«Ответы на вопросы материаловедению»

 

1. Отпуск стали

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3% С, в результате отпуска при 550°С уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм². Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15–30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600°С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150–200°С, реже до 240–250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5–1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58–63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей; а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1–2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов. назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350–500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45–0,8% С) после среднего отпуска – троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40–50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Охлаждение после отпуска при 400–450°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных, напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500–680°С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или. отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость (табл. 1). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3–0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

 

Таблица 1

Влияние   термической   обработки   на   механические   свойства   углеродистой   стали с 0,42% С*

 

Термическая обработка	σв	στ	δ	ψ	ан, кгс·м/см2
	Кгс/мм2		%
Отжиг при 880°С Закалка с 880°С (охлаждение в воде) и отпуск:       при 300°С       при 600°С	55        130 62	35        110  43	20       12 22	52       35 55	9       3 14

 

* Заготовка диаметром 12 мм.

Отпуск при 550–600^сС в течение 1–2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1,0–6 ч – в зависимости от габаритных размеров изделия.

2. Износостойкие сплавы

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. К таким материалам относятся сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия. Антифрикционные свойства сплавов наиболее полно проявляются в подшипниках скольжения.

В подшипниках скольжения трение происходит между валом и вкладышем подшипника. Антифрикционный материал вкладыша подшипника предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает трение в силу того, что обладает прочной и пластичной основой, в которой имеются твердые (опорные) включения. При трении пластинчатая основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. В этом случае трение происходит не по всей поверхности соприкосновения трущихся деталей, а смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы.

Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из таких материалов, работать при больших окружных скоростях и нагрузках.

Алюминиевые бронзы применяются в узлах трения вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз. Однако они, обладая повышенной износостойкостью, могут вызвать износ вала.

Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых вкладышей способны работать в условиях ударных нагрузок.

Латуни по своим антифрикционным свойствам уступают бронзам и используются для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.

Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т.е. в виде биметаллического материала.

Различают две группы алюминиевых антифрикционных сплавов:

– сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Типичный представитель – сплав САМ, содержащий сурьму до 6,5% и 0,3–0,7% магния. Этот сплав хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения. Сплав САМ применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей;

– сплавы алюминия с оловом и медью А020-1 (20% олова и до 1,2% меди) и А09-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях полужидкостного и сухого трения и по своим антифрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении и общем машиностроении.

Чугуны широко применяются при изготовлении деталей узлов трения. Хорошими антифрикционными свойствами обладают: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий чугуны. Из них изготовляют червячные зубчатые колеса, направляющие для ползунов механизмов и другие детали, работающие в условиях трения.

Металлокерамические сплавы после прессования и спекания пропитываются минеральными маслами, смазками или маслографитовой эмульсией. Такие сплавы хорошо прирабатываются к валу, а наличие смазки в порах способствует снижению износа подшипника.

МЕТАЛЛОКЕРАМИКА

Металлокерамические материалы подразделяются на:

– пористую металлокерамику, имеющую остаточную пористость в пределах 15–50 % (антифрикционные и «потеющие» материалы, фильтры);

– компактную металлокерамику – магнитные, фрикционные и электротехнические материалы.

Антифрикционные металлокерамические материалы имеют в своем составе графит и другие компоненты, выполняющие роль смазки. Эти материалы используют для изготовления втулок, подшипников скольжения, применяемых в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности.

Фильтры изготовляют из порошков железа, бронзы, никеля, коррозионно-стойкой стали и других материалов. Они имеют пористость не менее 50%. Металлокерамические фильтры применяют для очистки топлива в двигателях автомобилей, для очистки воздуха и различных жидкостей.

«Потеющие» металлокерамические материалы предназначаются для охлаждения за счет испарения хладагента через поры. Их изготовляют из порошков коррозионной стали, никеля, вольфрама, титана и др.

Фрикционные металлокерамические материалы представляют собой сложные композиции на основе меди и железа. В состав этих материалов входят компоненты, служащие в качестве смазки и предохраняющие материал от износа (свинец, графит и т.п.), а также компоненты, придающие материалу высокие фрикционные свойства (асбест, кварцевый песок, тугоплавкие металлические соединения и т.д.).

