Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебное пособие по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение» для студентов
.pdf
99
500°С и 800...850° С. Быстрый окончательный нагрев позволяет предупредить
окисление и обезуглероживание стали. Выдержку при высокой температуре
в интервале температур 1210...1290°С дают очень непродолжительную (10-12
с на каждый миллиметр диаметра или наименьшей толщины инструмента
при нагреве в расплавленной соли).
Закаливают инструмент из быстрорежущей стали в масле. Для
инструмента сложной формы применяют ступенчатую закалку с выдержкой при
450...500°С в течение 2-5 мин в соляной ванне для выравнивания
температуры по сечению инструмента и дальнейшим охлаждением на
воздухе.
Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4% С, нерастворенных
избыточных карбидов и остаточного аустенита.
Сохранение в структуре закаленной стали большого количества
остаточного аустенита объясняется тем, что аустенит высоколегированный и
для него температура начала мартенситного превращения Мн выше
комнатной температуры, а температура конца мартенситного превращения Мн ниже 0°С.
Отпуск при 500...560°С приводит снова к повышению твердости до HRC
63-65. Такое повышение твердости обменяется выделением из мартенсита
дисперсных специальных карбидов. К этому превращению доба вляе тся
также пре вращение остаточ ного аус тени та. Высоколегированный
остаточный аустенит достаточно устойчив при температурах отпуска до
500°С. В процессе выдержки при отпуске с температурой 550...570° С из
аустенита выделяются в дисперсном виде специальные карбиды. Аустенит
обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее
устойчивым. В процессе охлаждения от температуры отпуска остаточный
аустенит превращается в мартенсит (вторичная закалка). Превращение не
заканчивается полностью при однократном отпуске. Для того, чтобы
достигнуть почти полного превращения остаточного аустенита в мартенсит,
необходимо двух-трехкратное повторение отпуска при 550...570° С с
выдержкой при каждом отпуске 45-60 мин (рис. 44, а). Следует отметить,
что аустенит превращается в мартенсит не при нагревании и не в процессе
выдержки, а во время охлаждения.
Цикл термической обработки быстрорежущей стали может быть
сокращен, если сразу после закалки сталь обработать холодом при -75° С...80° С. В этом случае вместо трехкратного отпуска назначают однократный
отпуск (рис. 44, б).
Микроструктура стали после закалки и отпуска состоит из мартенсита и
карбидов. Если температура отпуска или во время выдержки недостаточны
(сталь недоотпущена), то в структуре сохраняется некоторое количество
остаточного аустенита. При отпуске выше 600°С твердость быстрорежущей
стали снижается в связи с распадом мартенсита и коагуляцией
выделившихся карбидов.
100
Рис. 44. Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали:
а - с трехкратным отпуском; б - с обработкой холодом
Штамповые стали
Штампами называют инструменты, изменяющие форму материала без
снятия стружки. Стали, используемые для изготовления штампового
инструмента, должны обладать высоким сопротивлением пластической
деформации и износостойкостью, а в некоторых случаях (при разогреве) и
повышенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали
должны иметь высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой объем
при закалке.
101
Штамповые стали, применяемые при изготовлении инструментов для
обработки металлов давлением, делятся на два класса в зависимости от
условий деформирования металла: в холодном или горячем состоянии.
Стали для штампов холодного деформирования
К инструме нту, деформирующему металл в холодном
состоянии,относятся вытяжные, вырезные, гибочные,
формовочные, высадочные штампы, дыропробивные пуансоны,
обрезные матрицы, ножи для резания материалов, волочильные
доски, ролики для накатывания резьбы и д.р.
Все штамповые стали для холодного деформирования являются
высокоуглеродистыми, заэвтектоидными, а количество легирующих
элементов определяется необходимой износостойкостью и прокаливаемостью стали.
Для обработки малопрочных материалов используют стали У10,
У11, У12.
