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.

Для обеспечения износостойкости инструмента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения формы инструмента (смятия и выкрашивания рабочих кромок) сталь должна быть прочной, твердой и относительно вязкой.

От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента (около 200^о С), то есть скорость резания.

Углеродистые стали производят качественные – (У7, У8 …, У13) и высококачественные (У7А, У8А …, У13А). Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает на то, что сталь высококачественная.

Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. В состоянии поставки углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет производить накатку, насечку и другие методы изготовления инструмента.

Из-за низкой прокаливаемости (10-12мм) сердцевина во многих случаях остается незакаленной, а достаточно твердая режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники). Несквозная закалка оставляет сердцевину мягкой и способствует за счет этого работать инструменту на удар.

Стали марок У7, У8, У9 используют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11, У12 и У13 подвергают неполной закалке и низкому отпуску. Инструмент из этих марок сталей обладает повышенной износостойкостью и высокой твердостью (НRC 62-64) на рабочих гранях. Но при нагреве выше 200^о С твердость резко снижается. В связи с этим инструмент из этих сталей пригоден для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.Заэвтекоидные стали используют для изготовления режущего инструмента (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы) и небольших штампов, работающих при невысоких температурах.

Высококачественные стали применяют для тех же целей, но вследствие большей вязкости их чаще используют для инструментов с тонкой режущей кромкой.

Существенным недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200 С.

Чугуны

Чугуны – более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами.

Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть многочисленные дефекты, такие как пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины, отчего напрямую зависит конструкционная прочность.

Литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, твердости и, особенно, износостойкости, чугуны широко применяются в машиностроении (станины, корпуса, направляющие, даже блоки цилиндров в двигателях). Детали машин, получаемые из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием из стальных профилей, поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь по схеме «руда – чугун - сталь». В процессе переплавки из чугуна, путем окисления, удаляется некоторое количество серы и фосфора.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

4.8.1. Белый чугун.

Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны, в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектичкескими (перлит + ледебурит), эвтектичкескими (ледебурит), и заэвтектичкескими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны имеют очень большую твердость (НВ 450 …550) из-за присутствия в них большого количества цементита; как следствие этого они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Однако отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига.

Отбеленная поверхность отливок из серых чугунов (на глубину до 12…30мм) позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна используются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и др. деталей работающих в условиях износа.

4.8.2. Серый чугун

И это название чугун получил по виду излома.

В структуре серого чугуна содержится графит (в форме пластин). И, вследствие низкой прочности, места которые он занимает можно считать пустотами или трещинами. С увеличением включений графита, особенно грубых, свойства чугуна резко ухудшаются. При растягивающих напряжениях концы графитовых включений работают как концентраторы напряжений. Зато неплохо чугун работает на сжатие.

Серые чугуны являются сплавами сложного состава содержащими железо, углерод, кремний, марганец, и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор.

Фосфор частично растворяясь в феррите (до 0,3%) существенно улучшает литейные свойства чугуна. Чугун с содержанием до 1% серы используют в художественном литье.

Сера – вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов, повышает склонность к образованию трещин.

Кремний входит в состав серых чугунов (1 – 3%) как основной элемент и обладает сильным графитизирующим действием (увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита).

Марганец (до 1%) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитации (способствует его отбеливанию).

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые влияют на условие графитизации.

По структуре металлической основы серые чугуны делят на:

- серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита);

- серый феррито-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество углерода меньше 0,8%);

Перлитный ковкий чугун получают путем длительного отжига при температуре 1000^о С в окислительной среде. И последующего медленного охлаждения. Структура – перлит и углерод отжига.

Полное отсутствие литейных напряжений, которые снимаются за счет длительного отжига, и разобщенность графитовых включений обеспечивают высокие механические свойства ковких чугунов.

Маркировка ковких чугунов Кч, а далее как и у высокопрочных.

Таблица 4.5. Механические свойства ковких чугунов

Из таблицы 4.5 видно, что перлитные чугуны более прочные, а ферритные – более пластичные.

Ковкие чугуны широко используются во всех отраслях машиностроения. Они идут на изготовление высоконагруженных деталей подверженных сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.

К недостаткам ковкого чугуна можно отнести высокую стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

Тема 5. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
И ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВОВ

Общие положения и определения

Основные предпосылки для получения необходимого комплекса механических и других свойств у конструкционных сталей и сплавов закладываются при их выплавке.

Реализация же требуемых свойств осуществляется на последующих этапах обработки, преследующих цель придать сплаву не только предусмотренные чертежом форму и размеры, но и рациональное внутреннее строение под которым следует понимать структурно-фазовый состав и дислокационную структуру, от которых непосредственно зависит комплекс требуемых свойств.

Важнейшими этапами обработки сплавов являются термическая обработка и поверхностное упрочнение.

Термической обработкой обеспечивается заданный уровень свойств во всем (или почти во всем) объеме детали, а поверхностным упрочнением – только в определенных наиболее нагруженных и сильно изнашиваемых местах на поверхности детали.

Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств.

Основу термической обработки составляет изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава, которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как:

· Использование специфики превращений в сплавах, обусловленных наличием в нем аллотропических превращений;

· Использование переменной растворимости компонентов друг в друге при нагреве и охлаждении.

В обоих случаях фундаментальной основой технологии термической обработки, гарантирующей получение ожидаемых результатов, является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

Конкретные величины, характеризующие каждый из элементов режима термообработки, зависят от химического состава обрабатываемого сплава, размера детали и целевого назначения выполняемого вида термообработки. Варьируя эти величины, можно существенно изменять фазовую и дислокационную структуры сплава и придавать ему заданные свойства.

От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки.

Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери времени на нагрев, и в то же время ее величина должна исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, могущих привести к короблению и растрескиванию детали.

Время выдержки детали по достижении заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева в наибольшем сечении, а также для полного завершения структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в металле при заданной температуре.

Скорость охлаждения при термической обработке является наиболее важным элементом режима, от которого зависят особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры.