Конструкционные и инструментальные материалы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Детали машин и механизмов отличаются большим разнообразием, поэтому для их изготовления требуются материалы с различными свойствами. Для правильного выбора материала и разработки соответствующего технологического процесса необходимо иметь представление о структуре материалов, применяемых в машиностроении для выпуска деталей машин и механизмов.

Металлические и большинство неметаллических материалов, применяемых в машиностроении, имеют кристаллическую структуру. Характерной особенностью кристаллического строения материалов является возможность сохранять приданную им форму при эксплуатации. Всем конструкционным материалам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств в различных направлениях.

В технике в большинстве случаев применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов. Широкое применение сплавов обусловлено их свойствами, которые можно направленно изменять, вводя разные компоненты в различном количестве в основной металл сплава.

При выборе материала для изготовления деталей машин исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные.

К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость и износостойкость.

Под прочностью понимается способность материала сопротивляться деформации или разрушению под действием внешних сил.

Пластичность — это способность твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием внешней нагрузки, устойчиво сохраняя полученную форму и размеры после снятия нагрузки.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него инородного тела, например, шарика при испытании материала на твердость по методу Бринелля.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки. Основными технологическими свойствами конструкционных материалов являются ковкость, свариваемость и обрабатываемость резанием.

Ковкость — это способность материала деформироваться с минимальным сопротивлением под воздействием внешней нагрузки, принимать и сохранять заданную форму.

Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемное соединение с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции.

Обрабатываемость — это свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

К конструкционным материалам относятся черные и цветные металлы и их сплавы, а также пластические массы. Поскольку пластические массы не подвергают, как правило, слесарной обработке, коротко рассмотрим только черные и цветные металлы и их сплавы.

Черные металлы

К черным металлам относят чугун и сталь, которые представляют собой сплавы железа и углерода.

Чугун — это сплав железа с углеродом при содержании углерода 2,14…4,5%. Помимо углерода в сплав могут входить некоторые количества кремния, марганца и других элементов в небольших количествах. В зависимости от технологических свойств различают несколько видов чугунов: серый, высокопрочный, ковкий и легированный.

Серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрами, указывающими его прочность при растяжении.

Высокопрочный чугун получают в результате добавления при плавке в серый чугун 0,3… 1,0 % магния и до 0,5 % церия. Маркируют этот чугун буквами ВЧ и цифрами, указывающими его прочность при растяжении.

Ковкий чугун отличается высокой вязкостью. Он обозначается буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых обозначает предел прочности на растяжение, а вторая — относительное удлинение в процентах.

Легированные чугуны получают введением легирующих элементов (хрома, кремния, алюминия, марганца и др.). Эти чугуны маркируют буквами и цифрами (например, ЧХ1, ЧХ9Н5 и т.п.), где буква Ч обозначает чугун, буквы X и Н — легирующие элементы, а цифры — содержание этих легирующих элементов в процентах.

Стали также представляют собой сплавы железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. С повышением содержания углерода механическая прочность стали повышается и соответственно ухудшается ее обрабатываемость. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами по порядку от 0 до 6, например СтЗ. Чем больше число в обозначении марки стали, тем больше углерода она содержит. Качественные углеродистые стали также обозначают буквами Ст и цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента.

Легированные стали обозначают цифрами и буквами, например 20Х, 40ХС, 20ХНЗА. Первая цифра показывает содержание углерода в сплаве в сотых долях процента, буквы — присутствие в сплаве соответствующего легирующего элемента, цифра, следующая за буквой, — процентное содержание легирующего элемента. Если после буквы цифра отсутствует, то это означает, что данного элемента в сплаве содержится менее 1 %.

Цветные металлы и сплавы

Медь, алюминий, цинк, марганец, титан и другие цветные металлы широко применяют в промышленности, однако в качестве конструкционных материалов используются сплавы этих металлов. Наиболее широкое применение получили сплавы на основе меди (латунь, бронза) и алюминия.

Латунь — это сплав меди с цинком, обозначается буквой Л и двузначным числом, показывающим процентное содержание меди в сплаве.

Бронза — это сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами. Бронзы обозначают буквами Бр, начальными буквами основных элементов, вошедших в сплав и цифрами, указывающими процентное содержание этих элементов в сплаве. Например, сплав БрЩЗЦ12С5 содержит 3% олова, 12% цинка и 5 % свинца, остальное — медь.

Алюминиевые сплавы — это сплавы алюминия с различными добавками (кремний, марганец, медь и др.), повышающими прочность сплава.

Инструментальные материалы

Из-за неблагоприятных условий работы (большие нагрузки, высокие температуры, трение) материалы, применяемые для изготовления инструментов должны удовлетворять более жестким эксплуатационным требованиям, чем конструкционные материалы. Материал рабочей части инструмента должен отличаться высокой твердостью и прочностью, важнейшей характеристикой рабочей части инструмента является его высокая износостойкость. Для изготовления инструментов, применяемых при слесарной обработке деталей машин, в основном используют инструментальные углеродистые и легированные стали, быстрорежущие стали и твердые сплавы.

Углеродистые инструментальные стали

Эти стали содержат 0,9… 1,3% углерода. Для изготовления инструментов применяют качественные инструментальные стали марок У10А, У11 А, У12А, которые после термической обработки имеют твердость HRC 60… 62 и сохраняют свойства до температуры 200… 250 °С. Такие стали имеют ограниченное применение, так как теряют свои свойства при достаточно низких температурах. Из них изготавливают метчики, плашки, ножовочные полотна, зубила, чертилки и другие ручные слесарные инструменты, при работе которыми в зоне обработки не возникает высоких температур, способных привести к потери инструментом его функциональных свойств.

Легированные инструментальные стали

В отличие от углеродистых инструментальных сталей легированные содержат дополнительно в качестве легирующих элементов хром X, вольфрам В, ванадий Ф, кремний Г и некоторые другие элементы. После термической обработки легированные стали имеют несколько большую, по сравнению с углеродистыми, твердость (HRC 62… 64) и не изменяют своих режущих свойств при температуре 250… 300 °С.

Для изготовления сверл, протяжек, метчиков, плашек, разверток и некоторых других слесарных инструментов для механизированных работ используют легированные инструментальные стали марок 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 9ХС, 6ХС.

Быстрорежущие стали

Само название этого инструментального материала говорит о том, что из него изготавливают инструменты для механизированных методов слесарной обработки.

Эти стали в качестве легирующих добавок содержат вольфрам (8,5… 19%), хром (3,8…4,4%), кобальт (2,0… 10,0%) и ванадий (2,0… 10,0%). Для изготовления режущих инструментов используют быстрорежущие стали марок Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2, Р10К5Ф5. Режущий инструмент из этих сталей имеет твердость HRC 62…65 и сохраняет режущие свойства при температуре до 600 °С. Это обусловливает их применение для изготовления инструментов, применяемых при механизированной обработке, когда в процессе резания возникает значительное трение и происходит повышение температуры в зоне обработки. Однако этот материал обладает повышенной хрупкостью, что ограничивает его использование для изготовления ударного инструмента, например зубил.

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали из нее изготавливают только рабочую часть инструментов, а корпус выполняют из конструкционной стали. Соединение рабочей части и корпуса может быть неразъемным (сварным) или разъемным (при помощи болтов и винтов).

Твердые сплавы

Исходным материалом для получения твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов, связанные металлическим кобальтом. Порошки смешивают в определенных пропорциях, прессуют в формах и спекают при температуре 1500… 2 ООО °С. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в термической обработке не нуждаются. Эта твердость сохраняется при нагреве до 900 °С, поэтому оснащенный твердым сплавом инструмент более стоек по сравнению с инструментом из инструментальных и быстрорежущих сталей. Использование инструмента из твердых сплавов позволяет вести обработку механизированным инструментом и на металлорежущих станках со скоростями резания до 800 м/мин. Твердые сплавы химически пассивны к воздействию кислот и щелочей, а некоторые из них почти не окисляются даже при высоких температурах (600… 800°С). Это позволяет вести обработку с использованием специальных смазывающе- охлаждающих жидкостей, которые улучшают условия обработки и продлевают срок службы инструмента.

Твердые сплавы разделяют на три группы.

Вольфрамовые (однокарбидные) твердые сплавы, содержащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8 и др.). Цифры в обозначении марки твердого сплава показывают содержание кобальта в процентах, остальное — карбид вольфрама. Сплавы этой группы применяют для обработки чугуна и других хрупких материалов при прерывистом резании (строгание, фрезерование). Кроме того, инструменты из сплава этой группы используют при обработке жаропрочных и титановых сплавов, так как вольфрамово- бальтовые твердые сплавы не содержат титана. Поскольку жаропрочные стали содержат титан, то применение инструментального материала с наличием титана может привести к адгезии — схватыванию с последующим вырыванием частиц инструментального материала стружкой или материалом заготовки. Это приводит к преждевременному выходу инструмента из строя.

Титановольфрамовые (двухкарбидные) твердые сплавы содержат карбиды вольфрама и титана (Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др.). Цифры в обозначении марки твердого сплава показывают процентное содержание карбида титана и кобальта в процентах, остальное — карбид вольфрама. Инструменты, изготовленные из твердых сплавов этой группы, применяют для обработки сталей.

Тшпанотанталовольфрамовые (трехкарбидные) твердые сплавы, содержащие карбиды титана, карбиды тантала, карбиды вольфрама и кобальт (ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ8К6). Цифры в обозначении марки твердого сплава показывают суммарное процентное содержание карбидов титана и карбидов тантала и кобальта, остальное — карбид вольфрама. Твердые сплавы этой группы характеризуются повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью, что обусловливает их применение при обработке труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Большинство деталей машин, обрабатываемых на металлорежущих станках, изготавливается из металлов и их сплавов. Наибольшее распространение имеют чугуны и стали, в меньшей степени - цветные металлы. Для режущих инструментов широко применяются твердые сплавы и абразивные материалы.

Основные свойства металлов:

Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами. Механические свойства характеризуют способность материалов находиться под нагрузкой не разрушаясь и вместе с тем деформироваться (изменять форму и размеры). К механическим свойствам относятся: твердость, прочность, пластичность.

Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление) и обозначают Σв (сигма).

Пластичность- способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

К физико – химическим свойствам относятся: Коэффициент линейного расширения, электропроводность, теплопроводность, окисление, намагничиваемость, удельная теплота плавления, коэффициент трения (возникает благодаря силам взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел).

К технологическим свойствам (определяют способность материала подвергаться различным методам холодной и горячей обработки) относятся:

- жидкотекучесть – способность сплава наполнять форму;

- усадка – сокращение размеров и объема после остывания;

- ковкость – способность материала деформироваться при невысоком сопротивлении и принимать нужную форму без разрушения.

- сваривание – способность металлов образовывать прочные соединения при совместном расплавлении.

К эксплутационным свойствам относятся:

- Хладноломкость – способность материала работать при минусовых температурах.

- Жаростойкость – способность работать при высоких температурах.

- Износостойкость – способность сопротивляться истиранию в процессе трения деталей друг о друга.

Виды металлов

Черные металлы

Железоуглеродистые сплавы с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и некоторых других элементов принято называть черными металлами. В зависимости от содержания углерода они делятся на две группы: чугуны и стали.

Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий свыше 2,3% углерода (практически от 2,5 до 4,5%). Углерод в нем может находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые и серые - литейные.

В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe3C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.

В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде мелких пластинок графита. Последние, разделяя структуру чугуна и действуя как надрезы, значительно уменьшают его прочность и увеличивают его хрупкость. Такие чугуны имеют в изломе серый цвет, обладают хорошими литейными свойствами, почти не дают усадку в отливках и сравнительно легко обрабатываются резанием. Однако, имея в своем составе твердые зерна цементита, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, что не позволяет обрабатывать их с высокими скоростями резания.

Марки серого чугуна обозначаются буквами СЧ и числами, соответствующими его пределу прочности при растяжении в кгс/мм2.

Сталь- это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода. Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).

Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают стали определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится. В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь.

Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63-65 HRCэ и теплостойкостью до 200-250 градусов С.

Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRCэ и износостойкость.

Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами. Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее промышленное применение получили медь, алюминий и сплавы на их основе.

Медь- мягкий пластичный металл розовато-красного цвета, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью.

В отожженном состоянии она характеризуется пределом прочности при растяжении Σв= 19,6 - 23,6 МПа. Твердостью по Бринеллю 35 -45 НВ.Медные сплавы - латуни и бронзы по сравнению с медью более дешевы, имеют лучшие литейные свойства, большую прочность и хорошо обрабатываются резанием. Кроме свойств, присущих меди, они обладают способностью прирабатываться и противостоять изнашиванию.

Алюминий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета, отличается высокой электропроводностью, коррозийной стойкостью, малой плотностью и хорошо обрабатывается давлением.

Латунь - медноцинковый сплав. Различают простые латуни, состоящие из меди и цинка, и специальные - содержащие дополнительно легирующие элементы, которые улучшают механические свойства латуни. Маркировка латуней: первая буква Л указывает на название сплава - латунь. Следующая за ней цифра обозначает среднее содержание меди в процентах. Специальные латуни маркируются дополнительно буквами, обозначающими легирующие элементы: А - алюминий, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец, О - олово, Н - никель, Ж - железо. Первые две цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание меди в процентах, последующие цифры - содержание других элементов; остальное в сплаве цинк. Буква Л - в конце марки указывает, что латунь литейная. Например, марка ЛАЖ60-1-1 - специальная, алюминиево-железистая латунь содержит 60% меди, 1% - алюминия, 1% - железа, остальное цинк.

Механические свойства металлов. Показатели прочности черных металлов. Углеродистые, легированные и быстрорежущие инструментальные стали. Цветные металлы, твердые сплавы и минералокерамические материалы - основные характеристики и области применения.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	17.09.2013
Размер файла	95,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Инструментальные и конструкционные материалы

Механические свойства металлов

Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются.

Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA.

Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ.

Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление) и обозначают У_в (сигма).

Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.

При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Д (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

Черные металлы

металл инструментальный сталь сплав

Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий свыше 2,3% углерода (практически от 2,5 до 4,5%). Углерод в нем может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые - литейные.

В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe₃C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.

В промышленности также применяются отливки из высокопрочных и ковких чугунов.

Высокопрочный чугун получают прибавлением к расплавленному чугуну присадок магния и ферросилиция, благодаря чему выделяющийся углерод приобретает шаровидную форму. Такой чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью. Его применяют для деталей, работающих при значительных механических нагрузках.

В ковком чугуне графит имеет хлопьевидную форму. Этот чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. Такие чугуны обладают повышенной прочностью и пластичностью и по своим свойствам занимают промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами: ВЧ - высокопрочный чугун, КЧ - ковкий чугун; первые две цифры - предел прочности при растяжении в кгс/мм 2 (1кгс/мм 2 = 9,608МПа ? 10МПа).

Сера и фосфор - вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим.

Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода.

Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами о 0 до 7. Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.

В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.

Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Они делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки этих сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных сталей в конце маркировки указывается буква А. Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.

Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300-350 градусов С) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей., что первая цифра в начале марки означает содержание углерода в десятых долях процента.

Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.

Структура быстрорежущей стали (рисунок слева) - мелкие, твердые, однородно распределенные карбиды и мартенсит, легированный для теплостойкости вольфрамом и (или) молибденом

Примерное назначение и свойства быстрорежущих сталей

Марка стали, прочность, износостойкость, особенности стали

Удовлетворительная прочность и повышенная шлифуемость, широкий интервал закалочных температур

Для всех видов инструментов, особенно подвергаемых значительному шлифованию, при обработке конструкционных материалов прочностью до 1000 МПа

Повышенная износостойкость, более узкий интервал оптимальных закалочных температур, повышенная пластичность при горячей пластической деформации.

Для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объема шлифования, применяемых для обработки конструкционных материалов

Повышенная прочность, более узкий интервал закалочных температур, повышенная склонность к обезуглероживанию. Шлифуемость удовлетворительная.

Для всех видов инструментов при обработке конструкционных материалов прочностью до 1000 МПа.

Повышенная износостойкость, удовлетворительная прочность. Шлифуемость пониженная.

Для чистовых инструментов (резцов, зенкеров, разверток, сверл, протяжек и др.) при обработке на средних режимах резания вязких аустенитных сталей, а также материалов, обладающих повышенными режущими свойствами.

Повышенная износостойкость, удовлетворительная прочность. Шлифуемость пониженная.

Для чистовых и получистовых инструментов (фасонных резцов, разверток, фрез, протяжек и др.). Предназначенных для работы на средних скоростях резания, преимущественно обрабатывающих углеродистые и легированные инструментальные стали.

Р9К5, Р6М5К5, Р18К5Ф2

Повышенная вторичная твердость, теплостойкость, удовлетворительная прочность и вязкость. Шлифуемость пониженная.

Для изготовления черновых и получистовых инструментов (фрез, долбяков, метчиков, сверл и т.п.), предназначенных для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также некоторых труднообрабатываемых материалов

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее промышленное применение получили медь, алюминий и сплавы на их основе.

Медь - мягкий пластичный металл розовато-красного цвета, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью.

В отожженном состоянии она характеризуется пределом прочности при растяжении У_в= 19,6 - 23,6 МПа. Твердостью по Бринеллю 35 -45 НВ.

Медные сплавы - латуни и бронзы по сравнению с медью более дешевы, имеют лучшие литейные свойства, большую прочность и хорошо обрабатываются резанием. Кроме свойств, присущих меди, они обладают способностью прирабатываться и противостоять изнашиванию. Это важное эксплуатационное качество - антифрикционность - обусловливает широкое применение медных сплавов, особенно бронз, в деталях машин, работающих в условиях повышенного трения (червячные колеса, гайки винтовых передач, вкладыши подшипников скольжения и др.).

Маркировка латуней: первая буква Л указывает на название сплава - латунь. Следующая за ней цифра обозначает среднее содержание меди в процентах. Специальные латуни маркируются дополнительно буквами, обозначающими легирующие элементы: А - алюминий, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец, О - олово, Н - никель, Ж - железо. Первые две цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание меди в процентах, последующие цифры - содержание других элементов; остальное в сплаве цинк. Буква Л - в конце марки указывает, что латунь литейная. Например, марка ЛАЖ60-1-1 - специальная, алюминиево-железистая латунь содержит 60% меди, 1% - алюминия, 1% - железа, остальное цинк.

Бронза - сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, фосфором, никелем и другими элементами.

В зависимости от состава бронзы делятся на оловянистые и специальные (безоловянисые).

В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью У_в=78,5 - 118 МПа и твердостью 15-25 НВ.

Алюминиевые сплавы, имея положительные качества алюминия, обладают, кроме того, повышенной прочностью и лучшими технологическими свойствами. Благодаря малой плотности их принято называть легкими сплавами.

В зависимости от состава и технологических свойств алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Их марки обозначаются буквами и цифрами. Так, например, деформируемые сплавы на основе алюминий - медь - магний (дюралюминий) маркируются буквой Д; алюминий - марганец : АМц, алюминий - магний: АМг; сплавы для поковок и штамповок - АК; литейные сплавы АЛ. Цифры после букв соответствуют порядковому номеру сплава. Лучшими литейными сплавами являются сплавы на основе алюминий - кремний, называемые силуминами.

Твердые сплавы

Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок различных форм и размеров, получаемых методом порошковой металлургии (прессованием и спеканием). Основой для них служат порошки твердых зерен карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), сцементированных кобальтом.

Промышленностью выпускаются три группы твердых сплавов: вольфрамовые - ВК, титановольфрамовые - ТК и титанотанталовольфрамовые - ТТК.

В обозначении марок сплавов используются буквы: В - карбид вольфрама, К - кобальт, первая буква Т - карбид титана, вторая буква Т - карбид тантала. Цифры после букв указывают примерное содержание компонентов в процентах. Остальное в сплаве (до 100%) - карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В - крупнозернистую структуру, М - мелкозернистую, ОМ - особомелкозернистую.

Характерными признаками, определяющими режущие свойства твердых сплавов, являются высокая твердость, износостойкость и красностойкость до 1000 градусов С. Вместе с тем эти сплавы обладают меньшей вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, что следует учитывать при их эксплуатации.

При выборе твердых сплавов необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.

Вольфрамовые сплавы (ВК) по сравнению с титановольфрамовыми (ТК) обладают при резании меньшей температурой свариваемости со сталью, поэтому их применяют преимущественно для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

Сплавы группы ТК предназначены для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы (ТТК), обладая повышенной прочностью и вязкостью, применяются для обработки стальных поковок, отливок при неблагоприятных условиях работы.

Для тонкого и чистового точения с малым сечением стружки следует выбирать сплавы с меньшим количеством кобальта и мелкозернистой структурой.

Черновая и чистовая обработки при непрерывном резании выполняются в основном сплавами со средним содержанием кобальта.

При тяжелых условиях резания и черновой обработке с ударной нагрузкой следует применять сплавы с большим содержанием кобальта и крупнозернистой структурой.

Основные марки вольфрамо-содержащих твердых сплавов и области их применения

Содержание серы не более 0,03%

фосфора – 0,035%, хрома – 0,2%

никеля – 0,25%, меди – 0,25%

Содержание серы не более 0,02%

Фосфора – 0,03%, хрома – 0,15%

Область применения

Зубила, стамески, пилы, керны, слесарный инструмент

Ножницы, пилы, ролики накатные, пробойники, матрицы, ручные дереворежущие инструменты.

У10, У10А, У11, У11А

Мелкоразмерный режущий инструмент.

Режущий инструмент, работающий при низких скоростях резания

Напильники, шаберы, резцы, гравировальный инструмент.

В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента). Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов: Г - марганец, Х - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке.

Химический состав малолегированной стали В1 установлен так, чтобы сохранить преимущества углеродистых сталей, улучшив закаливаемость и снизив чувствительность к перегреву
Стали типа ХВ5 имеют повышенную твердость (HRC до 70) из-за большого содержания углерода и сниженного содержания марганца
Хромистые стали типа Х относятся к сталям повышенной прокаливаемости
Стали, легированные марганцем типа 9ХС, относятся к устойчивым против снижения твердости при отпуске

Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д.

8.2. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)

Химический состав и прочностные характеристики основных марок этих сталей приведены в таблицах. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах (содержание хрома около 4 процентов в обозначении марок не указывается).

Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит около 1,1 % С; 3 % W; 3 % Мо и 2 % V). Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и легирующих элементов- кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3%) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W+2Mo)%. В прейскурантах на быстрорежущие стали выделяют три группы сталей: стали 1-й группы с вольфрамовым эквивалентом до 16 % без кобальта, стали 2-й группы - до 18 % и содержанием кобальта около 5 %, 2ста 0ли 3-й группы - до 20 % и содержанием кобальта 5-10 %. Соответственно, различаются и режущие свойства этих групп сталей.

Кроме стандартных, применяются и специальные быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки не способствующих широкому распространению. При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5-П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. В настоящие время проходят промышленные испытания безвольфрамовые быстрорежущие стали с повышенным содержанием различных легирующих элементов, в том числе алюминия, малибдена, никеля и других

Один из существенных недостатков быстрорежущих сталей связан с карбидной неоднородностью, т.е. с неравномерным распределением карбидов по сечению заготовки, что приводит, в свою очередь, к неравномерной твердости режущего лезвия инструмента и его износа. Этот недостаток отсутствует у порошковых и мартенситно-стареющих (с содержанием углерода менее 0,03%) быстрорежущих сталей.

