3187

ческую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны иметь высокую красностойкость, т. е. сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент. Это значит, что разброс размеров деталей, последовательно обработанных одним и тем же инструментом, будет минимальным.

1.9.2. Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства, которые необходимы для инструмента, — износостойкость и теплостойкость. От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента, т. е. скорость резания или производительность инструмента работающего, в среднем до 200 °С.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435— 90) производят качественные — (У7, У8, У9,.... У13) и высококачественные — (У7А, У8А, У9А,..., У13А).

Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит.

Для обеспечения эксплуатационных характеристик инструмента эти стали подвергаются упрочняющей термической обработке.

41

1.9.3. Легированные инструментальные стали

Легированные инструментальные стали — это углеродистые инструментальные стали, легированные хромом (X), вольфрамом (В), марганцем (Г), кремнием (С) и другими элементами. После термообработки легированные стали (HRC 62…64) имеют красностойкость 250…300 °С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Допустимые скорости резания 15…25 м/мин. Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС и др.

1.9.4. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали содержат 8,5…19 % W, 3,8…4,4 % Сr, 2…10 % Со и V. Для изготовления режущих инструментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5,

Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2, Р10К5Ф5. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (HRC 62…65) имеет красностойкость 600…630 °С и обладает повышенной износостойкостью, может работать со скоростями резания до 80 м/мин.

Каждая из указанных марок сталей имеет свои возможности по применению.

1.9.5. Твердые сплавы

Твердые (металлокерамические) сплавы получают методами порошковой металлургии. Они содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов и связывающих материалов. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC. Кобальт в составе твердых сплавов является цементирующей связкой.

42

Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенной формы и размеров. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500…1900°С.

Различают твердые сплавы:

вольфрамовые — ВК2, ВК3, ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6,

ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25;

титановольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10,

Т5К12В;

титанотанталовольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого сплава (HRA 86…92) обладают вы-

сокой износостойкостью и красностойкостью (800…1000°С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными (латунными) припоями или крепят механическим способом.

Недостатком твердых сплавов является пониженная пластичность.

1.9.6. Минералокерамика

Минералокерамика — синтетический материал, основой которого служит глинозем (Al2O3), подвергнутый спеканию при температуре 1720…1750 °С.

Минералокерамика марки ВОК60 (HRA 91…93) имеет красностойкость 1200 °С и высокую износостойкость. Ее применяют для изготовления инструментов, к которым предъявляют повышенные требования по размерной стойкости. Ее малое родство с металлами исключает слипание с металлом обрабатываемой детали. Недостатками минералокерамики являются низкая прочность и хрупкость.

Пластинки из минералокерамики крепят к державкам резцов или корпусам инструментов механическим способом либо пайкой, сделав металлизацию пластинок. Для повышения эксплуатационных характеристик инструментов с пластинками из минералокерамики в нее добавляют W, Mo, В, Ti, Ni. Такие материалы называют керметами. Особое значение

43

керметы приобретают при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов.

1.9.7. Синтетические сверхтвердые материалы (СТМ)

Синтетические сверхтвердые материалы обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокими режущими свойствами. А материалы, созданные на основе кубического нитрида бора (КНБ), — инертностью к железу.

В настоящее время инструментальная промышленность выпускает две группы инструментальных СТМ на основе: нитрида бора — композиты; углерода — поликристаллические алмазы АСПК (карбонадо), ДСБ (баллас), СКМ, СВБН и др. Эти две группы СТМ практически имеют не связанные друг с другом области применения, определяемые их физикомеханическими свойствами и химическим составом. Твердость поликристаллических алмазов выше, чем твердость композитов, теплостойкость в 1,5 ... 2 раза ниже, что связано с относительно низкой температурой графитизации. Композиты практически инертны к черным металлам, а алмазы проявляют по отношению к ним значительную активность, особенно при высоких контактных температурах и давлениях в зоне резания.

1.9.8. Абразивные материалы

Абразивные материалы — мелкозернистые или порошковые вещества (химические соединения элементов), используемые для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков и т. д.

В промышленности применяют в основном искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, окись хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексагонит и др.

