Индивидуальный
подход
к
выполнению
тех
заданий
Материаловедение

1. Черные металлы

Сплавы железа углеродом содержанием последнего до 2% называются сталями;
содержанием углерода > 2% — чугуном.

Чугун, исключением некоторых литейных сплавов и чугуна с шаровидным графитом, обладает лишь средней прочностью на растяжение.

Сталь же, напротив, является вязкой, легко поддается термической, а при низком содержании углерода - и холодной формовке.

Прочность стали можно значительно значительно повысить посредством ее термообработки (закалка и улучшение); однако при этом существенно снижается ее деформируемость.
1.1 Стали

1.1.1 Классификация сталей

Стали делятся на группы по составу сплава, структурным составляющим и механическим свойствам.

В зависимости о состава сплава различают:

  • нелегированные стали;
  • низколегированные стали (с содержанием каждого легирующего элемента < 5%);
  • высоколегированные стали (с содержанием одного из легирующих элементов не менее 5%);
Нелегированные стали делятся на предназначенные и не предназначенные для термообработки.

Низколегированные стали имеют свойства, во многом схожие со свойствами нелегированных сталей. Технически важным отличием является их улучшенная закаливаемость, а также повышенная жаропрочность и устойчивость отпуска.

Высоколегированные стали имеют особые свойства.
Стойкость к образованию окалины или специальные физические свойства реализуются только у высоколегированных сталей.
Рис. 1.1 Ковочно-штамповочный инструмент
Для потребителя часто представляет интерес обозначение, по которому можно определить прочие важные свойства сталей.
Поэтому для практических целей, в зависимости от сферы применения и варианта применения, различают:
  • Автоматные стали
  • Цементируемые стали
  • Улучшенные стали
  • Азотируемые стали
  • Инструментальные стали
  • Нержавеющие и кислостойкие стали
Рис. 1.2 Штамп

1.1.2 Факторы, влияющие на обрабатываемость сталей резанием

Обрабатываемость какой-либо детали резанием всегда следует оценивать с учетом применяемых способов обработки, материала режущего инструмента и режима резания. Характер резания зависит и от самой детали, в данном случае от структуры и механических свойств (твердость, прочность).

1.1.2.1 Обрабатываемость резанием в зависимости от содержания углерода

Углеродистые стали (нелегированные качественные стали) с содержанием С < 0,8% называются доэвтектическими (по диаграмме состояния железо-углерод - см. также рис. 1.4).
Их основным структурными составляющими являются перлит (смесь феррита и цементита, высокая твердость) и феррит (низка твердость, высокая пластичность).

При обработке резанием феррит создает значительные трудности:
  • высокая склонность к налипанию материала на инструмент, образование наростов на режущей кромке
  • образование нежелательной ленточной и запутанной стружки (высокая пластичность)
  • низкая чистота обработки поверхности и образование заусенцев на деталях
Перлит, в свою очередь, осложняет процесс резания следующими факторами:
  • сильный абразивный износ
  • повышенные силы резания
Обрабатываемость резанием сталей содержанием С < 0,25% в значительной мере обусловлена вышеназванными свойствами феррита.

При низких скоростях резания на режущей кромке образуются наросты. С повышением скорости резания износ инструмента постепенно увеличивается, при этом возрастает и температура резания.

Учитывая эти факторы, следует выбирать инструмент по возможности с положительным передним углом. Поверхности низкого качества и с множеством заусенцев образуются, прежде всего, при низких скоростях резания, обусловленных технологий обработки.

Рис. 1.3 Ферритно-перлитная структура (феррит светлый)


Для углеродистых сталей с содержанием 0,25% < C > 0.4% свойства перлита влияют на обрабатываемость резанием следующим образом:
  • снижаются склонность к налипанию и образование наростов на режущей кромке;
  • вследствие повышенной нагрузки на зонгу контакта возрастает температура резания и увеличивается износ инструмента;
  • структура материала положительно влияет на чистоту обработки поверхности, на количество и форму стружки;
Хорошо обрабатываются углеродистые стали с содержанием прим. 0,25% С.

Рис. 1.4 Схематическая классификация железоуглеродистых сплавов
При дальнейшем повышение содержания углерода (0,4% < C < 0,8%) увеличивается доля перлита, а при 0,8% С перлит остается единственной структурной составляющей. В целом, стали считаются хорошо обрабатывающимся материалом с точки зрения образования стружки и чистоты обработки поверхности .

Вследствие повышенной твердости и прочности надлежит считаться с интенсивным износом. Для уменьшения износа следует работать с пониженной скоростью или использованием СОЖ.

