественных отливок : хорошая жидкотекучесть (способность заполнять литейную форму); низкая усадка (усадка при затвердевании обусловлена разностью объемов металла в жидком и твердом состояниях); малая склонность к образованию дефектов (горячих и холодных трещин, пористости, ликвации – неоднородности по химическому составу);

Литейные свойства сплава тем выше, чем меньше температурный интервал кристаллизации. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение. Из железоуглеродистых — лучшие литейные свойства имеют чугуны (серые СЧ , высокопрочные ВЧ, ковкие КЧ). 80% по общей массе отливок изготавливают из чугуна.

Стали для отливок в конце маркировки имеют букву Л: 40ХЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ

2 СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВАРИВАЕМОСТЬЮ

Свариваемость – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом..

Большинство соединений получают сваркой плавлением. При этом основной металл в зоне образования соединения плавится , образуя жидкую ванну. А близлежащие участки нагреваются до высоких температур. После нагрева следует быстрое охлаждение (источник тепла – электрод или газовая горелка перемещаются), т.е. возникает своеобразная подкалка, приводящая к образованию закалочных структур, что приводит к большому количеству дефектов (вспомним , структура закалки – мартенсит характеризуется высокими внутренними напряжениями, твердостью и прочностью, но низкими вязкостью и пластичностью).

Свариваемость стали тем лучше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов, причем влияние углерода является определяющим. Хорошо свариваются стали , содержащие до 0,25 % углерода (Сm1- Сm4, сталь 05, 08, 10, 15, 20, 25) и низколегированные (09Г2, 09Г2С, !4Г2, !5ГФ, !6ГС).

При сварке высоколегированных сталей требуются специальные приемы (снижение скорости охлаждения, применение защитных атмосфер, последующая термообработка ).

3 СТАЛИ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ

Связь между обрабатываемостью резанием и механическими свойствами неоднозначна.

С одной стороны, с увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала (заготовки), возрастают усилия резания, увеличивается терние и увеличивается температура нагрева инструмента, что вызывает разупрочнение режущей кромки инструмента .

С другой стороны, обработка слишком пластичных сталей также затруднена, так как образуется сплошная трудноломающаяся стружка, которая, непрерывно скользя по передней поверхности инструмента, нагревает и интенсивно изнашивает инструмент.

Для улучшения обрабатываемости резанием, применяют:

1). Для твердых материалов – отжиг и нормализацию — для снижения твердости и прочности заготовок;

2). Мягкие материалы перед резанием подвергают пластической деформации в холодном состоянии(например холодная штамповка) — при такой обработке происходит наклеп – возрастают прочность и твердость материала. С увеличением твердости материала стружка становится сыпучей.

3). Более эффективны металлургические процессы – введение в стали добавок серы S, свинца Рb, селена Sе. Стали с этими добавками называютавтоматными (т.е. их можно обрабатывать на станках- автоматах, с высокими скоростями) . Добавки (все они мягкие) создают как бы внутреннюю смазку, которая уменьшает трение между инструментом , заготовкой и стружкой.

Маркировка: Впереди стоит буква А – автоматная , далее число указывает содержание углерода с сотых долях процента, при добавке свинца — стоит буква С, селена –Е, при добавке серы – буква отсутствует.

А12 — автоматная сталь, содержание углерода 0,12%, с повышенным содержанием серы ( до 0,2%), вспомните: как вредная примесь — ее содержание оговаривается в сотых долях процента.

АС14- автоматная сталь, содержание углерода 0,14%, содержит свинец (до 0,3%).

А35Е — автоматная сталь, содержание углерода 0,35%, содержит селен (десятые доли процента).

1