книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

дистые цементуемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность изделий приобретает высокую твердость (НRС 58…62), а сердцевина не упрочняется.

Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали − это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки − закалке при 820…880 °С в масле с последующим высоким отпуском (550…650 °С). Для тяжело нагруженных деталей крупных сечений применяют легированные стали марок 40ХН, 30ХГСА и др.

Для деталей с высоким пределом прочности (σв = = 1500…2500 МПа) используют высокопрочные комплексно-легиро- ванные и мартенситно-стареющие стали. Комплексно-легированные − это среднеуглеродистые стали, содержащие 0,25…0,6 % С, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергаемые термомеханической обработке. Мартенситно-стареющие стали − безуглеродистые (не более 0,03 % С) стали на основе железа с никелем, содержащие кобальт, молибден, титан, хром и другие элементы (марки Н12К15М10, Н18К9М5Т). Мартенситно-стареющие стали закаливают при температуре 800…860 °С на воздухе с последующим старением при 450…500 °С. Применяются для особо ответственных тяжело нагруженных деталей.

К конструкционным легированным сталям могут быть отнесе-

ны также рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и др.

2.3. Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей, содержащих не менее 0,5 % С, это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300…400 °С).

К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г, 65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовления плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других

11

деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали (55С2, 60С2А, 70С3А), хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300 °С) и переменных нагрузках.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850…880 °С, отпуск 380…550 °С) обеспечивает получение высоких пределов прочности (σв = 1200…1900 МПа) и текучести

(σ0,2 = 1100…1700 МПа).

Пружины и упругие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситностареющих (03Х12Н10Д2Т, аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42…48. Существенное (до двух раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклепом посредством дробеструйной или гидроабразивной обработки, в процессе которой в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия (снижающие при эксплуатации деталей общий уровень напряжений растяжения в указанном слое).

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

2.4. Шарикоподшипниковые стали

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (явление шелушения). На контактных поверхностях возникают мелкие «язвы». Шарикоподшипниковая сталь должна обладать

12

высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью, что достигается ее очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством электрошлакового или вакуумнодугового переплава.

Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 и ШХ15СГ (число 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента − 1,5 %). Стали содержат по 1 % С. ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5 %) и марганцем (1,05 %) для повышения прокаливаемости.

Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка в масле с температур 840…860 °С и отпуск при 150…170 °С обеспечивает твердость стали ШХ15 равную

61…65 НRC.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.

2.5. Инструментальные стали

По характеру работы инструменты можно разделить на несколько групп:

1)измерительный;

2)режущий инструмент для легких условий работы (малые скорости резания);

3)режущий инструмент для тяжелых условий работы (большие скорости резания);

4)штампы.

Условия работы инструментов различных групп различаются существенно, поэтому и изготавливают их из различных сталей с нужными свойствами.

13

2.5.1. Стали для измерительных инструментов

Измерительные инструменты должны сохранять свою форму и размеры в течение продолжительного времени. Поэтому их следует изготавливать из сталей, имеющих высокую твердость и износостойкость. Кроме того, они должны хорошо обрабатываться для получения высокого класса шероховатости поверхности и иметь малую деформацию при термической обработке. Для измерительного инструмента применяют высокоуглеродистые стали У8…У12 и низколегированные стали марок Х, ХГС, ХВГ, 9ХГ, содержащие около 1 % Cu и до 1,5 % Cr. Их твердость составляет 60…64 HRC.

Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

2.5.2. Стали для режущих инструментов

Независимо от условий работы первое требование к режущему инструменту − длительное сохранение высокой твердости режущей кромки. Поэтому состав стали и термическая обработка инструмента должны обеспечивать высокую твердость (не менее 60…62 HRC) при достаточной вязкости, исключающей возможность хрупкого разрушения в результате случайных ударных воздействий.

В процессе резания между инструментом и обрабатываемым металлом возникает большое трение. Поэтому второе требование − высокая износостойкость, обеспечивающая сохранение режущей кромки в условиях трения.

За счет высокой скорости резания, сечения стружки и других факторов режущая кромка инструмента сильно нагревается. Третье требование к режущему инструменту − высокая красностойкость, то есть способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве.

К инструментальным сталям относятся углеродистые стали,

содержащие 0,7…1,2 % С, и малолегированные, содержащие 1,0…1,5 % легирующих элементов.

Из сталей У7, 7ХФ изготавливают инструмент по дереву и ударный инструмент (пилы, зубила, долота, кузнечные штампы и т.д.), из сталей

14

У8, 8ХФ− матрицы, пуансоны, керны, ножи. При увеличении содержания углерода увеличивается не только твердость стали, но иизносостойкость. Из сталей У9, У10, В1 делают сверла, метчики, развертки, фрезы. Из стали У13, имеющей максимальную износоустойчивость в этой группе сталей, изготавливают напильники, металлорежущий и граверный инструмент. Особо следует выделить сталь ХВ5, называемую «алмазной». Эта сталь благодаря присутствию вольфрама имеет мелкодисперсную избыточную карбидную фазу, значительно повышающую ее твердость. После закалки вводе твердость достигает 69…70 HRC. Из этой стали делают инструмент, от которого требуется длительноесохранениеостройрежущейкромки.

Легированные инструментальные стали, содержащие до 5 % легирующих элементов, закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты− от ударного до режущего. Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60…80 мм.

Красностойкость инструментов, как правило, не превышает 300 °С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.

Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В их состав входят карбидообразующие элементы − хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.

Высокие режущие свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей марок Р6, Р9, Р12, Р18, связаны с высокой теплостойкостью этих сталей – до 600…620 °С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2–4 раза и стой-

15

кость инструментов в 10–30 раз по сравнению с теми же характеристиками инструментов из стали с низкой теплостойкостью. Твердость стали Р18 после закалки составляет 62…63 HRC, а после отпуска увеличивается до 63…65 HRC.

Основными легирующими элементами во всех марках являются вольфрам и хром. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает красностойкость, но ухудшает механические свойства. Наиболее распространеннымимарками быстрорежущих сталей являютсяР18 иР9.

Однако вольфрам является дефицитным элементом, поэтому часто заменяется менее дефицитным молибденом. В настоящее время около 80 % от общего производства быстрорежущих сталей приходится на сталь Р6М5. Стали с молибденом идут на изготовление сверл, фрез, метчиков и плашек, разверток и зенкеров.

2.5.3. Инструментальные твердые сплавы

Сопоставление красностойкости различных инструментальных материалов показывает, что наибольшей красностойкостью (до 800…1000 °С) обладают твердые сплавы (их твердость достигает

90НRА).

Всостав твердых сплавов входят дорогостоящие и дефицитные элементы, из них делают только рабочую часть инструментов, а оправку изготавливают из инструментальной стали. Литые сплавы наплавляют, а металлокерамические припаивают на рабочую поверхность инструмента.

Металлокерамические сплавы получают методами порошковой металлургии. В их состав входят карбиды вольфрама и титана. Связующимявляется кобальт.

Недостатком твердых сплавов является большая хрупкость, что ограничивает их применение.

2.5.4. Штамповые стали

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.) изготавливают из штамповых сталей. Так как металлы можно подвергать деформации в хо-

16

PNRPU

лодном, а также в горячем состоянии (до 900…1200 °С), то различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Стали для штампов холодного деформирования

Стали для изготовления инструментов этой группы должны обладать высокой износостойкостью (высокой поверхностной твердостью), прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.

Для изготовления штампов небольших размеров (диаметром до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь марок У10, У11, У12. После закалки и низкого отпуска инструмент из этих сталей будет обладать нужным комплексом свойств.

Широко используют легированные стали марок Х, Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.). Для повышения износостойкости инструмента после его термической обработки применяют иногда цианирование или хромирование рабочей поверхности. Для штампов, работающих в условиях износа и давления, применяют легированные стали глубокой прокаливаемости, например Х12, Х12Ф, ХГ3СВ и т.д.

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали, обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС, 5ХНМ, 5ХГМ и т.д.). Это достигается уменьшением содержания углерода, введением легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость, и соответствующей термической обработкой− закалка свысоким отпуском (480…580 °С). Окончательная твердостьсоставляет 38…45 НRC.

Стали для штампов горячего деформирования

Штампы для горячего деформирования работают в более сложных условиях. Поэтому кроме перечисленных свойств стали для таких штампов должны обладать жаропрочностью, красностойкостью, термостойкостью. Они должны быть также минимально чувствительными котпускной хрупкости, так как в процессе эксплуатации может неоднократно происходить нагрев штампов до высоких температур. Кроме того, эти стали должны обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы теплобыстроотводилосьотрабочей поверхности.

