книги из ГПНТБ / Крысин А.М. Слесарь механосборочных работ учебник

Глава III

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ

§1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ

ИСПЛАВАХ

Основными материалами, применяемыми в машиностроении при изготовлении деталей, узлов машин и различных металличе­ ских конструкций, являются металлы и сплавы.

Металлами называются химические элементы, обладающие следующими характерными признаками: непрозрачностью, хоро­ шей проводимостью тепла и электрического тока, характерным «металлическим» блеском в изломе, а также способностью подда­ ваться ковке, прокатке, волочению, литью и обработке резанием.

Сплавами называются сложные по составу металлические тела, образовавшиеся в результате затвердевания жидкого раствора, состоящие из двух или нескольких металлов и металлоидов.

Широкое применение в промышленности получило железо, кото­ рое в сплавах с углеродом и другими элементами образует группу черных металлов. В эту группу входят различные марки стали и чугуна. Из цветных металлов широко используются медь (обычно в виде сплавов), магний, алюминий, свинец, олово и др.

Металлы и сплавы имеют различные физические, механиче­ ские, химические и технологические свойства.

кость, тепловое расширение, электропроводность, способность на­ магничиваться. Рассмотрим некоторые из них.

Температурой плавления называется температура, при которой металл при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое. Плавкость металлов используют для получения отливок при раз­ ливке расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (например, свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали.

Теплопроводность — это свойство металла проводить тепло. Знание теплопроводности металлов важно для обработки их дав­ лением, для термической обработки и т. п. Лучшие проводники электрического тока являются вместе с тем и лучшими проводни­ ками тепла и наоборот.

Электропроводностью называется способность металлов и спла­ вов проводить электрический ток. Металлы с высокой электропро­ водностью (медь, алюминий) применяют в электромашинострое­ нии, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением — для ламп накаливания, нагреватель­ ных приборов и т. п.

Магнитные свойства металлов особенно важное значение име­ ют в электромашиностроении (электродвигатели, дпнамомацщны, трансформаторы), для приборов связи (телефонные и телеграфные

аппараты), в автоматике и телемеханике (реле), радиоаппаратуре и т. п.

Магнитными свойствами обладают только железо и его сплавы и в небольшой степени никель и кобальт. Остальные металлы прак­ тически немагнитны.

К м е х а н и ч е с к и м с в о й с т в а м металлов и сплавов отно­ сятся прочность, пластичность, упругость, твердость, вязкость, хрупкость, износостойкость.

Прочность — это способность металла или сплава сопротив­ ляться разрушению под действием внешних сил.

Пластичность — свойство металла или сплава изменять свою форму под действием нагрузки не разрушаясь и сохранять приня­ тую форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, гнуть, вытягивать).

Упругость отличается от пластичности тем, что после снятия нагрузки материал принимает первоначальную форму.

Твердость — свойство металла или сплава сопротивляться про­ никновению в него другого, более твердого материала.

Ударная вязкость — способность металла выдерживать удар­ ную нагрузку, не разрушаясь.

Хрупкость — способность металла или сплава разрушаться под действием ударной нагрузки без пластической деформации.

Износостойкость — способность поверхностного слоя материа­ ла противостоять истиранию под влиянием трения.

К х и м и ч е с к и м с в о й с т в а м металлов относятся жаро­ стойкость, жароупорность и коррозионная стойкость.

Из химических свойств металлов коррозионная стойкость осо­ бенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (детали химических машин и приборов). Высокой коррози­ онной стойкостью обладают специальные нержавеющие, кислото­ стойкие и жаропрочные стали.

К т е х н о л о г и ч е с к и м с в о й с т в а м металлов и сплавов относятся обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, прокаливаемость, жидкотекучесть.

Обрабатываемость — свойство металла или сплава, характе­ ризующее его способность подвергаться обработке резанием (определяется по скорости резания, усилию резания и по чистоте обработки).

Свариваемость — свойство металла давать доброкачествен­ ное соединение при сварке, характеризующееся отсутствием тре­ щин и других пороков металла в швах и прилегающих к шву зонах.

Ковкость — способность металла или сплава без разрушения изменять свою форму при обработке давлением.

Прокаливаемость — способность сплава воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплав­ ленном состоянии заполнять литейную форму.

52

Чтобы определить строение, состав и свойства металла, его подвергают испытанию (механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический ана­ лиз, технические пробы и дефектоскопия).

§ 2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железоуглеродистыми называют такие сплавы, в которых ос­ новными компонентами являются железо и углерод. В зависимо­ сти от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подраз­ деляются на две группы — чугуны и стали.

Чугуном называется железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода, а сталью — сплав, содержащий до 2% угле­ рода.