В заэвтектических углеродистых сталях (С > 0.8%) при медленном охлаждении на воздухе также образуется феррит и цементит. В отличие от доэвтектических углеродистых сталей ферритовая решетка не образуется, феррит присутствует только в качестве раствора в перлите. Образование перлита начинается непосредственно от границ зерна аустенита.

При содержании углерода значительно превышающим 0,8% на границах зерна происходит осаждение цементита, т.е. даже свободный цементит образует оболочку вокруг зерен аустенита или перелита. Подобные стали при обработке вызывают очень сильный износ.

Наряду с интенсивным абразивным воздействием твердых и хрупких структурных составляющих, возникающие высокие давления ии температуры даже при сравнительно низких скоростях резания вызывают сильный износ по передней и задней поверхностям (см. также тему "Теоретические основы", раздел 1.2).

В связи с этим надлежит работать с низкими скоростями резания и большим поперечным сечениями стружки, а также с прочными режущими кромками.

1.1.2.2 Обрабатываемость резанием в зависимости от легирующих элементов

Легирующие элементы вводятся специально с целью изменения механических и термических свойств. Ниже описывается влияние некоторых важных легирующих элементов на обрабатываемость сталей резанием.

  • Хром и молибден - повышают закаливаемость стали и при этом в случае цементируемых у улучшенных сталей влияют на обрабатываемость резанием за счет структуры и прочности. В случае сталей с повышенным содержанием углерода или лигирующих компонентов эти металлы образуют твердые специальные и смешанные карбиды, способные осложнить процесс резания. Аналогичное влияние оказывает и вольфрам.

  • Никель - таким же образом влияет на прочность стали и способствует повышению вязкости. Это ухудшает обрабатываемость резанием, особенно в случае аустенитных никелевых сталей (при повышенным содержании Ni).

  • Кремний - повышает прочность феррита и образует, например, при соединении с алюминием, твердые включения оксида кремния (силиката). Из-за этого возможен повышенный износ инструмента.

  • За счет добавления в сплав Фосфора получают быстроломкую стружку. При содержании до 0,1% фосфор оказывает положительное влияние на обрабатываемость резанием. При более высоком содержании фосфора качество поверхности повышается, однако усиливается износ инструмента.

  • Добавление титана и ванадия - даже в малых количествах может способствовать значительному повышению прочности. Вследствие значительно уменьшения размера зерен следует ожидать плохих результатов в отношении сил резанья и характера стружкообразования.

  • Сера - растворятся в железе лишь в небольших количествах, но в зависимости от лигирующих компонентов, содержащихся в стали, образует стабильные сульфиды. Сульфиды марганца MnS являются предпочтительными, т. к. они положительно воздействуют на обработку резанием (быстроломкая стружка, слабое образование наростов на режущей кромке, улучшенное качество поверхности детали). Изменяя уровень содержания серы в стали, можно оказывать значительное влияние на ломкость стружки и образование заусенцев при обработке резанием.

  • Марганец - повышает закаливаемость и прочность сталей. Вследствие высокого сродства серы и марганца при их взаимодействии образуются сульфиды. Содержание марганца до 1,5% у сталей с низким содержанием углерода благоприятно сказывается ни их обрабатываемости резанием благодаря оптимальному характеру стружкообразования. Увеличение содержания углерода имеет негативные последствия для обрабатываемости резанием вследствие увеличения износа инструмента.

  • Свинец - имеет относительно низкую точку плавления и содержится в железе в форме субмикроскопических включений. При обработке резанием между инструментом и обрабатываемым материалом образуется защитная свинцовая пленка, благодаря которой снижаются силы резания и износ инструмента. Стружка становится хрупкой.

1.1.2.3 Обрабатываемость резанием в зависимости от термообработки

Путем целенаправленной термообработки можно изменить структуру стали таким образом, что наряду с изменением механических свойств станет возможным приведение обрабатываемости резанием в соответствие с требованием.

В таблице 1.1 представлен обзор влияния различных способов термообработки на износ режущего инструмента и характер стружкообразования при обработке сталей.
Таблица 1.1 Обрабатываемость резанием в зависимости от термообработки
1.5 Структура стали марки Ст. 45, различные способы термообработки

