Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Конспекты / Конспекты лекций по УД Материаловедение
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Другое

Конспекты лекций по УД Материаловедение

библиотека
материалов


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ


Ульяновский авиационный колледж

ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ ЦИКЛ




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ



КУРС ЛЕКЦИЙ


для специальностей СПО базовой подготовки


24.02.01 Производство летательных аппаратов

15.02.08 Технология машиностроения

23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт

автомобильного транспорта

















Ульяновск

2016

ББК 34.43

Ф 33








Материаловедение. Конспект лекций. Авт.-сост. Л.И. Федорова. – Ульяновск: 2009 г. УАвиаК – ----стр., ---- рис., ---- табл.

Учебное пособие по дисциплине «Материаловедение» разработано для специальностей 24.02.01, 15.02.08, 23.02.03


Может быть использовано для изучения теоретического курса, для закрепления и проверки знаний и умений, при подготовке к экзаменам.


Предназначено для преподавателей и студентов технических специальностей средних специальных учебных заведений.



Одобрено советом цикловой комиссии технических дисциплин

(протокол №5 от 10.12.05г.)

Ред.2, изм.5%, протокол №8 от 02.03.2016г)



Печатается по решению редакционно-издательского совета авиационного колледжа.



Рецензенты:

Веткасов Н.А

Кандидат технических наук, преподаватель Ульяновского Государственного технического Университета.


Парменова О.Б.

Преподаватель высшей категории Ульяновского авиационного колледжа.




Отзывы и предложения направлять по адресу:

432067, г. Ульяновск, проспект Созидателей, 13

тел. (8-422) 20-56-71; 20-09-20

факс: 54-54-66

e-mail: aircol@mv.ru




© Л.И. Федорова, 2006

© Ульяновский авиационный колледж, 2006



СОДЕРЖАНИЕ


Введение 4

Раздел 1. Закономерности формирования структуры

Тема 1.1 Строение и свойства материалов 5

Тема 1.2 Диаграмма состояния металлов и сплавов 17

Тема 1.3 Термическая обработка 23

Тема 1.4 Химико-термическая обработка 26

Раздел 2. Материалы, применяемые в промышленности

Тема 2.1 Углеродистые стали 27

Тема 2.2 Чугуны 29

Тема 2.3 Легированные стали 30

Тема 2.4 Твердые сплавы 31

Тема 2.5 Сплавы цветных металлов 32

Тема 2.6 Неметаллические материалы 37

Тема 2.7 Порошковые материалы 38

Тема 2.8 Композиционные материалы 39

Раздел 3. Литейное производство

Тема 3.1 Получение отливок в разовых формах 42

Тема 3.2 Специальные способы литья 43

Раздел 4. Обработка металлов давлением

Тема 4.1 Общие сведения. Прокатка, прессование, волочение 44

Тема 4.2 Ковка, штамповка 44

Раздел 5. Сварка, резка, пайка металлов

Тема 5.1 Общие сведения о сварке 47

Тема 5.2 Электродуговая сварка 47

Тема 5.3 Электроконтактная сварка 48

Тема 5.4 Газовая сварка и резка 49

Тема 5.5 Пайка металлов

Раздел 6. Обработка металлов резанием

Тема 6.1 Элементы резания 51

Тема 6.2 Понятие о режимах резания 52

Тема 6.3 Классификация металлорежущих станков 53

Тема 6.4 Станки токарной группы. Точение 54

Тема 6.5 Станки сверлильной группы 55

Тема 6.6 Фрезерные станки. Фрезерование 56

Тема 6.7 Строгание. Протягивание 58

Тема 6.8 Шлифование 59

Тема 6.9 Понятие об электрических способах обработки материала 60





ВВЕДЕНИЕ




Программой учебной дисциплины «Материаловедение» предусматривается изучение широко применяемых в технике металлов, сплавов и неметаллических конструкционных материалов, их свойств, способов горячей и холодной обработки.

При изучении методов обработки металлов следует раскрывать значение передовых технологических процессов, позволяющих ускорить изготовление деталей, значительно уменьшать расход металла, повышать качество деталей и снижать себестоимость.

В результате изучения данной дисциплины студент должен приобрести навыки технико-экономического обоснования выбора и применения конструкционных материалов и оптимального способа их обработки.

В результате изучения учебной дисциплины «Материаловедение» студент должен

знать:

  • строение и свойства материалов, методы их испытания;

  • классификацию материалов, металлов и сплавов;

  • область применения материалов;

  • способы обработки материалов;

  • расчет режимов резания металлов;

  • сварку, пайку, резку и другие способы соединения материалов;

уметь:

  • выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации;

  • проводить исследование и испытания материалов;

  • работать с нормативными документами при выборе оптимальных режимов резания и инструмента.








РАЗДЕЛ 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

Тема 1.1 Строение и свойства материалов

1.1.1

Общая характеристика металла

1.1.2

Кристаллическое строение металла

1.1.3

Кристаллизация металлов

1.1.4

Качество и свойства материалов

1.1.5

Основные свойства металлов и методы их испытания

1.1.6

Механические испытания металла


      1. Общая характеристика металла

Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием их внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных. Из 106 элементов системы Менделеева-76 металлы.

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств.

  1. Тепло- и электропроводимостью.

  2. Положительным температурным коэффициентом электросопротивления, с повышением t электросопротивления чистых металлов возрастает.

  3. Термоэлектронной эмиссией (т.е. способностью испускать электроны при нагреве.)

  4. Хорошей отражательной способностью. Металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском.

  5. Повышенной способностью к пластической деформации.

Некоторые металлы находят широкое применение в технически чистом виде, т. е. с малым процентным содержанием примесей (алюминий в радиотехнике); другие металлы, такие как цирконий, кремний - используются в сверхчистом виде, т. е. с миллионными долями % примесей (в вычислительной технике, приборостроении).

Несравненно шире применяется металлические сплавы. Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в чистом виде и в виде сплава с углеродом относят к группе черных металлов.

Сплавами этой группы являются: сталь, чугун, ферросплав. Остальные металлы и сплавы относятся к цветным. Обычно их делят на легкие и тяжелые в зависимости от удельного веса (до 3 г/см2 - легкие, после - тяжелые).

В промышленности важное значение из цветных металлов имеют: алюминий, медь, магний, свинец, олово, титан.


      1. Кристаллическое строение металла

Все вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение (смола, битум). При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.

Вhello_html_4a7c5a19.gifсе металлы, металлические сплавы и подавляющее большинство минералов – тела кристаллические, т.е. атом расположен в металле закономерно с образованием кристаллической решетки (это правильное расположение атомов в твердом теле и периодически повторяющимися пространствами) - такие вещества при нагреве остаются твердыми и переходят в жидкое состояние при определенной температуре (рисунок 1).

М

Рисунок 1

tp – равновесная температура

tnx – температура переохлаждения

еталлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами и становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными ионами, которые периодически располагаются в пространстве.

Таким образом, устойчивость металла представляет собой ионно - электронную систему определенного электронного взаимодействия между положительно заряженными ионами и коллективи-зированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронами получило название металлической связи.

Сила связи в металле определяется соотношением между силами отталкивающими и силами притяжения между ионами и электронами .

Атомы располагаются на таком расстоянии один от другого, чтобы энергия взаимодействия была меньше (путь наименьшего сопротивления) Кристалл, кристаллит и зерно являются основой структуры металла.

Порядок расположения атомов в кристаллической решетке может быть различным.

Кристаллические решетки бывают 7 видов. Большинство технических металлов имеют:

  1. оhello_html_3abae571.gifбъемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) (хром, молибден, ванадий). Плотность решетки характеризуется координационным числом. Координационное число – это число атомов, находящихся на одинаковом расстоянии от главного. ОЦК ограничивается 9 атомами, 8 из которых расположены по вершинам куба, 1 – в центре, повторением этой ячейки путем переноса образуется вся структура кристалла (рисунок 2);

Рисунок 2 – Часть кубической объемно-центрированной пространственной решетки


2) кубическая гранецентрированная решет-ка (КГЦ) (алюминий, медь, никель). К=12 т.к. каждый атом имеет 12 ближайших соседей. КГЦ ограничивается 14 атомами , 8 из которых располагаются по вершинам куба , 6 - по его граням (рисунок 3).

3hello_html_m40d56fd4.jpg) гексагональная кристаллическая решетка (ГК) ( ГНУ) (титан, кобальт, цинк). ГК ограничивается 17 атомами , 12 из которых располагаются по вершинам шестигранника, 2 атома - в центре основания , и 3 внутри призмы (рисунок 4).



hello_html_m3cc85761.png





Рисунок 3Часть кубической гранецентрированной пространственной решетки

Рисунок 4Элементарная ячейка гексагональной

решетки

Параметры решетки у различных металлов различные: У меди - 0,36 нМ; у алюминия - 0,405 нМ; у цинка - 0,267 нМ.

Атомы не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия; с повышением t амплитуда колебания увеличивается, что вызывает расширение кристалла, а при t плавления колебания частиц увеличивается настолько, что кристаллическая решетка разрушается, поэтому в реальных кристаллических решетках имеются дефекты:

  1. точечный дефект - это пустые узлы или вакансии

  2. линейные дефекты - это дислокации или сдвиг части кристаллической решетки (одномерный дефект)

  3. поверхностный дефект - это нарушение симметрии расположения атомов.

  4. объемные дефекты - это поры, газовые пузыри, трещины, и неметаллические включения.


      1. Кристаллизация металлов

Все вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение (смола, битум). При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.

Это процесс образования кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твердом состоянии при их охлаждении (вторичная кристаллизация).

Выше t плавления устойчив жидкий металл, ниже устойчив твердый металл. Температура плавления соответствует равновесной t кристаллизации данного вещества, при которой обе фазы - жидкая и твердая могут сосуществовать одновременно, и притом бесконечно долго.

Процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации и продолжается в процессе роста их числа и размеров. При переохлаждении сплава ниже t плавления во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту критические точки. Пока имеется жидкость, образованные кристаллы растут свободно и имеют правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, т.к. в этих участках рост граней прекращается и продолжается только в тех направлениях, в которых есть доступ для жидкого металла.



Вhello_html_5108d0ac.gif результате кристаллы после затвердевания имеют неправильную внешнюю форму и называются кристаллитами или зернами.

Скорость зарождения центров - это число центров, возникших в единице объема за единицу времени.

Скорость роста кристаллов - это линейное увеличение размеров кристалла в единицу времени.

Р

Рисунок5

азличают макро- и микроструктуру материала.





Макроструктура - структура металла, видимая при увеличении до 50 раз или невооруженным глазом.

Микроструктура - структура металла, видимая при больших увеличениях: на метало-графическом микроскопе до 2,5 тыс. раз; на электронном до 25 тыс. раз.


      1. Качество и свойства материалов

Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качества определяется соответствующими показателями, представляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям изготовления и использования.

По количеству характеризуемых свойств показатели качества подразделяются на единичные и комплексные. Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали). Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами продукции. При этом продукция считается качественной только в том случае, если весь комплекс оцениваемых свойств удовлетворяет установленным требованиям качества. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценка химического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.

Методы контроля качества могут быть самые разнообразные: визуальный осмотр, органолептический анализ и инструментальный контроль. По стадии определения качества различают контроль предварительный, промежуточный и окончательный. При предварительном контроле оценивается качество исходного сырья, при промежуточном – соблюдение установленного технологического процесса. Окончательный контроль определяет качество готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам. Годной считается продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов и технических условий. Продукция, имеющая дефекты и отклонения от стандартов, считается браком.

Качество материала определяется главным образом его свойствами, химическим составом и структурой. Причем свойства материала зависят от структуры, которая, в свою очередь, зависит от химического состава. Поэтому при оценке качества могут определяться свойства, состав и оцениваться структура материала. Свойства материалов и методы определения некоторых из них изложены в следующих разделах. Химический состав может определяться химическим анализом или спектральным анализом.

Существуют различные методы изучения структуры материалов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины и др.). Микроанализом называется изучение структуры с помощью оптического микроскопа при увеличении до 3000 раз. Электронный микроскоп позволяет изучать структуру при увеличении до 25000 раз.

Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов. Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через материал и через дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали – до 300 мм).

Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона позволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, так как проникающая способность радиоволн в металлических материалах невелика.

Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными свойствами, и основана на искажении магнитного поля в местах дефектов.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине. Она основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется.

Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимым глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями.


      1. Основные свойства металлов и методы их испытания

Металлы обладают механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами.

К физическим свойствам относятся:

  • Цвет, плотность, электро- и теплопроводность, температура плавления, теплоемкость, магнитные свойства.

К химическим свойствам относятся:

  • Окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость.

К технологическим свойствам относятся:

  • Прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Механические свойства

Под механическими свойствами понимают характеристики определенного поведения металла под действием приложенных внешних сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств.

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев:

  1. Критерии, определяемые вне зависимости от конструктивных особенностей и характера службы изделия. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость. Прочностные и пластические свойства, определяемые в данном случае, не характеризуют прочность материалов в эксплуатации.

  2. Критерий оценки конструктивной прочности материалов, которые находятся в наибольшей взаимосвязи со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Их подразделяют на 2 группы:

  • свойства, определяющие надежность материала против разрушений.

  • свойства, которые определяют долговечность изделия.

3) Критерии оценки прочности конструкции в целом, определяемые на стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляются влияние на прочность и долговечность, правильность выбора того или иного материала при конструировании изделия и технологии их изготовления.

Основным требованием, предъявляемым ко всем изделиям, является достаточная прочность.


Р – разрывная сила, которая может выдержать металл

F – начальная площадь сечения

Прочность - это способность материала сопротивляться разрушениям под действием внешних сил.

Предел прочности hello_html_4afe87e7.gifн/м2

Удельная прочность - это отношение предела прочности к плотности hello_html_m2f9a87b2.gif.

Твердостью называется сопротивление материала деформации поверхностным слоем при местном силовом контакте.

Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.

Вязкость свойство материала сопротивляться разрушению под воздействием ударных нагрузок.

Пластичность - способность материала пластически деформироваться.

Усталостью называется постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к разрушению.

Выносливость - свойство металла сопротивляться усталости.

Ударная вязкость - это сопротивление образованию трещин и разрушений под действием ударных нагрузок.


      1. Механические испытания металла

Разные изделия работают под различными видами нагрузок, поэтому разработаны различные методы испытания. Наиболее распространенные:

  • Испытания на статическое растяжение.

  • На твердость.

  • Динамические испытания.

Статическим называют испы-тания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

При испытании на растяжение определяются прочностные, упругие, пластические свойства материала.

ОА - показывает удлинение образца пропорционально нагрузке, т.е. каждому приращению нагрузки соответствует одинаковое приращение деформации, такая зависимость называется законом пропорциональности (рисунок 6). До точки В - имеет место упругая деформация. Точка С - начало горизонтальной пло-щадки, образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл течет).

hello_html_m627cf5b8.gif

Рисунок 6


Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация, называется физическим пределом текучести.

hello_html_m38186dc6.gif, Рс - нагрузка

Истинный или условный предел текучести - важная расчетная характеристика материала; действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Текучесть характерна:

  • для низкоуглеродистых, отожженных сталей.

  • для латуни некоторых марок.

Стали с большим содержанием углерода не имеют площадки текучести; для таких сплавов определяется условный предел текучести.

hello_html_m3a104947.gif. Нагрузка Р при 0,2 % всей расчетной длины.


Условное напряжение, предшествующее разрыву называется временным сопротивлением разрыву или пределом прочности.

hello_html_m19913a8.gif(кгс/мм2) (ПА)

Для оценки пластичности важно знать относительное удлинение (дельта):

hello_html_147bc3c1.gif,

где l1 – длина образца после разрыва; l0 – расчетная длина образца.


Относительное сужение (пси), %:

hello_html_6bd6143d.gif

У крупных металлов и к 0, у пластичных несколько десятков %.



Диаграмма растяжения

Построение диаграммы растяжения-сжатия является основной задачей испытаний на растяжение-сжатие. Для этих испытаний используются цилиндрические образцы; полученные диаграммы являются зависимостью между силой, действующей на образец, и его удлинением. На рисунке 7 показана типичная для углеродистой стали диаграмма испытания образца в координатах Р, l. Кривая условно может быть разделена на четыре зоны.

Зона ОА носит название зоны упругости. Здесь материал подчиняется закону Гука и

hello_html_3a54c0f6.gif.


Удлинения l на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вы­черченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

hello_html_m2277a3bf.gif

Рисунок 7


Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривых, показанных на рисунке 8. Кривая 1 типична для алюминия и отожженной меди, кривая 2 — для высококачественных легиро­ванных сталей.

Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка — ме­стное сужение образца (рисунок 9). По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда от­носительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, си­ла Р достигнет максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением си­лы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить (точка К, рисунок 6), то в процессе раз­грузки зависимость между силой Р и удлинением l изобразится прямой KL (рисунок 6). Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА.

При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. Таким образом, ОМ = lупр + Iocт.

Соответственно = упр + ocт


hello_html_m4475be7f.jpg

Рисунок 8



Рисунок 9

Если образец был нагружен в пределах участка ОА и затем разгружен, то удлинение будет чисто уп­ругим, и Ioct = 0.

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой LK и далее — кривой KCD (рисунок 10), как будто промежуточной разгрузки и не было. Если взять два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала, причем один из образцов до испытания нагружению не подвергается, а другой – был предварительно нагружен силами, вызвавшими в образце остаточные деформации.

Испытывая первый образец, мы получим диаграмму растяжения OABCD, показанную на рисунке 11, а. При испытании второго образца от­счет удлинения будет производиться от ненагруженного состояния, и остаточное удлинение OL учтено не будет. В результате получим уко­роченную диаграмму LKCD (рисунок 11, б). Отрезок МК соответствует силе предварительного нагружения. Таким образом, вид диаграммы для од­ного и того же материала зависит от степени начального нагружения (вытяжки), а само нагружение выступает теперь уже в роли некоторой предварительной технологической операции. Весьма существенным является то, что отрезок LK (рисунок 11, б) оказывается больше отрезка ОА. Следовательно, в результате предварительной вытяжки материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического де­формирования носит название наклепа, или нагартовки, и широко используется в технике.

Например, для придания упругих свойств листовой меди или латуни, ее в холодном состоянии прокатывают на валках. Цепи, тросы, ремни часто подвергают предварительной вытяжке силами, превышающими рабочие, с тем, чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. В некоторых случаях явление наклепа оказывается нежела­тельным, как, например, в процессе штамповки многих тонкостенных деталей. В этом случае для того, чтобы избежать разрыва листа, вытяжку производят в несколько ступеней. Перед очередной операцией вытяжки деталь подвергается отжигу, в результате которого наклеп снимается.

hello_html_m50993d7f.jpghello_html_m1557d3b4.jpg









Рисунок 10 Рисунок 11


Основные механические характеристики материала

Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается диаграмма растяжения Р = f (I) в координатах и . Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l — соот­ветственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма = f() имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризо­вать уже не свойства образца, а свойства материала.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом про­порциональности (n).

Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный уча­сток диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой = f() от прямой = Е определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью .

В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/Е. Обычно считают, что если величина d/d оказа­лась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропорциональности достигнут.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (у) — наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.

Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, при­нимают в пределах ocт= (15) 10-5, т. е. 0,001 0,005%. Соответственно этому допуску предел упругости обозначается через 0,001 или 0,005.

Сhello_html_3af63077.gifледующей характеристикой является предел текучести — напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация ocт = 0,002 или 0,2% (рисунок 12). В некоторых случаях устанавливается предел ocт= 0,5%.

Условный предел текучести обозначается через 0,2 и 0,5 в зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию. Индекс 0,2 обычно в обозначениях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжатие, то в обозначение вводится соответственно дополнительный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения тр и ст.

Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади попереч-ного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через вр (сжатие - вс).

вр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем вр. Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — удлинение при разрыве %. Удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца.

Определение % производится следующим образом.

Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рисунок 13). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рисунок 13). Таким образом определяется среднее удлинение на стандартной длине l0 = 10d. В некоторых случаях за l0 принимается длина, равная 5d. Удлинение при разрыве будет следующим:

hello_html_5d2bd19a.gif.

Возникающие деформации распределены по длине образца неравномерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлинений, по­казанную на рисунке 13.

Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истин­ным удлинением при разрыве. Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения (кривая OCD' на рисунке 14).

hello_html_1824dbb.gif

Рисунок 13

Рисунок 14

Пластичность и хрупкость. Твердость

Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит называние пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение при разрыве. Чем больше , тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2 – 5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рисунок 15).

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы и при испытании на сжатие. Как уже упоминалось, испытание на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рисунке 16. Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, однако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму (рисунок 17). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск (рисунок 17), и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии такого рода материалов найден быть не может.

Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (рисунок 15). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с обра­зованием трещин по наклонным или продольным плоскостям (рисунок 18).

hello_html_m42f0399.gifhello_html_m4e72ff6b.jpghello_html_me0c2195.gif

Рисунок 15 Рисунок 16 Рисунок 17



Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении вр с пределом прочности при сжатии вс показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочностными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения hello_html_53c956bc.gif для чугуна k колеблется в пределах 0,2 0,4. Для керамических материалов к = 0 1 0 2.

Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ве­дется по пределу текучести (тр и тс). Принято считать, что тр тс.

Существуют материалы, способные воспринимать при растяжении большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру – дерево и некоторые виды пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе . В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные – как хрупкие.

Оhello_html_m31ce087.jpgчень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения и температурное воздействие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло спо­собно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные дефор­мации. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

О

Рисунок 23

дной из основных технологических операций, позволяющих изменять в нужном направлении свойст­ва материала, является термообработка. Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Для большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо известны те режимы термообработки, которые обеспечивают получение необходимых механических характеристик материала.

Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала. В произ­водстве, однако, для оперативного контроля над качеством изготовляемых деталей этот метод испыта­ния представляет в ряде случаев значительные неудобства. Например, при помощи испытания на рас­тяжение и сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий. Поэтому на практике большей частью прибегают к сравнительной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость.

Под твердостью понимается способность материала противодействовать механическому проникно­вению в него посторонних тел. Понятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, опре­деление свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением. Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения, испытания.

Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринеллю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмаз­ный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной таблицей, при помощи которой можно приближенно по показателю твердости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала

Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ра­кетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это—элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.

В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Суще­ствуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие го­дами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалом будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами , , температурой t° и време­нем t

f (hello_html_m6d824b1b.gif, hello_html_m1204e56f.gif, to, t) = 0

нhello_html_48a147bb.gifе является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотноше­ния входящих в нее величин. Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится в основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изменяющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.

Основными являются медленно изменяющиеся, или статические нагрузки. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов в так назы­ваемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок

Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации


hello_html_m741455b2.gif

т


Рисунок 24

о можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкри­сталлических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.

На рисунке 24 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести тр, предела прочности вр и удлинения при разрыве для малоуглеродистой стали в интервале О—500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300°С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина вр и, особенно, , причем имеет ме­сто, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала.

Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести. Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение раз­меров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.

Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур.

Вид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рисунке 25.

О

Рисунок 25

сновными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения. Последний выбирается равным сроку службы детали и меняется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он падает.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за задан­ный промежуток времени достигает заданной величины.

Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который оп­ределяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется усло­виями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зависят от тем­пературы. С увеличением температуры они уменьшаются.

Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с по­нятиями выносливости или усталости материала.

После статических рассмотрим класс динамических, нагрузок.

К оценке этих нагрузок существуют два подхода. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяю­щейся, если она вызывает заметные скорости частиц деформируемого тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей ра­боты, внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузка может рассматриваться как быстро изменяющаяся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают образоваться полностью. Это заметно сказывается на характере наблюдаемых зависимостей между деформациями и напряжениями.

Пhello_html_3cef7f2.jpgервый критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используется в основном при анализе во­просов колебаний упругих тел, второй — при изучении механических свойств материалов в связи с про­цессами быстрого деформирования. Поскольку при быстром нагружении образование пластических де­формаций не успевает полностью завершиться, материал с увеличением скорости деформации стано­вится более хрупким и величина 8 уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным пло­щадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное иллюстрируется сопоставлением диаграмм растяжения при медленно и быстро изменяющихся силах (рисунок 26).

Наиболее заметно сказывается влияние скорости деформации при высоких температурах. В нагретом металле уже при сравнительно небольшом увеличении скорости нагружения обнаруживается тенденция к увеличению вр и уменьшению .

Последним из трех рассматриваемых видов нагрузок являются весьма быстро изменяющиеся во времени нагрузки. Скорость их изменения настолько велика, что работа внешних сил почти полностью переходит в кинетическую энергию движущихся частиц тела, а энергия упругих и пластических деформаций оказывается сравнительно малой.

В

Рисунок 26

есьма быстро изменяющиеся нагрузки возникают при ударе тел, движущихся со скоростями в нескольких сотнях метров в секунду и выше. С этими нагрузками приходится иметь дело при изучении вопросов бронепробиваемости, при оценке разрушающего действия взрывной волны, при исследовании пробивной способности межпла­нетной пыли, встречающейся на пути космического корабля.


Так как энергия деформации материала в условиях весьма больших скоростей нагружения оказыва­ется сравнительно малой, то свойства материала как твердого тела имеют в данном случае второ­степенное значение. На первый план выступают законы движения легко деформируемой (почти жидкой) среды, и особую роль приобретают вопросы физического состояния и физических свойств материала в новых условиях.

Испытания на твердость

Существует 2 метода испытания твердости:

  1. метод вдавливания;

  2. метод упругой отдачи.

При испытании твердости методом вдавливания применяют приборы:

  1. Бринелля (твердомер ТШ)

  2. Роквелла (твердомер ТК)

  3. Виккерса

А также прибор для измерения микротвердости.

При испытании твердости методом упругой отдачи применяют приборы Польди и Шора.

Прибор Бринелля

Применяют для определения твердости отгороженных стальных изделий, а также цветных металлов.

Прибор Роквелла

Используется для определения твердости закаленных стальных изделий и цветных металлов.

Прибор Виккерса

Используется для замера твердости тонких изделий (деталей часов, тончайших лент, поверхностных азотированных или ционированных изделий).

Прибор для измерения микротвердости ТМ

Применяется в тех случаях, когда необходимо определить твердость отдельных структурных составляющих.

Выбор твердомера зависит от размера испытуемой детали, материала, и других факторов.

Способы определения твердости на приборах ТШ и ТК широко применяется в промышленности, т.к. просты в применении. Зная число твердости по Бринеллю можно приблизительно судить о прочности.

в = (0,30,35) НВ (для стали)

Уhello_html_3ee3f9ee.gif мягких материалов чем больше твердость, тем больше прочность. При массовом и крупносерийном производстве для контроля твердости применяются методы, основанные на физических свойствах, т.к. все свойства материала зависят от его внутреннего строения, то при изменении механических свойств твердости изменятся и физические свойства, например электросопротивление, заранее установив зависимость между твердостью и электросопротивлением на пути движения на конвейере устанавливают прибор, который сортирует деталь с заданным числом твердости.

Метод Бринелля

Стальной закаленный шарик d = 10;5;2,5 вдавливается в испытываемый образец силой Р. В материале остается отпечаток в форме сегмента d - чем меньше d, тем тверже металл (рисунок 27).

Твердость по Бринеллю

hello_html_m78e39afb.gif,

где Р – нагрузка на шарик, F - площадь поверхности отпечатка.

Испытывает материалы до 450 НВ. Для каждого диаметра определенный интервал нагрузок.

Метод Роквелла

Твердость определяется при вдавливании алмазного конуса с углом 120 или стального шарика диаметром 1,58 мм (1/16 дюйма). Стальной шарик применяют для нетвердых материалов (до 220 НВ при нагрузке 100 кгс). Твердость по Роквеллу – величина условная: 1 деление шкалы = 2 микрона глубины проникновения. Число твердости по Роквеллу обозначается HRC; HRA.

Метод Виккерса

В образец вдавливается 4-х гранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 градусов; нагрузка 100 кгс. Замер отпечатка производится по диагонали с помощью микроскопа, установленного на приборе числа твердости.

hello_html_4521c1a4.gif,

где Р – нагрузка, кгс; d – среднеарифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки.


Тема 1.2 ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


Основные сведения о теории сплавов

Соединение двух и более компонентов, у которых сохраняются металлические свойства - называются сплавами.

Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и др. В жидком состоянии сплавляемые элементы полностью растворяются друг в друге.

В процессе кристаллизации могут получиться следующие сплавы:

  1. Твердые растворы - это сплавы, которые при кристаллизации сохраняют однородность распределения одного элемента в другом. Структура твердого раствора представляет собой однородные одинаковые зерна и похожи на структуру чистого металла. При образовании твердых растворов свойства сплавов зависят от концентрации и разницы в размерах атома. Свойства изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят большей твердостью и большей прочностью.

  2. Химическое соединение - это соединение, способное образовывать новые кристаллические свойства. Сплавы - химические соединения, однородные и образуются только при строго определенном массовом соотношении компонентов, как всякое химическое соединение.

  3. Механическая смесь - получается в том случае, когда входящие в состав смеси компоненты полностью не растворяются друг в друге, и образуют кристаллические зерна отдельно каждого компонента. Свойства получаются средними между свойствами образующих компонентов.

Твердые растворы

Это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента (растворителя) изменяют ее размеры. Таким образом. твердый раствор состоит из 2 или нескольких компонентов, имеет 1 тип решетки и составляют одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и замещения.

При образовании твердых растворов замещения атомы растворимого элемента замещают часть атомов растворителя в узлах кристаллической решетки.

Атомы растворенного элемента могут замещать атомы растворителя любые, но взаимное расположение всех атомов, как правило, является неупорядоченным. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента располагаются между узлов кристаллической решетки растворителя, т.к. и электронное строение и размеры атомов растворителя и растворимого компонента различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются (рисунок 28).

Пhello_html_md5bea77.gifри образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомов радиуса растворителя и растворенного компонента, в случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает.

Все металлы могут в той или иной степени растворяться один в другом в твердом состоянии (например, в Al может растворяться до 5,5% меди).

В тех случаях, когда компоненты могут замещать один другого в кристаллической решетке в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых растворов.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

  1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками .

  2. Различия в атомных размерах компонентов должны быть незначительными (9-15%).

  3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным, родственным группам.

Неограниченно растворяются в твердом состоянии следующие металлы с КГЦ : Ag, Au, Ni, Си, Mo, Wr, V, Ti ; такие металлы, как Na, Ca, К, РЬ и другие имеющие большой атомный диаметр нерастворимы в меди, серебре и гамма - железе.

Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число атомов в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Твердые растворы внедрения значительны в сталях и чугунах.

Упорядоченные твердые растворы

В некоторых сплавах (Си, Аи, Fe, Al), образующих при высоких t растворы замещения с неупорядоченным чередованием атомов при медленном охлаждении или длительном нагреве, при определенной температуре происходит процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенное положение в кристаллической решетке. В состоянии полного упорядочения атомы одного компонента занимают все узлы в одной подрешетке, а атомы другого компонента в другой, такие растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур.

Образование сверхструктур сопровождается изменением свойств: резко ухудшаются магнитные свойства, снижается пластичность, повышается электросопротивление, повышается твердость.

Сверхструктура является промежуточной между твердым раствором и химическим соединением. Правильное расположение и резкое изменение свойств относится к химическим соединениям, а увеличение твердости относится к твердым растворам.

Химические соединения.

Характерные особенности химического соединения

  1. Кристаллическая решетка отличается от решетки компонентов, образующих соединение. Атомы решетки химического соединения располагаются упорядоченно; большинство химических соединений имеют сложную кристаллическую структуру.

  2. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих компонентов.

  3. Температура плавления - постоянная.

  4. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химическое соединение образуется между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов (соединение Mg+Pb ; Mg+S).

Соединение одних металлов с другими носит общее название интерметаллического соединения. Химическая связь сохраняется неметаллической.

Соединение металла с неметаллом, которое может обладать металлической связью, нередко называют металлическими соединениями.

Основные типы диаграмм

Гhello_html_5c54d4e7.gifрафическое изображение зависимости состояния системы от температуры и состава называется диаграммой состояний.

Д

Рисунок 29

иаграмма состояний показывает изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации (давление постоянное для всех рассматриваемых случаев). Если система однокомпонентная, то диаграмма будет иметь одно измерение (шкала t) и соответствующие точки на прямой покажут равновесную температуру изменения агрегатного состояния (рисунок 29).

Если в системе 2 компонента, то второе измерение покажет концен-трацию сплава: диаграмму строят в 2-х измерениях (ордината - t; абсцисса - концентрация). Общее содержание обоих компонентов в сплаве - 100%, и каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента.

Если система 3-х компонентна, то диаграмма состояния сплавов имеет пространственный вид.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)















Рисунок 30


Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы (рисунок 30) и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества А и В (К=2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А, кристаллы В.

АСВ - линия ликвидус (начало кристаллизации ). DCE - линия солидус (конец кристаллизации). На линии АС начинают при охлаждении выделяться кристаллы А. На линии СВ - кристаллы В. На линии DCE из жидкости концентрацией в точке С одновременно выделяются кристаллы А и В.

Участок 01 - соответствует охлаждению жидкого сплава.

1- 2 - выделению кристаллов А.

1-2" - совместное выделение кристаллов А и В.

2"- 3 - соответствует охлаждению твердого тела.

Механическая смесь 2-х и более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой.

На диаграмме состояний показаны области существования различных фаз. Ниже эвтектической горизонтали DCE находятся две фазы - кристаллы А и В. Левее эвтектической концентрации из жидкости выделяются вначале кристаллы А, а затем эвтектика, поэтому структурное состояние доэвтектического сплава - А+ эвтектика; заэвтектического сплава - В + эвтектика, хотя и в том и в другом случае в сплаве только 2 фазы.

Определение концентрации компонентов в фазах и состава фаз

  1. для определения равновесного состава фаз в 2-х фазной области диаграммы состояния в заданной точке, необходимо через эту точку провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на концентрационную ось определяет состав жидкой фазы. Проекция точки пересечения коноды с линией солидус на концентрационную ось определяет состав твердой фазы.

  2. Дhello_html_m72dffc7f.pngля определения массового или объемного количества фазы (твердой или жидкой) в заданной точке двухфазной области нужно провести через эту точку коноду и разделить длину отрезка коноды противолежащего составу данной фазы, на общую длину коноды.

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (2 рода)

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты - А и В.

Фазы - L, a, в.

Е

Рисунок 31

сли 2 компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только 2-х фаз: жидкого раствора L и твердого раствора а. Следовательно, 3-х фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается, и горизонтальной линии на диаграмме нет (рисунок 31).

AmB - ликвидус.

AnB - солидус.

Е


сли изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах. Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус определяется правилом отрезков. Состав жидкой фазы определяется проекцией точки b, а твердой - проекцией точки с. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений:

жидкой фазы hello_html_4772b8c.gif, твердой - hello_html_44f7de72.gif.

Рисунок 32

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (3 рода).


Оhello_html_3ead1eff.pngба компонента неограниченно растворимы (рисунок 32) в жидком состоянии, ограниченно в твердом и не образуют химических соединений.

Компоненты - А, В.

Фазы - L, а , в.

В

Рисунок 32

сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы, твердого раствора компонента В в А, который будем называть раствором и твердого раствора компонента А в В, который обозначим в.

Диаграмма состояния для сплавов образующих химические соединения (4 рода)

Химическое соединение (рисунок 33) характеризуется определенным соотношением компонентов А и В.

Е

Рисунок 33

сли компоненты А и В образуют химическое соединение An; Вm, то следовательно на n + m его атомов приходится n атомов А и m атомов В.

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до расплавления; неустойчиво, если при нагреве оно разлагается.


Железо и его сплавы

Железо

Переходный металл, кристаллизуется при t =1539о. Имеет полиморфные превращения при двух температурах: 392 и 911. При температуре менее 911 существует Fe с ОЦК; в интервале температур 911 - 1392 существует Fe c ГЦК; выше 1392 до 1539 снова Fe с ОЦК (иногда называют Fе).

Механические свойства:

в = 250 МПа; т = 120 МПа; = 50%; 80%; 50в – 80 НВ.

Железо с элементами близкими по атомным радиусам образуют твердый раствор замещения с С, азотом образуют твердый раствор внедрения.

Углерод - относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением: имеет гексагональный тип решетки ( графит ) и решетку с Координационным числом - 4 ( алмаз ), температура плавления графита ~ 3500о С ; плотность 2,5 г/смЗ .

Феррит - твердый раствор углерода в - железе.

Аустенит - твердый раствор углерода в - железе; обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

Растворимость углерода в - железе мала, т.к. диаметр атома С = 0,154 нанометра, в ОЦК имеется 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр такого свободного места (поры) = 0,062 нм, что явно недостаточно. В Fe в ГЦК в центре имеется пора диаметром 0,102 нм. В этой поре вполне может поместиться атом углерода.


Цементит - химическое соединение углерода с железом Fe3С (карбид железа). Кристаллическая структура цементита очень сложна. Температура плавления – 1250о. Аллотропических превращений цементит не испытывает, обладает высокой твердостью более 800 НВ, но чрезвычайно низкую , практически нулевую пластичность, что объясняется сложным строением кристаллической решетки. Цементит - соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на Fe и графит.


Диаграмма состояния

Правило – умножение содержания углерода на 15 дает содержание цементита в стали и чугуне, % (по массе).

Линия АCD – ликвидус, ECF - солидус.

Существуют в системе следующие фазы:

  • жидкость

  • цементит

  • феррит

  • аустенит

При температуре 1147о на (ECF) протекает эвтектическая реакция (рисунок 34). В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь.


Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита. Реакция происходит у всех сплавов системы, содержит более 2,14% С. При 727 градусах (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь.





















Рисунок 34




Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита. У всех сплавов > 0,02% С происходит перлитное превращение. У всех сплавов, содержащих < 2,14%С в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов > 2,14%С структура состоит из ледебурита с избыточным цементитом или аустенитом.

Это различие в структуре при высокой tи создает различие в механических и технологических свойствах сплавов. Наличие эвтектики делает сплав ковким. Вместе с тем высокоуглеродистый сплав имеет низкую температуру плавления и его применяют как литейный сплав.

Сплавы содержащие < 2,14%С называются сталями; > 2,14%С - чугунами.

Стали после затвердевания не содержат малопластичной составляющей – ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому стали легко деформируются, т.е. являются ковкими сплавами.

Чугуны - обладают лучшими литейными свойствами, низкой температурой плавления , но они хрупки и не поддаются ковке, что объясняется наличием в структуре чугунов легкоплавкой и хрупкой эвтектики (ледебурита) или графита.

Существуют доэвтектоидные стали, эвтектоидная = 0,8%С, заэвтектоидная.


Наклеп и рекристаллизация

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом или нагартовкой.

Пластическая деформация осуществляется путем перемещения дислокаций. Пара движущихся дислокаций порождает сотни новых, в результате чего плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности). По мере увеличения степени деформации (площади поперечного сечения) предел прочности растет, а относительное удлинение падает.

Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

При деформации зерно деформируется (сплющивается) и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.

С увеличением деформации уменьшается плотность металла, что обусловлено образованием пор внутри и между зернами (деструкция). Таким образом, пластическая деформация вызывает изменение внутреннего строения зерна и его формы, а после определенной ее величины и уменьшение плотности из-за образования пор.

Пластическая деформация приводит металл в структурно-неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и др. внутризеренные процессы и образования новых зерен.

Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом. В результате этого твердость и прочность несколько понижаются (20-30%), а пластичность возрастает. Наряду с этим может происходить процесс полигонизации, т.е. беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации образуют стенку и создают ячеистую структуру, которая затрудняет процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

Реакристаллизация, т.е. образование новых зерен в деформированном металле протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация.

При повышении температуры подвижность атомов возрастает и при достижении определенной температуры происходит образование новых равноосных зерен. Образование зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла проводят рекристаллизационный отжиг.



Тема 1.3 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Основы термической обработки металлов и сплавов

Термической обработкой называется технологический процесс, связанный с нагревом с целью изменения структуры и свойств.

Технологический процесс (ТО) состоит из 3 стадий:

  1. Нагрев до определенной температуры.

  2. Выдержка при заданной температуре.

  3. Охлаждение с различной скоростью.

Целью нагрева является придание атомам металла или сплава высокой диффузионной подвижности без которой невозможно изменение структуры При нагреве исходная структура изменяется из - за диффузии атомов или полиморфных превращений при охлаждении. Вид ТО определяется теми структурными изменениями, которые произошли в сплаве при нагреве и последующем охлаждении.


График технологических процессов ТО (рисунок 35).


Кhello_html_49b3ee10.gifлассификация видов ТО

Различают 3 вида ТО:

  1. Собственнотермическая ТО

  2. Химикотермическая ХТО

  3. Термо-механическая МТО

Собственная ТО включает в себя термоотжиг, закалку, отпуск и старение (рисунок 36).

Кhello_html_m43fe5f2b.gifритическая точка А1 лежит на линии PSK (727) диаграммы (Fe - С), соответствует превращению перлита в аустенит.

Критическая точка А2 находится на линии МО характеризует магнитные превращения сплавов.

Критическая точка A3 соответствует линии GS, при охлаждении из аустенита выделяется феррит, а при нагреве феррит растворяется в аустените.

Критическая точка Асм находится на линии SE, при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, а при нагреве по этой линии заканчивается растворение цементита (2) в аустените.

Превращение при охлаждении и нагреве происходит при различных температурах, поэтому для обозначения критических точек вводят дополнительные индексы: с при нагреве, r при охлаждении.


Основные виды фазовых превращений для различных видов ТО

Для установления режима охлаждения пользуются диаграммами изотермического распада переохлаждения аустенита (рисунок 37).

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают превращения 3 типов.

  • Перлитное превращение протекает в верхнем интервале температур, прилегающих к критической точке А1 - это превращение заключается в диффузионном распаде переохлажденного аустенита с образованием эвтектоида. Перлитное превращение 2-х фазное. Продукты перлитного превращения обычно имеют пластинчатое строение. Чем больше степень переохлаждения, тем тоньше получающаяся ферритно - цементитная структура, т.е. меньше межпластинчатое расстояние.

Перлит = 0,6 – 1 мкм - 670 – 650оС П ( - расстояние между пластинами).

Сорбит = 0,25 – 0,3 мкм - 640 – 580оС.

Тростит = 0,1 – 0,15 мкм - 580 – 550оС.

  • Мартенситное превращение представляет собой пересыщенный раствор углерода в -железе. Это превращение происходит только после переохлаждения аустенита до температуры в точке Мн и протекает в интервале температур Mн -Mк ниже температуры 240оC. Превращение носит бездиффузионный характер. Содержание углерода в мартенсите такое же как и в аустените.

  • Бейнитное (промежуточное превращение) протекает между перлитным и мартенситным превращением. В результате образуется промежуточная структура - бейнит - это смесь из а -твердого раствора, претерпевающего мартенситное превращение и частиц карбидов.


hello_html_364c42e0.gifhello_html_abe636c.gif

Рисунок 37



Основные превращения при ТО стали

  1. При нагреве выше критической точки А1 727 перлит в аустенит.

  2. При охлаждении аустенита при температуре Ar1 аустенит распадается на перлит.

  3. При быстром охлаждении аустенита (закалка), аустенит превращается в мартенсит.

  4. Разложение мартенсита при отпуске, структура *мартенсит - продукты распада.

Отжиг 1 рода

Целью отжига является повышение пластичности. Отжиг, при котором нагрев и выдержка производится с целью приведения его в устойчивое состояние за счет снятия напряжения, уменьшения искажения кристаллической решетки, за счет диффузии и рекристаллизации называется отжигом 1 рода.

Отжиг 1 рода не связан с фазовыми превращениями. При отжиге фазы нагреваются ниже температуры фазовых превращений.

Разновидности отжига 1 рода

  1. Гомогенизация (диффузионный) устраняет ликвацию (неоднородность химического состава и структуры). Проводится при t = 1000-1100о; время отжига состоит от нескольких часов до нескольких десятков часов. Охлаждение после отжига выше критической температуры производится в печке со скоростью 200оС в час. Структура при отжиге 1 рода не изменяется.