Чугун. Обычно применяют чугуны, содержащие до 5% углеро­ да. Исходным материалом для получения чугуна служат желез­ ная руда, топливо и флюсы.

Железными рудами называют природные ископаемые, в состав которых входят соединения железа и пустая порода: глинозем, кремнезем, соединения кальция и др. В качестве руд для выплав­ ки чугуна используют железняк — магнитный, красный и бурый. Топливом служат каменноугольный кокс и антрацит.

Для удаления пустой породы из руды применяют флюсы — вещества, образующие с ней легкоплавкие соединения. В качестве флюсов используют кремнезем или известняк.

шее сооружение, в котором происходят химические процессы меж­ ду загруженной шихтой и потоком газов, образующихся в резуль­ тате горения топлива.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его окислов, имеющихся в руде, в науглероживании железа до получения чугуна и превращении пустой породы в шлак.

Углерод в чугуне может содержаться в виде механической примеси (свободного графита) и химического соединения с же­ лезом.

Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе се­ рый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Такие чу­ гуны называются серыми, или литейными. Они применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко обрабатываются режущими инструментами.

Серые чугуны обозначают буквами СЧ и цифрами, характери­ зующими механические свойства. Например, марка СЧ 12—28 обозначает серый чугун, обладающий пределом прочности при растяжении 12 кГ/мм2и пределом прочности при изгибе 28 кГ/мм2.

Кроме углерода, в чугуне содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. При низком содержании кремния и большом количестве марганца, а также при большой скорости охлаждения графит при затвердевании чугуна не выделяется (углерод находится в хими­

53

ческом соединении с железом). После затвердевания такой чугун имеет в изломе белый оттенок и поэтому называется белым.

Белый чугун трудно обрабатывается режущим инструментом. Этот чугун преимущественно перерабатывается на сталь, поэтому и называется передельным чугуном.

Кроме серых (литейных) и белых (передельных) чугунов, в до­ менных печах получают специальные чугуны (высокопрочные, жа­ ропрочные и антифрикционные).

Ковкий чугун по механическим свойствам приближается к ста­ ли, но является более дешевым материалом. Получают его путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах. Ковкий чугун используют для изготовления деталей, работающих в труд­ ных условиях (зубчатые колеса, звенья цепей, детали сель­ скохозяйственных машин, автомобилей, трубопроводов и т. д.), а также в качестве заменителей цветных металлов и некоторых сталей.

Чтобы повысить механические свойства чугуна и стали или придать им особые свойства, в их состав вводят специальные ле­ гирующие элементы: никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, марганец, кремний и т. д.

Никель придает пластичность, стойкость против коррозии; хром — твердость, прочность и жаростойкость; кремний — упру­ гость и повышение магнитных свойств; марганец — прочность "и сопротивление разрыву.

Ковкие чугуны, легированные хромом и молибденом, являют­ ся заменителями конструкционных сталей при изготовлении рас­ пределительных валиков, коленчатых валов, поршней, тормозных барабанов и т. п. При легировании медью и ванадием ковкие чугу­ ны могут заменить некоторые антифрикционные сплавы для отли­ вок втулок и подшипников.

Ковкие чугуны обозначают буквами КЧ и цифрами, первая из которых обозначает предел прочности при растяжении, а вторая — относительное удлинение, например КЧ 35—10.

Антифрикционный чугун — это низколегированный чугун. В качестве легирующих элементов в его состав входят хром, никель и другие элементы.

В качестве антифрикционного материала — заменителя брон­ зы — применяют также модифицированный чугун, в состав кото­ рого вводят специальные присадки (модификаторы) — магний, ферросилиций, титан и другие, повышающие его прочность.

Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присад­ ки магния перед разливкой в формы. Этот конструкционный мате­ риал по своим свойствам значительно отличается от всех марок серого чугуна.

Высокопрочный чугун используют в качестве заменителя сталь­ ного и цветного литья, поковок и т. п.

Из него отливают рычаги поворотных устройств двигателей, кронштейны, зубчатые колеса, корпуса мостов автомобилей и тракторов, лопатки турбин и т. д.

54

Сталь. Основным сырьем для получения стали служат пере­ дельный чугун, лом черных металлов и отходы производства.

Существует несколько способов получения стали: конвертор­ ный, мартеновский и электроплавка.

К о н в е р т о р н ы й с п о с о б основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в резуль­ тате чего получается сталь. Для конверторного способа использу­ ют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая про­ изводительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность пере­ работки большого количества стального и железного лома, а так­ же передел чугунов только определенного химического состава.

перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых мате­ риалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами.

получать высококачественные стали. Сущность процесса заключа­ ется в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фос­ фора.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями. Сера снижает литейные свойства, препятствует выходу газов из жидкой стали, вызывает ломкость. Фосфор снижает пластичность и вызы­ вает хладноломкость (хрупкость) стали. Кремний повышает упру­ гость и вязкость стали, марганец повышает износоустойчивость.