1.1.3 Обрабатываемость различных сталей

Сталь
Особенности
Обрабатываемость
резанием
Эффекты
Автоматная сталь
например:
А15;
А20;
А40;
А40Г и т.д.
Основные легирующие элементы:
Pb, P, S
Mn в соединении с серой образуют
сульфид марганца MnS
В зависимости от скорости резания возможно повышение стойкости, особенно при добавлении Pb (50% до 70%)
Возможно снижение усилий резания на 50%
Быстроломкая стружка;
Чистые поверхности обрабатываемого материала;
Слабая склонность к образованию наростов на режущей кромке;
Незначительный износ инструмента;
Цементируемая сталь
например:
20Х,
20ХН,
12ХНЗА, 18Х2Н4ВА и т.д.
Нелегированные стали, высококачественные и нержавеющие стали, а также легированные нержавеющие стали с содержанием С < 0,2%
Цементация: насыщение углеродом определенной зоны
до 0,6-0,9% С (твердостью до 60 HRC по шкале Роквела)
Для снижения наростообразования предпочтительно работать с высокими скоростями резания и твердосплавным инструментом.
Средние подачи.
Сбалансированная геометрия инструмента (положительный передний угол)
Обработка инструментам из мелкозернистого твердого сплава, керамических сплавов а также кубическим нитридом бора
Хорошее качество поверхности
Хорошая ломкость стружки;
Очень хорошее качество поверхности;
Улучшенная
сталь
например:
40ХН,
40ХНА,
40ХНМА, 30Х2Н4МА и т.д.
Содержание углерода
0,2% < С < 0,6%
Основные легирующие
элементы:
Хром Cr
Никель Ni
Ванадий V
Молибден Mo
Кремний Si
Марганец Mn
Обрабатываемость резанием сильно зависит от состава сплава и термообработки;
Улучшение в большинстве случаев после черновой и перед чистовой (финишной) обработкой;
Снижение скорости резания с увеличением содержания углерода (доля перлита);
В большинстве случаев, черновую обработку нормализованного материала можно производить на повышенных режимах резания
Окончательная обработка с пониженной скоростью резания преимущественно твердосплавным инструментом, HSS - только для сверления и нарезания резьбы;
Использование минералокерамических режущих инструментов и режущих инструментов из КНБ при твердости свыше 45 HRC по шкале Роквелла (ср. обработка цементируемой стали);
Очень хорошая обрабатываемость резанием;
Незначительный износ инструмента;
Незначительный износ инструмента;
Азотируемая
сталь
например:
Х12Ф1,
40Х2МФА,
30ХН2МФА,
Х12Ф1 и т.д.
Содержание углерода
0,2% < С < 0,45%
Основные легирующие элементы:
Cr, Mo, Al, V
Высокая поверхностная твердость материала за счет присутствия нитридов металла
Вследствие очень высокой поверхностной твердости обработка резанием выполняется перед азотированием
Улучшенный исходный материал:
низкая скорость резания
Допустимый износ инструмента
Неулучшенный исходный материал
Плохое удаление стружки образование заусенцев
Плохо поддается обработке резанием
Содержание никеля > 1%
Хорошо поддается обработке резанием
Добавление серы (S)
Инструментальная
сталь
например:
У8,
У12А,
10ХС и т.д.
Содержание С < 0,9% у нелегированных сортов инструментальной стали
Использование твердосплавных режущих инструментов с содержанием титана и карбида титана
Повышенная склонность к налипанию;
Образование наростов на режущей кромке;
Относительно плохая обрабатываемость резанием;
Некачественные и шероховатые поверхности;
Улучшение обрабатываемости резанием
Улучшение инструментальной стали
Нержавеющая и высокожаропрочная сталь
например:
40Х13
12Х18Н10Т
14Х17Н2
08Х17Т и т.д.
Содержание хрома > 12%
Преимущественно ферритные стали
Хорошо поддается обработке резанием
Плохо поддается обработке резанием;
Высокая склонность к налипанию;
Образование наростов на режущей кромке;
Склонность к наклепу;
Дополнительное содержание никеля 10-13%
Аустенитные стали:
Низкая скорость резания;
Относительно высокая подача для уменьшения количества резов;
Таблица 1.2 Обрабатываемость резанием различных сталей
Для оценки обрабатываемости резанием нержавеющих сталей можно в последствии качестве вспомогательного средства использовать приведенный коэффициент PRE (Pitting Resistance Equivalent), который описывает сопротивление нержавеющих сталей к так называемой, сквозной коррозии (анг. Pitting).
Коэффициент PRE = % Cr + 3.3 * % Mo + 30 * % N
Cr ... хром
Mo ... молибден
N ... азот
% ... процент содержания
элементов
Для оценки обрабатываемости резанием, в частности при точении нержавеющих сталей, действительными являются следующие диапазоны:
Диапазон
коэффициента
PRE
Примеры материалов и их обозначения


PRE < 16
16 < PRE < 22
22 < PRE < 34
PRE > 16
хорошо
средне
тяжело
тяжело
08Х13
10Х13
30Х13
12Х18Н10Т
10Х17Н13М2Т
Оценка
обрабатывае- мости
резанием
12Х25Н5ТМФЛ
Таблица 1.3 Коэффициент PRE для оценки обрабатываемости резанием нержавеющих сталей
Пример расчета коэффициента PRE
Материал 12Х25Н5ТМФЛ