17

Если штампы испытывают большие ударные нагрузки (например, ковочные штампы), то для их изготовления используют стали, содержащие 0,5…0,6 % С, легированные элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость (хром, никель, марганец). Для уменьшения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНСВ и т.д.

Закалку осуществляют с 760…820 °С, охлаждающая среда зависит от размеров штампов. Температура отпуска составляет

460…580 °С, твердость – 35…45 HRC.

Инструмент для горячей протяжки, высадки и прессования нагревается в работе до более высоких температур. Для такого инструмента используют стали с повышенным содержанием вольфрама, обладающие красностойкостью до 650…670 °С. Это стали марок 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.

3. Чугуны

Классификация и маркировка

Чугун − сплав железа с углеродом (2,14…6,64 % С).

Чугуны классифицируют по назначению, степени графитизации, форме графита, микроструктуре металлической основы, химическому составу.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления различных отливок).

Классификация по структуре основывается на степени свя-

занности углерода в сплаве. Если весь углерод находится в связанном состоянии − в виде химического соединения Fe3C, то чугун называется белым. Если весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии − в виде графита, то чугун называется серым, ковким или высокопрочным. Форма графита, оказывающая существенное влияние на свойства чугунов, в серых чугунах −

18

пластинчатая, в ковких − хлопьевидная, в высокопрочных − шаровидная.

По структуре чугуны делят на ферритные, феррито-перлитные и перлитные.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами

(например, СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ23, СЧ24, СЧ32, СЧ36,

СЧ40), показывающими среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ12 имеет

σв > 12 кгс/мм2 (120 МПа), СЧ40 − σв = 40 кгс/мм2 (400 МПа).

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют соответственно буквами ВЧ и КЧ и цифрами (например, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, КЧ30-6,

КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3), при этом первые две цифры в ковких чугунах указывают на средний σв,

аследующие − на относительное удлинение в %.

3.1.Свойства и применение чугуна

плохую обрабатываемость резанием, а следовательно, и ограниченное применение белого чугуна. Его в основном перерабатывают в сталь, применяют в качестве литейного материала с рекордной устойчивостью в условиях абразивного износа, при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун.

3.1.2. Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав Fe−C−Si с неизбежными примесями Mn, S и Р. Содержание углерода колеблется в пределах 2,4…3,8 %. Кремний (1,2…3,5 %) вводят специально − он ускоряет графитизацию, оказывает большое влияние на структуру и свойства чугуна. Марганец (1,25…1,4 %) и сера (0,1…0,12 %) препятствуют графитизации, причем в мелких отливках их действие вреднее, чем в больших. Он способствует отбеливанию чугуна (образованию

19

Fe3C), особенно в поверхностных слоях отливок, охлаждающихся более интенсивно. Сульфиды FeS, MnS ухудшают свойства отливок. Фосфор не влияет на графитизацию, но образует фосфидную эвтектику, повышающую литейные свойства чугуна. Поэтому в отливках для художественного литья допускается 0,4…0,5 % Р.

Серый чугун имеет высокие литейные свойства (определяются его структурой), сравнительно низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть, способность поглощать вибрации, достаточно высокое сопротивление разрушению под действием сжимающих нагрузок, что обеспечивает его широкое применение.

Пластины графита нарушают сплошность металлической основы: в силу малой прочности его включения являются как бы готовыми трещинами. Измельчение графитных включений, увеличение степени изолированности их друг от друга повышают прочность чугуна, но относительное удлинение его при растяжении все равно мало − меньше 0,5 %.

Графит, играющий роль смазки, обусловливает хорошие антифрикционныесвойствачугуна, улучшает обрабатываемость резанием.

В зависимости от структуры основы твердость чугуна составляет 143…255 НВ (1430…2550 МПа). Соответственно меняется и прочность: чем больше феррита, тем ниже прочность и износостойкость. Наиболее прочные перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станины мощных станков, гильз, поршней, поршневых колец, цилиндров, блоков двигателей, дизельных цилиндров и др.).

Ферритные и феррито-перлитные чугуны с σв = 120…180 МПа применяются для изготовления малоответственных и малонагруженных деталей (фундаментных плит, корпусов редукторов и насосов, строительных колонн, крышек, ступиц и др.).

3.1.3. Высокопрочный чугун

При выплавке чугуна с присадкой небольшого количества (0,03…0,07 %) магния или других модификаторов (щелочных или щелочно-земельных металлов) графит в чугуне получается шаровидной формы. Он значительно меньше, чем пластинчатый, ослаб-

20