- •§ 6.5. Резание абразивным инструментом………………………..217
- •Предисловие
- •Глава 1. Общие принципы создания технологии.
- •§ 1.1 Понятие технологического процесса.
- •§ 1.2 Стандарты iso 9000 (исо 9000).
- •Стандарты семейства исо 9000
- •Цели и задачи сертификации
- •§ 1.3 Программы обеспечения качества атомных станций, как
- •§ 1.4 Жизненный цикл изделия.
- •Глава 2. Металлы. Металлические сплавы.
- •§ 2.1 Строение атомов.
- •§2.2 Основные металлические свойства металлов.
- •§2.3. Упругость.
- •§2.4. Общие свойства металлов и сплавов, как веществ,
- •§2.5 Полиморфные превращения (ПфП)
- •§2.6. Сплавы [2].
- •§2.7. Сплавы с особыми физическими свойствами
- •§2.8. Сталь. [2]
- •§2.9. Термическая обработка стали.
- •§2.10. Чугун
- •§2.11. Цветные сплавы.
- •§2.12. Химико- термическая обработка (хто) поверхности
- •§2.13. Композиционные материалы с металлической
- •§2.14 Разрушение металлов и сплавов.
- •§2.15. Механизм процесса разрушения.
- •§2.16. Изнашивание и износостойкость металлов [3].
- •§2.17. Пути повышения прочности деталей.
- •§2.18. Выбор сталей для деталей машин и механизмов [2].
- •§ 2.19. Коррозия и электрохимическая коррозия металлов.
- •§ 2.20 Окисные пленки
- •§ 2.21. Электрохимическая коррозия (эхк).
- •Глава 3. Неметаллические материалы
- •§ 3.1 Полимеры.
- •§ 3.2 Пластические массы.
- •§ 3.3 Резиновые материалы.
- •§ 3.4 Клеящие материалы и герметики.
- •§ 3.5 Рабочие и смазочно-охлаждающие жидкости
- •§ 3.6 Основы технологии производства резино-технических
- •§ 3.7 Основные положения технологии окрашивания
- •Глава 4. Литье.
- •§ 4.1. Некоторые свойства жидких расплавов.
- •§ 4.2 Требования к моделям и литым деталям.
- •§ 4.3 Формовочные смеси.
- •§ 4.4 Основные способы получения литых деталей.
- •§ 4.5 Характерные особенности способов литья.
- •§ 4.6 Брак литья.
- •§4.7 Изготовление деталей методами порошковой
- •Глава 5. Обработка заготовок методами
- •§ 5.1. Сущность процесса пластического деформирования
- •§ 5.2. Основные математические соотношения при
- •§ 5.3. Гибка
- •§ 5.4. Штамповка
- •§ 5.5. Изготовление и закрепление труб.
- •Глава 6. Резание металлов
- •§ 6.1. Сущность процесса резания.
- •§ 6.2. Шероховатость.
- •В таблице 6.2 приведены значения коэффициентов. Шлифование (круглое, предварительное и получистовое)
- •§ 6.3.Энергозатраты процесса резания.
- •§ 6.4. Современные способы сверления отверстий.
- •§ 6.5.Резание абразивным инструментом.
- •§ 6.5. Механическое полирование
- •§ 6.6. Механическая (лезвийная) обработка алмазом,
- •Глава 7
- •§7.1. Основные положения сварки.
- •§7.2. Электрическая сварочная дуга.
- •§7.3. Особенности процесса плавления металла в дуге.
- •§7.3. Основные реакции в зоне сварного шва.
- •§7.4. Формы сварных соединений
- •§7.5 Динамическая прочность сварных соединений.
- •§7.6. Основные требования к подготовке деталей к сборке под
- •§7.7 Электросварка в cреде защитных газов (см. Рис.7.1,д).
- •§7.8. Наплавочные работы.
- •§7.9. Контактная электросварка.
- •§7.10. Газовая сварка и кислородная резка (рис. 7.14).
- •§7.11. Сварка цветных металлов и их сплавов.
- •§7.12.Сварка чугуна.
- •§7.13. Сварка полимеров и пластмасс.
- •§7.14. Пайка металлов.