Анализ:
________________Cr: 25.0 ... 28,0 % ______________разность = 3,0% _________Cr = 1,5%
________________Mo: 1.3 ... 2,0 % ________________разность = 3,0% ________Mo = 0,35%
________________N: 0.05 ... 0,2 % ________________разность = 3,0% _________N= 0,075%



Коэффи- = (25.0+Cr)% + 3,3 * (1.3+Mo)% + 30 * (0.05+N)%
циент PRE = 26,5% + 3,3 * 1,65% + 30 * 0,125%
Коэффи-
циент PRE = 35,7
31
41

В таблице 1.4 приводится обзор ориентировочных скоростей резания при точении стали, преимущественно твердосплавным инструментом с покрытием.

Материалы
Скорость резанья
240 м/мин
до
400 м/мин
180 м/мин
до
320 м/мин
130 м/мин
до
250 м/мин
120 м/мин
до
220 м/мин
110 м/мин
до
190 м/мин
Конструкционные
стали общего
назначения
Автоматная сталь,
необработанная
-
до 0,2% С
напр. : 17ГС
более 0,2% С
напр. С345
-
-
Не предназначенные
для термообработки
опред. сталей
напр. : АС14
-
-
-
-
-
Улучшенная
автоматная сталь
-
-
более 0,45% С
напр. : А60
до 0,45% С
напр. : А30
Нелегированная
цементируемая
сталь
Обработанная до
ферритно-перлитной
структуры
напр. : Ст 15
-
-
-
-
Легированная
цементируемая
сталь
-
-
-
Обработанная до
ферритно-перлитной
структуры (BG)
напр:
18ХГ
Обработанная до
опред. прочности
(BF)
напр:
08Х17Н5М3
-
-
-
Необработанная
напр. 18ХГ
Необработанная
напр.
20ХН2М, 18Х2Н4ВА
Улучшенная сталь,
нелегированная,
с низким отжигом
-
до 0,4% С
напр. : Ст. 35
более 0,4% С
напр. : Ст. 60Г
более 0,6% С
напр. : Ст. 70Г
-
Улучшенная сталь,
нелегированная,
нормализованная
-
до 0,45% С
напр. : Ст.45
более 0,45% до 0,55%С
напр. : Ст. 55
более 0,55% С
напр. : Ст. 60Г
-
Улучшенная сталь,
нелегированная,
нормализованная
Улучшенная сталь,
нелегированная,
нормализованная
Улучшенная сталь,
нелегированная,
нормализованная
-
-
-
-
-
до 0,3% С
или до 200 HB
напр. : 20ХМ, 30ХМ
до 0,4% С или более 200 до 230 HB
напр. : 20ХМ, 30ХМ
-
-
> 1000 Н/мм
напр.
50ХГФА
более 0,4% С или более 230 HB
напр. : 38ХМ
до 0,45% С
напр. : Ст.35
до 0,45% С
напр. : Ст.55
до 0,4% С
напр. : 35Х
более 0,4% С или более 230 HB
напр. : 40ХФА
Таблица 1.4 Ориентировочные скорости резания стали
2.2 Чугун

2.2.1 Классификация чугуна

Под чугунами понимаются сплавы железа с углеродом с содержанием углерода С > 2% (в большинстве случаев до 4%). В качестве легирующих элементов используются, в основном кремний, марганец, фосфор и сера. Коррозионная стойкость и жаропрочность достигаются путем добавления никеля, хрома, молибдена и меди.

Легирующие элементы добавляемые в чугун, оказывают воздействие на обрабатываемость резанием в той мере, в какой они могут ее оказать в качестве карбидообразующих элементов и/или в той мере, в какой они воздействуют на их прочность и/или закалку. На рис. 1.10 представлена общая классификация чугуна.

Обозначения чугуна согласно стандарту ГОСТ представлены в таблице 1.6 (раздел 1.2).

Литейная сталь представляет собой сталь, отлитую в формах, последующая обработка которой происходит только путем формовки. Благодаря своей хорошей вязкости литейная сталь применяется там, где наряду с динамическими нагрузками имеют место импульсные и ударные нагрузки.

Отбеленный чугун имеет хрупкую структуру и не обладает столь высокой прочностью на разрыв, как литейная сталь. В машиностроении отливки из сплошь отбеленного чугуна (литье, застывшее добела по всему поперечному сечению) применяется сравнительно мало и почти всегда только в необработанном состоянии.

Значительно большее значение имеет отбеленный чугун (целенаправленное охлаждение, при котором набело застывает только верхний слой) с твердой и износостойкой