Примерное назначение и технологические особенности

Может использоваться для всех видов режущего инструмента при обработке обычных конструкционных материалов. Обладает высокой технологичностью.

Примерно для тех же целей, что и сталь Р18. Хуже шлифуется.

Для инструментов простой формы, не требующих большого объёма шлифовальных операций; применяется для обработки обычных конструкционных материалов; обладает повышенной пластичностью и может использоваться для изготовления инструментов методами пластической деформации; шлифуемость пониженная.

Для всех видов режущих инструментов. Возможно использовать для инструментов, работающих с ударными нагрузками; более узкий, чем у стали Р18 интервал закалочных температур, повышенная склонность к обезуглероживанию.

Чистовые и получистовые инструменты / фасонные резцы, развёртки, протяжки и др. / при обработке конструкционных сталей.

То же, что и сталь Р6М5, но по сравнению со сталью Р6М обладает несколько большей твёрдостью и меньшей прочностью.

Используются для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объёма шлифовальных операций рекомендуется для обработки материалов с повышенными абразивными свойствами / стеклопластики, пластмассы, эбонит и т.п. / для чистовых инструментов, работающих со средними скоростями резания и малыми сечениями среза; шлифуемость пониженная.

Для чистовых и получистовых инструментов, работающих со средними скоростями резания; для материалов с повышенными абразивными свойствами; рекомендуется взамен сталей Р6Ф5 и Р14Ф4, как сталь лучшей шлифуемости при примерно одинаковых режущих свойствах.

Р9М4К8, Р6М5К5

Для обработки высокопрочных нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки; шлифуемость несколько понижена.

Р10К5Ф5, Р12К5Ф5

Для обработки высокопрочных и твёрдых сталей и сплавов; материалов обладающих повышенными абразивными свойствами; шлифуемость низкая.

Для обработки сталей и сплавов повышенной твёрдости; чистовая и получистовая обработка без вибраций; шлифуемость пониженная.

Для инструментов простой формы при обработке углеродистых и легированных сталей с прочностью не более 800 МПа.

Для тех же целей, что и стали Р6М5К5 и Р9М4К8; обладают лучшей шлифуемостью, менее деформируются при термообработке, обладают большей прочностью, показывают более стабильные эксплуатационные свойства.

8.3. Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)

Твердые сплавы содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связующих материалах. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана,тантала. В качестве связки используется кобальт. Состав и основные свойства некоторых марок твердых сплавов для режущих инструментов приведены в таблице.

Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м Ч К)

Коэффициент удельной теплоемкости Дж/(кг Ч К)

Коэффициент линейного расширения,

Предел прочности при изгибе,

Предел прочности при сжатии, Мпа

В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. Вдвухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC).

В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное- массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама).

В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К - стружку надлома и группа М - для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы). Каждая область разделяется на группы и подгруппы.

Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам.

Многогранные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из этих же сплавов с однослойными или многослойными сверхтвердыми покрытиями из TiC, TiN, оксида алюминия и других химических соединений. Пластины с покрытиями обладают повышенной стойкостью. К обозначению пластин из стандартных марок твердых сплавов с покрытием нитридов титана добавляют - маркировку букв КИБ (ТУ 2-035-806-80), а к обозначению сплавов по ISO - букву С.

1-я цифра обозначения соответствует области применения сплава по классификации ISO (1 - обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 - обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 - область обработки, соответствующая области М по ISO);

2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости, а 4-я цифра - наличие покрытия. Например, МС111 (аналог стандартного Т15К6), МС1460 (аналог стандартного Т5К10) и т.д.

Безвольфрамовые твердые сплавы широко применяются как материалы, не содержащие дефицитных элементов. Безвольфрамовые сплавы поставляются в виде готовых пластин различной формы и размеров, степеней точности U и М, а также заготовок пластин. Области применения этих сплавов аналогичны областям использования двухкарбидных твердых сплавов при безударных нагрузках.