  2. Рекристаллизационный отжиг. Применяется для деформирования детали выше температуры рекристаллизации. В процессе и выдержке происходит рекристаллизация, при которой структура и фазовые состояния не изменяются, а изменяется только величина зерна, отжиг проводится после
    холодной пластической деформации, при этом скорость охлаждения не имеет решающего значения, поэтому охлаждение по окончанию выдержки проводится при спокойном воздухе.

  3. Технологический отжиг применяется для снятия остаточных напряжений, возникающих в результате технологического воздействия из - за неравномерного охлаждения. Технологический отжиг для стали проводится при t = 400 – 600оС время выдержки в среднем 4 часа (зависит от массы детали). По окончанию выдержки изделие охлаждается медленно на воздухе, допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, формы, теплопроводности и обычно лежит в пределах 20 – 200оС в час.

Отжиг 2 рода

Перекристаллизационным отжигом называется отжиг, при котором нагрев производится выше температуры фазовых превращений с последовательным медленным охлаждением для получения структурно равновесного состава.


Разновидности отжига 2 рода

  1. Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев производится выше критической точки Ас3 на 20 - 40оС и медленно охлаждается вместе с печью со скоростью 200оС в час для углеродистых сталей, и 30 - 100оС в час для легированных сталей. В процессе охлаждения получается полная перекристаллизация структуры. После отжига получается структура мелкозернистая феррито - перлитная структура. Применяется для улучшения обрабатываемости резанием.

  2. Неполный отжиг применяется для всех сталей. Нагрев производится выше точки Ас1 на 20 – 40оС, но ниже АсЗ. При охлаждении происходит перекристаллизация только перлитной части структуры, а ферритная часть сохраняется. Такой отжиг более экономичен и способствует хорошей обрабатываемости резанием.

  3. Цhello_html_m68e1c8e0.gifиклический отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. Нагревают выше точки Ас1 на 20 – 50оС, а после охлаждения ниже Аг1 на 30 – 50оС и повторяют несколько раз. При этом цементитные пластинки делятся на мелкие зерна цементита, в результате чего получается структура зернистый перлит, который обеспечивает хорошую обрабатываемость заэвтектоидных сталей резанием.

Рисунок 3 8


  1. Изотермический отжиг применяется для легированных сталей, повышая их обрабатываемость. Нагрев стали в начале как для полного отжига выше АсЗ на 30 – 50оС далее выдержка, затем охлаждение до температуры изотермической выдержки (ниже Аг1) на 50 – 100оС. По окончанию полного распада аустенита деталь вынимают из печи и охлаждают на воздухе.

  2. Нормализация. Сталь нагревают выше АсЗ для доэвтектоидных сталей и выше Асм для заэвтектоидных сталей на 30 – 50оС, затем охлаждают на спокойном воздухе. Твердость и прочность сталей на 10 - 15% выше, чем после отжига. Нормализация обеспечивает полную перекристаллизацию структуры. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализация проводится вместо полного отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализация проводится вместо закалки и высокого отпуска, для высокоуглеродистых - для устранения цементитной сетки. После нормализации структура также как после отжига - феррито-перлитная.

Закалка

Цель: получение высокой твердости.

Она заключается в нагреве сплава выше температуры фазовых превращений в твердом состоянии, выдержке при данной t и охлаждении со скоростью более какой-то критической скорости.

Критическая скорость охлаждения - это минимальная скорость, при которой подавляются все диффузионные процессы, и после закалки с этой скоростью имеет структуру мартенсит.

Для доэвтектических сталей рационально применять полную закалку для заэвтектических - неполную. Доэвтектоидные стал нагревают до t =30 – 50оС выше точки АсЗ. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают до t выше точки Ас1 на 15 – 20оС. Для многих сталей, особенно легированных, температура нагрева значительно превышает критические точки АсЗ; Ас1 на 150 – 250оС. Это необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Продолжительность нагрева должна обеспечивать прогрев изделия по сечению и завершению фазовых превращений, но она не должна быть слишком велика, чтобы не вызвать обезуглероживание поверхностного слоя.

Непосредственно закалка заключается в охлаждении стали со скоростью больше критической с целью получения мартенсита. Для того, чтобы не было закалочных дефектов при охлаждении применяются кипящие жидкости, масла, водные растворы солей и щелочей.

При закалке углеродистой и низколегированной сталей, имеющих малую устойчивость аустенита, применяют: водный раствор, NaCI, NaOH. Для легированных сталей применяются минеральные масла, чаще всего нефтяные. Масла применяются и для некоторых заэвтектоидных сталей.

Выбор способа охлаждения зависит от формы, размеров, и химического состава.

Существует:

  1. Непрерывная закалка (в одном охладителе).

  2. Прерывистая закалка (вода, масло).

  3. Ступенчатая закалка заключается в быстром охлаждении в солевых ваннах выше температуры мартенситного превращения на 30 – 50оС, выдержка при данной температуре до достижения одинаковой температуры по всему сечению далее охлаждение на воздухе.

  4. Изотермическая закалка. Деталь выдерживают в соляных ваннах до t = 250 – 300оС до окончания изотермического превращения. Структура: бейнит.

Закаливаемость и прокаливаемость

Закаливаемость - это способность стали повышать твердость в результате закалки.

Определяется в первую очередь содержание в стали углерода. Легирующие элементы оказывают не большое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость - способность закаливаться на определенную глубину.

Определяется критическая скорость охлаждения, зависящая от состава сплава.

Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данном охладителе образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром, т.е. диаметром максимального сечения прокаливаемого в данном охладителе насквозь. Легированные стали прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Прокаливаемость сильно повышают: Мn, Сг, Мо, В. Менее сильной, Si. Снижает: Со.

Особенно возрастает прокаливаемость при одновременном введении нескольких легированных элементов. Прокаливаемость даже одной и той же стали может колебаться в различных пределах в зависимости от химического состава, от размера и формы детали и от охлаждающей среды.

Прокаливаемость в воде больше, чем в масле. Желательно, чтобы прокаливаемость изделия была на всю глубину или по всему сечению, но в деталях, подвергающихся динамическим нагрузкам иногда необходима поверхностная твердость и вязкость сердцевины.

Поверхностная закалка

Состоит в нагреве поверхностного слоя стали с последующем охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Нагрев производится токами высокой частоты, можно нагреть в расплаве металла и солей, пламенем горелки, лазером. Для поверхностной закалки ТВЧ подвергаются металлы с содержанием С до 0,4%.

После закалки и низкого отпуска получим HRC на поверхности 45 - 55, в сердцевине 25-30.

Применяется поверхностная закалка для деталей, подвергающихся динамическим нагрузкам (шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров и т.д.)

Дефекты закалки.

  1. Недостаточная твердость (обуславливается либо недогревом, либо малой скоростью охлаждения).

  2. Повышенная хрупкость (перегрев).

  3. Пятнистость (наиболее мягкие места, когда твердость неравномерна).

  4. Коробление, трещины (вызываются внутренними напряжениями).

При закалке сплав находится в неравновесном состоянии из - за внутренних напряжений. Для их снятия применяется отпуск.

Отпуск - это заключительный этап, состоящий из нагрева ниже точки Ас1 и последующего охлаждения.

При отпуске формируется окончательная структура стали, снимается внутреннее напряжение полностью или частично, структура становится равновесной. Отпуск приводит к снижению прочности и повышению пластичности и вязкости.

Виды отпуска:

  1. Низкий. При t = 150 - 250оС. На 1 стадии отпуска происходит перераспределение углерода, который выделяется из мартенсита в виде карбидных частиц Fе3С, тетрагональность мартенсита снижается, структура мартенсит отпуска с меньшей тетрагональностью, чем мартенсит закалки. Целью отпуска является снижение внутренних напряжений, при сохранении твердости и износостойкости изделия. Низкий отпуск применяется для режущего инструмента и мерительного, для машиностроительных деталей, роликов, кулачков.

  2. Средний отпуск. Производится при температуре 350–450оС, при температуре 300–400оС заканчивается выделение С из мартенсита. Мартенсит (М) превращается в феррит. Такую структуру обычно называют троститом отпуска. После среднего отпуска происходит снижение твердости на 1/3 часть, но
    повышается предельная упругость, полностью снимаются внутренние напряжения. Применяется для деталей, подверженных действию ударных нагрузок (пружины, штамповый инструмент, упругие детали).

  3. Высокий отпуск. Температура 550 – 650оС. Структура - однородный сорбид отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для достижения оптимальных свойств прочности, пластичности и вязкости. Область применения: для конструкционных сталей, детали, которые подвергаются
    действию высоких напряжений и ударных нагрузок.

Улучшением называется сочетание закалки с последующим высоким отпуском.

Термомеханическая обработка (ТМО)

Заключается в пластической деформации аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском (рисунок 39).

В зависимости от температуры, при которой деформируется аустенит различают:

  1. Высокую ТМО (ВТМО).

  2. Низкую ТМО (НТМО).

При ВТМО деформация происходит выше АсЗ, а при НТМО ниже Ас1. При ВТМО повышается прочность на 40% и увеличивается пластичность в 2 раза по сравнению с обычной ТО. При НТМО достигается наибольшее упрочнение, но ее проведение более сложно, т.к. аустенит менее пластичен и требует более мощные деформирующие средства.

hello_html_4c2690d4.gif

hello_html_ma9132b6.gif










Рисунок 39


Тема 1.4 Химико - термическая обработка

Это процесс ТО, связанный с диффузионным насыщением металлического, изделия элементами с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла или сплава.

ХТО не зависит от формы изделия, обеспечивая получение упроченного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. Нагрев изделия до заданной t проводится в твердой или жидкой средах, содержащих насыщающий элемент. На поверхности изделия осуществляется обменная реакция, приводящая к изменению состава контактирующих материалов. Насыщение производят металлы и неметаллы.

Насыщение металла называется диффузионной металлизацией. Проводят ее при более высоких температурах и более длительном времени выдержки, чем неметаллы.

В зависимости от насыщающего элемента различают:

  1. Цементация - насыщение углеродом.

  2. Азотирование - насыщение азотом.

  3. Нитроцементация - (цианирование) насыщение С и N.

  4. Хромирование - насыщение хромом.

  5. Алитирование - насыщение алюминием.

  6. Силицирование - насыщение кремнием.

  7. Борирование - насыщение бором.

  8. Фосфотирование - насыщение фосфором.

Выбирают тот или иной насыщающий элемент для конкретного металла или сплава для получения либо повышения прочности, либо специальных физико-химических свойств поверхности. Структура поверхностного слоя зависит от концентрации насыщающего элемента и от характера взаимодействия этого элемента с основным компонентом и легирующими элементами, глубина насыщенного слоя зависит не только от температуры и времени, но и от давления.

Цементация стали

Это диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали. После механической обработки с припуском на шлифование цементируемая поверхность получается твердой и износоустойчивой. После цементации поверхностный слой содержит 0,8 - 1%С, максимальное содержание углерода 1,2%;глубина слоя 0,5 - 2,5мм. Цементацию проводят при температуре 920 – 950оС (6-10 часов для 1мм толщины). Окончательные свойства детали подвергающейся цементации получаются в результате ТО, целью которой является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

hello_html_m171c385.gif

График ТО при цементации

(рисунок 40)

Азотирование

Это процесс насыщения повер-хностного слоя азотом при нагреве в атмосфере аммиака. Азотированию подвергаются среднеуглеродистые леги-рованные стали. Стали приобретают высокую твердость, износоустойчивость и коррозионную стойкость. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного и сохраняет твердость до t = 650оC.

А

Рисунок 40

зотированию подвергаются часовые детали, прошедшие механическую и окончательную ТО.


Гhello_html_4143b525.gifрафик технологического процесса при азотировании (рисунок 41)


Глубина 0,5 - 0,6мм. Скорость 0,01 мм/ч.


Преимущества азотирования перед цементацией


  1. Более высокая твердость и износоустойчивость.

  2. Сохранение твердости при высокой температуре.

  3. Повышенная коррозионная стойкость.

Недостатки

  1. Д

    Рисунок 41

    лительность процесса.



РАЗДЕЛ 2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Тема 2.1 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

"С" резко повышает прочностные свойства при одновременном понижении пластичности и вязкости. Это объясняется торможением цементитными включениями движениями дислокации в феррите. С повышением количества углерода в стали увеличивается электросопротивление, уменьшается магнитная проницаемость.

Влияние постоянных примесей

Углеродистые стали - сложные сплавы, в состав которых в качестве постоянных примесей входят: Si до 0,35%, Мn до 0,8%, S дo 0,06%, Р до 0,07%.

Мп и Si вводятся в сталь для раскисления для получения вполне раскисленной стали (спокойной стали) вводится AI.

Si - растворяясь в феррите, сильно упрочняет его и понижает пластичность стали.

Мn - повышает прочность стали в горячекатанных изделиях и уменьшает красноломкость, вызываемую влиянием серы.

S с Fe образует сульфид железа, который с Fe образует легкоплавкую эвтектику. При кристаллизации эта эвтектика располагается в виде оборок вокруг зерен стали. При t =1000оC эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами, и в металле возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали.

Фосфор, растворяясь в феррите, уменьшает его пластичность и вязкость. Содержание Р в сталях в зависимости от назначения допускается до 0,025 - 0,06%, в сталях неответственного назначения допускается содержание Р до 0,1...0,15% для улучшения обрабатываемости резанием (автоматные стали).

Технологические свойства стали

  • Обрабатываемость резанием характеризуется следующими основными показателями: стойкостью режущего инструмента (время работы между переточками); допустимыми скоростями и усилиями резания; чистотой обработанной поверхности.

  • С увеличением С, т.е. с увеличением прочности и твердости, обрабатываемость ухудшается. Однако и стали с малым содержанием С обрабатываются плохо, давая низкую чистоту поверхности.

  • Мn и Si , упрочняя сталь ухудшает обрабатываемость. Оптимальной обрабатываемостью обладают доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита, эвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой зернистого перлита. Лучшей обрабатываемостью обладают крупнозернистые стали (образуется сыпучая стружка ).

  • S и Р (до 0,1 ...0,3%) повышают обрабатываемость стали.

  • Штампуемость ухудшается с увеличением прочностных свойств стали, особенно предела текучести.

  • Способность стали к вытяжке характеризуется отношением

hello_html_m4a9d954f.gif, которое для глубокой вытяжки должно быть 0,65 – 0,7.

  • Стали для глубокой штамповки содержат 0,08% С, до 0,4%Мп, не более 0,03%Si. Это обычно кипящие стали (КП). Большое влияние на получение хороших штамповок оказывает величина зерна. Крупнозернистые стали дают шероховатую поверхность и склонны к образованию разрывов при штамповке. Стали с очень мелким зерном имеют пружинящий эффект и сильно изнашивают штамп.

Выделение азота (углерода) в областях дислокаций приводит к появлению на выштамповках полос скольжения (дефекты на облицовочных деталях не допустимы). Меньшей склонностью обладают спокойные стали (СП) с добавкой ванадия и бора.

Свариваемость ухудшается с увеличением С .поэтому содержание углерода в сталях подвергаемых сварке ограничиваются.

Литейные свойства. Под литейными свойствами понимают жидкотекучесть (заполняемость металлом формы), объемную усадку (склонность к образованию усадочных раковин), линейную усадку (склонность к образованию трещин). Литейные свойства стали ухудшаются при увеличении содержания С. Поэтому для литья обычно используют до 0,4%С. Но и в этом случае литейные свойства весьма невысокие. Плохая жидкотекучесть, раковины, трещины.

Классификация сталей

Стали по содержанию С делятся:

По качеству:

  1. Низкоуглеродистые (С до 0,3%)

  2. Среднеуглеродистые (С до 0,3-0,6%)

  3. Высокоуглеродистые (С до С0,9%, max 1,3 %)

    1. Обыкновенные

    2. Качественные

    3. Высококачественные

Углеродистые стяги обыкновенного качества

СТ1;СТ2-СТ6(регламентируется по физическим свойствам)

БСТЗ - группа Б (химический состав)

ВСТ4 (регламентировано по физическим свойствам и химическому составу, по степени раскисления)


Стали обыкновенного качества выполняются:

По назначению стали делятся:

СП - спокойные (СТЗСП)

ПС - полуспокойные

КС - кипящие (ВСт2КС)

  1. Конструкционные

  2. Инструментальные

  3. Спецстали

hello_html_9618f6b.gifhello_html_1b5c35cc.gif

Конструкционные стали


Инструментальные стали

Цементируемые стали

Это стали с низким содержанием С (СТ10,
15,20,20Х,12ХГТ,12ХЗН2 и др.).

ТО - Цементация, закалка, низкий отпуск (структура мартенсит отпуск).

Применяются для изготовления деталей, обладающих большой твердостью поверхности и вязкой сердцевиной. Легируются хромом, никелем, молибденом, титаном, магнием.


Углеродистые инструментальные стали
У7, У7А, У8, У13А.

Улучшаемые стали

Стали с содержанием С 0,30,5%+ 5% легирующих элементов.

ТО - Закалка, высокий отпуск (улучшение)(структура сорбит отпуск).

ЗОХГСА, 38ХНЗМ, 38ХНЗМФА.

Свойства: стали хуже обрабатываются резанием, но обладают лучшими механическими свойствами.

Изготавливают: штоки, шатуны, и другие детали, подверженные циклическому нагружению или ударным нагрузкам.



Легированные стали

ХВГ, 9ХФ, X, 6ХС.

Должны обладать максимальной твердостью. Изготавливают более сложные инструменты.

Рессорно - пружинные стали

Содержание С 0,5 - 0,7%. Легируются: Si, Mn.

Могут добавляться: Сг, Va, Wr. Высокие упругие свойства обеспечиваются за счет ТО.

ТО - Закалка, отпуск на требуемую твердость (средний отпуск) (структура тростит).

Твердость > 45 HRC не рекомендуется.

60С2А, 65; 70, 50ХФАТ

Свойства: упругие.

Изготавливают: рессоры, пружины.



Штамповые стали

А) для штампов холодной штамповки

Это стали с высоким содержанием хрома, они должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (Х12, Х12М и др.)

ТО - Закалка с низким отпуском.

Б) для штампов горячей штамповки (5ХНМ, 5ХМВ, 5ХГМ)

Твердость должна быть 35 HRC.

Шарико-подшипниковые стали

Содержание С 0,7-1,3%.

Маркируют: ШХ6 - ШХ15, ШХ20СТ.

Маркировка нестандартна:

Ш - шарикоподшипниковые

X - содержание хрома в десятых долях %.


Быстрорежущие стали

Стали с высокой теплостойкостью 640С Р9, Р18, Р6МВ, Р6М5К5.

Р - рапид (скорость).

Спецстали

К ним относятся жаростойкие, кислотостойкие, жаропрочные стали с особыми магнитными свойствами и др.


Тема 2.2 ЧУГУНЫ

Серые, высокопрочные и ковкие чугуны

Чугунами называются железоуглеродные сплавы с повышенным (более 2,14%) содержанием углерода. Повышенное содержание углерода в составе чугунов приводит либо к образованию в структуре сплава твердой и хрупкой эвтектики (белые чугуны), либо появлению свободного графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны). Повышение содержания углерода приближает сплав к эвтектике, что уменьшает температуру плавления и температурный интервал кристаллизации. Это положительно отражается на литейных свойствах сплавов.

Из диаграммы видно, что углерод во всех сплавах находится в составе цементита, однако на практике в структуре чугуна имеется свободный С - графит, образованию которого способствует повышенное содержание кремния с составе таких чугунов.

Оhello_html_399bddd0.gifбразующийся при кристаллизации и при дальнейшем охлаждении графит может иметь различную форму. Чугуны, имеющие графит в виде прожилок или пластинок называют серым. Чугуны, имеющие графит шаровидной формы называются высокопрочным. Чугуны, имеющие графит хлопьевидной формы называют ковким (рисунок 42).

Структура чугуна зависит от степени графитизации, т.е. от того, какое количество углерода, входящего в состав чугуна, находится в химически связанном состоянии.

По этому признаку различают:

  1. белые чугуны: весь углерод находится в химически связанном состоянии (Fe3С), Ссвяз = 100%;

  2. половинчатые чугуны: Ссвяз > 0,8%, структура П + Л + Графит;

  3. перлитные серые чугуны: Ссвяз = 0,8%, структура П + Г;

  4. ферритовые серые чугуны: Ссвяз = 0%, структура Ф + Г;

  5. ферритовые перлитные чугуны: Ссвяз < 0,8%, структура Ф + П + Г.

Серые чугуны в зависимости от прочности подразделяются на 10 марок (СЧ15; СЧ8, структура Ф и П, в = 15кгс/мм2). Серый чугун применяют в станкостроении (станины направляющие), в автостроении - блоки цилиндров, диски сцепления. Следует использовать для деталей, которые подвергаются сжимающим и в худшем случае изгибающим нагрузкам.

Высокопрочный чугун

Различают 9 марок, ВЧ-45-Х7 высокопрочный чугун, в = 45кгс/мм2, = 7%. Основа ферритовая, обладает лучшей обрабатываемостью, чем серый, удовлетворительной свариваемостью. Хорошие литейные свойства при t достаточно высокой прочности и пластичности позволяют заменять стальное литье и прокат. Применение ВЧ оправдано, когда из - за высокой прочности снижается масса отливок или упрощаются монтажные работы.

Изготавливают трубы, планшайбы, и другие детали станков.

Ковкий чугун

КЧ30-6. Получают отжигом белого чугуна. Условное название мягкого и вязкого чугуна. Его не куют, но он достаточно пластичен. Ковкий чугун дешевле стали, обладает хорошими механическими свойствами. Широко применяется для изготовления зубчатых колес, звеньев цепей.


Тема 2.3 Легированные стали

Маркировка легированных сталей

Принята буквенно-цифровая маркировка. Первые цифры содержание углерода; в конструкционных -в сотых, инструментальных - в десятых долях %, если перед буквами не стоит цифра то содержание С – около 1 %. |

А (в середине) - азот.

А (в конце) - высококачественная сталь (25ХГСА), А(в начале) - автоматная (А12, А18) Б - ниобий (до 0,1% вводится для упрочнения стали и упрочнения зерна) В - вольфрам (вводится для увеличения прокаливаемости и твердости и повышения теплостойкости) Г - марганец (для повышения прокаливаемости)

Б – ниобий (до 0,1% вводится для упрочнения стали и упрочнения зерна)

В – вольфрам (вводится для увеличения прокаливаемости и твердости и повышения теплостойкости)

Г – марганец (для повышения прокаливаемости)

Д - медь (повышение коррозионной стойкости, пластичности)

Е - сален

К - кобальт (для уменьшения прокаливаемости, для измельчения зерна)

М - молибден (для увеличения прокаливаемости)

Н - никель (вводится совместно с хромом)

П - фосфор (вводится для уменьшения пластичности и вязкости)

Р - бор (стабилизирует прокаливаемость до 0,01%)

С (впереди) - свинец

С (в середине) - кремний (упрочняет сталь понижает пластичность)

Т - титан (для измельчения зерна)

Ф - ванадий (для измельчения зерна, повышения твердости и прочности)

X - хром (для увеличения коррозионной стойкости)

Ю - алюминий (для повышения коррозионной стойкости)

Ц - кальций (перед % содержанием С в автоматных сталях)

Ч - редкоземельное элементы

Для некоторых групп сталей принимают дополнительную маркировку:

А - автоматная

Ш - гладкоподшипниковая

Р - быстрорежущая

Е - магнитотвердые стали.

Нестандартные стали обозначаются различным образом

Пример опытные марки, выплавленные на заводе "электросталь" обозначаются сочетанием букв ЭИ: ЭИ961 равна 10Х12Н2ВМФ

С - 0,1% - низкоуглеродистая сталь

Х (хром) - 12% - нержавеющая сталь

Н (никель) - 2%

В (вольфрам) - 1%

М (молибден) -1%

Ф (ванадии) - 1%

Высоколегированная сталь применяется в химической промышленности.

45ХГТ

С - 0,45%

хром - 1 %

марганец - 1 %

титан - 1%, среднеуглеродистая, улучшаемая, структура - сорбид.

Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают различное влияние на аллотропию железа, карбидообразование, положение критических точек и образование мартенсита, поэтому легированные стали в отторженном и нормализованном состоянии подразделяются по структурному признаку.

В отторженном состоянии структура легированных сталей определяется непосредственно по диаграмме.

Во втором случае структуру легированной стали определяют после нормализации. По этой более распространенной классификации стали распределяются на следующие классы.

  1. Перлитный

  2. Мартенситный

  3. Аустенитный

  4. Карбидный

  5. Ферритный

    1. К перлитному классу относятся стали, содержащие небольшое количество легирующих элементов и обладающие структурой эвтектоидного типа (40Х, 40ХН, 40Х7Т, X, 9ХС).

    2. К мартенситному классу относятся стали с более высоким содержанием легирующих элементов, обладающих мартенситной структурой. Из сталей этого класса применяются хромо-никеле-вольфрамовые стали с содержанием С до 0,3 - 0,4% (18Х2Н4ВА, 25ХН4ВА). Стали других составов отличаются высокой хрупкостью и поэтому не применяются.

    3. К аустенитному классу относятся стали с высоким содержанием легирующих элементов, таких как никель, марганец, хром, титан. В структуре сталей находится аустенит и незначительное количество карбидов. Стали этого класса жаропрочные и коррозионностойкие, в процессе ТО не закаливаются, стали не магнитные (Х12Н9, Х18Н9Т).

    4. К карбидному классу относятся стали Х12Н, Р9, Р18, содержащие большое количество углерода и карбидообразующих элементов хром, вольфрам, ванадий. Эти стали обладают высокой твердостью износостойкостью, применяются для изготовления режущего инструмента и штампа, работающих в тяжелых условиях.

    5. К ферритному классу относятся стали, содержащие значительное количество легирующих элементов (хром, кремний). Эти стали обладают высокой коррозионной стойкостью (Х17).

Стали и сплавы с особыми свойствами

К сталям особого назначения относятся магнитные, сплавы с высоким электросопротивлением, нержавеющие, жаропрочные, окалиностойкие и т.д.

Магнитные стали подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые. Применяютс для изготовления постоянных магнитов. Основными легирующими элементами являются хром и кобальт (ЕХ2, ЕК4). Для постоянных магнитов применяют Fe+Ni сплавы (альни) (АН1, АН2).

Магнитомягкие. Из магнитомягких сталей обладающих высокой магнитной проницаемостью делают детали электроизмерительных приборов, сердечники трансформаторов (Э11, Э12, Э13) цифры указывают степень легированности.

Сплавы с высоким электросопротивлением

Сплавы на никелевой основе (нихромы), и железной основе (хромаль) идут под марками Х15Н60, Х20Н60, Х13Ю4, 1Х17Ю5, 1Х25Ю5. Применяются для изготовления нагревательных элементов.

В приборостроении широко используются сплавы с определенным коэффициентом расширения: инвар Н36 (36% Ni). Нержавеющие стали бывают хромистые и хромоникелевые, широко используются в химическом машиностроении и турбостроении (Х1Х13, 2X13, Х17, Х18НЮ).

Нержавеющие стали обладают высоким сопротивлением коррозии, хорошими механическими свойствами, структура Cr - Ni, сталь аустенитная (Х18Н9). Хорошо штампуется и прокатывается в холодном состоянии структура хромистой стали (3X13) - после закалки имеет структуру мартенсит и применяется для деталей работающих при повышенных нагрузках.

Жаропрочные и окалиностойкие стали применяются для изготовления деталей, работающих при повышенной t (деталей газовых и паровых турбин, реактивных двигателей и др.) (Х14Н14, СВ2НХ5М, Х14Н14, Х13Н7С2, Х18Н25С2, Х25СЗН).


Тема 2.4 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Маркировка легированных сталей

Твердые сплавы имеют твердость HRC 87—92, красностойкость t =800 - 900°C обла­дают большой износостойкостью, но имеют малую прочность в =900МПа.

Для изготовления инструментов с твердым сплавом применяют следующие твердые сплавы:

  • Вольфрамовые (однокарбидные), состоящие из зерен карбида, вольфрама, сце­ментированных кабельтом. Наиболее часто встречаемые твердые сплавы ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10. Вольфрамовые твердые сплавы более вязкие и менее хруп­кие, но наиболее прочные и вязкие BKI0, BK8, ВК6, которые применяются для чер­новой обработки чугуна, алюминиевых и медных сплавов при неравномерном точении и с ударными нагрузками; менее прочные и вязкие, но более износостойкие ВК2, В КЗ, В К4 применяют для чистовой безударной обработки; стойкость сплава ВК2, ВКЗ, ВК4 выше стойкости сплавов ВК6, ВК8, ВК10 в 2—4 раза.

Для обработки закаленных легированных сталей с HRС > 55, а также высоколегированных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, сплавов вольфрама и молибдена применяют только твердые сплавы группы ВК. Наиболее часто при­меняют ВК-8 и BK -150M.

  • Титановольфрамовые (даухкарбидные), состоящие из зерен твердого раствора карбида и вольфрама в карбиде титана, сцементированных кобальтом. Наиболее часто применяемые сплавы Т5К10, TI4K8, Т15К6, Т30К4, Т5К12В.

Твердые сплавы группы ТК применяются ; наиболее прочные, но менее износо­стойкие Т5К10 для черновой обработки стали при неравномерном точении и ударными нагрузками; менее прочные, но более износостойкие Т14К8, Т15К6 для обработки сталей со средними скоростями резания при получистовой и чистовой обра­ботке, при равномерном точении и равномерном сечении стружки при непрерыв­ном точении сталей; самые хрупкие, но наиболее износостойкие T30K4 применяют при чистовой обработке заготовок из сталей с малыми значениями подач и непрерывном точении с малыми глубинами резания при высоких скоростях резания.

Титановольфрамовые сплавы для обработки титановых и никелевых сплавов, сплавов вольфрама и молибдена не применяют, т.к. группа ТК имеет большую спо­собность к адгезии, что отрицательно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности.

  • Титанотанталовольфрамовые (трехкарбидные), состоящие из зерен твердого ра­створа карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. К твердым сплавам по­вышенной прочности относятся ТТ7К12 и T5KI2B. Твердость их HRC 87-88; B =1500- 1б50 МПа. Эти сплавы являются промежуточными между твердыми спла­вами и быстрорежущими сталями. Они очень хорошо работают при черновом точении сталей с большими структурами и ударной нагрузкой.

Сейчас разрабатываются твердые сплавы, не содержащие карбид вольфрама, (так называемые безвольфрамовые твердые сплавы), в которых карбид вольфра­ма заменен на карбид титана. В качестве связки используется никель, молибден, ТНМ-20 , ТНМ-25, ТНМ-30. Они используются при обработке ферритовых спла­вов, никеля, меди, мельхиора.


Минералокерамические материалы

Твердые сплавы, нашедшие большое применение в промышленности, очень дорогие, т.к. в них присутствуют редкие материалы вольфрам, титан, молибден, кобальт и тантал. Поэтому усилиями ученых были разработаны новые высокопроизводительные минералокерамические материалы .Они изготавливаются из глинозема (Аl2О3) прессованием и термической обработкой. Наиболее часто употребляемые минералокерамические материалы ЦМ-332, у которых сж =5000 МПа (500 кгс/мм2), НВ 89 – 90 единиц, теплостойкость Т=1200о. Применяются т.к. высока износостойкость, для чистовой обработки с тонкими стружками и с безударной нагрузкой, с высокими скоростями резания и непрерывным точением, но при этом жесткость системы должна быть высокой.

Недостаток B = 450Mпa (45 кrc/мм2). Применяют пластинки овальной, круглой и многогранной форм. Для уменьшения хрупкости и увеличения прочности керами­ческих материалов применяют присадки (вольфрам, молибден, бор, титан) в коли­честве до 10% общего объема присадок.

Алмазы

Самый твердый, самый химически стойкий, имеет наименьший коэффициент трения, имеет самую слабую способность к адгезии (слипанию) с металлами, высокую теплостойкость до 850оС, HRC до 96 единиц или НВ 100000 МПа (10000 кгс/мм2); недостаток очень большая хрупкость, очень малый предел прочное B =400 МПа (40 кгс/мм2).

Алмазы применяют естественные и искусственные, которые не имеют применения для изготовления драгоценных камней. Алмазы применяют для обработки твердых материалов при чистовой обработке с тонкими стружками, с безударной нагрузкой и с очень высокими скоростями резания.

Эльбор

Сверхтвердый синтетический материал, созданный на основе кубического нитрита бора (состоящего из атомов нитрита и бора), Самый высоко–теплостойкий Т=1400о, твердость до 100 единиц HRC, B = 1000 МПа (40 кгс/мм2). Применяется для чистовой обработки с высокими скоростями резания, очень хрупкий, поэтому применяется только для чистовой обработки с безударной нагрузкой и непрерывным точением.


Тема 2.5 СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Цветные металлы подразделяются на 3 группы:

  1. Легкие металлы отличаются малой плотностью (Al, Mg, Ti)

  2. Благородные отличаются высокой коррозионной стойкостью

  3. Легкоплавкие

Сплавы на медной основе


В технике используют сплавы меди с Zn, оловом, Al, Be, Si, Mn, Ni, Pb. Легирование мед повышает ее механические, технологические и антифрикционные свойства. Сплавы Cu+Zn называют латунями, все другие, за исключением сплавов с Ni, называют бронзами.

Латуни

По сравнению с медью латуни прочнее и тверже, устойчивей к коррозии и обладают жидкотекучестью. Существуют также сложные (специальные) латуни, содержащие Fe, Mn, Ni, Si, олово. По ГОСТу латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди в %.

Томпак - латуни, содержащие до 10% цинка.

Полутомпак - свыше 10 до 20%.

Обозначение легирующих элементов.

Ж – железо; Мц – марганец; Н - никель; О - олово; К - кремний; С – свинец.

Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность, но уменьшают пластичность. Свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Латуни делятся на литейные и деформируемые.

Бронзы

Оловянные бронзы

Обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и повышенными антифрикционными свойствами. По ГОСТу оловянные бронзы маркируются БрО и цифрой, показывающей содержание олова.

Ц - цинк

Ф - фосфор '

Цинк повышает жидкотекучесть бронз, прочность, улучшает свариваемость. Свинец улучшает антифрикционные свойства, обрабатываемость резанием. Никель повышает коррозионную стойкость и прочность.

Алюминиевые бронзы

Устойчивые к коррозии, износу, более пластичны, чем оловянные. Недостаток - большая литейная усадка и пониженная жидкотекучесть.

Кремнистая бронза

Имеет высокую прочность, успешно заменяет оловянную, ее свойства улучшают добавками Mg, Ni и др.

Медно - никелевые бронзы

Маркируются М.

Монель - сплав

Сплав на основе никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

Алюминий и его сплавы

Алюминий - удельный вес 2,7 г/см3 , температура плавления =660оС, алюминий имеет ГЦК, не имеет полиморфных превращений.

Свойства алюминия:

  • По тепло и электропроводности уступает Аu, Аg, Си.

  • В обычных условиях металл обладает достаточной химической коррозионной стойкостью. На поверхности образуется окисная пленка.

  • Алюминий обладает высокой пластичностью, что позволяет прокатывать очень тонкие листы и тонкую проволоку.

  • Обладает высокой отражательной способностью, используется для прожекторов и рефлекторов.

  • Обладает невысокими механическими свойствами.

Маркировка алюминия

Производится по ГОСТ 11069-78

  1. AI особой чистоты. А999 (99,999% AI + 0,001 Fe и Si)

  2. AI высокой чистоты. А995, А99, А95, А97. Применяется для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

  3. AI технической чистоты. А85, А8, А7. Применяется для изготовления элементов конструкций и деталей не несущих нагрузки (конденсаторы, трубопроводы).

Для повышения коррозионной стойкости вводят марганец, прочности - цинк.

Для измельчения зерна титан, "цирконий; для повышения жаропрочности - хром, для повышения пластичности - литий.

Маркировка алюминиевых сплавов

Пока действует буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов.

В - высокопрочные AI сплавы (В95, В96)

Д - дюралюминиевые (Д16, Д19, Д21)

АЛ - алюминиевые литейные (АЛ2, АЛ9, АЛ34)

АК- алюминиевые ковочные (АК6, АК8)

АМг - алюминиевые с магнием (АМг5; АМгб)

АМЦ - сплав AI с Мп (АМЦ6)

4-х цифровая маркировка: 1160

  1. цифра - обозначает основу всех сплавов. Алюминию присвоена цифра 1.

  2. цифра - главный легирующий элемент или группу легирующих элементов.

  3. цифра - со второй соответствуют старой маркировке.

  4. цифра - нечетная - включая 0 указывает, что сплав деформируемый.

Четная - соответствует литейному сплаву.

Классификация алюминиевых сплавов

Все AI сплавы классифицируются по способу получения, по способности упрочняться, по свойствам.

  • По способу получения: AI сплавы подразделяются на деформируемые, литейные, спеченные (обозначаются САП, получаются прессованием из алюминиевой пудры, t нагрева для спекания 400–450оС). Материал получается большей прочности, легкий, применяется для деталей работающих при 1500C.

  • По способности упрочняться: упрочняемые ТО и неупрочняемые ТО.

  • По свойствам: все применяемые AI сплавы можно разбить по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять основной состав и свойства, а другие добавки сообщат новые свойства, но не изменят их природу.

Деформируемые термически неупрочняемые сплавы

Сплавы этой группы мало легированные, обладают повышенной коррозионной стойкостью, свариваемостью, высокой пластичностью и хорошими технологическими свойствами.

К ним относятся сплавы АМг, АМц.

АМц - легирующий элемент марганец. Обладают высокой пластичностью, упрочняются холодной пластической деформацией (в 2 раза).

АМг - легирующий элемент магний. Существенно упрочняет алюминий, но при повышении концентрации (более 6%) резко ухудшается коррозионная стойкость сплава. Обладают удовлетворительной твердостью и прочностью, высокой виброустойчивостью, высокой пластичностью (АМг2М, Амц6, АМц5). Применяется для изготовления емкостей, газо и бензопроводов, заклепок.

М - мягкий

Т - термически обработанный

Н - нагартованный

П - полунагартованный

ГК - горячекатанный

ХК - холоднокатанный

ПР - прессованный

Деформируемые упрочняемые ТО сплавы

К этой группе относятся высоколегированные сплавы (Си, Mn, Mg, Si, Li). Основными в этой группе являются системы:

AI - Си - Мg (Д16, Д19), сплавы этой группы называют дюралюминами.

Все дюралюмины делятся:

  • повышенной прочности (Д16)

  • повышенной жаропрочности (Д19, ВАД1, ВД17)

  • повышенной пластичности (Д18, В65)

Сплав AI - Си - Мg образует упрочняющую фазу. Д16 - при комнатной температуре отличается более высокой прочностью, чем остальные дюралюмины. Все дюралюмины обладают повышенной пластичностью, упрочняемые ТО (закалка, естественное старение) применяется для оббивки клепаных конструкций для изготовления заклепок. Жаропрочность достигается за счет введения магния, меди и спец. добавок, титана, циркония , железа, никеля.

Д20 - обладает высокими механическими свойствами, работает при повышенных t до 250; криогенный (-250оС), хорошо сваривается, применяется для изделий работающих при повышенных температурах (детали двигателя, воздухозаборники и т.д.).

ВД17 - применяется для изготовления компрессора при работе до 250о С.

ВАД1 - применяется для изготовления сварных конструкций. Недостаток - обладает пониженной коррозионной стойкостью.

АК4-1 - по своей природе этот сплав близок к дюралюмину. Работает при t = 250 - 300о С, сплав прочный, применяется для изготовления обшивки силового каркаса сверх звуковых самолетов. Недостаток - обладает пониженной коррозионной стойкостью, поэтому его анодируют и плакируют.

Сплавы группы Al-Zn-Mg-Cu

(В95, В96, В93) сплавы этой системы содержат повышенные количество Zn и Мg, которые повышают прочность (самые прочные AI сплавы), но Zn и Мg понижают коррозионную стойкость и пластичность, поэтому их легируют хромом и марганцем.

В95 - наиболее универсальный конструкционный материал, из него изготавливают все виды деформируемых полуфабрикатов, значительно превосходит по прочности дюралюмины. Применяется для изготовления внутренних профилей.

В96 - отличается высокой прочностью по сравнению с В95, меньшей пластичностью и коррозионной стойкостью. Применяется для производства горячедеформируемых полуфабрикатов.

В93 - кроме высокой прочности обладает повышенной пластичностью, особенно в горячем состоянии. Применяется для изготовления крупногабаритных штамповок.

Недостатки всех сплавов системы:

  1. Чувствительная концентрация напряжения.

  2. Меньшая вязкость разрушений.

  3. Низкая жаропрочность.

  4. Небольшая стойкость к коррозии под напряжением.

Сплавы группы малоперспективны для изготовления сверхзвуковых самолетов, обшивки которые испытывают аэродинамический нагрев 125-150оС

АlCuMgMnSi

АК6 АК8. Сплавы этой группы близки по свойствам к дюралюминам отличаются тем, что содержат в качестве спец.легирующего элемента кремния.

АК6 - обладает высокой прочностью и очень хорошей пластичностью. Применяется для изготовления крупногабаритных штамповок, несущих конструкций, стойки и другие.

АК8 - более прочен, хорошо сваривается, применяется для изготовления стыковочных узлов, рам. Оба сплава склонны к коррозии под напряжением, для повышения коррозионной стойкости покрывают лакокрасочными покрытиями.

Al -Cr-Li (ВАД23)

Особая перспективная группа. Обладает большой прочностью, небольшой плотностью, большим модулем упругости.

Сплавы на основе магния

Наибольшее распространение получили сплавы Мg с Mn, Al и Zn. Для повышения механических свойств Мg сплавов добавляют цирконий, церий, неодим, торий. Мg сплавы упрочняют закалкой и дисперсным твердением. Для Мg сплавов характерна низкая сопротивляемость коррозии, поэтому готовые изделия защищают от коррозии оксидированием и последующим покрытием спец. лаками, эпоксидными пленками. Главное преимущество - высокая удельная прочность. Сплавы Мg применяют для изготовления различных деталей самолетов, вагонов, автомобилей, решающее значение при этом имеет малая плотность сплавов.

Классификация магниевых сплавов

По технологии изготовления: деформируемые, литейные.

По эксплуатации:

  • Сплавы общего назначения МА8, МА1.

  • Жаропрочные сплавы (до 200С) МА20, МА19.

  • Высокожаропрочные сплавы (280С) на основе Мg, циркония и редкоземельных элементов.

  • Холодостойкие (криогенные) сплавы на основе Mg, Zn, циркония.

Процесс образования защитных покрытий

Защитные покрытия служат для предохранения изделий от коррозии. Они подразделяются на металлические и неметаллические. Металлические делятся на анодные и катодные. Анодные покрытия являются анодом по отношению к основному металлу и защищают его не только механически, но и электрохимически.

При разрушении анодных покрытий возникает коррозия с разрушением покрытия, а не металла. При разрушении катодных покрытий разрушается основной материал, а не покрытие, поэтому покрытие применяют в том случае, когда требуются особые свойства: декоративный вид, надежный злектроконтакт.

Защита от коррозии стальных деталей

Для нанесения покрытия для прочного сцепления слоя покрытия с металлом поверхность очищают от ржавчины, окалины, жиров, затем подготавливают в следующей последовательности.

  1. Предварительное обезжиривание

  2. Удаление окалины и ржавчины

  3. Монтаж на подвеске

  4. Окончательное обезжиривание

После окончательного обезжиривания детали передают на покрытие.

Цинкование один из наиболее распространенных видов. Цинковые покрытия являются анодными по отношению к стальным деталям. Цинкование производят в кислых и цианистых электролитах.

Цианистые электролиты создают пленку равномерной толщины на сложных по конфигурации поверхностях. Недостаток - ядовиты. Кислые электролиты более дешевы, не ядовиты, но создают пленку с худшими свойствами.

Кадмирование. Применяется в тех случаях, когда невозможно подменить цинкование для глубокопрофильных деталей, где нельзя применить лакокрасочное покрытие и для деталей, работающих в условиях тропического климата

Химическое оксидирование. Процесс создания на поверхности металла искусственной пленки, которая при наличии смазки может заменить цинкование и кадмирование в некоторых условиях эксплуатации

Фосфотирование. Химический процесс образования на стальных деталях защитной пленки из фосфатов железа и цинка.

Меднение. Применяется в качестве подслоя для нанесения никеля или хрома или для предохранения отдельных поверхностей от науглероживания при цементации

Никелирование. Защитно-декоративное покрытие для деталей сложной конфигурации, применяется электролит блестящего Никелирования, чтобы избежать полирования.

Хромирование. Различают защитные декоративные и твердые износоустойчивые. Тонкая пленка хрома наносится на поверхность слоя никеля для предохранения последнего от потускнения и образования царапин. Твердое хромовое покрытие применяется для повышения износостойкости и коррозионной стойкости.

Металлизация. Нанесение покрытия путем разбрызгивания расплавленного металла струей сжатого воздуха с помощью специального пистолета, защищает поверхности, подвергающиеся в процессе эксплуатации действию песка. Обычно металлизацией наносят слой алюминия.

Классификация и маркировка магниевых сплавов

По технологии изготовления:

  • деформируемые

  • литейные

По эксплуатации:

  • сплавы общего назначения МА1 :МА8

  • жаропрочные сплавы 200о С МА20:МА19

  • высокожаропрочные 280о С - на основе магния, циркония, редкоземельных элементов

  • холодостойкие до минус 196оС на основе магния, цинка, циркония

Деформируемые:

МА8-самый распространенный, пластичен

МА2-1-обладает большой прочностью, свариваемостью, прокатываемостью

МА12 -более коррозионностоек

МА21 -удельный вес 1,6 г /смЗ - высоко прочен

МА18-удельный вес 1,5г /смЗ - пластичен

Литейные:

МЛ5 - механические свойства хуже чем у деформированных, но можно изготовить сложные отливки.

Область применения:

Изготавливают - колеса, вилки шасси, корпуса насосов, корпуса приборов. Применяется в конструкциях вертолетов и ракетной технике. Из-за высокой деформирующей способности изготавливают кожухи для размещения электрооборудования управляемых снарядов. Применяется в конструкциях гоночных автомобилей (корпуса, колеса) в приборостроении

Магний и его сплавы

Температура плавления 650оС. Кристаллическая решетка ГПУ (гексагональная плотноупакованная). Аллотропических превращений нет.

  • Магниевые сплавы обладают высокой удельной прочности, высокой вибропрочностью (выше чем у

  • алюминия в 100 раз),хорошо обрабатываются резанием, свариваются различными видами сварки, работают при Т- 196оС.

  • Невысокая пластичность, пониженная коррозионная стойкость. Из-за низкой пластичности сплавы подвергаются горячей обработке давлением.

Магний и его сплавы покрывают лакокрасочными покрытиями, легирующими элементами являются марганец, который повышает коррозионную стойкость, цирконий - измельчает зерно, бериллий - уменьшает окисляемость при плавлении и при литье, литий - повышает пластичность, модуль упругости.

Термическая обработка:

  • гомогенизация для повышения технологических свойств при горячей обработке давлением;

  • рекристаллизационный отжиг для устранения анизотропности;

  • закалка и последующее старение (искусственное).

Особенность - малая скорость диффузионных процессов требует больших выдержек при нагреве под закалку.

Титан и его сплавы

Малая удельная плотность 4,5 г/смЗ. Известны две полиморфные модификации титана:

  • альфа титан (низкотемпературная модификация устойчива до 882оС), кристаллическая решетка ГПУ

  • бетта – титан (высокотемпературная модификация, устойчива до Тплав).

Технический титан взаимодействует с кислородом при 700о и выше, обладает высокой теплостойкостью и жаростойкостью (250-500оС).

Недостатки титана:

  • высокая стоимость производства (активное взаимодействие при высоких температурах со всеми газами - можно плавить в вакууме или среде инертных газов) - плохие антифрикционные свойства (титан в паре с титаном не работают);

  • плохая обрабатываемость резанием (теплопроводность титана меньше, чем у алюминия в 15 раз, отвод тепла затруднен, титан легко налипает на режущий инструмент и быстро изнашивается).

Влияние легирующих элементов.

Прочность титана повышают алюминий, железо, марганец, хром, олово, кремний.

Жаростойкость - алюминий, цирконий, молибден

Коррозионную стойкость - молибден, никель, тантал.

Классификация титановых сплавов:

По технологии производства:

  • деформируемые (ВТ5)

  • литейные (ВТ5л)

  • порошковые

По способности упрочнятся:

  • неупрочняемые (ВТ5,ОТ4-1)

  • упрочняемые ( ВТ6, ВТ22)

По уровню прочности:

  • малопрочные (ВТ5)

  • среднепрочные (ВТ6)

  • высокопрочные ( 1000 МПа)

По назначению:

  • свариваемые конструкционные (ОТ4, ВТ5-1)

  • жаропрочные до Т=500оС (ВТ9, ВТ25, ВТ20)

  • криогенные до Т= - 253оС (ВТ5-2к, ВТ6С, ОТ4)

  • литейные для фасонного литья (ВТ6л, ВТЗ-1 л)

  • сплавы повышенной коррозионной стойкости (4201)

  • сплавы со специальными свойствами (с эффектами памяти)

Термообработка:

Подобна термообработке стали. Применяют отжиг, закалку, старение, химико-термическая, термомеханическая. Закаливают с Т= 800 – 950оС. Старят с Т=450оС – 600оС.

Область применения:

Применяется в авиационной технике (обшивки, детали шасси, рули поворота), обладают высокой жаропрочностью (диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников, крепежные детали). Благодаря высокой коррозионной стойкости применяют в конструкциях с агрессивными средами.


Тема 2.6 ПЛАСТМАССЫ

Пластмассами называют упругие и прочные материалы, полученные на основе полимерных соединений, способные при нагреве и под давлением переходить в пластическое состояние и принимать заданную форму.

Состав пластмасс:

  • Полимер или связующее вещество, которое определяет основные свойства и технологические особенности.

  • Пластификатор - вводится для повышения эластичности и для улучшения технологии переработки пластмасс в изделие (стеарин).

  • Наполнители - придают пластмассе повышенную механическую прочность, термическую стойкость, электроизоляционные свойства, а также снижают усадку при прессовании.

  • Стабилизаторы – вводятся для предохранения полуфабрикатов от самопроизвольного отверждения, а также для сохранения свойств пластмасс.

  • Отвердители - применяются только для термореактивных связующих.

  • Краситель - для придания цвета.

Классификация пластмасс:

  1. В зависимости от характера полимера:

    • термопластичные (полиэтилен, оргстекло, полихлорвинил)

    • термореактивные (на основе термореактивных смол)

  2. По виду применяемого наполнителя:

      • порошковые (карболиты, аминопласты) с наполнителем в виде древесной муки, асбеста, мелкоизмельченной слюды

  • волокнистые - хлопковое волокно, углеродное волокно

  • слоистые – с листовым наполнителем (листы бумаги, текстолит, ДСП)

  • газонаполнительные с наполнителем в виде пузырьков газа:

    • пенопласты - поры не соединяются друг с другом

    • поропласты - имеют губчатое строение, при котором в внутренние полости сообщаются между собой

    • сотопласты - изолированные газовые полости имеют правильную форму ячеек.

  1. В зависимости от методов переработки:

      • литьевые - образуются литьем под достаточно высоким давлением (термопласты)

      • штампованнолистовые - листовые термопласты (стекла, полистирол, винипласт)

      • прессованные - изготавливают в пресс-форме из термореактивных смол.

  1. По применению:

  • силовые (конструкционные)

  • несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие)

Общие свойства пластмасс

Малая плотность (0,1-0,2 г/см3), высокие диэлектрические свойства, низкая теплопроводность, высокая химическая стойкость, удовлетворительная механическая прочность, ценные специальные свойства (светопрозрачность, радиопрозрачность), хорошие технологические свойства.

Недостатки пластмасс:

Невысокая теплостойкость, низкая сопротивляемость динамическим нагрузкам, малый модуль упругости, склонность к преждевременному старению.

Термопласты

В основе термопластов лежат полимеры линейной структуры, поэтому для них характерна небольшая температура размягчения и при 60 – 70оС начинается резкое спекание. Из них изготовляют тонкие пленки, волокна, они легко свариваются. Применяют для остекления самолетов и для изготовления деталей радио и электроаппаратуры.

Полиэтилен - удельный вес 930 – 980 г/мЗ, теплостойкость 60-100оС, морозостойкость 70оС. Абсолютная водонепроницаемость, высокая стойкость к растворам щелочей. Применение - для изготовления изоляции подводных высокочастотных кабелей, для изготовления химических емкостей, для нанесения защитной пленки на металл (крыльчатки вентиляторов). Вводя в полиэтилен 2- 3%сажи процесс старения замедляется в 30 раз. Облученный гамма лучами полиэтилен (протеин) применяется для длительной консервации продуктов.

Пропилен: по свойствам близок к полиэтилену. Отличается более высокими механическими свойствами, повышенной теплостойкостью, до 150о, газо и паронепроницаемостью, большей пластичностью, меньшей морозостойкостью. Применяется для изготовления волокон тканей и канатов, конструкционных деталей автомобилей, холодильников, корпусов насосов и различных емкостей.

Полистирол: высокие диэлектрические свойства сохраняются до 80оС, обладает высокой стойкостью к действию кислот щелочей, но неустойчив к действию азотной кислоты. Недостатком является невысокая теплостойкость, повышенная хрупкость, склонность к старению. Применяется для изготовления деталей радиоаппаратуры, для изготовления контактных линз. Большое количество полистирола идет на изготовление пенопластов, облицовочных плиток и листовых жестких отделочных материалов.

Фторопласт 4: аморфно кристаллический полимер в виде порошка белого цвета ,используется в виде изделий из пластин, блоков, листов, пленки, ленты. Свойства : высокая химическая стойкость, абсолютная стойкость к действию любых кислот, исключительно высокие диэлектрические свойства, высокие антифрикционные свойства - коэффициент трения не меняется в интервале Т= -200оС +250оС. (f = 0,04), исключительная морозостойкость, повышенная термическая стойкость.

Недостатки: дороговизна хладотекучесть (под нагрузкой выше З0 г/смЗ материал начинает деформироваться при комнатной температуре, что ограничивает его применение в подшипниках. Для устранения вводят наполнители. Применение: для защиты подвижных элементов в агрессивных средах, для подшипников, прокладок-уплотнителей, для изоляции проводов.

Тема 2.7 ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Изготовление металлических порошков осуществляется главным образом на металлургических заводах и комбинатах, а получение изделий из порошков – на специализированных заводах или в цехах машиностроительных заводов.

Частицы порошков для различных изделий имеют размеры от 0,01 до 1000 мкм, форма частиц зависит от способа производства порошков и может быть тарельчатой, сферической, каплеобразной, губчатой, пористой, дендритной. Порошок можно получить химико-металлургическими и физико-механическими способами.

Химико-металлургические способы связаны с восстановлением металлов из оксидов и других соединений, например, при получении порошков железа, меди, вольфрама (форма частиц порошков губчатая, пористая) электролитическим осаждением из растворов солей металлов (порошки меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, олова, серебра, хрома; форма частиц сферическая), металлотермическим восстановлением (при производстве порошков титана, ниобия, циркония, тантал; форма частиц тарельчатая).

Физико-механическими способами металлы измельчают в твердом или жидком состоянии. Распылением жидких расплавов получают порошки алюминия, цинка, меди, легированных сталей, чугунов. Металл расплавляют, как правило, в электропечах. Для распыления используют воздух, азот, аргон; форма частиц при распылении сферическая или каплеобразная. Размол хрупких материалов (ферросплавов, чугунов, минералов) производят на шаровых или молотковых мельницах.

Более вязкие металлы (железо, нержавеющую сталь, хром, никель, их сплавы) подвергают размолу на вихревых мельницах, билы которых вращаются со скоростью до 3000 об/мин; получаемая форма частиц тарельчатая.

Форма частиц определяет их удельную поверхность и существенно влияет на технологические свойства порошка – насыпную плотность, текучесть (скорость высыпания из воронки).

Для очистки порошков от примесей применяют магнитную сепарацию, промывку или химическую обработку их. Для снятия наклепа, повышения пластичности, а также восстановления окисленных металлических порошков их отжигают в восстановительной среде, под вакуумом при температуре примерно в два раза меньшей, чем температура плавления этих металлов.

Виды изделий из металлических порошков

Компактная металлокерамика представляет собой материалы с небольшой остаточной пористостью (от 1 до 18% для различных изделий). Изделия из порошковых материалов отличаются от литых или обработанных давлением металлов и сплавов того же состава отсутствием ликвации, усадочных дефектов, трещин, дислокаций, полосчатой структуры.

Детали из порошков на основе железа являются наиболее распространенным видом продукции порошковой металлургии во всех отраслях машино- и приборостроения. При конструировании машин и механизмов, выпускаемых крупными сериями или в массовом количестве, эти материалы назначаются для изготовления многих деталей, испытывающих различные напряжения, в том числе и весьма большие.

Металлокерамические твердые сплавы применяют в виде пластинок к режущему инструменту и инструменту для буров при бурении горных пород, а также в виде фильер для волочения. Некоторые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы) изготовляют целиком из твердых сплавов.


Тема 2.8 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы (композиты) состоят из химически разнородных компонентов, нерастворимых друг в друге и связанных между собой в результате адгезии. Основой композитов является пластическая матрица, которая связывает наполнители, определяет форму изделия, его монолитность, теплофизические, электро- и радиотехнические свойства, герметичность, химическую стойкость, а также распределение напряжений между наполнителями.

В качестве матрицы применяют металлы (алюминий, магний, их сплавы), полимеры (эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды), керамические, углеродные материалы.

Наполнители чаще всего играют роль упрочнителей, воспринимают основную долю нагрузки и определяют модуль упругости и твердость композита, а иногда также фрикционные, магнитные, теплофизические и электрические свойства. Наполнителями служат тонкая (диаметром несколько микрометров) проволока из высокопрочной стали, вольфрама, титана, а также стеклянные, полиамидные, углеродистые, боридные волокна и волокна на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов) и др.

Композиты получают пропиткой наполнителей матричным растворов, нанесением материала матрицы из волокна плазменным напылением, электрохимическим способом, введением тугоплавких наполнителей в расплавленный материал матрицы, прессованием, спеканием.

Для композитов характерны высокая прочность, жесткость и вязкость, а также коррозионная стойкость, жаропрочность и термическая стабильность.

Композиты находят все большее применение в различных отраслях машино- и приборостроения. К композитам (композиционным пластмассам) принято также относить пластмассы с армирующими наполнителями (стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и др.).

Композиты с полимерными матрицами используют в автомобиле-, авиа-, судостроении, для деталей химической аппаратуры и криогенной техники, для вычислительных машин.

Металлопластами называют конструкционный материал из металлического листа (сталь, а также титан, алюминий, их сплавы) толщиной 0,3-1,2 мм с одно- или двусторонним покрытием полимерами (полиэтиленом, полипропиленом, полиизобутиленом, поливинилхлоридом и др.) с толщиной слоя 0,05-1 мм. Эти материалы обладают электроизоляционными свойствами, не расслаиваются, не коробятся при штамповке, сварке, механической обработке, не требуют декоративной отделки. Металлопласты применяют для изготовления кузовов автомобилей, корпусов холодильников, стиральных машин, телевизоров, дверных и оконных рам, кровли и т.д.

Антифрикционные сплавы

Наряду с подшипниками качения в машинах широкого используются подшипники качения. Поскольку вкладыши подшипников скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют из сплавов достаточных пластичных, чтобы было легко перерабатываться к поверхности вращающегося вала, и достаточных прочных. Чтобы служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленные требованиям, называются подшипниковыми или антифрикционными.

Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой равномерно рассеяны более твердые частицы. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы, сплавы на основе меди; металлокерамические пористые материалы ; пластмассы.

В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы в меди и олове, а твердыми частицами – соединений SnSb и Cu3Sn.

В свинцовых баббитах с сурьмой марки Б16 твёрдые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu3Sn, рассеянные в мягкой основе - растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для подшипников средней нагруженности (например, в тракторных и автомобильных двигателях).

Сплавы алюминия по сравнению с баббитами отличаются меньшей плотностью, большей прочностью и меньшей стоимостью. Недостатком их является значительная разница в коэффициенте расширения алюминиевых сплавов и стали.

В качестве антифрикционных сплавов применяют бронзы и цинковые сплавы, а в качестве дешёвых заменителей металлических материалов для подшипников используют пластифицированную древесину, текстолит и резину. Большое распространение получили спечённые антифрикционные материалы.

Каучук

В результате быстрого развития промышленных отраслей в начале 20 века, появилась огромная потребность в каучуке. Но натурального каучука было слишком мало для удовлетворения этих потребностей. Поэтому остро встал вопрос о синтетическом получении каучука. В конце 20-х годов нашего столетия ленинградские химики во главе с С. В. Лебедевым разработали способ получения каучука из этилового спирта с последующей полимеризацией его на металлическом натрии. На основе этого метода в нашей стране было основано первое в мире промышленное производство синтетического каучука.

Синтетические каучуки - синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров.

Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, хлорпрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.

Обычно приняты классификация и наименование каучуков по мономерам, использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые и т. д.) или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах (уретановые, полисульфидные и др.). Синтетические каучуки также подразделяют по признакам, например, по содержанию наполнителей (наполненные и ненаполненные); по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме (твердые, жидкие, порошкообразные). Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий - синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют - термоэластопласты.

Некоторые виды синтетических каучуков (например, полизобутилен, силиконовый каучук) представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук.

По области применения синтетические каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий. К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.

Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.

Каучуки специального назначения: бутилкаучук, этиленпропиленовые, хлоропреновые, фторкаучуки, уретановые и др.

Минералы и материалы на их основе

Минералами называют составные части пород, образующих земную кору.

Подавляющее большинство минералов -твердые кристаллические тела, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам.

Глинами называют группу широко распространенных осадочных горных пород, которые образуют с водой пластическое хорошо формующееся тесто.

Кварц - минерал, кремнезем, диоксид кремния.

Полевыми шпатами называют минералы, для которых характерна способность раскалываться при ударе по двум и более направлениям спайности с образованием по поверхности излома ромбических, косо призматических, дощатых и др. геометрических фигур.

Слюда - минерал слоистой структуры, способный расщепляться по плоскостям спайности на весьма тонкие пластинки с плоской и гладкой поверхностью.

Алмаз по твердости превосходит все остальные минералы. Он состоит из углерода (с примесью незначительного количества других элементов: Аl, кремния, магния, кальция).

Графит является наиболее устойчивой аллотропической формой углерода. Структура графита слоистая.

Асбест - минерал, состоящий из тонких волокон, из которых приготовляют нити и ткани. Асбест прочен, огнеупорен, обладает малой электропроводностью и теплопроводностью.

Пьезокерамика - детали пьезоэлементов, для которых характерно явление пьезоэффекта.

Каменное литье - это детали полученные путем отливки при 1350-1550 градусов по Цельсию из расплавленных горных пород, а так же металлургических шлаков и золы.

Стекло - вещество аморфного строения, получаемое при остывании неметаллического расплава.

Стеклянным волокном называют стеклянные нити толщиной от 1 до 30 мкм.






РАЗДЕЛ 3. основные понятия и определения. Литейное производство

Производственный и технологический процессы в машиностроении

Производственный процесс в машиностроении охватывает подго­товку средств производства и организацию обслуживания рабочих мест; получение и хранение материалов и полуфабрикатов; сборку из­делий в процессе производства и доставку на склад готовой продук­ции; технический контроль на всех стадиях производства, включая ис­пытания готовых изделий, и т. д.

Производственный процесс включает ряд элементов (операций), которые делятся на основные и вспомогательные. К основным относят­ся процессы изготовления деталей и сборки и» них машин, к вспомога­тельным — изготовление и заточка инструментов, ремонт оборудова­ния, внутризаводское транспортирование и т. п.

Главным содержанием производственного процесса является тех­нологический процесс. Технологический процесс обрабатываемой дета­ли представляет собой часть производственного процесса, содержащую действия по изменению и последующему определению состояния пред­мета производства.

Виды производств

При изготовлении изделий в зависимости от объема и характера выпуска различают три основных вида производства: единичное, се­рийное и массовое.

Особенностью единичного производства является неустойчивая номенклатура изделий, что оказывает влияние на организационные формы производства.

Единичному производству свойственны следующие признаки: а) отсутствие устойчивого технологического процесса, а следовательно, невозможность специализации рабочих мест, что влечет за собой по­требность использования высококвалифицированных рабочих; б) ис­пользование универсального оборудования, универсальных приспо­соблений и инструментов с большим набором технологической оснаст­ки; в) весьма длительный производственный цикл, так как при исполь­зовании оборудования, инструментов, приспособлений и другой ос­настки тратится много времени на наладку при переходе с одной опе­рации на другую; г) высокий процент ручных работ; д) размещение оборудования группами по видам.

Указанная организация приводит к недоиспользованию основных фондов, к низкой производительности труда и высокой себестоимости продукции (за счет амортизации, высокой заработной платы, наклад­ных расходов) и замедленному обороту средств.

Особенностью серийного производства является выпуск продук­ции партиями или сериями, которые периодически повторяются. Это приводит к организации более устойчивого технологического процес­са, и поэтому появляется возможность закрепить за каждым рабочим местом выполнение нескольких постоянно повторяющихся операций.

Этому виду производства свойственны следующие признаки: а) за­висимость переналадки станков от размеров серии изготовляемых из­делий; б) использование рабочих средней квалификации; в) применение наравне с универсальным специальных инструментов, приспособле­ний и оборудования, но в меньшей степени, чем в массовом производ­стве; г) внедрение механизации и автоматизации производственного про­цесса, но в меньшей степени, чем в массовом производстве; д) необходи­мость наличия межоперационных складов; е) наличие более длинных грузопотоков и более продолжительный производственный цикл, чем в массовом производстве.

Указанные преимущества серийного производства m отношению к единичному характеризуют его как производство с более высокой про­изводительностью труда, более низкой себестоимостью продукции и бо­лее коротким производственным циклом, что приводит к ускорению оборачиваемости оборотных средств.

Условно эти виды производства можно подразделить на мелкосе­рийное, среднесерийное и крупносерийное. По технологическим призна­кам единичное и мелкосерийное производство отличаются мало, круп­носерийное — приближается к массовому производству.

Особенностью массового производства является выпуск одних и тех же изделий в больших масштабах (от нескольких тысяч до миллиона штук) в течение длительного времени, поэтому возможно закрепление станков на выполнение только определенной операции, что приводит к организации четкого постоянно действующею технологического про­цесса.

Этому виду производства свойственны следующие признаки:

а) значительная производственная программа, ведущая к глубокой спе­циализация рабочих мест и поточному расположению оборудования; б) закрепление за рабочим одной или нескольких операций я в соответствии с этим относительно низкая квалификация рабочих;

в) исполь­зование специализированного высокопроизводительного оборудова­ния, специальных инструментов и приспособлений; г) внедрение высо­комеханизированного и автоматизированного оборудования с поточным методом производства; д) отсутствие межоперационных складов; е) короткие грузопотоки на производственных участках и короткие по продолжительности производственные циклы.

Этот вид производства характеризуется высокой производительностью труда, более низкой себестоимостью продукции и ускоренной оборачиваемостью оборотных средств.

Крупносерийное и массовое производство позволяет организовать высшую форму работы непрерывно, поточным методом, вплоть до соз­дания полностью автоматизированных цехов и заводов.

Вид производства по ГОСТ 3.1108 - 74 характеризуется коэффици­ентом закрепления операций: 1 - Кз.о. <10 — массовое и крупно­серийное производство; 10 < Кз.о. < 20— среднесерийное производ­ство; 20 < Кз.о.< 40 — мелкосерийное производство; Кз.о. не регла­ментируется — единичное производство.

hello_html_6ba65b53.gif

где О — число различных, операций; Р — число рабочих мест, на ко­торых выполняются различные операции. При этом значение коэффициента Кз.о. принимают для планового периода, равного одному месяцу. Все виды производства существуют и необходимы, и из определения их не вытекает, что в будущем единичное или серийное производство будет ликвидировано, потому что народному хозяйству не. все машины или изделия требуются в массовом количестве. Развитие и создание новых машин и изделий требует освоения новых единичных экземпля­ров и малых серий, поэтому единичный тип производства будет суще­ствовать, но удельный вес крупносерийного и массового производства под влиянием технического прогресса систематически будет повышать­ся. Это значит, что под влиянием технического прогресса будет проис­ходить существенное повышение серийности и массовости производст­ва и предприятия единичного производства, например, превратятся в крупносерийные, где детали будут унифицированы. И все же, не­смотря на это, в промышленности постоянно будет происходить освое­ние новых объектов на предприятиях с единичным производством.

Элементы технологического процесса

В современном производстве технологический процесс выбирают так, чтобы обеспечить получение деталей необходимого качества с на­именьшими затратами времени и труда при условии невысокой стоимо­сти продукции. Технологический процесс состоит из технологических операция, а операции, в свою очередь, из установок и позиций, перехо­дов, рабочих и вспомогательных ходов.

Технологической операцией называется законченная часть техноло­гического процесса, выполняемая на одном определенном рабочем месте. Так, например, изготовление вала со шпоночной канавкой состоит из двух операций: токарной (обтачивание вала на токарном станке) и фрезерной (фрезерование шпоночной канавки на фрезерном станке).

В процессе обработки детали приходится изменять ее положение. Часть операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабаты­ваемой детали, называется установом. Установ состоит из отдельных позиций. Позицией называется фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной заготовкой совместно с приспособлением от­носительно инструмента для выполнения определенной части опера­ции. Например, для нарезания многозаходной резьбы применяют спе­циальные патроны, с помощью которых изменяют положение винта без его переключения.

Законченная часть операции, характеризуемая постоянством при­меняемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке, называется технологическим переходом. Об­тачивая деталь, делают рабочие и вспомогательные хода.

Законченная часть технологического перехода, состоящая из одно­кратного перемещения инструмента относительно заготовки, сопро­вождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки, называется рабочим ходом.

Законченная часть технологического перехода, состоящая из одно­кратного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопро­вождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки, но необходимого для выполнения рабочего, хода, называ­ется вспомогательным ходом.

Для осуществления того или иного элемента технологического процесса рабочие выполняют ряд действий, например закрепление за­готовки в патроне токарного станка или резца в резцедержателе. Под рабочим приемом понимается определенное законченное действие ра­бочего, направленное на выполнение элементов технологического про­цесса.

Обработка заготовки на станках может быть выполнена на одном станке одним резцом, на одном многорезцовом станке несколькими резцами и на нескольких станках одним резцом. Соединение несколь­ких переходов, операций по времени в одну, выполняемую на одном станке, называется концентрацией технологического процесса. Расчле­нение технологического процесса на более мелкие переходы, чаще всего однопереходные или двухпереходные, с целью выполнения их на разных станках называется дифференциацией технологического про­цесса.

Литейное производство

Литейное производство – это процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в которых металл затвердевает.

Отливки могут быть готовыми деталями и заготовками. Если отливка является заготовкой, то в ней предусматривается припуск. Небольшое количество отливок производят из серого чугуна (70%), стальное литье (20%), остальное литье из цветных металлов.


Тема 3.1 Литье в разовые формы

Разовыми являются формы, получаемые при набивке и уплотнении формовочных смесей. Технология изготовления форм уплотнением складывается из следующих процессов: изготовление модельных компонентов, приготовления формовочных и стержневых смесей, изготовления стержней, формовки (машинной или ручной) с набивкой и уплотнением смесей.

А) Литье по выплавляемым моделям

Применяют для получения мелких деталей из стали и трудно обрабатываемых материалов с температурой плавления до 16000.

Технологический процесс:

  1. 1)Изготовление металлической формы.

  2. 2)Изготовление сплава по модели.

  3. Изготовление выплавляемых моделей путем заполнения пресс формы легкоплавким составом (стеарин с парафином).

  4. Изготовление литниковой системы.

  5. Сборка моделей и литниковой системы и покрытие их огнеупорным составом.

  6. Формовка модели в опоке.

  7. Выплавка моделей и прокалывание формы.

  8. Расплавление металла.

  9. Заливка.

  10. Выбивка и очистка.

Применяют для изготовления мелких деталей автомобилей, режущего инструмента.

Б) Литье в оболочковые формы

Применяют в массовом производстве отливок небольших размеров (до 1 м и массой до 200 кг) преимущественно тонкостенных.

Литье в многократные формы

а) в кокиль (кокиль изготавливают из стали, чугуна)

б) центробежное литье

в) литье под давлением


Тема 3.2 СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

Отливки получают литьем жидкого расплавленного металла в разовые песчаные формы, а также другими способами. Литьем в разо­вые песчаные формы получают примерно 80% отливок. Этим способом отливают чугунные, стальные и цветные отливки в мелкосерийном и единичном производстве.

Литейной формой (рисунок 42) называется устройство с определенными заданными очертаниями полости. Способ получения отливок в песча­ные формы имеет большие недостатки. Он позволяет использовать фор­му только один раз и получать отливки с малой точностью, требующие больших припусков. Для устранения указанных недостатков разра­ботаны прогрессивные способы литья, к которым относятся: литье в металлические формы, центробежный способ литья, литье под давле­нием, литье в оболочковые формы и др

Литье в металлические формы (кокили) получило широкое примене­ние, так как при этом достигается повышенная точность размеров, снижается шероховатость поверхности, улучшается качество метал­ла, устраняется необходимость приготовления формовочной смеси, по­является возможность многоразового применения форм — до несколь­ких, тысяч отливок из легкоплавких сплавов; 1500—5000 чугунных от­ливок и 400—700 мелких стальных отливок. Высокая стоимость метал­лических форм и возможное отбеливание отливок является основным недостатком этого способа литья, поэтому кокильное литье экономичес­ки выгодно лишь при серийном и массовом производстве.

Центробежный способ литья заключается в заливке металла в фор­му, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси. В ре­зультате центробежных сил металл отбрасывается к периферийной части формы, и при этом образуется пустотелая отливка, отличающая­ся мелкозернистой структурой и высокой прочностью. К преимущест­вам этого способа относятся высокая производительность и качество отливок, увеличение коэффициента использования металла из-за от­сутствия литников и выпаров, малых припусков на обработку резанием. Недостатком этого способа литья является дорогое оборудование для центробежного литья и то, что им можно отливать только отливки тел вращения.








Рисунок 42- Литейная форма и ее элементы:

а - форма; б - деталь; в - модель; г - стержень

Литье под давлением заключается в заполнении металлических форм жидким металлом год давлением поршня или сжатого воздуха Обычно заготовки, отлитые под давлением, почти не нуждаются в даль­нейшей обработке и имеют повышенную прочность и качество поверх­ности.

Этот способ применяют в массовом и крупносерийном произ­водстве из алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов массой от нескольких граммов до десятков килограммов. Обычно отливки от­ливают с толщиной стенок не более 6 мм, так как свыше Ь мм они полу­чаются пористые.

Литье в оболочковые формы заключается в том, что подогретую до 200—250°С модель засыпают формовочной смесью, состоящей из 92—95% мелкого кварцевого песка и 5—8% бакелитового порошка. Вокруг модели быстро образуется оболочка (толщиной 6—8 мм) рас­плавленной песчано-бакелитовой массы. Оболочку вместе с моделью выдерживают 1 мин в печи при 300—350° С, в результате чего она при­обретает необходимую прочность. Образуется полуформа, которую сое­диняют струбцинами или скобами с аналогичной полуформой. Для за­ливки металла формы собирают вертикально или горизонтально по нескольку десятков штук. Заготовки, отлитые в такие формы, отличаются высокой точностью и малой шероховатостью поверхности. Полученные отливки — фактически готовые детали.

Литье в оболочковые формы применяют для получения плоских, сложных по форме и мелких отливок из любых сплавов. Способ высокопроизводительный, легко автоматизируется.

Существуют несколько способов заливки металла в формы: свободная; заливка во вращающуюся форму (центробежное литье), заливка давлением (литейные машины), заливка вакуумным всасыванием.

Формы для заливки могут быть разовыми и многократными. Разовые горны для одной заливки. Многократные металлические формы выдерживают сотни заливок, песчано-цементные, графитные, керамические выдерживают несколько десятков заливок.


РАЗДЕЛ 4. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ


Тема 4.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ПРОКАТКА, ПРЕССОВАНИЕ, ВОЛОЧЕНИЕ

Обработка давлением основана на использовании пластичности металлов, т.е. на их способности в определенных условиях воспринимать остаточную деформацию без разрушения металла.

Сhello_html_10c288c9.gifамый пластичный металл – свинец, который деформируется при нормальной температуре. Олово, Al, Zn, Fe, низкоуглеродистая сталь могут быть также обработаны давлением без нагрева. Пластичность среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей происходит при нагреве. Марганец, чугун – непластичны даже при нагреве. Хрупки до расплавления.

Основные виды обработки металлов давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Прокатка

В

Рисунок 43 - Продольная прокатка

зависимости от вида прокат делят на сортовой, листовой, трубный, периодический и специальный. Виды сортового проката общего назначения: квадрат, круг, швеллер, двутавр, полоса и т.д. Для прокатки нагретые или холодные заготовки пропускают между вращающимися валками прокатных станов (рисунок 43).

Прессование

При прессовании металл вдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получается изделие с сечением в форме отверстия. Все металлы, кроме свинца, прессуют горячими.

Существует прямое и обратное прессование (рисунок 44). Прессованием получают изделия различного профиля. Они точнее прокатки. Ряд профилей можно получить только прессованием.










Рисунок 44 – Прессование:

а) прямое; б) обратное; в) прессование труб

Волочение

Применяют преимущественно для изготовления проволоки диаметром 0,002 до 4 мм. Для этого пропускают заготовку через отверстие с меньшим сечением. В волоке изделия наклепываются, что приводит их к упрочнению.


Тема 4.2 КОВКА, ШТАМПОВКА

К


овкой называется обработка металла, находящегося в пластическом состоянии под действием бойков молота (динамическое воздействие) или пресса (статистическое воздействие) с использованием при надобности подкладного инструмента. Изделие, получаемое ковкой, называют поковкой. Поковки могут иметь самую разнообразную форму и массу от нескольких граммов до 350 т и более. Большие поковки получают непосредственно из слитков, поковки средних и малых размеров – из прокатных заготовок.

К

Рисунок 45

овку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку куют между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса. Контактирующие с заготовкой поверхности бойков и подкладных инструментов определяют направление деформации (течения) металла заготовки. На рисунке 45, а – д показаны некоторые подкладные инструменты: топор (а), раскатка (б), обжимка (в). При ковке выполняется протяжка, осадка, гибка, пробивание или прошивание отверстий, выглаживание, рубка.

При протяжке длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечного сечения. Вначале куют на квадрат, что дает наибольшую скорость деформирования, после чего (если нужно) скругляют заготовку или формуют. Для протяжки заготовку кладут поперек бойков, передвигая ее и кантуя на 90о после каждого обжатия. Чтобы ускорить протяжку, применяют закругленные бойки (рисунок 45, г) и раскатки (рисунок 45, д), увеличивающие удлинение за одно обжатие.

Поковки, штамповки и сортовой прокат получают обработкой метал­лов давлением. В единичном и мелкосерийном производстве поковки получают свободной ковкой под молотами и прессами.

Поковки, полученные в штампах, называются штамповками, а процесс — штамповкой. Сущность штамповки заключается в том, что обрабатываемую заготовку помещают в штамп (рисунок 46) и под давле­нием она заполняет полости штампа, приобретая при этом заданную форму.

Применяют прогрессивные методы штамповки — штамповка с по­мощью резины (рисунок 47, а), взрывом (рисунок 47, б), гидравлическая (рисунок 47, в), с местным нагревом, по элементам, жидкого металла и т. п. Для штамповки взрывом или гидравлической обычно изготовляют только металлическую матрицу, по конфигурации которой образуется заготовка под давлением взрывной волны или жидкости.

Преимущества штамповки да сравнению с ковкой:

  1. высокая про­изводительность (в 50—100 раз выше);

  2. высокая точность размеров и шероховатость поверхности;

  3. возможность получения изделий слож­ной формы с одинаковыми размерами;

  4. не требуется высокая квалификация рабочих;

  5. холодная калибровка (чеканка) поковок может заменять фрезерование, но волокна металла не режутся, что обеспе­чивает высокую прочность.

К недостаткам необходимо отнести: 1) высокую стоимость штампов; 2) возможность использования штампов только для одной детали; 3) малая масса деталей (0,3—100 кг).














Рисунок 47 – Прогрессивные способы штамповки


Рисунок 46 – Штамп:

а – общий вид; б - деталь




Следует различать два основных вида штамповки — листовую и объемную. Объемная горячая штамповка является основным способом изготовления различных деталей машин. Она имеет ряд важных пре­имуществ перед ковкой, а именно значительно увеличивается произ­водительность за счет одновременного деформирования металла в не­скольких направлениях, что позволяет изготовлять сложные по фор­ме изделия рабочим невысокой квалификации. Благодаря повышенной точности обработки, в сравнение с поковками, при штамповке припус­ки можно уменьшить в 2-3 раза, а следовательно, окончательную об­работку часто производить не нужно.

Однако штампы — дорогостоящая оснастка, поэтому штамповку применяют только тогда, когда необходимо изготовить значительное число одинаковых деталей, т. е. при серийном и массовом производстве.

Вhello_html_m1a5634f4.gif настоящее время для изготовления сложных фасонных внутрен­них полостей штампов применяют электроискровую и другие электри­ческие методы обработки. Различают штампы открытые и закрытые. В открытых штампах металл во время штамповки имеет выход в облойный ручей, а в закрытых он деформируется в закрытом объеме, и штамповка называется безоблойной. Расход металла при этом способе небольшой, поэтому эти штампы применяют все шире и шире. Вместе с тем закрытые штампы сложнее, чаи открытые, и изделия сложной конструкции в них не штампуют.

Для холодной объемной штамповки характерными являются такие операции, как холодная высадка и холодное выдавливание. Холодной высадкой изготовляют заклейки, гвозди, винты, болты, шарики, ро­лики я другие изделия из пруткового материала или проволоки, а иногда делают и обжатие холодной детали (чеканку).

Чеканку применяют для придания повышенной точности детали, полученной штамповкой в горячем состоянии; кроме того, можно получить рисунки и надписи на поверхности.

Листовой штамповкой изготовляют плоские и объемные изделия из стали, цветных металлов и сплавов; пластмасс и кожи и т. п. (де­тали часов, электроарматуры, радиоаппаратуры, велосипедов, мото­циклов, автомобилей, автобусов, корпуса самолетов, железнодорож­ных вагонов, кораблей и т. д.). При этом обеспечивается высокая точ­ность размеров, экономный расход материалов и значительная произ­водительность процесса, легко поддающегося автоматизации. Опера­ции листовой штамповки можно выполнять с резанием металла (от­резкой, вырубкой, пробивкой и т. п.) и с изменением только формы (гибкой, вытяжкой и т. д.).

В качестве заготовок машиностроительная промышленность исполь­зует также разнообразный сортовой прокат. Прокатка заключается в пропускании нагретого или холодного металла в виде слитка между вращающимися валками соответствующего профиля (рисунок 48). Ввиду того, что между валками расстояние меньше толщины обрабатываемого слитка, его размеры в сечении уменьшаются. Для получения требуе­мой формы сечения делают прокатку в несколько ходов, применяя валки соответствующей формы. Полученный прокат может иметь форму листов, полос, прутков, труб, уголков, двутавров, швеллеров и т.д. (рисунок 49). Прокат в дальнейшем можно сваривать, ковать, штамповать, прессовать, волочить и резать.












Рисунок 49 - Профили металла прокатного производства:

а — квадратный с закругленными углами и вогнутыми гранями;

б — квадратный с закругленными краями: в — квадратный; г — круглый;

д — плоский е — трехугольный; ж — овальный; з — полукруглый;

и — колонный к — зетовый л — рельсовый; м — тавровый; н — неравнобокий уголок; о - равнобокий уголок; п — швеллер; р — двутавровый





РАЗДЕЛ 5. СВАРКА, РЕЗКА, ПАЙКА МЕТАЛЛОВ


Тема 5.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений заготовок посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями, что возможно при сближении атомов на расстояние, близкое к параметру кристаллической решетки.

Сварочные процессы применяют для изготовления сварных конструкций, исправления брака литья и восстановления поломанных и изношенных изделий.

Развитие сварки (особенно в последние годы) привело к появлению новых ее видов и расширению возможностей и области ее применения. Новые виды сварки вследствие высокой концентрации энергии и малой длительности процесса (сварка электронным лучом, взрывом, лазерная, ультразвуковая, холодная сварка) характеризуются отсутствием реакций образования оксидов и других соединений от взаимодействия свариваемых металлов с газами, флюсами, что обеспечивает прочность сварки и возможность соединения материалов, которые не свариваются традиционными способами.

Свариваются между собой как однородные металлы, так и разнородные (например, сталь с медью, медь с алюминием), а также металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, керметами и др.), пластмассы. ГОСТ 19521-74 определяет три класса сварки: термической, механический и термомеханический.

К термическому классу относятся виды сварки плавлением, когда металл кромок свариваемых частей расплавляется, образуя сварочную ванну (иногда вместе с присадочным материалом), а затем затвердевает, образуя сварной шов. Тепловая энергия, необходимая для этого, получается при преобразовании электрической или химической энергии. К этому классу относятся дуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная сварка.

К механическому классу относятся те виды сварки, при которых определяющим фактором является пластическое деформирование, возникающее под влиянием давления в поверхностных слоях соединяемых частей, в результате чего в зонах контакта дробятся и вытесняются адсорбированные включения кислорода, азота, паров воды, жировых загрязнений, происходит смятие выступов и заполнение впадин от шероховатости поверхностей, увеличение активных площадок взаимодействия, сближение атомов до размеров атомных радиусов, обобщение их электронов и образование благодаря этому сварного соединения. К механическому классу относятся холодная, ультразвуковая сварка, сварка взрывом, трением.

К термомеханическому классу относятся те виды сварки, при которых для образования сварного соединения используют тепловую энергию и внешнее давление. К этому классу относятся контактная, газопрессовая, диффузионная и другие виды сварки.

Дhello_html_m1082eccd.gifля изготовления сварных конструкций применяют следующие основные типы соединений: стыковое, внахлестку, заклепочное, угловое и тавровое.

Стыковые соединения с отбортовкой (рисунок 49, 1) применяют при толщине листа до 3 мм, листы толщиной 3 – 8 мм сваривают без разделки кромок (рисунок 49, 2), при толщине листов до 15 мм применяют V-образную разделку кромок (рисунок 49, 3), при толщине более 15 мм – Х-образную разделку (рисунок 49, 4), при толщине свыше 20 мм – чашеобразную простую или двух-стороннюю разделку (рисунок 49, 5, 6). При соединении внахлестку (рисунок 49, 7) величина перекрытия кромок равна 3-5-кратной толщине свариваемых частей. Электрозаклепками (рисунок 49, 8) обеспечивается получение прочных (но не плотных) соединений; для сварки верхний лист просверливается (или пробивается) и при заварке отверстия приваривается и нижний лист; тонкие (до 3 мм) листы проплавляют дугой по-целому, без отверстий. Угловые соединения (рисунок 49, 9) чаще всего получают без специальной разделки кромок.

Тавровые соединения для конструкций, несущих небольшие нагрузки, выполняют без скоса кромок (рисунок 49, 10); при больших нагрузках для элементов толщиной 10-20 мм применяют односторонний (рисунок 49, 11), а при толщине более 20 мм – двусторонний скос (рисунок 49, 12).


Тема 5.2 ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА

Сварка по способу Бенардоса. Сварка производится графитовым электродом 2 (рисунок 50, а) с присадочным материалом от прутка 1 или без него; сварка этим способом имеет ограниченное применение. Ею пользуются для соединения с отбортовкой тонких стальных заготовок, где не требуется присадочный металл, для цветных металлов и чугуна, а также для наплавки порошковых твердых сплавов. Обычно применяют постоянный ток, причем для устойчивости дуги и для лучшего прогрева стыка при сварке пользуются прямой полярностью: заготовку включают анодом ( + ), а электрод – катодом ( - ).

Сварка по способу Славянова. При сварке применяют металлический электрод 3 в виде проволоки (рисунок 50, б). Дуга возбуждается между электродом и основным металлом и плавит их оба, причем образуется общая ванночка, где перемешивается весь расплавленный металл. Электродная проволока выпускается диаметром от 0,3 до 12 мм. Для сварки углеродистой стали применяют проволоку марок Св-08А, Св-08ГС, Св-10Г2, для сварки легированной стали различных марок – легированную проволоку марок Св-08ГС, Св-18ХГС, Св-10ХМФТ, Св-12Х11НМФ, Св-12Х13, Св-09Х16Н25М6АФ и др.

При ручной сварке пользуются электродами, покрытыми обмазкой. Обмазки бывают стабилизирующими, защитными и легирующими.

По толщине покрытия электроды бывают (ГОСТ 9466-75) с тонкими, средними, толстыми и особо толстыми покрытиями. Тонкие покрытия являются стабилизирующими; они состоят из мела и жидкого стекла. Находящийся в составе мела кальций выделяется в плазме дуги, ионизирует ее, тем самым способствует устойчивости горения дуги. Средние, толстые и особо толстые покрытия обеспечивают устойчивость горения дуги, а также защиту и легирование металла. Состав этих обмазок подбирается так, чтобы вокруг дуги создавалась газовая среда, защищающая металл электрода 4 (рисунок 50, в), стекающий в дуге, и металл ванночки 7 от окисления и растворения в нем газов. По мере плавления электродов обмазка шлакуется и шлак 6 равномерно покрывает шов 5, защищая металл от окисления и насыщения азотом. Кроме того, шлак замедляет охлаждение металла, что способствует выделению растворенных газов и уплотнению шва. В случае надобности в обмазку добавляют ферросплавы для легирования. Таким образом, в состав этих покрытий входят ионизирующие (например, мел), газообразующие (мука), шлакообразующие (полевой шпат) вещества, а также раскислители (ферромарганец) и легирующие компоненты.





Рисунок 50

Во всех случаях, когда сварная конструкция должна выдерживать большие нагрузки, применяют электроды с толстыми и особо толстыми покрытиями, обеспечивающими прочность и вязкость шва, не уступающие основному металлу. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах: применяют токи от 1 до 3000 А при напряжении от 10 до 50 В; мощность дуги – от 0,01 до 150 кВт. Такой диапазон мощности дуги позволяет использовать ее для сварки как мельчайших, так и больших и тяжелых изделий.

Соотношение между диаметром металлического электрода и толщиной свариваемого изделия:

Толщина свариваемого изделия в мм

1-2

3

4-5

6-12

13 и больше

Диаметр электрода

1,5-2,5

3

3-4

4-5

5 и больше

Величина сварочного тока:

I = k d,

где к – коэффициент, зависящий от марки электрода, d – диаметр электрода.

Для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали k = 30-60 А/мм, из высокоуглеродистой k = 30-40 А/мм.

Для сварки углеродистой стали применяют электродную проволоку из стали с 0,1 – 0,18% С, для легированных сталей – проволоку марок Св-10ГС; Св-10ГСМ; Св-20ХГСА; Св-15М и др. Вольфрамовыми электродами пользуются при сварке в среде защитных газов.


Тема 5.3 КОНТАКТНАЯ СВАРКА

При контактной сварке для нагрева свариваемых частей используется тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. В месте контакта частей наблюдается увеличенное электрическое сопротивление по сравнению с другими участками цепи. После достижения в зоне сварки необходимой температуры свариваемые части для их соединения сдавливают.

Кhello_html_4994572a.gifонтактная сварка легко автоматизируется и применяется в массовом производстве. Существует три вида контактной сварки: стыковая, точечная и роликовая.

Для стыковой сварки соединяемые части 1 (рисунок 51) зажимают в контактных колодках (губках) 2 сварочной машины и пропускают через них ток большой силы, индуктирующийся во вторичной обмотке 3 трансформатора. При этом в зоне сварки выделяется большое количество тепла и части по стыку разогреваются до пластического состояния. Нагретые части сдавливаются и они свариваются.

Стыковая сварка возможна при сечениях до 50 000 мм и более, причем форма на стыке может быть самой разнообразной: круглой, квадратной, фасонной (рельсы, уголки, трубы).

Стыковую сварку применяют также для соединения штампованных листов. Прочность шва стыковой сварки не уступает прочности основного металла, поэтому стыковую сварку можно применять для ответственных соединений.

При точечной сварке свариваемые части 1 (рисунок 52, а) зажимают между электродами 2, по которым пропускается ток большой силы от вторичной обмотки трансформатора. Вследствие большого сопротивления место контакта 3 свариваемых частей нагревается до термопластического состояния и под действием давления электрода происходит сварка (рисунок 52, б). Внутри полых электродов циркулирует вода для и охлаждения.

Рhello_html_54682384.gifоликовой (шовной) сваркой соединяют листы толщиной 0,3-3 мм из низкоуглеродистой стали и листы толщиной до 1,5 мм из коррозионно-стойкой хромоникелевой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Свариваемые части 1 (рисунок 53) пропускают между вращающимися роликами – электро-дами 2 шовной машины, через которые проходит ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения свариваемых частей, в результате чего образуется сплошной шов 3.

Роликовой сваркой получают всевозможные баки (например, в автотракторостроении), тару, трубы, сосуды, работающие под давлением, а также другие герметичные изделия из тонких металлических листов. Мощность машин для различных работ по контактной сварке колеблется от 0,1 до 600 кВА.


Тема 5.4 ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА

В качестве горючих газов при сварке используют ацетилен, пропан, бутан, пары бензина, водород и другие газы. Чаще других применяют ацетилен (С2Н2), дающий наибольшую (до 320оС) температуру пламени. Газовую сварку применяют главным образом для соединения тонкостенных стальных заготовок, а также заготовок из чугуна, цветных металлов и сплавов. Газовым пламенем пользуются также для резки металлов, для наплавки твердых сплавов и при ремонтных работах.

Газовой сваркой выполняют стыковые и бортовые соединения. Угловые, тавровые, нахлесточные соединения избегают выполнять газовой сваркой по причине возникновения деформаций и термических напряжений в изделиях.

Газопрессовая сварка применяется для стыковых соединений труб. Стыки нагревают кольцевой многопламенной горелкой и сдавливают свариваемые части. Этим способом пользуются также для сварки рельсов, бурильного оборудования и инструментов.

Гhello_html_4b8d9799.gifазовую резку в струе кислорода используют для стали с массовым содержанием углерода до 0,7% и некоторых сортов низколегированной стали. Чугун, алюминий, медь и ее сплавы, а также высоколегированные стали непосредственно струей кислорода не режутся, для газовой резки этих металлов применяют порошковые флюсы, состоящие в основном из железного порошка и кварцевого песка. Флюс сгорает в струе кислорода и повышает температуру в месте резки настолько, что образующие тугоплавкие оксиды шлакуются с оксидами железа и жидкий шлак выдувается струей газа.

Резка стали производится специальными режущими горелками – резаками, которые отличаются от сварочных горелок наличием канала для подачи кислорода. По кольцеобразному каналу 1 мундштука (рисунок 54) поступает горючая смесь, которая сгорает и образует пламя 4, необходимое для подогрева металла до температуры горения. Когда металл разогреется, через канал 2 пускают струю кислорода 3, сжигающую железо и выдувающую оксиды (шлак). При перемещении резака в струе кислорода сгорают новые частицы металла, образуя рез по ходу движения резака.

Газовой резке подаются заготовки большой толщины (до 300 мм). Помимо разделки заготовок, струей кислорода прожигают отверстия, используя обычный резак или кислородное копье.


Тема 5.5 ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Пайка, как и сварка, предназначена для неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления материала припаиваемых частей. При пайке основной металл твердый, а припой расплавлен. Части заготовки соединяются вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для диффузии необходимо, чтобы припаиваемые поверхности были очищены, особенно от пленок оксидов, и защищены от окисления. Для защиты от окисления при пайке служат флюсы.

Паять можно углеродистую и легированную стали всех марок, твердые сплавы, ковкие и серые чугуны, а также цветные металлы и их сплавы. Можно также паять разнородные материалы (например, сталь с твердыми сплавами, керамику, пластмассы).

Пайку широко применяют в радиоэлектронной, автомобильной, авиационной промышленности и других отраслях машино- и приборостроения; ее применения расширяется с разработкой новых припоев и флюсов и развитием технологии пайки.

Пайку при температурах до 400оС относят к низкотемпературной, при температурах выше 400оС – к высокотемпературной. Припои для низкотемпературной пайки содержат олово, свинец, сурьму и цинк, припои для высокотемпературной пайки составляются на основе меди или серебра.

Для низкотемпературной пайки медных проводников, покрытых золотом или серебром, применяют канифольные и стеарино-парафиновые (бескислотные) флюсы; для пайки стали, меди, никеля используют пасты на основе вазелина, содержащие 10-15% хлористого цинка (ZnCl2) или хлористого аммония (NH4Cl) – активированные флюсы; для легированных, коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов, а также тугоплавких металлов применяют 25-30% растворы ZnCl2 в воде (кислотные флюсы), хорошо растворяющие оксидные пленки.

Нагрев припаиваемых частей и расплавление припоя при низкотемпературной пайке производят медными паяльниками, газовыми горелками, в печах, горячим газом. Пайку производят также погружением заготовок в расплавленный припой; этот способ является весьма производительным и экономичным в массовом производстве.

Для высокотемпературной пайки применяют индукционный нагрев, электрические печи сопротивления, пламенные нефтяные и газовые печи. В последние годы все шире применяют пайку лазером и электронным лучом.


РАЗДЕЛ 6. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

Для обеспечения установленной чертежом точности размеров и шероховатости поверхности большинство деталей машин и механизмов обрабатывают на станках снятием стружки. Стружку снимают с заготовок различными лезвийными и абразивными инструментами. У первых имеются специально заточенные режущие кромки (резцы, сверла и др.), у вторых – множество твердых зерен с острыми гранями и углами на поверхности и в толще этих инструментов. Кроме того, припуск с заготовок в ряде случаев снимают эрозионным воздействием электрических разрядов, химико-механическим способом, плазменной струей.

hello_html_28f9bad2.gifОбрабатываемые поверхности могут быть плоскими, цилиндрическими (у геометрических тел вращения), коническими (с прямолинейной образу-ющей), фасонными (с криволинейной образующей) или сложной криволинейной формы (поверхности зубьев зубчатых колес, кулачков, резьбы).

Для получения поверхности заданной формы заготовки и инструменты закрепляют на металло-обрабатывающих станках, рабочие органы которых сообщают им движения нужной траектории с установленной скоростью и силой.

Движения исполнительных органов станков делят на рабочие и вспомогательные. Рабочими называют движения, при которых с заготовки снимается стружка; вспомогательными – движения, при которых с заготовки стружка не снимается (отвод и подвод инструмента и др.).

Рабочее движение можно разложить на главное движение и движение подачи. Главным называют движение, скорость которого является наибольшей. Снятие стружки на большинстве станков осуществляется лишь при сочетании главного движения и движения подачи.

На рисунке 55 приведены различные способы обработки резанием (стрелками указано направление главного движения V и направление движения подачи S ).

При точении (рисунок 55, а) заготовке сообщается вращательное главное движение, а инструментам (резцам) – движение подачи. У некоторых станков (например, токарных автоматах продольно-фасонного точения) движения подачи имеет заготовка. При фрезеровании (рисунок 55, б) главное движение сообщается инструменту (фрезе), а движение подачи – заготовке. При сверлении (рисунок 55, в) как главное движение, так и движение подачи обычно сообщаются инструменту, однако в специальных станках это может не соблюдаться. При строгании на продольно-строгальных станках главное движение сообщается заготовке (рисунок 55, г), а движение подачи – инструменту (резцу). При строгании на поперечно-строгальных станках и обработке заготовок на долбежных станках главное движение сообщается инструменту (резцу), а движение подачи – заготовке или резцу. При протягивании (рисунок 55, д) главное движение (прямолинейное) сообщается инструменту (протяжке), а подача sz определяется разностью высот каждых двух смежных зубьев протяжки; движения подачи по этой схеме нет, оно заложено в конструкции протяжки. При круглом и плоском шлифовании (рисунок 55, е, ж) главное движение всегда вращательное; оно выполняется инструментом (шлифовальным кругом). При круглом шлифовании заготовка вращается, чем обеспечивается окружная подача. Однако круг в ряде случаев не перекрывает всей длины заготовки, поэтому нужна еще и продольная подача, которая выполняется заготовкой или кругом. При плоском шлифовании (рисунок 55, ж) продольную подачу имеет чаще всего заготовка, а поперечную – круг или заготовка.

Заметим, что в рассмотренных основных видах обработки металлов резанием подача происходит непрерывно, за исключением подачи при строгании, протягивании и поперечной подачи при плоском шлифовании, выполняемой прерывисто.

Рассмотренные понятия главного движения и движения подачи не могут быть распространены на некоторые виды обработки (электрическими разрядами, ультразвуком и др.). Для получения деталей с размерами высокой точности применяют отделочно-доводочные операции: тонкое (алмазное) точение, хонингование, суперфиниширование, притирку.


Тема 6.1 ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗАНИЯ

На примере обтачивания вала рассмотрим основные особенности резания (рисунок 56).

hello_html_612c52d5.png

Рисунок 56



Поверхность 2 – обрабатываемая, с которой снимается стружка.

Поверхность 1 – обработанная.

Поверхность 3 – поверхность резания.

t – глубина резания hello_html_7cc12182.gif;

подача S – перемещение резца за один оборот, мм/об;

- главный угол в плане (рисунок 57);

1 - вспомогательный угол;

hello_html_12d49017.gif- передний угол;

- задний угол;

- угол заострения.

Углы резания выбираются в зависимости от свойств обрабатываемого материала.

hello_html_m7c73c579.png

hello_html_m4f94671c.png

hello_html_734132ef.png


для обработки хрупких материалов (бронза, чугун)

а 0,2 мм;

может быть фаска для упрочнения лезвия при обработке сталей а>0,2 мм с в = 700-900МПа.

а – толщина срез. слоя.


с отрицательным для обработки закаленных материалов с в >1000МПа


в инструментах из быстрорежущих сталей для обработки вязких материалов

в 700 МПа

а 0,2 мм.


при обработке сталей с в > 700-900МПа;

а > 0,2.


-

передний угол положительный при обработке материала с в 800 МПа, отрицательный при в > 800МПа; на обдирочных работах с большими подачами (преобладает износ по передней поверхности) применяется двойная заточка переднего угла 1 = 30о, 3 5о для быстрорежущей стали.

-

задний угол, чем тоньше срезаемый слой, тем больше; = 3 – 15о

-

угол заострения, определяет прочность резца, чем меньше , тем ниже прочность.

-

главный угол в плане, влияет на параметр стружки и составляющие сил резания, чем меньше , тем шире и тоньше стружка и больше составляющая сил резания; = 10 45о

1

-

вспомогательный угол в плане, 30’ до 30о, чем меньше , тем больше трение и больше выделение теплоты.


Материалы для инструмента
  1. Быстрорежущие

  • кобальтовые быстрорежущие стали Р9К10, Р9К5 применяются для чистовой обработки высокопрочных, титановых сплавов при работе без ударов и вибраций;

  • ванадиевые быстрорежущие стали Р9Ф5, Р14Ф4 применяются для чистовой обработки, менее прочны;

  • сложнолегированные быстрорежущие стали Р12Ф2К8М, Р6Ф2К8М3, Р10К5Ф5, Р9Ф2К10 рекомендуются к применению для нагруженного инструмента высокой производительности при обработке жаропрочных, нержавеющих и других специальных сталей;

  • вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали Р6М5, Р6М5К5, Р9М4К6 изготавливаются инструменты всех видов (воспринимают любые виды горячей деформации) (поковки, прокат и т.д.).

  1. Металлокерамические твердые сплавы

    • группа ВК (ВК2; ВК4; ВК8) - для обработки хрупких материалов, пластмасс, а также нержавеющих жаропрочных, титановых и других специальных сталей;

    • группа ТК (Т5К10; Т15К6; Т30К4) – для обработки высокопрочных, закаленных;

    • группа ТТК (ТТ7К12; ТТ20К4; ТТ32К8 карбид титана и тантала 32% + 8% кобальта, остальное карбид вольфрама) – для особо тяжелых условий работы при наличии нагрузок на инструмент.

Алмазный инструмент применяется для тонкого точения.


Тема 6.2 ПОНЯТИЕ О РЕЖИМАХ РЕЗАНИЯ

Выбор режущего инструмента

По виду обработки токарные станки делятся на проходные, подрезные, расточные, отрезные, прорезные галтельные, резьбовые и фасонные Токарные проходные резцы делятся на токарные проходные резцы прямые с главным углом в плане = 15о…75о; на токарные проходные резцы с отогнутой головкой влево или вправо и, как правило, главный и вспомогательные углы у них и 1 равны 45о; на токарные проходные упорные резцы, у которых главный угол в плане = 90о, а вспомогательный угол 1 от 0о до 15о.

Резцы проходные прямые, проходные с отогнутой головкой применяются для наружного обтачивания на проход вдоль оси заготовки и цилиндрическую поверхность, а проходной упорный применяется для обработки наружной цилиндрической поверхности в упор, когда необходимо обработать при продольном точении, с одновременной обработкой торцовой поверхности, составляющей с цилиндрической поверхностью прямой угол.

Подрезной резец применяют для обработки поверхностей заготовок в направлении перпендикулярном или наклонном к оси заготовки с поперечной подачей, такие резцы имеют главный угол в плане от 0о до 75о, а 1 до 20о. Расточные резцы применяются для расточки глухих отверстий, тогда может быть от 0о до 15о, а для обработки сквозных отверстий может быть от 0о до 70о. Головка расточных резов соединяется с державной шейкой резка круглого сечения и длиной 50 – 60 мм.

Обрезные резцы предназначены для обрезки заготовок от пруткового материала с поперечной подачей, при этом у этих резцов = 90о, а 1 = 23о.

Резьбовые резцы служат для нагрузки резьбы как наружной, так и внутренней. Тип инструмента выбирается в зависимости от обрабатываемого материала, инструментального материала, вида обработки (наружное продольное точение, наружное поперечное точение, растачивание, подрезание торца и т.д.).

Определение режимов резания

К режимам резания относятся:

t – глубина резания в мм.

S – подача, мм/об.

V – скорость резания, м/мин.

Т – машинное время в мин.

t – глубина резания – величина срезаемого слоя за один проход, измеренная в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. Глубина резания всегда перпендикулярна направлению движения инструмента – направлению подачи.

Глубина резания при продольном точении и растачивании определяется по формуле:

hello_html_389543ee.gifили hello_html_7b303f05.gif

где d – диаметр вала или диаметр отверстия после обработки; d – диаметр вала или диаметр отверстия до обработки; h - припуск на обработку.

При подрезании торца заготовки, если припуск задан величиной h, то t = h/n, где n – число необходимых проходов. Если же припуск будет задан линейными величинами: l – длина заготовки; l1 – длина детали, то глубина резания будет: hello_html_31295654.gif, где n – число проходов.

ВНИМАНИЕ: если припуск невозможно снять за один проход, т.е. необходимо произвести несколько проходов, количество проходов выбирается из следующего положения:

1 проход – 70-75% припуска;

2 проход – 25-20% припуска;

3 проход – 5-10% припуска.

При черновой обработке весь припуск можно снимать за один проход, если припуск равен 3-4 мм. Если больше, то припуск необходимо разбивать на несколько проходов. Если чистовая обработка производится после предварительной, то число проходов варьируется в зависимости от припуска на чистовую обработку.

S - подача – величина перемещения режущей кромки резца относительно обработанной поверхности в единицу времени в направлении движения подачи. При токарной обработке может быть продольная подача, когда резец перемещается в направлении, перпендикулярном оси заготовки, и наклонная подача – под углом к оси заготовки. Различают подачу за один оборот, т.е. величину относительного перемещения резца за один оборот заготовки и минутную подачу, т.е. величину относительного перемещения резца за минуту. S = Sм/n.

V - скорость резания – величина перемещения точки режущей кромки относительно поверхности резания в единицу времени в процессе резания.

hello_html_m15b95944.gif, где D – диаметр поверхности заготовки.

Т – машинное время – время, в течение которого происходит процесс снятия стружки без непосредственного участия рабочего.

Передние и задние углы для резцов, обрабатывающих различные материалы:

  • для обработки сталей с в 800 МПа:

черновое точение:

из твердого сплава = 8о; = 12-15о

из быстрорежущих сталей = 6о; = 25о

чистовое точение:

из твердого сплава = 12о; = 12-15о

из быстрорежущей стали = 12о; = 25о

  • для обработки сталей с в = 800 - 1000 МПа:

черновое точение:

из твердого сплава = 8о; = 10о

из быстрорежущих сталей = 6о; = 20о

чистовое точение:

из твердого сплава = 12о; = 10о

из быстрорежущей стали = 12о; = 20о

  • для обработки сталей с в > 1000 МПа:

черновое точение:

из твердого сплава = 8о; = - 10о

чистовое точение:

из твердого сплава = 12о; = - 10о

  • для обработки закаленных сталей с HRC до 67 единиц:

из твердого сплава = минус 10о - минус 20о

металлокерамических = 10о - 15о

Для обработки жаропрочных сталей применяют резцы из ВК. Для обработки титановых, никелевых, вольфрамовых и молибденовых сплавов, титановольфрамовую группу не применяют из-за ее большой адгезии с обрабатываемым материалом.

Черновая обработка:

твердые сплавы = 10о; = 10о

быстрорежущие стали = 8о; = 20о

Чистовая обработка:

твердые сплавы = 10о; = 10о

быстрорежущие стали = 8о; = 20о

При обработке чугуна:

серый: черновая обработка = 5о ; = 8о

чистовая обработка = 5о ; = 10о

ковкий: черновая обработка = 8о ; = 8о

чистовая обработка = 8о ; = 10о

При обработке чугуна с НВ < 220 = 10о , а при НВ > 200 = 0 - 5о . При расчете режима резания выбор инструментального материала необходимо производить в соответствии с настоящим пособием и справочником технолога – машиностроителя том 2 под редакцией А.Г. Косиловой табл. 2 и 3 стр. 111-118.


Тема 6.3 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Металлообрабатывающими станками называют машины для формообразования деталей из металлов (реже из пластмасс, керамики, стекла, камня и других материалов) путем снятия стружки или без снятия стружки (обкатывание роликами, нанесение рифлений и др.).

Металлообрабатывающие станки играют важнейшую роль в производстве, в том числе и самих металлообрабатывающих станков, а также предметов потребления. Парк металлообрабатывающих станков является основой машиностроения. Качество станков, их технический уровень на длительное время определяют производительность труда, качество и себестоимость продукции в машиностроении, поэтому во всех отраслях станкостроения постоянно ведется работа по совершенствованию выпускаемого оборудования.

Особое внимание в последнее время уделяется выпуску станков с числовым программным управлением. Оборудование цехов этими станками позволяет резко повысить производительность труда, качество продукции, коренным образом изменяет характер труда станочников, освобождая их от утомительной и требующей напряженного внимания работы по установке лимбов, отсчетов по ним, переключения и реверсирования скоростей, смены инструментов, подводу и отводу исполнительных механизмов станков, применению физических усилий. Вместе с тем работа на этих станках требует от станочников-операторов высокой квалификации.

Металлообрабатывающие станки классифицируют в зависимости от вида обработки, определяемого принятой схемой обработки и применяемыми инструментами.

Деление станков на группы производится в зависимости от характера главного движения и движения подач, распределения функций главного движения и движения подач между исполнительными механизмами, несущими инструменты и заготовки, и от вида применяемых инструментов.

В практике станкостроения изготовляемым станкам принято присваивать шифр в виде сочетания определенных букв и цифр.

Первая цифра шифра определяет его группу: 1 – токарные станки; 2 – сверлильные и расточные; 3 – шлифовальные, заточные, доводочные; 4 – комбинированные; 5 – зубо- и резьбообрабатывающие; 6 – фрезерные; 7 – строгальные, долбежные, протяжные; 8 – разрезные; 9 – разные (опиловочные, делительные, балансировочные и др.).

Внутри каждой группы станки подразделяются на типы и типоразмеры в соответствии с конструктивными особенностями, размерами, степенью точности, числом шпинделей, степенью универсальности или специализации.


Тема 6.4 СТАНКИ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ. ТОЧЕНИЕ

В группу токарных станков входят токарно-винторезные, токарно-револьверные, многорезцовые токарные, карусельно-токарные, лобовые, токарные автоматы и полуавтоматы, сверлильно-отрезные (при вращающейся заготовке) и специальные токарные станки.

Основным инструментом для токарных станков являются резцы различных типов, а также сверла, зенкеры, зенковки, развертки, метчики, плашки и др.

В машинах и механизмах наибольшее число деталей представляют собой тела вращения, поэтому естественно, что станки токарной группы, на которых получают такие детали, являются основным станочным оборудованием и составляют в механических цехах машиностроительных заводов часто больше половины всех станков.

Токарно-винторезные станки

Токарно-винторезные станки универсальны, на них обрабатывают самые разнообразные детали. Эти станки используют в единичном, мелкосерийном производстве и при ремонте машин, в экспериментальных цехах заводов, в отделениях сельхозтехники, в учебных и передвижных мастерских.

Токарно-винторезные станки характеризуются широкими технологическими возможностями и служат для черновой и чистовой обработки цилиндрических, конических и фасонных наружных, внутренних и торцовых поверхностей, нарезания резьбы различных видов, накатывания рифлений и т.д. В крупносерийном и массовом производстве вместо токарно-винторезных станков применяют автоматы, многорезцовые и специальные станки.

Рhello_html_m74113fa.gifазмеры токарно-винторезных станков колеблются в широком диапазоне: от настольных для обработки деталей часовых и других мелких механизмов до тяжелых для обработки заготовок массой в несколько десятков тонн. Основными размерами у токарно-винторезных станков являются высота оси шпинделя над станиной и наибольшее расстояние между центрами передней и задней бабок.

На рисунке 58 приведен средний токарно-винторезный станок модели 16К20 завода «Красный пролетарий». Главными узлами токарно-винторезного станка являются станина 5, передняя бабка 2 с коробкой скоростей, суппорт 3 с фартуком 6, задняя бабка 4 и механизм для передачи движения от шпинделя к суппорту, в который входит коробка подач 1, ходовой винт, ходовой валик 7,

На станине устанавливаются остальные части станка. Станина отливается из чугуна и имеет коробчатую форму. В верхней части станины расположены направляющие для передвижения по ним суппорта и задней бабки.

Пhello_html_m431a79a7.gifередняя бабка неподвижно крепится на станке и снимается только при капитальном ремонте станка. Шпиндель является конечным звеном цепи главного движения, которое от него с помощью различных приспособлений сообщается заготовке.

Задняя бабка служит для поддержания валов при их обработке, для установки сверл, зенкеров, разверток и других инструментов. Корпус задней бабки смещают в поперечном направлении при обточке конусов с небольшими углами. Суппорт предназначен для крепления инструментов (главным образом резцов) и сообщения им движения подачи.

  • Револьверные станки

Револьверные (токарно-револьверные) станки применяют в серийном производстве при изготовлении деталей из штучной (кованой, литой) заготовки и из прутка. Эти станки имеют револьверный суппорт, на котором установлена револьверная головки; ее можно поворачивать и фиксировать в том или ином положении. Число позиций у головок с вертикальной осью равно шести, с горизонтальной – до шестнадцати. Обработка заготовок производится последовательно инструментами, закрепленными по позиции в гнездах револьверной головки. К этим инструментам относятся резцы, сверла, зенкеры, развертка, а также метчики, плашки, резьбонарезные гребенки (ходового винта револьверные станки не имеют). Выключение подачи осуществляется автоматически по упорам.

Токарные автоматы и полуавтоматы

Токарные автоматы и полуавтоматы применяют для изготовления различных деталей из калиброванных (холоднотянутых) прутков круглого или многогранного сечения, а также из штучной (литой, кованой) заготовки. Работа настроенного автомата – установка и закрепление заготовки и ее обработка – выполняются без участия станочника; его обязанности состоят в периодическом контроле готовых деталей, зарядке автомата заготовками.

Нhello_html_m5fae80ee.gifастройку автомата выполняют высококвалифицированные наладчики. Токарные автоматы делятся на одно- и многошпиндельные. Одношпиндельные автоматы применяют в крупносерийном и массовом производстве, многошпиндельные – только в массовом. На рисунке 59 приведен общий вид одношпиндельного токарно-револьверного автомата модели 1Б140.

Карусельно-токарные станки

Карусельно-токарные станки применяют для обработки средних и крупных заготовок, диаметр которых, как правило, превышает их высоту; ось вращения заготовки при обработке вертикальна. На таких станках можно обтачивать и растачивать цилиндрические, конические и фасонные поверхности, обтачивать и подрезать торцы, отрезать части заготовки, нарезать резьбу, сверлить, зенкеровать и развертывать отверстия (последние три вида обработки не могут производиться на станках, не имеющих револьверной головки).

Заготовка закрепляется на планшайбе 2, установленной на круговых направляющих станины 1 (рисунок 60) Планшайба закреплена на шпинделе, который опирается на подпятник и приводится в движение от главного электродвигателя через коробку скоростей. На направляющих стойки 5 имеется поперечина 6, несущая вертикальный суппорт 4 с револьверной головкой 3. На тех же направляющих установлен боковой суппорт 7.

Карусельные станки бывают одно- и двухстоечные.

ТОЧЕНИЕ

Точение производят на станках токарной группы, а также на расточных, агрегатных и комбинированных станках. Понятие «точение» объединяет следующие основные виды работ: обтачивание цилиндрических, конических и фасонных поверхностей; обтачивание и подрезание торцовых поверхностей; протачивание канавок, отрезание; растачивание цилиндрических, конических и фасонных отверстий; нарезание резьбы резцами.

Обтачивание разделяют на черновое и чистовое. При черновом обтачивании (рисунок 61, а-г) снимается значительное количество стружки; в результате чернового обтачивания получают поверхности 12-14-го квалитетов точности и с параметром шероховатости Ra = 2080 мкм. Обтачивание производят проходными резцами, которые разделяют на черновые и чистовые. Черновые прямые правые (а) и левые (б), отогнутые правые (в) и левые (г) используют для чернового обтачивания заготовок. Углы черновых резцов и радиус при вершине выбирают такими, чтобы обеспечивалась большая стойкость их и возможно более легкое резание.

Пhello_html_60537822.gifри чистовом обтачивании получают поверхности 7-11-го квалитетов точности, параметр Ra = 0,65 мкм. Различают чистовые резцы с большим радиусом закругления при вершине (д, е) и широкие резцы (ж). Припуски на чистовое обтачивание колеблются в пределах 1-2 мм на сторону и меньше. Подача при чистовом обтачивании резцами с закругленной кром-кой должна быть небольшой (s = 0,2 мм/об), а при обтачивании широкими резцами составляет от 3 до 30 мм/об.


Тема 6.5 СТАНКИ СВЕРЛИЛЬНОЙ ГРУППЫ

На сверлильных и расточных станках сверлят, зенкеруют, растачивают и развертывают отверстия, нарезают резьбу метчиками. Сверлильные станки по конструкции делятся на настольные, вертикально-сверлильные на колонне, радиально-сверлильные, для глубокого сверления; по числу шпинделей – одно- и многошпиндельные; по расположению шпинделей – с вертикальным, горизонтальным и наклонным расположением шпинделя; по автоматизации – универсальные, полуавтоматы и автоматы.

На расточных станках помимо названных работ может выполняться фрезерование (цилиндрические и торцевое), обтачивание цилиндрических и торцовых поверхностей, нарезание резцами внутренних и наружных резьб. Расточные станки подразделяются на следующие типы: горизонтально-расточные, координатно-расточные, алмазно-расточные (отделочно-расточные) и специальные.

Из сверлильных станков наибольшее распространение получили станки с вертикальным расположением шпинделя. Вертикально-сверлильные станки применяют в цехах единичного и мелкосерийного производства. Наибольший диаметр обработки от 6 мм для настольных станков до 75 мм для тяжелых станков.

На рисунке 62 показан вертикально-сверлильный станок модели 2Н118 (наибольший диаметр сверления по стали 45-18 мм). Обрабатываемую заготовку устанавливают и закрепляют на столе 4 станка с помощью прихватов или закрепляют в приспособлении, которое устанавливают на столе. Установочное перемещение стола по вертикальным направляющим станины 6 производится при вращении винта 5. Инструмент крепят в шпинделе 3, получающим главное (вращательное) движение от электродвигателя 1 через коробку скоростей и автоматическое движение подачи от коробки подач (обе коробки находятся под кожухом 2). Шпиндель имеет 12 частот вращения и 9 различных подач.

Рhello_html_758bda0c.gifадиально-сверлильные станки предназначены для обработки отверстий в тяжелых заготовках, установка которых на вертикально-сверлильном станке невозможна или неудобна. Если для обработки на вертикально-сверлильном станке ось отверстия заготовки необходимо совместить с осью шпинделя, то на радиально-сверлильных станках, наоборот, шпиндель устанавливается в нужном положении, а заготовка остается неподвижной.

Горизонтально-расточные станки являются широкоуниверсальными, на них можно выполнять сложные операции, состоящие из переходов с использованием большой номенклатуры режущих инструментов. В ряде случаев это позволяет производить на этих станках полную обработку заготовок, что особенно удобно для тяжелого машиностроения. Формообразующими для обрабатываемых заготовок движениями являются вращение шпинделя (главное движение), которое передается режущему инструменту, и движение подачи, сообщаемое исполнительными механизмами заготовке или режущему инструменту.

Координатно-расточные станки предназначены для получения деталей, которые должны иметь высокую точность взаимного расположения отверстий.

Алмазно-расточные станки применяют для финишной обработки отверстий, например, в блоках цилиндров и шатунах двигателей внутреннего сгорания. Операции сверления, зенкерования и развертывания помимо сверлильных и расточных станков выполняют на агрегатных станках и станках токарной группы. Кроме того, для этих работ используют ручные и механические дрели.


Тема 6.6 ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ. ФРЕЗЕРОВАНИЕ

Фhello_html_45912085.gifрезерные станки разделяются на консольные, бесконсольные, продольные, портальные, карусельно-фрезерные, барабанно-фрезерные копировальные и специальные. В зависимости от положения шпинделя различают горизонтальные и вертикальные станки, в зависимости от наличия поворотного стола – простые и универсальные.

Консольные станки предназначены для обработки небольших по высоте и нетяжелых заготовок, что определяется размерами столов (до 500х2000 мм) и наибольшим расстоянием (до 500 мм) от стола до торца шпинделя (у вертикальных) и до его оси (у горизонтальных).

Горизонтально-фрезерные консольные станки (рисунок 63). Эти станки применяют в цехах единичного и серийного производства, а также в ремонтных цехах. На универсальном станке, имеющем поворотную часть, можно фрезеровать плоскости, пазы, фасонные поверхности, зубья колес, винтовые канавки и др. Если станок не является универсальным, фрезеровать винтовые канавки на нем невозможно.

В станке по вертикальным направляющим станины 10 может перемещаться консоль 9, снабженная направляющими 8 для поперечных салазок. Поворотная часть 7 крепится на поперечных салазках и несет стол 6, на котором непосредственно или в приспособлении крепится обрабатываемая заготовка.

Таким образом, заготовка может иметь вертикальное перемещение (с консолью), горизонтальное, параллельное оси шпинделя (с поперечными салазками), и горизонтальное, перпендикулярное к оси шпинделя при движении стола по направляющим поворотной части, если она установлена в нулевом положении. Для фрезерования винтовых канавок поворотную часть устанавливают под углом до 45о, тогда стол перемещается наклонно к оси шпинделя.

Фреза 3 крепится на центровой оправке 2, один конец которого в свою очередь укреплен в шпинделе станка 1, а второй конец поддерживается серьгой 4, укрепленной на хоботе 5. В других случаях фрезы крепятся на коротких концевых оправках или в патроне, а крупные торцевые фрезы крепятся непосредственно на шпинделе станка. Шпиндель приводится во вращение от электродвигателя через коробку скоростей, расположенную в станине.

Движение подачи производится от отдельного электродвигателя через коробку подач, находящуюся в консоли. Устройство коробок скоростей и подач фрезерных станков аналогично устройству этих механизмов у токарных станков.

Вертикально-фрезерные консольные станки

Эти станки используют преимущественно для фрезерования плоскостей торцевыми фрезами и пазов различной формы концевыми фрезами. Вертикально-фрезерные станки отличаются от горизонтально-фрезерных расположение оси шпинделя и отсутствием хобота. Шпиндель вертикально-фрезерного станка расположен во фрезерной головке. У некоторых станков фрезерная головка может поворачиваться в вертикальной плоскости.

Продольно-фрезерные станки

Для обработки как крупных, так и небольших заготовок с использованием многоместных приспособлений применяют продольно-фрезерные станки.

ФРЕЗЕРОВАНИЕ

Фрезерование является одним из высокопроизводительных и распространенных способов обработки резанием, его применяют для получения плоских или профильных (фасонных) гладких, рифленых поверхностей деталей, получения пазов, различных канавок.

Фрезы в зависимости от положения режущей кромки относительно оси бывают с прямым и винтовым зубом; по форме задней поверхности зуба фрезы бывают затылованные и незтылованные (остроконечные).

По назначению фрезы подразделяются на следующие:

  • для обработки плоскостей – цилиндрические и торцевые;

  • дhello_html_6b30ea0f.gifля выемки пазов и шлицев – дисковые, пазовые, концевые, одноугловые, двуугловые, Т-образные;

  • для получения фасонных поверхностей – фасонные, модульные, червячные;

  • для резки металлов – отрезные (пилы круглые).

Различают цилиндрическое и торцевое фрезерование. При цилиндрическом фрезеровании ось фрезы параллельная обрабатываемой поверхности, при торцевом – перпендикулярна к этой поверхности. При цилиндрическом фрезеровании движение подачи может быть направлено против вращения фрезы (фрезерование против подачи, встречное–рисунок 64, а) или в направлении вращения фрезы (фрезерование по подаче, попутное – рисунок 64, б).

Цhello_html_773d6cd0.gifилиндрические фрезы (рисунок 65, а) применяют для обработки плоскостей на горизонтально-фрезерных станках. Торцевые фрезы применяют для обработки плоскостей на вертикально-, продольно-фрезерных и других станках.

Торцовые насадные фрезы изготовляют цельными (рисунок 65, б) или со вставными ножами (рисунок 65, в). На рисунке 65, г приведена торцовая насадная фреза с маховиком.

Прорезные (шлицевые), дисковые и концевые фрезы (рисунок 65, д, е, ж) применяют для получения прямолинейных пазов и шлицев.

Одноугловыми и двуугловыми фрезами (рисунок 65, з, и) фрезеруют канавки углового профиля у режущих инструментов (фрез, зенкеров, разверток).

Т-образные фрезы (рисунок 65, к) используют для получения соответствующих пазов, главным образом у столов металлообраба-тывающих станков.

Фасонные фрезы приведены на рисунке 65, л.

Модульными дисковыми (рисунок 65, м) и модульными пальцевыми фрезами (рисунок 65, н) нарезают зубья зубчатых колес.

Червячные фрезы (рисунок 65, о) также применяют для нарезания зубчатых колес на зубофрезерных станках. Червячная фреза имеет зубья трапецеидальной формы.


Тема 6.7 СТРОГАНИЕ. ПРОТЯГИВАНИЕ

Строгальные станки предназначены для обработки резцом главным образом плоских поверхностей. При строгании прямой ход резца (стола) является рабочим, обратный – холостым; эта схема работы – основной недостаток строгальных станков.

Строгальные станки применяют в единичном и мелкосерийном производстве; их особенностями являются простота конструкции, дешевый инструмент, возможность достижения высокой точности обработки. Низкая производительность строгальных станков может быть в известной мере компенсирована многорезцовой обработкой. В группу строгальных станков входят продольно- и поперечно-строгальные, долбежные и специальные станки.

Пhello_html_m54bd3340.gifродольно-строгальные станки (рисунок 66) предназначены главным образом для обработки плоских поверхностей крупных и средних заготовок. К продольно-строгальным станкам относятся двухстоечные, являющиеся наиболее распро-страненными, одностоечные, кромкострогальные и портальные.

Продольно-строгальные станки выпускают с максимальной шириной строгания от 630 до 5000 мм и длиной строгания соответственно от 2000 до 12 500 мм. При обработке заготовок на продольно-строгальных станках, находящихся в хорошем состоянии, достигается высокая точность: при чистовом строгании – 10-11-й квалитеты при параметрах шероховатости поверхности Ra = 510 мкм, а при тонком строгании – 8-9-й квалитеты и Ra = 0,632,5 мкм. Продольно-строгальные станки применяют также для окончательной обработки резцами с широкой режущей кромкой, например, направляющих станин станков. Такую обработку называют финишным строганием; она заменяет трудоемкую операцию шабрения.

Поперечно-строгальные станки применяют для обработки небольших заготовок.

СТРОГАНИЕ И ПРОТЯГИВАНИЕ

Строганием называют операцию механической обработки, выполняемую резцами при возвратно-поступательном главном движении и прерывистом движении подачи, выполняемом в конце обратного хода. Функции главного движения и движения подачи распределяются между заготовками и инструментами в зависимости от типа станка (продольно-строгального, поперечно-строгального, долбежного, специального).

Нhello_html_m2fd08158.gifа рисунке 67 приведены элементы резания при строгании: t – глубина строгания, s – подача, а, b – толщина и ширина стружки. Стрелками указано направление рабочего р.х. и холостого х.х. хода.

Строгание широко применяют при изготовлении рам и плит, для обработки направляющих станин станков, направляющих штанг, кромок листов.

Протягиванием называют операцию механической обработки на протяжных станках многолезвийными режущими инструментами – протяжками. Область применения протягивания – обработка мелких и средних деталей в крупносерийном и массовом производстве. В единичном и мелкосерийном производстве протягивание невыгодно из-за высокой стоимости протяжек.

Протягивание разделяют на внутреннее и наружное. Внутреннее протягивание применяют для отверстий размером от 3 до 300 мм. Отверстия под протягивание предварительно высверливают или растачивают. Форма отверстий, полученных протягиванием, может быть самой разнообразной: цилиндрической, трехгранной, многогранной, овальной, фасонной, с канавками различных профилей.

Дhello_html_6eb62e19.gifля протягивания характерна высокая производительность в сочетании с большой стойкостью протяжек, малой степенью шероховато-сти обработанной поверхности ( Ra = 0,33 мкм) и высокой точностью (7-8-й квалитеты). На рисунке 67, а показана схема протягивания отверстия во втулке 2, закрепленной в патроне 3. Протяжка 1 укрепляется в ползуне и перемещается с ним. На рисунке 67, б приведена протяжка для круглых отверстий.


Тема 6.8 ШЛИФОВАНИЕ

Шлифование. Процесс обработки абразивными материалами называется шлифованием. Абразивные материалы (зерна высокой твердости с острыми кромками) могут быть в свободном виде (порошки) или в связанном (цементированном) в форме кругов, брусков, сегментов.

В большинстве случаев шлифование является отделочной операцией, обеспечивающей высокую точность (до 0,002 мм) и необходимый класс шероховатости поверхности (Ra = 0,151,2 мкм), и применяется для обработки наружных и внутренних цилиндрических и конических, плоских и криволинейных поверхностей всех металлов и сплавов. Шлифование применяется также для обдирочных работ (например, при очистке литья), для заточки режущих инструментов. Наибольшее число шлифовальных работ выполняется с использованием быстро вращающегося абразивного круга.

О