Более крупные и сложные по форме штампы, предназначенные для
работы в более тяжелых условиях, изготавливают из легированных
сталей повышенной прокаливаемости (X, ХВГ, 7ХГ2ВМ и др.).
Штампы из легир ованных сталей за калив а ют в масле , что предо хр аняет их от образования трещин и значительного изменения
размеров.
Для изготовления инстр умента, ко тор ый должен иметь высокую
тв ердость и повышенную из нососто йкость, а также малую
де формируемость при закалке (дыропрошивные матрицы и пуансоны,
матрицы глубокой высадк и листового металла, матрицы и пуанс оны
глубокой высадки вырубных и просечных штампов сложной
конфигурации и др.), применяют стали высокой прокаливаемости и
износостойкости Х12М, Х12Ф1,Х6ВФ.
Для инструментов, работающих с большими ударными нагрузками
(пневматические зубила, ножи для холодной резки металла, обжимные
матрицы и др.), применяют стали повышенной вязкости. В эту
группу входят хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) и стали,
дополнительно легированные вольфрамом: 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С.
Повышения вязкости дос тигается сниже нием соде ржания в сталях
углерода (0,4-0,6%) и повышением температуры отпуска (температура
закалки 840...900°С).
Для изготовления рабочих частей штампов широко используют
металлокерамические твердые сплавы с более высокой твердостью, чем
инструментальные стали (твердые сплавы группы ВК с
102
содержанием кобальта не менее 15%).
Стали для штампов горячего деформирования
К инструме нту, деформирующем у металл в горяче м состоянии,
относятся штампы для кузнечного производства, которые
деформируют металл, предварительно нагретый до высоких температур
(1000º...1150°С). В процессе работы штампы подвергаются воздействию
сложных напряжений (сжатию, растяжению, изгибу) и истирающему
действию горячего металла. Кроме того , при пла стической
де формаци и рабо чая часть штампа значительно нагревается.
Поэтому сталь для изготовления кузнечных штампов должна иметь
высокие механические сво йства (прочность, вязкость,
износостойкость), не только при обычных, но и при повышенных
температурах, т.е. быть теплостойкой.
Теплостойкие стали применяют для изготовления
тяжелонагруженного прессового инструмента, а также штампов для
горизонтально-ковочных машин. Из них также изготовляют детали
пресс-форм для литья под давлением магниевых, алюминиевых и
медных сплавов.
При крат ковремен ном воздейств ии гор ячего м еталла на штам п
используют стали 5ХГМ, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС и др. Все стали
содержат одинаковое количество углерода 0,5-0,6%, что дает
возможность получить требуемую твердость и прочность при
достаточной вязкости.
Из этих сталей изготавливают молотовые штампы, для которых
характерны большие размеры и работающие со значительными
ударными нагрузками при умеренном разогреве рабочих поверхностей
(примерно до 400°С).
Долговременное воздействие ударных нагрузок выдерживают стали
4Х2В5ФМ, 4ХЗВФ2М2, ЗХ2В8Ф и др.
Твердые сплавы
Для изготовления твердых сплавов используют метод порошковой
металлургии. Для этого порошки карбидов вольфрама (WC), титана
(ТС) и тантала (ТаС) смешивают с кобальтом (Со), прессуют в формы
и затем запекают при 1500...2000°С.
Применение твердых сплавов позволяет не только увеличить
скорость обработки, но и значительно повысить износостойкость
обрабатывающего и штампового инструмента. Износостойкость
твердых металлокерамических сплавов увеличивается с ростом
твердости и в 10 - 15 раз превы шает значения, характерные для
103
быстрорежущей стали. Сохраняется она до 800...1000°С.
Твердые сплавы делятся на три группы: одно-, двух- и
трехкарбидные.
Однокарбидные тверды е сплавы, котор ы е сод ер ж а т карбиды
вольфрама, называют вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках
ВК2, ВК4, ВК6, ВК10 цифра показывает процентное содержание
кобальта, остальное - карбид вольфрама. Сплавы этой группы наиболее
прочные, с увеличением содержания коба льта сплавы повышают
сопротивление ударным нагрузкам, одновременно снижается
износостойкость.
Спла вы В К 4, ВК 6 ре к о ме н ду ю тс я д л я че р но в ог о точ е ни я ,
фрезерования, рассверливания, зенкерования при обработке чугуна,
жаропрочных сплавов, цветных металлов и неметаллических
материалов.
Сплав ВК8 применяют для чернового точения и других видов
черновой обработки, а также для волочения и калибровки труб, прутков
и проволоки.
Сплав ВК10 предназначается для изготовления
быстроизнашивающихся деталей. Этот сплав характер изуе тся
вы с окой эксплуат а ционной прочностью, но сравнительно низкой
износостойкостью.
Двухкарбидные твердые с плавы помимо группы ВК содержат еще
карбиды титана, поэтому их называют титановольфрамокобальтовыми
(группа Т ВК). В марках Т5К10, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т
показывают процентное содержание карбидов титана, после К –
содержание металлического кобальта, остальное - карбиды
вольфрама. Эти сплавы менее прочны и более износостойки, чем
сплавы первой группы.
Титановольфрамовые сплавы применяют для чистового (Т30К4) и
чернового (Т15К6, Т5К10) точения, фрезерования и строгания стали.
Трехкарбидные твердые сплавы содержат еще и карбиды тантала и
поэтому называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК).
В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное
процентное содержание карбидов титана и тантала, после К - содержание
металлического кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Сплавы
обладают повышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью.
Состав (массовая доля основных компонентов, %) и твердость HRA
некоторых твердых сплавов даны в таблице 13 .
Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы применяют при черновой
и чистовой обработке труднообрабатываемых материалов, в том числе
жаропрочных сплавов и сталей.
Разработаны твёрдые сплавы, не содержащиеся дефицитного
вольфрама. Безвольфрамовые твердые сплавы на основе Ti + Ni + Mo –
104
сплав ТН-20 (цифра показывает суммарное содержание Ni и Mo) и на
основе карбонитрида титана Ti(NC) + Ni + Mo – KHT- 16. Никель и
молибден образуют связывающую матрицу, применяются при
получистовом и чистовом точении и фрезеровании сталей и цветных
металлов.
Состав и твердость твердых сплавов
Таблица 13
Сплав
Вольфрамокобальтовая группа (ВК)
ВК3 97 - - 3 89,5
WC
TiC
ТаС
Со
Твердость HRA,
не менее
ВК4 96 -
ВК6 94 -
ВК8 92 -
ВК10 90 -
Титановольфрамокобальтовая группа ( ТВК)
Т30К4 66 30 - 4 92.0
Т15К6 79 15 - 6 90,0
Т5К10 85 5 - 10 88,5
Титанотанталовольфрамокобальтовая группа (ТТК)
ТТ7К12 81 4 3 12 87
ТТ8К6 86 6 2 6 90,5
ТТ20К9 71 8 12 9 89,0
-
-
-
-
4 89,5
6 88,5
8 87,5
10 87,0
105
Порядок выполнения работы
1. Изучить виды инструментальных материалов.
2. Указать режимы термической обработки и проанализировать
изменение структуры и механических свойств.
3. Привести примеры маркировки и области применения
инструментальных материалов, используя коллекцию
металлорежущих инструментов.
Контрольные вопросы
1. Каковы достоинства и недостатки углеродистых инструментальных
сталей?
2. Назовите преимущества легированных сталей для режущего
инструмента по сравнению с углеродистыми.
3. Укажите марки быстрорежущих сталей.
4. Каким образом достигается упрочнение быстрорежущих сталей?
5. Каким требованиям должна отвечать сталь для штампов
деформирования в холодном состоянии? Приведите примеры марок сталей.
6. Укажите стали для штампов горячего деформирования.
7. Что собой представляют твердые сплавы?
8. Назовите классификацию и назначение твердых сплавов.