Применяется для

Чистового точения с малым сечением среза, окончательного нарезания резьбы, развертывания отверстий и других аналогичных видов обработки серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стеклопластиков и т.д.). Резки листового стекла

Чистовой обработки (точения, растачивания, нарезания резьбы, развертывания) твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных и закаленных сталей, а также высокоабразивных неметаллических материалов.

Чернового точения при неравномерном сечении среза чернового и чистового фрезерования, рассверливания и растачивания нормальных и глубоких отверстий, чернового зенкерования при обработке чугуна, цветных металлов и сплавов, титана и его сплавов.

Чистовой и получистовой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, закаленных сталей и некоторых марок нержавеющих высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена (точения, растачивания, развертывания, нарезания резьбы, шабровки).

Получистовой обработки жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твердых чугунов, закаленного чугуна, твердой бронзы, сплавов легких металлов, абразивных неметаллических материалов, пластмасс, бумаги, стекла. Обработки закаленных сталей, а также сырых углеродистых и легированных сталей при тонких сечениях среза на весьма малых скоростях резания.

Чистового и получистового точения, растачивания, фрезерования и сверления серого и ковкого чугуна, а также отбеленного чугуна. Непрерывного точения с небольшими сечениями среза стального литья, высокопрочных, нержавеющих сталей, в том числе и закаленных. Обработки сплавов цветных металлов и некоторых марок титановых сплавов при резании с малыми и средними сечениями среза.

Чернового и получернового точения, предварительного нарезания резьбы токарными резцами, получистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания отверстий, зенкерования серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов.

Чернового течения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгании, чернового фрезерования, сверления, чернового рассверливания, чернового зенкерования серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов. Обработки нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, в том числе сплавов титана.

Черновой и получерновой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, некоторых марок нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена. Изготовления некоторых видов монолитного инструмента.

Сверления, зенкерования, развертывания, фрезерования и зубофрезерования стали, чугуна, некоторых труднообрабатываемых материалов и неметаллов цельнотвердосплавным, мелкоразмерным инструментом. Режущего инструмента для обработки дерева. Чистового точения с малым сечением среза (типа алмазной обработки); нарезания резьбы и развертывания отверстий незакаленных и закаленных углеродистых сталей.

Получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, нарезания резьбы токарными резцами и вращающимися головками, получистового и чистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий, чистового зенкерования, развертывания и других аналогичных видов обработки углеродистых и легированных сталей.

Чернового точения при неравномерном сечении среза и непрерывном резании, получистового и чистового точения при прерывистом резании; чернового фрезерования сплошных поверхностей; рассверливания литых и кованых отверстий, чернового зенкерования и других подобных видов обработки углеродистых и легированных сталей.

Чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонного точения, отрезки токарными резцами; чистового строгания; чернового фрезерования прерывистые поверхностей и других видов обработки углеродистых и легированных сталей, преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине.

Тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включении, при неравномерном сечении среза и наличии ударов. Всех видов строгания углеродистых и легированных сталей.

Тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений при равномерном сечении среза и наличии ударов. Всех видов строгания углеродистых и легированных сталей. Тяжелого чернового фрезерования и углеродистых и легированных сталей.

Черновой и получистовой обработки некоторых марок труднообрабатываемых материалов, нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных сталей и жаропрочных сталей и сплавов, в том числе титановых.

Фрезерования стали, особенно фрезерования глубоких пазов и других видов обработки, предъявляющих повышенные требования к сопротивлению сплава тепловыми механическим циклическим нагрузкам.

8.4. Минералокерамика (ГОСТ 26630-75) и сверхтвердые материалы

Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*.

Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко применяются оксидно-нитридная керамика (например, керамика марки "кортинит" (смесь корунда или оксида алюминия с нитридом титана) и нитридно-кремниевая керамика- "силинит-Р" .

Читайте также: