Министерство образования республики
Беларусь
Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
Институт информационных
технологий
Специальность ЭиОП
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «Производственные
технологии»
Вариант № 6
Студент-заочник
2 курса
Группы № 381671
ФИО Зуёнок Ксения Александровна
Адрес г.Минск, ул.Ильянская, дом 4,
кв.62
Тел. 8 029 880 29 53
- Минск 2015
Инструментальные
стали и твердые сплавы. Стали с особыми
физико-химическими свойствами (криогенные, электровакуумные
и др.).
Инструментальные
стали – это большая группа сталей,
которые обладают высокой твердостью
и износостойкостью, необходимыми для
обработки металлов резанием и давлением.
Инструментальные стали вследствие их
высокой износостойкости и прочности
широко используются в технике: для подшипников
качения, измерительных инструментов,
пружин, червяков, ходовых винтов и т.д.
Срок службы инструмента и инструментальной
стали определяет стоимость производимых
деталей.
Одним из условий получения
высококачественного инструмента является
выбор инструментального материала. Качество
должно соответствовать назначению и
нагрузкам, возникающим в процессе его
работы. Конструкция, качество изготовления,
термообработка и поверхностное упрочнение
решающим образом влияют на срок службы
инструмента.
Свойства инструментальной
стали
Свойства, которые стали имеют
в инструментах и которые определяют длительность
и эффективность их использования в различных
условиях резания и деформирования, называют
стойкостными. Эти свойства определяют
в промышленных испытаниях готовых инструментов.
Стойкостные свойства режущего
инструмента – это свойства инструмента
в целом, а не самой стали. Они представляют
комплексную характеристику, зависящую
от нескольких различно действующих факторов:
- свойств инструментальной стали
и условий ее термической обработки;
- режима резания (скорости резания,
сечения снимаемой стружки);
- характера процесса резания
(точения, фрезерования, сверления и т.д.)
- свойств обрабатываемого материала
(твердости, вязкости и теплопроводности).
Стойкость штампового инструмента
подобным же образом резко зависит от
изменения температуры, условий охлаждения
и деформирования (ковка, штамповка, выдавливание
и т.д.) и свойств деформируемого материала.
Наиболее важными свойствами
инструментальных сталей для режущего
инструмента являются твердость, износостойкость,
теплостойкость, прочность и вязкость.
Для инструментов холодной деформации
– высокая прочность, износостойкость,
твердость и вязкость. Для штампов горячего
деформирования – теплостойкость, разгаростойкость,
прочность, вязкость и теплопроводность.
Кроме основных свойств необходимо,
чтобы стали обладали также некоторыми
технологическими свойствами: нечувствительностью
к перегреву, прокаливаемостью, минимальной
чувствительностью к трещинообразованию,
пластичностью в горячем состоянии, обрабатываемостью
резанием, штампуемостью.
Требования, предъявляемые
к разным типам инструментальных сталей,
могут быть одними и теми же, например,
твердость, вязкость и т.д., однако их эксплуатационный
уровень неодинаков. Во многих случаях
невозможно или же очень трудно одновременно
обеспечить максимум отдельных свойств;
улучшение того или иного свойства неизбежно
влечет за собой ухудшение остальных.
Твердость – важнейшее свойство инструментальных
сталей, характеризует сопротивление
стали деформациям и контактным напряжениям.
С увеличением твердости возрастает предел
выносливости и износостойкости, снижается
прочность и вязкость, Уменьшается коэффициент
трения и налипание обрабатываемого материала.
Твердость определяется содержанием
углерода в мартенсите, дисперсностью
и количеством карбидов или интерметаллидов,
выделившихся при отпуске. Таким образом,
задаваемая твердость стали может быть
точно достигнута с помощью термообработки,
правильного выбора температуры и продолжительности
отпуска. Кроме того, твердость стали зависит
от плотности дислокаций, которая может
быть повышена термомеханической обработкой
и холодной деформацией. Значительное
влияние на твердость оказывает тип и
размеры фаз – упрочнителей: карбидов
и интерметаллидов.
Большинство инструментов кроме
высокой твердости характеризует сопротивление
хрупкому разрушению (предел прочности
при изгибе), которое в 2–3 раза больше
предела прочности при растяжении. С увеличением
содержания углерода в мартенсите до 0,3–0,5%
прочность возрастает. При большей концентрации
прочность снижается, в отличие от твердости,
которая продолжает расти.
Особенно значительно влияние
зерна и карбидов. Прочность снижается
почти пропорционально увеличению размеров
зерна и усилению неоднородности в распределении
карбидов.
Вязкость и твердость изменяются
обратно пропорционально: высокой твердости
отвечает резкое снижение вязкости.
К сталям с особыми физико-химическим
свойствами относятся материалы приведенные
ниже.
1. Шарикоподшипниковые
стали. Хромовая сталь с массовым содержанием
0,95…1,15 % С и 0,4…1,65 Сr образует группу высококачественных
шарикоподшипниковых сталей (ГОСТ 801–78)
ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ (цифра указывает среднее
массовое содержание хрома в десятых долях
процента). Являясь заэвтектоидными, эти
стали после закалки и низкого отпуска
имеют структуру скрытокристаллического
(так называемого бесструктурного) мартенсита
с дисперсными равномерно рассеянными
карбидами (Fe, Cr7)C3, что определяет
их высокую твердость (HRC 62…65) и износоустойчивость,
необходимую для того, чтобы противостоять
сложным сосредоточенным и переменным
напряжениям, возникающим в зоне контакта
шариков или роликов с беговыми дорожками
колец подшипников качения. Эти стали
используют также для деталей насосов
высокого давления, храповых механизмов,
нагруженных роликов машин, пальцев, копиров
и др. Прецизионные подшипники изготовляют
из сталей вакуумно-дугового переплава
ШХ15Ц1, ШХ15–ШД.
Для изготовления крупных подшипников
используют цементируемые и цианируемые
стали марок 20Х2Н4–Ш, 20Х3Г2Ф, 18ХГТ. Для подшипников,
работающих в агрессивных средах, применяют
коррозионно-стойкие стали марок 12X13, 20X13
и др.
2. Высокопрочные
и износоустойчивые стали. Высокопрочными называют стали
с временным сопротивлением на разрыв
σв = 1800 МПа и
выше. Такие стали находят применение
в машино-, ракето- и самолетостроении.
Мартенситостареющими
сталями называют высоколегированные
безуглеродистые (С < 0,03 %) сплавы железа
с массовым содержанием Ni 10…25 %, содержащие
также Со, Mo, Ti, Al, Cr, Сu и др.
Как было сказано выше, при таком
массовом содержании никеля сплавы, даже
не содержащие углерода, после охлаждения
на воздухе имеют структуру мартенсита.
Мартенситостареющими являются, например,
стали марок Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т (эта
сталь содержит также 0,2 % А1).
При нагреве до температуры
800-880 °С и выдержке легирующие элементы
переходят в γ-твердый раствор. Охлаждением
на воздухе фиксируется железоникелевый
мартенсит, имеющий высокую пластичность
(δ = 18…20 %, ψ = 75…80 %) и ударную вязкость
КС = 2000…3000 кДж/м2 при прочности
σв = 900…1100 МПа.
Это позволяет производить после закалки
вытяжку и обработку давлением и резанием.
Полученные детали упрочняют старением
– выдержкой при 450…500°С, которая обеспечивает
выделение мелкодисперсных интерметаллидных
фаз Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo, NiAl. При этом
прочность повышается до значения σв = 2400 МПа.
Мартенситостареющие стали
применяют также в криогенной технике,
так как при низких температурах они обладают
высокой прочностью и достаточной вязкостью.
В качестве износоустойчивой
стали широкое распространение получила
высоколегированная сталь марки 110Г13Л,
содержащая 0,9…1,3 % С и 11,5…14,5 % Мn (аустенитный
класс). Эта сталь обладает очень высокими
вязкостью и сопротивляемостью ударному
истиранию: в условиях больших давлений
и ударной нагрузки твердость и износостойкость
ее возрастает от наклепа. Из этой стали
изготовляют стрелки и крестовины железных
дорог, черпаки и козырьки землечерпальных
машин, гусеницы тракторов. Детали из стали
марки 110Г13Л получают литьем и закаливают
после нагрева до 1000…1050°С для растворения
карбидов, снижающих вязкость и прочность
стали. После закалки сталь имеет структуру
аустенита без карбидов и ввиду большой
вязкости и способности наклёпываться
очень трудно поддается обработке резанием,
ее обрабатывают при малых режимах резания
твердосплавным инструментом и абразивами.
3. Коррозионно-стойкие
стали. В промышленности используют
хромовую сталь марок 20X13, 40X13, а также хромоникелевую
сталь. Хромовая сталь устойчива против
коррозии не только на воздухе, но и в агрессивных
средах (например, в азотной кислоте), при
повышенной температуре; ее применяют
для изготовления лопаток турбин, цилиндров
высокого давления, труб пароперегревателей
и т. д. При массовом содержании Сr 25…30
% и С 0,1…0,2 % (ферритный класс) сталь является
окалиностойкой, способной выдерживать
длительные нагревы до температуры 1100
°С без образования окалины (и стали марок
15Х25Т, 15Х18СЮ и др.).
Хромоникелевая сталь является
коррозионно- и кислотостойкой. Она применяется
для изготовления аппаратуры в нефтяной,
химической, пищевой промышленности (стали
марок 12Х18Н9, 08Х18Н10Т). Хромоникелевые стали
дороги, поэтому по возможности их стараются
заменить сталями, в которых часть никеля
заменена марганцем (например, сталь 10Х14Г14НЗТ).
Для получения аустенитной
структуры, определяющей высокую коррозионную
стойкость, сталь выдерживают при температуре
1150…1100 °С для растворения карбидов и охлаждают
в масле или на воздухе.
4. Жаростойкие
и жаропрочные стали. В качестве жаростойких
применяют стали мартенситного класса
под общим наименованием сильхромов (40Х9С2,
40Х10С2М и др.). Эти стали используют, например
для изготовления клапанов двигателей
внутреннего сгорания. Сталь аустенитного
класса 45Х14Н14В2М, применяемая для клапанов
мощных двигателей, обладает одновременно
высокой жаропрочностью и жаростойкостью.
5. Прочие стали
и сплавы с особыми свойствами.
Магнитомягкие стали применяют для изготовления
трансформаторов, сердечников и полюсов
электромагнитов и реле, статоров и роторов
электродвигателей. Эти стали имеют малую
коэрцитивную силу и высокую магнитную
проницаемость, а также малые потери на
гистерезис и вихревые токи; они содержат
до 4,8 % Si (определяющего высокое удельное
сопротивление) и относятся к ферритному
классу. Углерод, сера, кислород и азот
являются вредными примесями в магнитомягких
сталях, так как они не растворяются в
феррите и образуют химические соединения
Fe3C, FeO, FeS, Fe4N, резко понижающие
магнитную проницаемость и увеличивающие
потери от гистерезиса
Магнитотвердые
стали марок ЕХ3, ЕХ5К5, а также У8…У10
используют для изготовления постоянных
магнитов; они обладают малой магнитной
проницаемостью, большой и устойчивой
коэрцитивной силой, большой остаточной
индукцией.
Стали и сплавы с
высоким сопротивлением применяют для электрических
печей сопротивления. Хромоалюминиевые
низкоуглеродистые (0,06…0,18 % С) стали ферритного
класса марок Х13Ю4, 0Х23Ю5, 0Х27Ю5А имеют удельное
сопротивление 1,18…1,47 мкОм · м и рабочую
температуру 900…1250 °С. Однако эти стали
малопластичны, а при высоких температурах
становятся ползучими и могут провисать
под действием собственной массы.