44

Абразивные материалы имеют очень высокую твердость. Так, если микротвердость алмаза принять за 100%, то микротвердость карбидов бора составляет 43 %, карбидов кремния 35 %, электрокорунда 25 % микротвердости алмаза.

Абразивные материалы имеют высокие красностойкость и износостойкость. Инструменты из абразивных материалов позволяют обрабатывать детали со скоростью резания 15…100 м/с. Абразивные материалы используют главным образом для изготовления инструментов для окончательной обработки деталей, когда к ним предъявляют повышенные требования по точности и шероховатости обработанных поверхностей.

1.9.9.Алмазные инструменты

Впромышленности используют природные (А) и синтетические алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, АСМ, ACH. Алмаз — самый твердый материал, имеет высокую красностойкость и износостойкость, у него практически отсутствует адгезия со многими материалами. Недостаток алмазов — их хрупкость. Алмаз используют для изготовления алмазных инструментов (круги, пилы, бруски, ленты) и доводочных порошков. Кристаллы алмазов применяют для оснащения режущих инструментов (резцов, сверл). Масса кристаллов, идущих на оснащение режущих инструмента составляет 0,2…0,8 карат (1 карат = 0,2 г).

Наиболее широко используют алмазные резцы для тонкого точения и растачивания деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов. Алмазный инструмент применяют для обработки твердых материалов, германия, кремния, полупроводниковых материалов, керамики, жаропрочных сталей и сплавов. При использовании алмазных инструментов повышается качество обработанных поверхностей деталей. Обработку ведут со скоростями резания более 100 м/мин. Поверхности деталей, обработанные в этих усло-

45

виях, имеют низкую шероховатость и высокую точность размеров.

1.10. Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий - легкий металл (плотность 2700 кг/м3), обладает высокими теплопроводностью и электропроводимостью, стоек к коррозии. Температура плавления алюминия 658 °С.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. К деформируемым алюминиевым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Аl—Мn (АМц), содержащие до 1,6% Мn, и сплавы системы Al—Mg (АМг), содержащие до 5,8% Mg. Эти сплавы обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Аl—Сu—Mg с добавками некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического состава. Дуралюмины (Д16—

Д18) содержат 3,8...4,8% Сu, 0,4...1,8% Mg, а также 0,4...0,9%

Мn, который повышает коррозионную стойкость сплавов. После термической обработки (закалка и естественное старение) эти сплавы имеют высокую прочность и удлинение. Ковочные сплавы (АК6—АК8) содержат 1,8...4,8% Сu, 0,4...0,8% Mg, 0,4...1% Мn, 0,6...1,2% Si, хорошо деформируются в нагретом состоянии, обладают высокой прочностью после закалки и старения. Их используют для изготовления крыльчаток, рам, фитингов обработкой давлением. Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем. Наиболее широко используют сплавы алюминия с

46

содержанием 10...13% Si (системы Аl—Si), например, АЛ2, АЛ4, АЛ9.

Сплавы алюминия с медью (системы Аl—Сu, содержащие 4,5...5,3% Сu) и марганцем (до 1% Мn) обладают повышенной прочностью. Это сплавы АЛ7, АЛ 19 и др. Их применяют для литья деталей, работающих при достаточно высоких нагрузках (кронштейны, арматура и др.).

Сплавы алюминия с магнием (системы Al—Mg, содержащие 9,5...11,5% Mg) обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере. Это сплавы АЛ8, АЛ13. Часто отливки из алюминиевых литейных сплавов подвергают термической обработке (закалке и старению) для повышения прочности, пластичности, снижения остаточных напряжений.

Алюминий применяют для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых изготовляют детали методами порошковой металлургии, позволяющей получать детали с особыми свойствами — коррозионной стойкостью, прочностью, пористостью и т. д.

Магний и его сплавы. Магний — легкий металл (плотность 1740 кг/м3), температура его плавления 651 °С. Магниевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые магниевые сплавы (МА) содержат до 2% Мn, до 5% Аl, десятые доли процента церия, например сплавы МА2, МА8, не упрочняемые термической обработкой; высокопрочные сплавы — до 9% Аl и 0,5% Мn (сплав МА5). Жаропрочные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др.