Фрикционные металлокерамические материалы имеют повышенную хрупкость и низкую прочность. Поэтому изделия из них, как правило, состоят из стальной основы с нанесенным на нее слоем фрикционной металлокерамики. Такие материалы применяют в узлах сцепления и торможения автомобилей.

Магнитные металлокерамические материалы подразделяют на:

– магнитно-мягкие (ферриты), изготовляемые из порошков окислов железа;

– магнитно-твердые (постоянные магниты) металлокерамические сплавы на основе железа, легированного алюминием, никелем, медью, кобальтом и подвергаемые дополнительной термической обработке;

– магнитодиэлектрики, представляющие собой композиции магнитных и изоляционных материалов.

Электротехнические металлокерамические материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов (Mo, Co, Ni, W) с медью и серебром. Тугоплавкие металлы определяют механические свойства изделия, а легкоплавкие – служат наполнителем и придают материалам высокую электропроводимость.

Металлокерамические электрические контакты применяют в магнитных пускателях, тепловых реле и реле особо тяжелого режима, регуляторах напряжения, аппаратуре управления, преобразователях тока и т.д.

3.Испытание на износ

 

Износ инструмента непосредственно влияет на точность и производительность обработки. В результате износа происходит затупление режущей кромки инструмента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются условия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшаются точность обработки и качество обработанной поверхности, снижается производительность.

Основные виды износа инструмента приведены на рис. 1. Это износ по передней, задней поверхностям резца, комбинированный износ и деформация режущего клина.

 

 

По механизму затупления режущей кромки условно выделяют следующие виды износа инструмента: макро- и микросколы, пластическая деформация, абразивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный.

Хрупкие микросколы возникают в твердосплавном инструменте из-за попадания в зону обработки крупных частиц повышенной твердости. Это может быть неустойчивая часть нароста или частицы оксидов и формовочных смесей при обработке отливок и поковок.

Макросколы режущей кромки возникают под действием изгибающих напряжений, превышающих допустимые, особенно при ударных нагрузках.

Пластическая деформация. В процессе резания инструментами из быстрорежущих и углеродистых сталей наблюдается пластическое деформирование режущего клина, приводящее к опусканию передней и выпучиванию задней поверхности (рис. 1, г). В результате опускания передней поверхности изменяется передний угол γ и, соответственно, ухудшаются условия резания.

Ползучесть и разрушение режущей кромки. Деформирование режущего клина в результате пластической деформации металла происходит в зоне изотерм, которые простираются от передней к задней поверхности инструмента (рис. 1, г). По этим изотермам (350–500°С) и при постоянной нагрузке на инструмент наблюдается процесс ползучести.

В результате ползучести материала в зоне 2 на границе с зонами 1 и 3 накапливаются высокие степени деформаций. Происходит дислокационное упрочнение, вызывающее хрупкое разрушение твердосплавного инструмента на границе зон 1 и 2. Длительность работы инструмента до скола увеличивают снижением интенсивности процесса ползучести за счет увеличения сечения режущего клина, повышения твердости кобальтовой связки при легировании вольфрамом, увеличения теплопроводности твердого сплава.

Абразивно-механический износ инструмента обусловлен микроцарапанием и разрушением передней и задней поверхностей инструмента твердыми компонентами обрабатываемого материала (карбидами, нитридами, упрочняющими интерметаллидными фазами, оксидами) и мелкими частицами периодически разрушающегося нароста. Абразивному изнашиванию подвергается инструмент из углеродистых, легированных, инструментальных, а также быстрорежущих сталей.

Абразивно-химический износ инструмента происходит, когда в составе СОЖ содержатся химически активные вещества, ослабляющие поверхностное натяжение инструментального материала. В результате облегчается процесс абразивного разрушения материала при микроцарапании.

При нагреве твердых сплавов до 600–800°С происходит поверхностное окисление кобальтовой фазы, карбидов вольфрама и титана с образованием поверхностных пленок, твердость которых в 40–50 раз меньше твердости исходного материала. Это создает условия для более интенсивного абразивно-химического изнашивания.

Адгсзионно-усталостное изнашивание инструмента является результатом схватывания инструментального и обрабатываемого материала с последующим вырывом частиц инструментального материала. Наиболее активно адгезионное изнашивание протекает при температуре 0,35–0,5 от температуры плавления материала инструмента и невысокой разности твердостей инструментального и обрабатываемого материалов.

Периодически повторяющееся схватывание и разрушение адгезионных связей вызывает циклическое нагружение контактных участков инструментального материала, приводящее к его усталости. Развитие усталостных процессов ведет к последующему разрушению металла в виде выкрашивания и сколов. В этих условиях инструментальный материал, обладающий высокими значениями циклической прочности и ударной вязкости, лучше сопротивляется адгезионному изнашиванию.

Диффузионное изнашивание инструмента протекает при таких условиях резания, когда между обрабатываемым и инструментальным материалами устанавливаются устойчивые адгезионные связи и при температурах выше 850"С происходит взаимная диффузия инструментального и обрабатываемого материалов. Этот вид изнашивания в большей степени характерен при обработке инструментом из твердых сплавов, металлокерамики и алмазным инструментом. При высокотемпературном контактном взаимодействии происходят следующие процессы: диссоциация карбидов и последующая диффузия их элементов (С, W, Ti) в обрабатываемый материал, т.е. прямое диффузионное растворение; встречная диффузия металлических элементов обрабатываемого материала в связующую фазу твердых сплавов, снижающая ее механические свойства.

В процессе резания с поверхностями инструмента контактируют непрерывно всегда меняющиеся новые участки стружки и обрабатываемой поверхности детали, что сохраняет исходный перепад концентраций компонентов, способствуя высокой скорости диффузионного изнашивания инструмента.

Реально на практике затупление режущего инструмента происходит в результате одновременно протекающих различных видов износа и пластического деформирования режущей кромки. Так, при резании быстрорежущим инструментом затупление происходит в результате абразивного, адгезионного износа и пластической деформации режущей кромки.

 

 

Параметры износа и стойкости режущего инструмента характеризуют степень допустимого износа инструмента и время его работы до замены или переточки. Они относятся к основным технологическим параметрам процесса резания.

За критерий оптимального износа инструмента принимают значение износа по задней поверхности h₃ (см. рис. 1, б), обеспечивающее максимальный срок службы инструмента при сохранении режущих свойств, он обозначается h₃₀ [мм].

Зависимость износа инструмента от времени обработки при фиксированной скорости резания приведена на рис. 2. Из нее следует, что износ во времени описывается нелинейной функцией и его можно разбить на три периода: участок быстрого износа режущей кромки называют периодом приработки (I); участок, при котором скорость затупления является минимальной, называют периодом нормального износа (II); участок, при котором происходит усиленный износ, заканчивающийся посадкой (затуплением) инструмента, называют периодом усиленного износа (III).

Условия экстремума функции h₃=f(t) выполняются в точке В с минимальным значением износа h₃₀, при котором срок службы инструмента получается наибольшим, равным Т. Под стойкостью инструмента Т понимают время его работы между двумя переточками. Стойкость токарных резцов колеблется от 30 до 90 мин. Суммарный период полной стойкости инструмента М, с учетом числа переточек К за весь период эксплуатации, определяется по формуле М = ТК.

Стойкость инструмента, так же, как и его износ, в наибольшей степени зависит от скорости резания, определяющей температуру в зоне резания. Эта зависимость выражается степенным законом:

Тυ^m = С = const, (1)

где С – эмпирическая константа; m – показатель, учитывающий материал инструмента и обрабатываемой детали.

Для твердосплавного инструмента при обработке сталей и алюминиевых сплавов m = 5; 3, а для быстрорежущих инструментальных сталей при обработке сталей, медных и алюминиевых сплавов он составляет соответственно 8; 6; 3. Если экспериментально установлена максимальная стойкость Т_о при скорости резания υ_о, то стойкость при скорости и определяется из выражения (1):

Т = Т_о (υ_о/ υ)^m (2)

Из этого следует, что увеличение скорости резания υ по сравнению со скоростью υ_о, ведет к существенному снижению стойкости Т инструмента. Поэтому выбор скорости резания существенно влияет на стойкость инструмента.