- •§7.15. Контроль качества изготовления заготовок и сварных
- •§7.16 Резьбовые соединения
- •§7.17 Сборка соединений с гарантированным натягом.
- •§7.18. Соединения деталей с помощью заклепок и точечного
- •§7.19 Точность обработки и сборки.
- •Глава 8.
- •§8.1. Электроимпульсная обработка металлов (эим)
- •§ 8.2. Электроконтактная обработка. (эко)
- •§ 8.3. Плазменная обработка (по)
- •§ 8.4. Электронно-лучевая обработка (эло)
- •§ 8.5. Лазерная обработка (ло)
- •§ 8.6. Электрохимическая обработка (эхо)
- •§8.7. Электрохимическое полирование.
- •§8.8. Гидроструйная обработка заготовок
- •§8.9. Ультразвуковая обработка (узо)
§2.9. Термическая обработка стали.
Это очень важный технологический процесс. Только выполнив его, можно получить требуемые механические свойства стали. Принято различать 4 типовых группы термообработки.
I. Отжиг 1-го рода.
Проходит без фазовых превращений и не зависит от них.
Гомогенизирующий (диффузионный) отжиг.
Проводят для выравнивания химсостава, например, в слитках, уменьшения ликваций. Осуществляется нагревом до 1000-1200С со скоростью 100- 150С/час, выдержка и охлаждение в печи до 800- 820С и далее на воздухе.
Рекристаллизационный отжиг.
Проводится после холодной деформации металла для устранения искажений кристаллической решетки, образования новых зерен, устранения остаточных напряжений. При первичной рекристаллизации плотность дислокаций уменьшается до первоначального уровня.
Так, отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистой стали проводят при Т= 680- 740С в течение 0,5- 1,5 часа.
После выдержки охлаждение с печью.
Высокий отпуск.
Применяется после закалки на металлургических заводах для снижения твердости сортового проката при Т= 650- 700С в течение 3- 15 час.
Отжиг для снятия остаточных напряжений.
Применяется при обработке отливок, сварных соединений, деталей после операций резания. Проводят при Т= 160- 700С с последующим медленным охлаждением с печью; Т= 160- 180С (2- 2,5 час.) после окончательной мех. обработки; Т= 650- 700С после сварки.
II. Отжиг 2-го рода.
При такой термообработке происходит фазовая перекристаллизация, приводящая к фазовому равновесию. Эти превращения определяют целевое назначение отжига.
Изотермический отжиг.(см. рис 2.23,а)
Проводят для поковок и сортового проката из легированной цементуемой стали небольших размеров. Нагрев до температур выше точек Ас3 (доэвтектоидная сталь) и Ас1, Асm(заэвтектоидная сталь), охлаждение до Т= 660- 680С, т.е. ниже линии Ас1. Выдержка 3- 6 часов. Охлаждение с печью. Получается структура- перлит.
Полный отжиг (см. рис. 2.23,б).
Применяется при обработке горячедеформируемой стали, слитков, фасонных отливок для получения мелкозернистой структуры и обеспечения высокой вязкости и пластичности.
Полный отжиг доэвтектоидных сталей устраняет крупнозернистость.
Производится нагрев до Т 850С (немного выше точек Ас3), выдержка и последующее медленное охлаждение с печью.
Структурой перлитных сталей (сталь 40 и др.) после полного отжига является перлит, т.е. при медленном охлаждении таких сталей аустенит превращается в перлит.
Рис. 2. 23
Графики изменения температуры при: а) изотермическом отжиге; б) полном отжиге.
Неполный отжиг
Применяется для обработки заэвтектоидных и легированных сталей. Осуществляется нагревом до Т= 750- 770С , т.е. между точками Ас1 и Ас3, Асm, охлаждением со скоростью 30- 60С/час до 600С и последующим охлаждением на воздухе.
При обработке заэвтектоидных сталей в структуре получают зернистый перлит и устраняют крупнозернистость.
Отжиг нормализационный (нормализация) (см. рис.2.24).
Применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки, для низколегированных сталей- вместо обычного отжига. Осуществляется нагревом выше Ас3 для доэвтектоидных сталей (С< 0,8%) или выше Аcm для заэвтектоидных сталей (С> 0,81%), т.е выше кривой GSE, непродолжительной выдержкой с последующим охлаждением на воздухе.
К конструкционным улучшаемым сталям относятся стали с содержанием углерода 0,30%....0,50%.
Рис. 2.24
График изменения температуры
при нормализации
Она вызывает фазовую перекристаллизацию, устраняет крупные зерна, уменьшает анизотропию.
Структура среднеуглеродистой стали после нормализации- перлит.
Нормализация занимает меньше времени, чем отжиг, т.к. здесь выше скорость охлаждения. При отжиге низко- и среднеуглеродистые стали охлаждают обычно вместе с печью.
Отжиг, увеличивающий зерно.
Производят нагревом до Т= 950…1200С. Подвергают ему трансфоматорную сталь, техническое железо для повышения магнитных свойств.
III. Закалка
Это процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали выше критических Ас3 (для доэвтектоидных сталей), Асm (для заэвтектоидных) сталей) точек или выше точек Ас1 для заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этой температуре и быстром охлаждении. Нагревом выше точек Ас3, Асm осуществляется полная закалка. При этом для низкоуглеродистых и низколегированных сталей обеспечивается хорошая штампуемость, а при закалке углеродистых сталей получается структура- мартенсит. При закалке аустенитных сталей получается аустенит. В случае неполной закалки заэвтектоидных сталей повышается твердость. Инструментальные стали, например У13, закаливают при Т= 790…820С. На рис. 2.25 зона нагрева обозначена пунктиром.
Охлаждение может осуществляться в масле, воде, водных растворах солей и др. После закалки для уменьшения хрупкости стали обязательно подвергают отпуску. Фактически после закалки получается неустойчивая структура.
Рис. 2.25
График изменения температуры при закалке и зона диаграмммы Fe- C.
Основная задача нагрева при закалке - перевод исходной структуры (феррит + цементит) в аустенит. Быстрое охлаждение (закалка) переохлаждает аустенит до 200- 300С. Ниже этой температуры аустенит превращается в мартенсит, имеющий высокую твердость.
В металловедении различают критическую скорость закалки (vзкр). Если vз< vзкр , то материал не закаливается и в нем есть остаточный аустенит. При vз= vзкр весь аустенит превращается в мартенсит. Критическая скорость закалки зависит от материала.
Если vз< vзкр, то может образоваться бейнит (структура из твердого раствора Fe и частиц карбидов, претерпевшего мартенситное превращение). Бейнитное превращение носит смешанный характер, т.е. имеет место диффузионный и бездиффузионный процессы.
Для получения бейнита производится изотермическая закалка.
При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в перлит.
В случае сквозной закалки свойства по сечению одинаковы. Если деталь не прокаливается насквозь, то свойства по сечению будут разными.
Пример:
Сталь 45, 10 мм- прокаливается в воде насквозь. После отпуска при Т= 550С получается структура сорбит. (вр= 800МПа, т= 650 МПа).
Сталь 45, 100 мм- закалка в воде. При этом в сердцевине vз<vзкр и образуется перлит+ феррит. Здесь вр= 700МПа, т= 450 МПа.
Прокаливаемость углеродистой стали при 15- 20 мм можно определить по виду излома или посредством измерения твердости по сечению.
Прокаливаемость даже в одной и той же стали может колебаться. Причина- неоднородность хим.состава, величина зерна, форма изделия ....
В таблице 2.5 приведены некоторые часто используемые охлаждающие среды и скорости охлаждения.
Энергичное охлаждение водой в мартенситном интервале температур вызывает трещины, коробление.....
Закалка в горячей воде из-за малой скорости охлаждения при высокой температуре и высокой скорости охлаждения при низкой температуре также может привести к образованию трещин.
Растворы NaCl, NaOH- хорошо зарекомендовали на практике.
Недостаток масла - повышенная воспламеняемость, недостаточная стабильность и низкая скорость охлаждения в зоне высоких температур.
Для закалки используют и другие среды- бишофит, среды азота, аргона...
Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и имеет большую хрупкость. Для ее уменьшения и ослабления напряжений сталь подвергается отпуску.