Литейные магниевые сплавы (МЛ6, МЛ3) содержат

2,5...9% Аl и 0,5...1,5% Zn, а также 0,15...0,5% Мn, имеют хо-

рошие демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции). Однако эти сплавы обладают невысокой коррозионной стойкостью, и для ее повышения отливки оксидируют, покрывают лаками.

47

Медь и ее сплавы. Технически чистая медь имеет плотность 8940 кг/м3, температуру плавления 1083 °С, обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным электросопротивлением, высокой теплопроводностью, и поэтому ее широко используют для изготовления электропроводов, деталей электрических машин и приборов, в химическом машиностроении.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы

— это сплавы меди с оловом (4...33% Sn), свинцом (30% Рb), алюминием (5...11% Аl), кремнием (4...5% Si), сурьмой и фосфором. Латуни — это сплавы меди с цинком (до 50% Zn) с небольшими добавками алюминия, кремния, никеля, марганца. Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Л — латунь, Бр — бронза), после чего следует первые буквы основных названий элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛЦ40Мц1,5 — латунь, содержащая 40% Zn, 1,5% Мn, остальное Сu.

Бронзы и латуни разделяют на деформируемые и литейные. Литейные бронзы и латуни отличаются от деформируемых тем, что в их состав вводят добавки, улучшающие литейные свойства сплава — повышающие жидкотекучесть, уменьшающие усадку. Однако эти добавки снижают пластические свойства литейных бронз и латуней по сравнению с деформируемыми.

Медно-никелевые сплавы выделены в особую группу. Их разделяют на конструкционные и электротехнические. Например, мельхиор МН19 используется для изготовления деталей машин, деталей точной механики, медицинского инструмента.

Титан и его сплавы. Титан — тугоплавкий металл [температура плавления (1665±5) °С], плотность 4500 кг/м3, он обладает высокой коррозионной стойкостью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу де-

48

тали на 40 %. Однако титан имеет низкую жаропрочность, так как при температурах выше 550...600 °С легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него изготовляют сложные отливки, но обработка его резанием затруднительна.

Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют алюминием, молибденом и др. Наибольшее применение нашли сплавы, легированные алюминием, например сплав ВТ5 (до 5% Аl). Из этого сплава получают поковки, отливки.

Для получения требуемых механических свойств титановые сплавы подвергают термической обработке (отжигу, закалке и старению) в печах с защитной атмосферой. Титан и его сплавы используют для изготовления деталей самолетов, в химическом машиностроении, судостроении и других отраслях машиностроения.

Помимо указанных применяют сплавы и на основе других металлов.

2. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2.1. Сущность литейного производства

Литейное производство — отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Достоинства литейной технологии: 1) универсальность, позволяющая получать отливки сложной конфигурации из большой номенклатуры сплавов, широкого диапазона разме-

49

ров и массы (от нескольких граммов до сотен тонн); 2) экономичность процесса в серийном производстве.

Недостатки процесса литья: 1) пониженные пластичность и прочность литой заготовки по сравнению с деталями, полученными методом штамповки; 2) необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспечению техники безопасности и экологической защиты окружающей среды.

В машиностроении масса литых деталей составляет около 50% массы машин и механизмов, в станкостроении — около 80%. Методом литья получают до 82% изделий из чугуна, до 23% — из стали, 3…6% — из цветных металлов.

Для изготовления отливок применяют различные способы литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами.

2.2. Литье в песчаные формы

Литейная форма представляет собой конструкцию, состоящую из элементов, образующих рабочую полость, заполнение которой расплавом обеспечивает получение отливки заданных размеров и конфигурации.

Песчаные формы являются разовыми. Разовые литейные формы получают с помощью специальных приспособлений — моделей. Процесс изготовления литейных форм из формовочных смесей называют формовкой.

Формовочные смеси классифицируют: по назначению (для отливок из чугуна, стали и цветных сплавов), по составу (песчано-глинистые, содержащие быстротвердеющие крепители, специальные), по применению при формовке (единые, облицовочные, наполнительные), по состоянию форм перед

50