9. Какие Вы знаете безвольфрамовые твердые сплавы?
106
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10
Медные и антифрикционные сплавы
Цель работы: изучение структуры, свойств, маркировки медных и
антифрикционных сплавов и области их применения.
Приборы и оборудование: коллекция изделий из медных и
антифрикционных сплавов.
Основные свойства меди
Медь –металл красного (светло – розового) цвета с плотностью 8,94
г/см3, имеющий кристаллическую решётку ГЦК, без полиморфных
превращений и температурой плавления 1083º С.
Широкое применение меди обусловлено рядом её ценных свойств и
прежде всего высокой электро- и теплопроводностью. Медь принято
считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по
отношению к другим металлам. Медь обладает высокой пластичностью,
хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительной
жидкотекучестью.
Медь и её сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются
всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На поверхности меди
образуется плотная оксидная плёнка, поэтому медь имеет высокую
коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных
условиях и различных химических средах (органических кислотах, едких
щелочах). Однако медь не противостоит воздействию азотной и соляной
кислот, концентрированной серной кислоты, аммиака. Недостатком меди
является сравнительно плохая обрабатываемость резанием.
Электрическая проводимость меди зависит от содержания примесей.
При наличии даже небольшого количества примесей проводимость резко
падает. При ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей
различают следующие марки меди: М00 ( 99,99% Cu), М0 ( 99,97% Cu), М1
( 99,9% Cu), М2 ( 99,7% Cu), М3 ( 99,5% Cu).
Наиболее чистую медь марок М00, М0, М1, содержащую не более
0,1% примесей, применяют для проводников тока различных
теплообменников. Медь остальных марок, более загрязнённая примесями,
пригодна только для производства сплавов различного состава и качества
(М3, М4).
107
Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на две
группы:
1. Растворимые в меди элементы алюминий (Аl), железо (Fe), никель
(Ni), стронций (Sr), цинк (Zn), серебро (Ag) повышают прочность и
твердость меди и используются для легирования сплавов на медной
основе.
2. Нерастворимые элементы свинец (Pb), висмут (Bi) ухудшают
механические свойства меди. Висмут и свинец даже в тысячных долях
процентов резко ухудшают способность меди обрабатываться путём
прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие
эвтектики, которые располагаясь по граница зёрен, при нагреве
расплавляются и вызывают красноломкость меди, т. е. приводят к
разрушению металла при горячей деформации. Висмут, будучи хрупким
металлом охрупчивает медь и её сплавы. Свинец, обладая низкой
прочностью, снижает прочность медных сплавов, однако вследствие
хорошей пластичности не вызывает их охрупчивание. Кроме того, свинец
улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием
медных сплавов, поэтому его применяют для легирования.
Механические свойства меди в большей степени зависят от её
состояния и в меньшей от содержания примесей. В отожженном виде медь
весьма пластична (δ = 50%, HB 50, σВ = 240 МПа). В деформированном
состоянии (при наклёпке) пластичность меди понижается, но прочность
повышается (δ = 2-5%, HB 120, σВ = 500 МПа). Исходные свойства меди
восстанавливают путём отжига при температуре 600…700ºС.
Общая характеристика и классификация медных сплавов
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом,
алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность
медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а
некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая
пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности
медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против
коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и
механическими свойствами и широко используются в качестве
конструкционных материалов.
108
По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на
деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из
деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту,
проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.
По способности упрочняться с помощью термической обработки
медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической
обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на две
основные группы: латуни и бронзы.
Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы
для обозначения элементов и числа для указания их массовых долей. В
медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений,
принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б,
железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк
– Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су,
фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
Латуни
Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками
небольшого количества других элементов. Из цветных сплавов латуни
являются самыми распространенными.
По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются
на деформируемые и литейные.
Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях, не
содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться
число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных
латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа,
указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента.
Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь
ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное –
цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а
количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за
буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40%
цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]