При закалке инструментальных сталей основная цель- повышение твердости, а конструкционных- повышение прочности при сохранении достаточной вязкости.
Температура нагрева зависит от химического состава стали, а также от требований по твердости и величины зерна.
Табл. 2.5.
Охлаждаемые среды |
Скорость охлаждения, С/ сек (vз) |
|
|
650- 550С (Т наименьшей устойчивости аустенита) |
300- 200 (Т начала мартенситного превращения) |
Вода + 18С + 26С + 50С + 74С |
600 500 100 30 |
270 270 170 200 |
10% р-р NaOH в воде при Т=20С; 10% р-р NaCl в воде при Т=20С |
1200
1100 |
300
300 |
Мыльная вода |
30 |
200 |
Эмульсия масла в воде |
70 |
200 |
Минеральное масло |
100- 200 |
20- 50 |
Перегрев стали при закалке нежелателен. Обычно Тз= 15- 50С выше точек Ас3, Ас1. Для высоколегированных сталей Тз= 150- 250С, необходимо для перевода карбидов в твердый раствор.
Общая продолжительность нагрева равна:
общ= сп + ив , где сп - продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной температуры), обусловленной формой, размером изделий, печью, составом стали и т.д.; ив - продолжительность изотермической выдержки определяется только составом и исходным состоянием стали.
Обычно значения составляющих времени равны:
сп = 45- 75 сек на 1мм сечения или толщины в электропечах для доэвтектоидных сталей;
15- 20 сек на 1мм сечения или толщины в соляной ванне;
ив= 50- 80 сек на 1 мм сечения для инструмента из углеродистой стали (0,7- -1,3%С) в электропечах;
70- 90 сек/мм- для инструментов из легированных сталей;
20- 25 сек/мм- в соляной ванне для инструмента из углеродистой стали;
25- 30 сек /мм - в соляной ванне для инструмента из легированных сталей.
На заводах существует различная практика. Так, например, на ОАО “ЗиО- Подольск” применяют выдержку ив= 120сек/мм, а сп определяют по цвету нагретого металла, хотя это не совсем правильно, т.к. более точно это можно сделать посредством термопары..
Охлаждение при закалке должно обеспечить получение мартенсита в пределах заданного сечения и не должно вызывать закалочных дефектов- трещин, коробления и т.п. Обычно при Т= 400- 650С нужна высокая скорость охлаждения, чтобы неустойчивый аустенит не разложился на цементит + перлит, в мартенситном интервале 200- 300С желательно медленное охлаждение, снижающее остаточные напряжения, которые затем окончательно устраняются отпуском.
Дефекты закалки
1. Неполная закалка. Исправление- нормализация, затем более энергичная закалка.
2. Перегрев. Образуется крупноигольчатый мартенсит, приводящий к повышенной хрупкости. Исправление- отжиг (нормализация) и последующая нормальная закалка.
3. Пережог до Т= 1200- 1300С в атмосфере. При этом металл окисляется по границам зерен и становится хрупким. Исправлению не подлежит.
4. Окисление и обезуглероживание (может приводить к уменьшению перлитной составляющей) стали (в печах без контролируемой атмосферы, при изготовлении труб). Приводит к снижению твердости и других показателей. Борьба- применение контролируемой атмосферы (нейтральной). Пример: смесь газов СО+ СО2+Н2+N2.
5. Деформации, коробление, трещины.
Способы закалки:
1. Непрерывная в 1-м охладителе (самая массовая).
2. Прерывистая (в 2-х средах). Сначала в воде до Т= 300- 400С, затем быстро опускается в масло или охлаждается на воздухе.
3. С самоотпуском. Охлаждение осуществляется в закалочной среде. Затем прерывают и температура внутри печи и снаружи выравнивается.
4. Ступенчатая.
5. Изотермическая. Длительная выдержка при Т=200- 300С.
6. Поверхностная. Осуществляется токами высокой частоты (ТВЧ). При этом вследствие возникновения вихревых токов прогревается и закаливается только некоторый поверхностный слой, толщина которого определяется выражением
x= 4,46*105[/(f)]0,5, (2-25) где - магнитная проницаемость; f - частота колебаний тока; - плотность металла.
Частота f составляет обычно 103- 106Гц.
Сердцевина от такой закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные нагрузки.
Такой закалке подвергают стали 45, 55П.
IV Отпуск
Это нагрев закаленной стали до температуры ниже линии PSK (точки Ас1), выдержка при этой температуры и последующее охлаждение с некоторой скоростью. Цель- приближение к равновесному состоянию.
Низкотемпературный (низкий) отпуск осуществляется при Т 250С для режущего и мерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей после ТВЧ и химико-термической обработки. Он немного улучшает вязкость, снижает закалочные напряжения. Инструментальные стали после закалки с целью сохранения твердости подвергаются низкому отпуску.
Среднетемпературный (средний) отпуск с нагревом до Т=300- 500С применяется для обработки пружин, рессор. При этом получается структура троостит отпуска и высокие модуль упругости, предел выносливости, релаксационная стойкость. После отпуска - охлаждение в воде.
Высокотемпературный (высокий) отпуск с нагревом до Т=500- 680С проводится для закаленных высоколегированных и углеродистых сталей, где есть много остаточного аустенита. После него получается структура- сорбит отпуска с наилучшим соотношением прочности и вязкости. Так, сталь 45 после закалки и высокого отпуска имеет структуру сорбит отпуска с зернистым строением цементита.
Улучшение (закалка + высокий отпуск) обеспечивает получение однородной дисперсной структуры сорбита, хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и др.. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3- 0,5%С) конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требования
Отпуск оказывает большое влияние на физико-механические свойства стали. Если после закалки электросопротивление и удельный объем возрастают (из-за наличия мартенсита), то при отпуске они уменьшаются. Чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются остаточные напряжения.
Повышение температуры отпуска углеродистых сталей понижает прочность, а в инструментальных углеродистых сталях снижает твердость.
Быстрое охлаждение после отпуска может привести к появлению остаточных напряжений. Наиболее интенсивно напряжения снижаются при выдержке с Т 550С в течение 15- 30 мин. Например, выдержка 1,5 часа для стали 30 приводит к минимальным напряжениям.
Время выдержки при отпуске составляет 4- 6 мин на 1мм сечения. Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости на поверхности.
В таблице 2.6 указаны некоторые режимы термообработки для получения требуемых механических свойств
Табл. 2.6.
Материал |
Сечение |
Закалка |
Отпуск |
НВ |
Прим. |
|||
|
|
ТзакС |
Выдер-жка, мин |
Охлади-тель |
ТотС |
Выдержка, мин |
|
|
Сталь30 Прокат |
D |
860 |
2’x d |
вода |
400 500 600 |
5’x d |
153-189 150-175 138-158 |
|
Сталь 40 Прокат |
D |
850 |
2’x d |
масло |
200 300 400 500 600 |
5’x d |
267 247 225 208 188 |
|
Сталь45 Прокат |
d15 мм
d60 |
850
840 |
2’x d
-”- |
вода
-”- |
450 500 600
400 500 600 |
5’x d |
285 241 210
202-234 185-210 166-190 |
|
Сталь 30ХГСА |
D |
880 |
|
масло |
200 400 600 |
5’x d |
487 412 300 |
После О. и охлажден в воде |
Сталь 40Х |
D |
850 |
|
вода |
200 400 600 |
5’x d |
552 417 265 |
|
Термомеханическая обработка (ТМО) стали.
В этой операция сочетают пластическую деформацию стали в аустенитном состоянии с закалкой. Различают два основных способа ТМО.
По первому способу, называемому высокотемпературной термомеханической обработкой (ВТМО), сталь деформируют при температуре выше линии GSE (рис.2.19), когда сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации- 20…30% (при более высокой деформации развивается рекристаллизация, снижающая механические свойства). После деформации следует немедленная закалка во избежание развития рекристаллизации.
По второму способу (менее распространенному), называемому низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО), сталь деформируют в температурной зоне существования устойчивого переохлажденного аустенита (400…600С). Степень деформации составляет 75…95 %. Закалку осуществляют сразу после деформации.
ТМО позволяет получить высокую прочность (в до 3000МПа) при хорошей пластичности и вязкости.