Стали для измерительного инструмента

К сталям для измерительных инструментов предъявляется комплекс требований, из которых наиболее важными являются: высокая износостойкость, сохранение постоянства линейных размеров и формы при эксплуатации, высокая чистота поверхности (высокая полируемость).

Сталь, обладающая после закалки и низкого отпуска высокой твердостью, с течением времени испытывает превращения (старение), в результате которых изменяются объем и первоначальная форма изделий. Абсолютная величина изменений линейных размеров часто не превышает нескольких микронов, что, однако, может оказаться недопустимым для измерительных инструментов высокого класса точности. Старение вызывает следующие процессы, протекающие как изотермически, так и в зависимости от изменений температуры в пределах климатических колебаний:

1) мартенситного превращения некоторой части остаточного аустенита;

2) уменьшения степени тетрагональности мартенсита и выделения мелкодисперсных карбидных частиц;

3) перераспределения в объеме инструмента и уменьшения остаточных напряжений вследствие частичного перехода упругой деформации в пластическую (релаксация).

Первый процесс увеличивает объем, второй – уменьшает, третий процесс развивается в зависимости от условий распределения напряжений, формы и размеров инструмента и часто уменьшает размеры по наибольшей длине.

Обработка холодом после закалки является эффективным способом, уменьшающим последующее старение.

Для стали ШХ-15 проводят закалку в масле от 840-860°С и отпуск при температуре 150-170°С, 1-2 часа. Перед отпуском для снижения количества остаточного аустенита инструмент охлаждают до температуры, не выше 20-25°С. Это повышает стабильность размеров. Структура представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерным распределением избыточных карбидов и немного остаточного аустенита (8-15%). Затем проводят обработку холодом, чтобы исключить остаточный аустенит, который может превращаться в мартенсит в процессе эксплуатации и изменять размеры.

Для измерительного инструмента используют стали Х, ХГ, ХВГ после закалки и специального низкого отпуска при 120-130°С с последующей обработкой холодом (до -70°С) для уменьшения количества остаточного аустенита. В ряде случаев рекомендуется шестикратное повторение обработки холодом и отпуска, при этом количество остаточного аустенита уменьшается в несколько раз.

Для изготовления инструмента с высокой твердостью и износостойкостью, а также с незначительной деформацией во время закалки используют стали типа Х12Ф1, 4Х13, Х18 и др.

Средне- и низкоуглеродистые стали 50, 55 и 20 вследствие лучшей пластичности хорошо принимают холодную штамповку (вырубку) при изготовлении инструментов плоской формы. Инструменты из сталей 50 и 55 закаливают с нагревом ТВЧ, а сталь 20 подвергают ХТО (например, цементации), а затем закаливают от 790-810°С в воде или водных растворах. После закалки проводят отпуск при 150-170°С в течение 2-3 ч. Поскольку инструменты из этих сталей получают закаленный слой небольшой толщины, то развитие в нем процесса старения вызывает лишь незначительное относительно размеров всего инструмента изменение размеров. Наличие вязкой сердцевины облегчает правку инструмента.

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к инструментальным материалам?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов инструментальных сталей различного назначения?

3. Каковы режимы термообработки сталей ледебуритного класса?

4. Каковы новые направления в создании быстрорежущих сталей?

5. Каков принцип легирования и термообработки штампов холодного деформирования?

6. Каков принцип легирования и термообработки штампов горячего деформирования?

7. Какие существуют новые способы поверхностного упрочнения сталей для режущего инструмента?

8. Какие требования предъявляются к сталям для производства валков горячей прокатки? Какие упрочняющие покрытия используют для валков и технологического оборудования листопрокатных станов?

9. Какие требования предъявляются к сталям для калиброво-измерительного инструмента? Какова роль легирующих элементов в формировании свойств, технология термической обработки?

10. Какие существуют твердые и сверхтвердые материалы? Каков их состав и свойства?

 

16. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

 

 

Вариант № 1

 

1. Охарактеризуйте понятие – конструкционная прочность. Укажите критерии ее оценки и способы повышения.

2. Рассмотрите цементуемые стали, требования, предъявляемые к ним, условия работы, принципы их создания, области применения, новые направления в их создании.

3. Приведите сведения об антифрикционных материалах, их свойствах, областях применения. Какие появились новые направления в их создании.