Никелевые сплавы (нихромы)
марки Х20Н80 (20 % Сr, 80 % Ni) и др., а также ферронихромы
марок Х25Н60 (25 % Fe, 15 % Сr, 60 % Ni) и Х25Н20 имеют
удельное сопротивление 0,83…1,17 мкОм·м
и несколько меньшую (до 1150°С) рабочую
температуру, однако они более пластичны
и прочны при нагреве; их применяют для
промышленных электропечей и бытовых
нагревателей. Эти материалы выпускаются
в виде ленты, проволоки и прутков. Для
реостатов используют сплав на основе
меди – манганин.
Сплавы с заданным
температурным коэффициентом линейного
расширения используют для деталей приборов,
которые должны обладать постоянством
размеров при изменении температуры (в
заданных пределах) или иметь заданный
коэффициент расширения. Установлено
несколько марок сплавов на железоникелевой
основе (ГОСТ 10994–74). В системе сплавов
Fe–Ni коэффициент линейного расширения
уменьшается с увеличением массового
содержания никеля и при 36 % Ni и 64 % Fe он
равен нулю; при большем массовом содержании
никеля он снова возрастает. В связи с
этим сплав Н36 используют для деталей
приборов и механизмов, которые должны
сохранять постоянство размеров при нагреве
(до +100 °С) и охлаждении (до –100 °С) – штриховые
меры в метрологии, эталоны измерители,
геодезические и астрономические приборы
и т. д.
Для деталей приборов с заданным
значением коэффициента расширения и
спаев с электровакуумным стеклом используют
другие марки сплавов на железоникелевой
основе, некоторые из которых добавочно
легируются кобальтом или медью. С этой
же целью применяют более дешевые железохромовые
сплавы (например, 18ХТФ).
- Обработка резанием:
виды и параметры инструмента (на примере
токарного резца), стружкообразование,
силы резания.
Обработка металлов резанием
– это процесс срезания режущим инструментом
с поверхности заготовки слоя металла
в виде стружки для получения необходимой
геометрической формы, точности размеров,
взаиморасположения и шероховатости поверхностей
детали.
Заготовками для деталей служат
отливки, поковки и штамповки, сортовой
прокат. Используются как черные так и
цветные металлы.
Слой металла, удаляемый с заготовки
при резании, называется припуском.
В зависимости от применяемого
инструмента различают следующие виды
обработки материалов резанием:
1. Лезвийная обработка (резцы,
фрезы, сверла и др.)
2. Абразивная обработка (круги,
бруски, пасты и др.)
3. В физико-химических
средах (электролиты, плазма, луч лазера
и др.).
Геометрические параметры режущего
инструмента рассмотрим на примере токарного
прямого проходного резца. У других режущих
инструментов они соответственные.
Резец имеет (рис.1) режущую и
соединительную части. Режущая часть образуется
при заточке и имеет следующие элементы:
переднюю поверхность лезвия 1, по которой
сходит стружка; главную заднюю поверхность
2, обращенную к поверхности резания; вспомогательную
заднюю поверхность 4, обращенную к обработанной
поверхности; режущую кромку 3; вспомогательную
режущую кромку 6 и вершину 5.
Рисунок 1 - Элементы токарного
резца
Инструмент затачивают по передней
и задней поверхностям. Углы, под которыми
располагаются поверхности режущей части,
определяют в статической системе координат
(рис.2). Здесь:
— основная плоскость, проведенная
через режущую кромку перпендикулярно
скорости главного движения;
— плоскость резания, касательная
к режущей кромке и перпендикулярная
;
— главная секущая плоскость, перпендикулярная
линии пересечения
и
;
— вспомогательная секущая плоскость
перпендикулярна к проекции вспомогательной
режущей кромки на плоскость
. Считается, что ось резца перпендикулярна
линии центров станка; вершина находится
на линии центров; совершается только
главное движение резания.
Рисунок 2 - Геометрические параметры
инструмента (на примере токарного прямого
проходного резца)