По х и м и ч е с к о м у с о с т а в у стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат до 0,35% кремния, 0,8% марганца, 0,06% серы, 0,07% фосфора. Легированными называют такие стали, в состав которых специаль­

Б5

например: Ст 2, Ст 3 и т. д. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода и тем она прочнее и тверже.

К а ч е с т в е н н ы е у г л е р о д и с т ы е с т а л и обозначают только цифрой, указывающей среднее содержание углерода в со­

жат от 0,65 до 1,35% углерода. Они более прочные, твердые, но менее вязкие.

Углеродистые инструментальные стали делятся на две группы: качественные и высококачественные.

Углеродистые инструментальные качественные стали обознача­ ют буквой У и цифрой, указывающей на среднее содержание угле­ рода в десятых долях процента. Например, в стали марки У8 со­ держится 0,8% углерода, а стали марки У13—1,3% углерода.

В марке углеродистой инструментальной высококачественной стали ставят букву А, например У9А, У13А.

Легированные стали обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ними буквы русского алфавита указыва­ ют на легирующие элементы, входящие в состав данной стали.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами: X — хром, Н — никель, Д — медь, Г — марганец, С — кремний, В — вольфрам, К — кобальт, П — фосфор, Т — титан, Ф — ванадий, М — молибден, Ю — алюминий.

Если легирующего элемента содержится меньше 1%, то цифра после буквы не ставится. Например, марка стали 12ХНЗ, в составе которой находится 0,12% углерода, около 1% хрома и 3% никеля.

Если в конце марки стоит буква А, то это значит, что сталь относится к группе высококачественных, содержащих минималь­ ное количество вредных примесей — серы и фосфора.

Высоколегированные стали с особыми свойствами выделены в отдельные группы и обозначаются буквой в начале марки, напри­ мер: Ж --хромистые нержавеющие, Я — хромоникелевые нержа­ веющие, Р — быстрорежущие, Ш — шарикоподшипниковые, Е — магнитные. Так, марка ШХ15 обозначает хромистую шарикопод­ шипниковую сталь.

§ 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термической обработкой называют процесс нагрева металла или сплава до определенной температуры, выдержки при этой тем­ пературе и последующего охлаждения, в результате которых изме­ няется внутреннее строение (структура) и физические, механиче­ ские и технологические свойства металла или сплава.

Основными операциями термической обработки являются от­ жиг, нормализация, закалка и отпуск.

56

Отжигом называется операция термической обработки, при ко­ торой сталь нагревают до определенной температуры в термиче­ ских печах, выдерживают в течение определенного времени, а за­ тем медленно охлаждают вместе с печью. Сталь с содержанием углерода более 0,8% нагревают до температуры 750—760° С, для стали с меньшим содержанием углерода температуру повышают до 930—950° С.

Цель отжига — устранить неоднородность структуры стали, снять внутренние напряжения, оставшиеся после кузнечной обра­ ботки или отливки, чтобы избежать при дальнейшей обработке на станках трещин или короблений; уменьшить твердость и повысить пластичность, чтобы сделать последующую обработку более лег­ кой и производительной.

Нормализация — это термическая операция, при которой сталь нагревают до температуры отжига, выдерживают при этой темпе­ ратуре и охлаждают на воздухе. Нормализацию используют для получения мелкозернистой структуры и улучшения обрабатывае­ мости стали. Механические свойства нормализованной стали полу­ чаются более высокими, чем у отожженной.

Закалкой называется операция термической обработки, при ко­ торой сталь нагревают до определенной температуры, выдержива­ ют при данной температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и т. п. Закалку применяют для придания стали высокой твердости. В зависимости от содержания углерода и назначения стали при закалке ее нагревают равномер­ но до температуры 750—1300° С. Температуру нагрева стали опре­ деляют специальными приборами — пирометрами.

Для обычной углеродистой стали температура нагрева 750— 880° С, для легированной стали 820—970° С, а для специальной

ибыстрорежущей стали температура нагрева достигает 1300° С. Различают следующие основные способы закалки:

1.Закалка в одном охладителе (способ наиболее простой и наиболее распространенный). Детали нагревают и охлаждают в жидкости (вода — для углеродистых сталей, масло — для легиро­ ванных) .

2.Закалка в двух охладителях (основной способ закалки вы­ сокоуглеродистых сталей). Нагретые детали сначала быстро охлаж­

уменьшения интенсивности охлаждения к воде добавляют эмуль­ сию).

Как правило, все закаленные изделия подвергают отпуску для снятия внутренних напряжений, возникающих после за­ калки.

Отпуском называется операция термической обработки, кото­ рая заключается в нагреве закаленной стали до определенной тем­ пературы (от 150° до 650°С в зависимости от назначения изделия), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

57

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла или сплава. Различают следующие виды химико-термиче­ ской обработки: цементация, азотирование, цианирование, алити­ рование.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальной детали углеродом.

Цементацию применяют для тех деталей, которые должны иметь твердую поверхность (только для сталей, в которых содер­ жится не более 0,25% углерода).

Глубину цементированного слоя выбирают в зависимости от условий работы детали (обычно от 0,5 до 2 мм).

Цементацию производят при помощи карбюризаторов — ве­ ществ, легко отдающих содержащийся в них углерод. Карбюриза­ торы бывают твердые, жидкие и газообразные.

Ц е м е н т а ц и ю в т в е р д о м к а р б ю р и з а т о р е выпол­ няют при нагреве стальных изделий в науглероживающей среде, состоящей из древесного угля с добавкой углекислого калия, нат­ рия или бария. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя. Например, при тем­ пературе 850—930° С и выдержке в течение 5 часов науглероженный слой равен 1 мм.

Ц е м е н т а ц и я в ж и д к о й с р е д е (расплавленных науглеро­ живающих цианистых солях) производится при температуре 840—■ 860° С в течение 0,5—2 часов. Г а з о в а я ц е м е н т а ц и я произ­ водится в саратовском, генераторном, светильном и других газах, содержащих углерод. Температура нагрева 900—1000° С, продол­ жительность процесса в 2—2,5 раза меньше по сравнению с це­ ментацией в твердом карбюризаторе.

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом путем нагревания их до 520—600° С в аммиаке.

Цель азотирования — повысить твердость, износостойкость, вы­ носливость и сопротивление коррозии. Азотированию могут под­ вергаться детали из углеродистых, низколегированных и легиро­ ванных сталей, а также детали из чугуна. Твердость после азоти­ рования углеродистой и низколегированной стали не превышает НѴ 250—300. Легированные стали, содержащие хром, никель, алюминий и молибден, после азотирования имеют поверхностную твердость НѴ 850—1100.

Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом. Цианирование бы­ вает жидкое и газовое.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием при погружении их в расплавленный алюминий или выдержке в смеси алюминия и на­ шатыря при температуре 900—1000° С в течение 5—15 часов.

Азотирование, цианирование и алитирование выполняют в спе­ циально оборудованных печах или ваннах.

58

§4. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Взависимости от способа получения твердых сплавов их мож­ но подразделить на следующие группы: металлокерамические, литые и минералокерамические.

М е т а л л о к е р а м и ч е с к и е т в е р д ы е с п л а в ы изго­ товляют спеканием мельчайших зерен карбидов *, вольфрама, ти­ тана и другого тугоплавкого металла и связующего порошка ко­ бальта. Их применяют в виде пластин, которые напаивают на рез­ цы, сверла, развертки, а также для изготовления высадочного и волочильного инструмента и т. д. Инструмент с пластинами из твердого сплава обладает высокой твердостью и способностью со­ хранять режущие свойства при температуре 1000—1100° С.

Отечественная промышленность выпускает две группы твердых сплавов: титано-вольфрамовые сплавы ТК, например Т5КЮ, Т41К8, Т15К6, Т30К4, предназначенные для обработки сталей, и вольфрамово-кобальтовые сплавы ВК, например, ВК2, ВК6, ВК8, ВКЮ и др. для обработки чугуна, цветных металлов, их сплавов и неметаллических материалов. Металлокерамические сплавы мож­

противлением истиранию.

Л и т ы е и п о р о ш к о о б р а з н ы е т в е р д ы е с п л а в ы применяют при наплавке быстроизнашивающихся деталей и ин­ струментов. Они повышают твердость их поверхности и придают им высокую износоустойчивость.

М и н е р а л о к е р а м и ч е с к и е т в е р д ы е с п л а в ы полу­ чают спеканием окиси алюминия. Ими оснащают металлорежущий инструмент для получистового и чистового точения чугуна, конст­ рукционных и легированных сталей (скорость резания при чис­ товом обтачивании чугуна 3700 м/мин).

Эти сплавы обладают высокой твердостью, плотностью, тепло­ стойкостью, но недостаточно прочны и легко разрушаются при ударной нагрузке и вибрации.

§5. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Кцветным металлам относятся медь, алюминий, олово, сви­ нец, цинк, магний, никель и др.

Из медных сплавов наибольшее распространение в машино­ строении получили бронзы (сплавы меди и олова) и латуни (сплавы меди и цинка).

Бронза. Применяемые сорта бронзы по химическому составу разделяются на оловянные и безоловянные (специальные). Первые

обладают хорошими литейными, механическими и антифрикцион-

69