4. Предложите материал для режущего инструмента, обладающего красностойкостью до 620°С, экономнолегированного вольфрамом. Рассмотрите роль легирующих элементов, принцип термообработки и современные способы повышения эксплуатационных свойств инструмента из выбранной стали.

5. Рассмотрите принципы легирования сталей для прессформ литья под давлением. Выберите рациональную марку стали для выплавки под давлением деталей из алюминиевого сплава. Обоснуйте режим ее термической обработки.

 

Вариант № 2

 

1. Рассмотрите требования, принципы легирования, свойства строительных сталей, области их применения, новые направления в создании высокопрочных сталей.

2. Опишите виды изнашивания. Закономерности изнашивания и пути уменьшения износа. Выберите материалы, устойчивые к ударно-абразивному изнашиванию. Какова роль аустенита в сопротивлении сталей абразивному изнашиванию? Укажите новые направления в повышении сопротивления абразивному изнашиванию.

3. Рассмотрите высоконикелевые пружинные сплавы, их особенности, режимы термообработки и области применения.

4. Приведите сведения о новых твердых сплавах и сверхтвердых материалах. Укажите их отличие от широко применяемых, а также преимущества по сравнению с ними.

5. Приведите данные об экономнолегированных никелем сталей для молотовых штампов, принципах их легирования, роли легирующих элементов, технологии термической и химико-термической обработок (в том числе с использованием источников концентрированной энергии).

 

 

Вариант № 3

 

1. Рассмотрите принципы создания двухфазных сталей для глубокой вытяжки, систему их легирования, роль легирующих элементов, технологию их термической обработки. Укажите их преимущества перед применяющимися для глубокой вытяжки сталями типа 08кп и 08Ю.

2. Предложите материал для сосудов хранения жидкого азота, если от него требуется ударная вязкость при -196°С KCU ³ 1,0 МДж/м² и экономное легирование никелем.

3. Подберите материал для кольца шарикоподшипника диаметром 2,5 м и сечением 150 мм. Укажите способ его упрочняющей обработки.

4. Приведите сведения на основе патентных и литературных данных за последние годы о сталях для прессового инструмента. Укажите систему легирования, назначение легирующих элементов и новое в технологии термической обработки.

5. Приведите сведения о безвольфрамовых быстрорежущих сталях, а также способах повышения их стойкости.

 

Вариант № 4

 

1. Приведите сведения о строительных низколегированных сталях. Укажите принципы их легирования, роль легирующих элементов, технологию их термической обработки и получаемые механические свойства. Рассмотрите преимущества низколегированных сталей в сравнении с углеродистыми. Проанализируйте современные тенденции в их совершенствовании.

2. Рассмотрите роль микролегирования сильными карбидообразующими элементами (ванадий, ниобий, цирконий, титан), а также модифицирования кальцием и редкоземельными элементами в повышении свойств конструкционных улучшаемых сталей.

3. Проведите анализ литературных данных и патентных материалов по легированным азотом конструкционным сталям (состав, структура, свойства). Укажите их преимущества перед сталями, не содержащими азот.

4. Предложите экономичный материал для прессформ литья под давлением заготовок из сплавов на медной основе. Обоснуйте их выбор. Приведите данные о химическом составе, структуре и свойствах.

5. Рассмотрите принципы легирования быстрорежущих сталей повышенной красностойкости. Приведите составы, структуру, свойства и области применения.

 

 

Вариант № 5

 

1. Рассмотрите принципы легирования, роль легирующих элементов, способы упрочнения пружинных сталей общего назначения. Укажите современные направления совершенствования их состава и способов обработки.

2. Проведите анализ литературных данных и патентов (авторских свидетельств) по экономнолегированных марганцем износостойким аустенитным сталям, их химическому составу, роли легирующих элементов, технологии термообработки, свойствам и областям применения.

3. Рассмотрите принцип легирования шарикоподшипниковых сталей. Приведите состав, свойства и режимы обработки, современные тенденции совершенствования их химического состава и технологии упрочнения.

4. Приведите сведения о дисперсионно-твердеющих сталях для инструмента горячего деформирования. Укажите их химический состав, роль легирующих элементов, технологию термообработки, преимущества и недостатки.

5. Предложите материал для фрез, предназначенных для обработки аустенитных жаропрочных сплавов. Обоснуйте выбор. Приведите сведения о выбранном материале (химический состав, структура, свойства, режимы термообработки).

 

 

Вариант № 6

 

1. Приведите сведения об антифрикционных металлических материалах. Укажите их химический состав, принципы легирования, структуру, свойства, области применения, современные направления в их совершенствовании, преимущества и недостатки.

2. Проведите анализ литературных данных и патентов (авторских свидетельств) по износостойким сталям, работающим в условиях ударно-абразивного изнашивания (типа стали 110Г13Л) и определите тенденции в повышении их износостойкости.

3. Рассмотрите принципы легирования автоматных сталей, роль таких элементов, как сера, фосфор, свинец, кальций, селен, теллур, приведите составы таких сталей, их механические свойства, а также обрабатываемость резанием.

4. Предложите материал для пуансонов холодного деформирования, подвергающихся интенсивному изнашиванию и нагреву до 450°С. Обоснуйте выбор. Приведите сведения о выбранном материале (химический состав, структура, свойства, режимы термообработки).

5. Подберите материал для прессовых вставок, работающих при температурах 550-600°С и обладающих повышенной износостойкостью.

 

 

Вариант № 7

 

1. Приведите сведения об арматурных сталях. Укажите принципы их легирования и термообработки, направления их совершенствования. Рассмотрите данные о структуре и свойствах.

2. Предложите и обоснуйте выбор материала для высоконагруженных шестерен, их термическую обработку.

3. Выберите материал для пружин, работающих при температурах до 500°С. Обоснуйте систему его легирования и роль легирующих элементов, а также технологию термообработки и получаемую при этом структуру.

4. Приведите составы и свойства, области применения твердых сплавов на основе карбидов. Укажите современные направления в совершенствовании их составов с целью экономии дорогих и дефицитных элементов.

5. Приведите данные о повышении эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей за счет применения обработок с использованием источников концентрированной энергии.

 

 

Вариант № 8

 

1. Приведите сведения о системе легирования, роли легирующих элементов, структуре и свойствах цементуемых сталей, областях их применения, повышении их свойств термообработкой.

2. Приведите данные о роли никеля в улучшаемых конструкционных сталях. Укажите направления создания экономнолегированных никелем сталей, приведите составы, свойства экономнолегированных сталей в сравнении с широко применяемыми никельсодержащими сталями.

3. На основании патентных и литературных данных определите новые направления в создании быстрорежущих сталей. Укажите их составы, технологию их термообработки, структуру и свойства. Сопоставьте последние с широко применяемыми быстрорежущими сталями (например, Р6М5).

4. Сравните свойства сталей для штампов холодного деформирования, содержащих 12 и ~ 6% Cr, их преимущества и недостатки.

5. Рассмотрите применение термодиффузионной обработки поверхности (хромирование, азотирование, борирование и др.) для повышения эксплуатационных свойств штамповых сталей.

 

Вариант № 9

 

1. Предложите материал для вала высокооборотного двигателя сечением 150 мм, который должен иметь: s_0,2=900 МПа; s_В=1200 МПа; d=12-14%; y=55-60%; KCU=1,0 МДж/м² и сквозную прокаливаемость.

2. Приведите данные о сталях для глубокой вытяжки, их составе, технологии обработки, структуре и свойствах. Укажите пути создания нестареющих сталей.

3. Проведите анализ литературных данных и патентов (авторских свидетельств) по пружинным сталям. Приведите данные о режимах обработки, структуре, свойствах и областях применения, а также способах повышения усталостной прочности.

4. Рассмотрите принципы легирования штампов горячего деформирования, предназначенных для работы при температурах 700-800°С. Приведите марки, составы, режимы термообработки, свойства.

5. Рассмотрите принципы создания карбидосталей, технологию их производства, структуру, свойства и области применения, преимущества перед обычными инструментальными сталями.

 

 

Вариант № 10

 

1.Приведите данные об азотируемых улучшаемых сталях (составы, структура, свойства). Каковы их преимущества и недостатки по сравнению с цементируемыми сталями.

2. Рассмотрите принципы легирования строительных сталей различных классов прочности. Укажите области их применения.

3. Предложите сталь для особо глубокой вытяжки, обоснуйте свой выбор. Укажите марку, свойства, области применения.

4. Рассмотрите принципы легирования, термообработки сталей для мерительного инструмента.

5. Проведите анализ литературных данных и патентов (авторских свидетельств). Определите современные тенденции в развитии быстрорежущих сталей.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова.- М.:Машиностроение, 1986.- 384 с.

2. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П.Леонтьева.- М.: Машиностроение, 1990.- 526 с.

3. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы / Б.Н. Арзамасов.- М.: Машиностроение, 1990.- 620 с.

4. Геллер Ю.А. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г.Рахштадт.- М.:Металлургия, 1989.- 455 с.

5. Мозберг Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг.- М.: Высшая школа, 1991.- 448 с.

6. Журавлев В.Н. Машиностроительные стали / В.Н. Журавлев, О.И.Николаева, 1991.- 391 с.

7. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков.- М.: Металлургия, 1986.- 485 с.

8. Гольдштейн М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В.Грачев, Ю.Г.Векслер.- М.: МИСИС, 1999.- 408 с.

9. Геллер Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер.- М.: Металлургия, 1983.- 527 с.

10. Малинов Л.С. Структура и свойства Fe-Cr-Mn-сталей после закалки с предварительным нагревом в межкритическом интервале температур ¤ Л.С.Малинов, А.П.Чейлях ¤¤ Металловедение и термическая обработка металлов.-1990.-№ 6.-с. 45-47.

11. Малинов Л.С. Повышение абразивной износостойкости цементированных сталей 18ХГТ и 12ХН3А ¤ Л.С.Малинов, Е.Л.Малинова, Е.Я.Харланова ¤¤ Металлы.-1993.-№2.-с.108-111.

12. Малинов Л.С. Экономнолегированные марганцем износостойкие стали ¤ Л.С.Малинов ¤¤ Металл и литье Украины.-1997.-№ 8-9.-с.11-14.

13. Малинов Л.С. Повышение свойств цементованных сталей за счет реализации эффекта самозакалки при нагружении, регулировании количества и стабильности аустенита применительно к конкретным условиям ¤ Л.С.Малинов // Металл и литье Украины. – 2002. - №10. – с.10-12.

14. Малинов Л.С. Повышение износостойкости сталей и чугунов за счет получения в их структуре метастабильного аустенита и реализации эффекта самозакалки при нагружении/Л.С. Малинов // Металл и литье Украины.- 2004.- №7, с. 24-28.

15. Чейлях А.П. Экономнолегированные износостойкие чугуны с метастабильным аустенитом /А.П.Чейлях, И.М.Олейник// XI региональная научно-техническая конференция, сварочный факультет: тезисы докладов/ ПГТУ. - Мариуполь, 2004, Т2, с. 72.

16. Чейлях А.П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии/ А.П. Чейлях. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – 212с.

17.Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей машин /Д.Н.Гаркунов.- М.: Машиностроение, 1990.–368с.

18. Ляхович Л.С. Специальные стали ¤ Л.С.Ляхович.- М..: Высшая школа, 1985.- 208с.

19. Бернштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка ¤М.Л.Бернштейн.- М.: Металлургия, 1983.- 327с.-т.2.

20. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы ¤ А.Г.Рахштадт.- М.: Металлургия, 1982.- 400с.

21. Большаков В.И. Термическая обработка строительной стали повышенной прочности ¤ В.И. Большаков, К.Ф. Стародубов, М.А. Тылкин.- М.: Металлургия, 1977.- 200с.

22. Тормозные устройства. Справочник / Под ред. М.П.Александрова. – М.: Машиностроение, 1985. - 311 с.

23. Ефименко С.П. Структура и свойства высокоазотистых сталей / С.П. Ефименко // Металлы.- 1992.- № 1.- С.119-127.

24. Костина М.В. Особенности сталей, легированных азотом / М.В. Костина, О.А. Банных, В.М. Блинов // МиТОМ.- 2000.- № 12.- С. 3-6.

25. Позняк Л.А.Штамповые стали ¤ Л.А.Позняк, Ю.М. Скрынченко, С.И. Тишаев.- М.: Металлургия, 1980.- 243 с.

26. Безпрозванных А.В. Свойства штамповых сталей с пониженным содержанием вольфрама / А.В. Безпрозванных, Г.А. Воробьёва // МиТОМ.-1988, №7.- С.20-23.

27. Борисов И.А. Влияние перегрева на механические свойства валковых и штамповой сталей/ Борисов И.А.// Металловедение и термическая обработка металлов.-2001, №8.-С.5-8.

28. Куниловский В.В. Литые штампы для горячего объемного деформирования ¤ В.В. Куниловский, В.К.Крутиков.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987.- 126 с.