Основные теоретические сведения

Сталь – основной материал, широко применяемый для изготовления разнообразных деталей машин и приборов.

По способности принимать термическую обработку машиностроительные стали можно разделить на используемые без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему сечению.

 Не упрочняемые термической обработкой стали (05кп,10кп,20кп,08,10 и др.) отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Они хорошо штампуются и свариваются, поэтому широко применяются для штамповки деталей кузова автомобиля, корпусов приборов, изготовления сварных резервуаров и т.д.

Упрочняемые в поверхностном слое стали рационально использовать для изготовления деталей, от которых требуется высокая износостойкость и усталостная прочность поверхности. Для этого необходимо обеспечить высокую твёрдость поверхностного слоя, в то время как сердцевина детали может оставаться относительно малопрочной.

Цементуемые сталисодержат до 0,2 % углерода. При цементации содержание углерода в поверхностном слое возрастает до 0,8…0,9%,а твёрдость после закалки достигает 60…62HRC. Высокая твёрдость цементованного слоя сохраняется до температур ~200ºС.Глубина цементованного слоя обычно составляет 0,5…1,5 мм.

 В качестве цементуемых углеродистых сталей используются качественные и высококачественные стали и реже стали обыкновенного качества. Легированные цементуемые стали применяют для изготовления деталей больших размеров и сложной формы, эксплуатирующихся при повышенных нагрузках, так как они лучше прокаливаются и позволяют получить более прочную сердцевину.

 Азотируемые стали должны содержать хром, молибден, алюминий, ванадий и титан. Азотированные слои имеют очень высокую твёрдость (69…71HRC),которая сохраняется при нагреве до 500…600ºС. Помимо высокой износостойкости и усталостной прочности азотирование обеспечивает хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Цианирование (нитроцементация) — одновременное насыщение поверхностных слоёв стальных изделий углеродом и азотом. Этот метод химико-термической обработки обеспечивает повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталой прочности стальных деталей.

Упрочняемые по всему сечению стали используют для изготовления деталей, испытывающих высокие нагрузки растяжения, изгиба, кручения и т.д. Их можно подразделить на улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные.

Улучшаемые стали содержат 0,3…0,5% С и не более 5% легирующих элементов. Эти стали предназначены для изготовления ответственных деталей машин ( валов, штоков, шатунов и т.п. ) работающих в условия циклических или ударных нагрузок,концентрации напряжений а в некоторых случаях и при пониженных температурах. Поэтому они должны иметь высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.

Высокопрочные сталиимеют предел прочности 1400…2000 Мпа и

Применяются для изготовления наиболее ответственных деталей в авиации (силовые сварные конструкции, детали фюзеляжа, шасси), ракетной технике, судостроении и др. Среди них можно выделить:

• среднеуглеродистые комплекснолегированные низкоотпущенные стали (30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 30Х2ГСН2ВМ и др), имеющие предел прочности 1800…2000 МПа;

среднеуглеродистые стали (30ХГСА,40ХН,40ХНМА,38ХН3МА и др.),получающие высокую прочность (σ b=2000…2800 МПа) после термомеханической обработки;

• мартенситостареющие стали — безуглеродистые (С ≤0.03%) сплавы железа с 8…25% Ni, легированные Co,Mo,Ti,Al,Cr и др. (H18K9M5T,H12K15M10,H10X11M2T и др.), высокая прочность которых σb=1600…2100МПа обеспечивается мартенситным превращением при закалке.

Рессорно-пружинные стали предназначаются для изготовления упругих элементов общего назначения. Особенности работы пружин,рессор и других деталей пружинного типа состоят в том, что при значительных ударных или статистических нагрузках и изгибе в ни хне допускается остаточная деформация в связи с этим стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, оцениваемым пределом упругости (текучести),а также высоким пределом выносливости. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерод (0,5-0,7%), которые подвергают закалке и среднему отпуску (420-520ºС) на троостит.

Углеродистые инструментальные стали

Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187…217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Из-за низкой прокаливаемости углеродистые стали пригодны для мелкого инструмента или для инструмента сечением до 25мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т.п.). Несквозная закалка уменьшает деформации инструмента и повышает за счет вязкой сердцевины его устойчивость к ударам и вибрациям. В сечениях более 25 мм закаленный слой получатся тонким и продавливается во время работы.

Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 – неполной закалке. Инструмент сечением более 15 мм охлаждают в воде или водных растворов солей и щелочей. Инструменты меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания закаливают в масле или расплавах солей при 160…200 ℃.

Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для инструментов, подвергающихся ударам: деревообделочного, слесарного, кузнечного, а также пуансонов, матриц и др. После закалки их отпускают при 275…350 ℃ на троостит (HRC 48…51). Заэвтектоидные стали У10, У11, У12 используют после низкого отпуска (150…180 ℃) со структурой мартенсита и включениями карбидов, обеспечивающих повышенную износостойкость. Их применяют для инструментов с высокой твердостью на рабочих гранях (HRC 62…64): режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т.д.), измерительного (калибры простой формы и невысоких классов точности) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Сталь У13 применяют для инструментов, требующих наиболее высокой твердости: шаберов, гравировального инструмента.

Легированные стали для режущего инструмента.

Низколегированные стали содержат повышенное количество углерода и до 5 легирующих элементов. По структуре они относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше A1 и низкому отпуску. Стали имеют структуру мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) и характеризуется высокой твердостью (HRC 62…69) и износостойкостью. Однако, как и углеродистые, они не обладают теплостойкостью и имеют практически одинаковые с ними режущие свойства. Их применяют для инструмента, работающего при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200…260ºС. В отличие от углеродистых они меньше склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструмент больших размеров и более сложной формы.

Стали Х,9ХС,ХВГ,ХВСГ закаливаются в масле и относятся к сталям глубокой прокаливаемости. Сталь 9ХС в отличие от стали Х (1,5 % Cr), благодаря присутствию кремния имеет более высокую устойчивость против отпуска (до 260ºС), повышенные режущие свойства и применяется для изготовления фрез, сверл, резьбонарезного и другого инструмента сечением до 35 мм. Недостаток стали 9ХС — склонность к обезуглероживанию. Сталь ХВ из-за присутствия марганца характеризуется малой деформацией при закалке. Её применяют для длинного стержневого инструмента (сверл, разверток, протяжек и т.п.) сечением до 45 мм. Сложнолегированная сталь ХВСГ сочетает в себе лучшие свойства сталей 9ХС и ХВГ и используется для инструментов большого сечения (до 100 мм).

Быстрорежущие стали — группа высоколегированных сталей, предназначенных для изготовления высокопроизводительного инструмента.

Основное свойство этих сталей — высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами (Mo,V), а так же кобальтом.Инструмент из этих сталей сохраняет высокую горячую твёрдость до 600…640ºС и допускает в 3…5 раз более производительные режимы резания, чем из сталей, не обладающих теплостойкостью.

Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850ºС, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей — высокая температура нагрева. Она необходима для обеспечения теплостойкости — получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. После закалки стали не обладают максимальной твердостью (HRC 60…62), так как в структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов, содержится 30…40% остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением точки Мк ниже 0ºС. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске или обработке холодом.

Применение после закалки обработки холодом сокращает цикл термической обработки. В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов, и твердость (HRC 62…65) Режущие свойства дополнительно улучшают низкотемпературным цианированием.

Порядок выполнения работы

5.1.Оформить краткий конспект

5.2.Решить задачи согласно варианту (Приложение В)

5.3. Оформить отчет

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2. Выполнение задания

6.3. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1. Для изготовления, какого инструмента применяют быстрорежущие стали?

7.2. Для изготовления, какого инструмента применяют азотируемые стали?

7.3. Для изготовления, какого инструмента применяют цементуемые стали?

7.4. Для изготовления, какого инструмента применяют легируемые стали?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учебник: 2-е изд., исправл. и доп. / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г, Ф. Косолапое [и др.]; под общ. ред. Б. Н. Арзамасом. М., 1986.

 

Приложение В

 

Вариант	Задача 1	Задача 2
1.	Шестерни из стали 45 закалены: первая от температуры 740 С, а вторая от температуры 830 С. Используя диаграмму Fe-Fe3C, объяснить, какая из этих шестерен имеет более высокую твердость и лучше эксплуатационные свойства и почему?	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пружин из стали 70, которые должны иметь твердость 2300-2500 HB. Описать сущность происходящих превращений и микроструктуру стали после термообработки.
2.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) рессор из стали 65, которые должны иметь твердость 40-45 HRC. Описать сущность происходящих в процессе термообработки превращений, микроструктуру и свойства рессор в готовом виде.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) штампов из стали У8. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.
3.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) стяжных болтов из стали марки Ст5, которые должны иметь твердость 2100-2300 HB. Описать превращение при термообработке, микроструктуру и свойства болтов в готовом виде.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пружин их стали 65, которые должны иметь твердость 40-45 HRC. Какие превращения, которые происходят в стали в процессе термообработки? Какую структуру и свойства имеют пружины в готовом виде?
4.	При какой температуре производиться отпуск закаленных рессор из стали 65? Описать сущность превращений, происходящих в процессе закалки и отпуска рессор, их микроструктуру и свойства.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) изделий из стали 45, которые должны иметь твердость 2300-2500 HB. Описать превращения происходящие при термической обработке, микроструктуру и твёрдость изделий в готовом виде.
5.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) валов из стали 40, которые должны иметь твердость 3000 HB. Описать превращения, которые произошли в стали в процессе закалки и отпуска и описать полученную структуру.	Для изготовления зубчатого колеса применили сталь 40Х. Какую необходимо провести термообработку, что бы колесо имело высокую поверхностную и твердость и вязкую сердцевину.
6.	Выбрать марку среднеуглеродистой стали для изготовления зубчатого колеса и назначить термообработку для получения высокой поверхностной прочности и вязкой сердцевины. Провести полную и неполную закалку стали 35. Указать полученные структуры. Какая предпочтительнее?	Выбрать марку стали для изготовления зубчатого колеса и назначить режим термообработки (закалка, отпуск).
7.	Режущий инструмент из стаи У10 был перегрет при закалки. Чем характерен нагрев? Чем он вреден? Как можно исправить такой дефект	Инструмент из стали У12 имеет структуру перлита и вторичного цементита, расположенного в виде сетки и игл. Как провести закалку такого инструмента? Дать обоснование выбранного режима.
8.	В чем заключается отрицательное влияние цементитной сетки на свойства инструментальной стали У10 и У12, какой термической обработкой можно ее уничтожить? Дать обоснования выбранного режима.	Назначить режим термической обработки (температуру нагрева, время выдержки и охлаждающую среду) зубил сечением 25 мм из стали марки У7. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после обработки.
9.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) фрез из стали У12. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после обработки.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчиков из стали У10. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.
10.	Изделия из стали 60 закалки и последующего отпуска имеют твердость, превышающую обусловленную техническими условиями. Чем вызван этот дефект? Как его можно устранить? Описать сущность превращений, происходящих при термической обработке.	Изделия после закалки имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями. Чем вызван этот дефект и как его можно устранить?
11.	Режущий инструмент требуется обработать на максимальную твердость. Для его изготовления выбрана сталь У13А. Назначать режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали.	Выбрать марку инструментальной стали для изготовления измерительного инструмента (калибр-пробка) и назначьте режим термообработки для получения высокой твердости (закалка, отпуск).
12.	Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. Чем вреден перегрев и как можно исправить этот дефект? Произведите исправление структуры и назначьте режим термической обработки, обеспечивающий нормальную работу инструмента. Опишите его структуру и свойства.	Какие детали приборов изготавливают из стали 50? Какой термической обработкой можно получить структуру сорбит?
13.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) резьбовых калибров из стали У9. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.	Выбрать марку инструментальной стали для изготовления измерительного инструмента (калибр-пробка) и назначить режим термообработки для получения высокой твердости (закалка, отпуск).
14.	Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчиков из стали У10. Описать превращения, происходящих при термообработке, микроструктуру и свойства инструмента в готовом виде.	Выбрать марку инструментальной стали и назначить термообработку для получения высокой прочности.