Конструкционные и инструментальные материалы в слесарном деле

By | 9 августа, 2011

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Черные металлы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цветные металлы и сплавы

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

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

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

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

Инструментальные материалы

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

Углеродистые инструментальные стали

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

Легированные инструментальные стали

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

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

Быстрорежущие стали

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

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

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

Твердые сплавы

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

Твердые сплавы разделяют на три группы.

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *