Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

Методы определения твердости

Твердость  – способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором .

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

 

HB = 2P / pD [D - Ö D² – d²],

где Р – нагрузка, кгс;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

 

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120^о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

- предварительной Р_о = 10 н;

- общей Р = Р_о + Р₁, где Р₁ – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

- для шкал А и С HR = 100 – (h – h_o) / 0,002

- для шкалы В HR = 130 – (h – h_о) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).  

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136^о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

 

HV = 2P * sin a/2 / d² = 1,854 P/d²,                         

где  P – нагрузка, кгс;

a = 136^о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм. 

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость , учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

 

Основные превращения в сталях

 

В сталях основными являются три структуры: аустенит – твердый раствор углерода в γ – Fe [Fe _γ(С)]; мартенсит – пересыщенный, частично упорядоченный твердый раствор углерода в α – Fe [Fe _γ(С)]; перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита [Fe_α + Fe₃ С]. Переход из одной структуры в другую характеризует основные превращения при термической обработке:

- первое превращение – это превращение перлита в аустенит, которое происходит при нагреве: П→А (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Изменение энергии фаз в зависимости от температуры

 

- второе превращение – это превращение аустенита в феррито-цементитные смеси разной дисперсности в зависимости от скорости охлаждения: А→Ф+Ц;

- третье превращение заключается в превращении аустенита в мартенсит А→М при быстром охлаждении (при закалке);

- четвертое превращение заключается в разложении мартенсита при отпуске закаленной стали (М → продукты распада).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из определенных комбинаций этих четырех превращений.

 

Цементация стали

 

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой, а сердцевина стали остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что сталь после цементации подвергается закалке.

Цементация выгодно распределяет углерод от поверхности, а термическая обработка (закалка) упрочняет деталь, поверхность и сердцевину.

Поверхность стали после такой обработки имеет высокую твердость и износостойкость при вязкой сердцевине.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3 %, которые должны обладать:

- закаливаемостью на 29-43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);

- прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;

- наследственно-мелкозернистостью;

- хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:

- составом стали;

- толщиной и структурой цементированного слоя (рис.12.1);

- наличием дефектов в слое;

- твердостью поверхностных слоев и сердцевины.

На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1мм; температура цементации выше А_с3 (930-950 ^оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8-10 ч, в газовом - 1 мм образуется за 6 - 7 ч.

Твердый карбюризатор - древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО₃ и Na₂СО₃) в количестве 10 - 40 % от веса угля.

Газовый карбюризатор - природный газ и жидкие углеводороды.

Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше А_с1 на 30 ^оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).

Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше А_с1 + 30 ^оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).

После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160-180 ^оС).

Глубина цементированного слоя составляет 0,5 - 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 - 1,2 % ( рис. 12.1).

За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4 % (рис.12.1).

При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60-64 HRC (900HV), для легированной 58-61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20-35HRC.

 

Азотирование стали

 

Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH₃ → 3H + N).

Азотированию при температуре 500 - 600 ^оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск).

К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю).

Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования – 0,01 мм/ч и менее.

Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.

Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

 

К сплавам с заданным коэффициентом теплового расширения относятся железо-никелевые сплавы:

- сплав ИНВАР - 36Н (≤ 0,05 % С и 35-37 % Ni). Он почти не расширяется при температуре от -60 до +100 °С и применяется в специальных приборах (альтиметрах, барографах) высокой точности, работающих при переменных нагрузках и климатических изменениях температуры;

- сплав КОВАР - 29НК (0,03 % С, 29 % Ni, 17-18 % Со). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале темпера­тур от -70 до + 420 ^оС и применяется для деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев.

- сплав платинит - H42 (42-48 % Ni, остальное Fe). Он имеет коэффициент теплового расширения, равный коэффициенту теплового расширения платины и стекла.

Магниевые сплавы

 

Магний - щелочноземельный металл серебристо-белого цвета. Аллотропических превращений не имеет. Температура плавления 650°. Плотность - 1,74 г/см³ — он самый легкий из всех применяемых в технике металлов.

Кристаллическая решетка магния гексагональная.

В литом состоянии предел прочности магния на разрыв составляет 10—13 кг/мм² при относительном удлинении 3—6%.

Магний обладает большой активностью при взаимодействии с кислородом и в виде порошка и тонкой ленты сгорает на воздухе при ослепительно белом пламени.

В чистом виде магний применяют в пиротехнике, при фотографии — для осветительных эффектов; наиболее широкое применение он получил для изготовления сверхлегких сплавов (электрон).

Металлический магний получается главным образом путем электролиза при температуре 750—770° безводного хлористого магния (MgCl₂). Одновременно с магнием при этом получается и газообразный хлор.

Магниевые сплавы

Магниевые сплавы характеризуются небольшим удельным весом (около 2,0 г/см³, т.е. они в 1½ раза легче алюминиевых сплавов).

Магниевые сплавы обладают отличной механической обрабатываемостью, допускающей высокие скорости резания, и сравнительно большой прочностью (δ до 27 кг/мм²).

Недостатки магниевых сплавов

Недостатками магниевых сплавов являются:

• их легкая окисляемость и самовозгораемость при плавке, что вызывает необходимость плавки и разливки этих сплавов под слоем флюсов или в вакууме;
• меньшая коррозионная стойкость и более низкие литейные свойства, чем у алюминиевых сплавов.

Эти недостатки устраняются добавкой в сплавы небольших количеств бериллия, нанесением защитных покрытий и улучшением технологии производства отливок.

 

В качестве легирующих добавок в магниевых сплавах используют алюминий, цинк и марганец, растворяющиеся в магнии. Растворимость падает с уменьшением температуры, что позволяет применять для этих сплавов термическую обработку, заключающуюся в закалке с последующим старением.

Магниевые сплавы делятся на деформируемые (МА) и литейные (МЛ). Эти сплавы очень легкие и используются для изготовления деталей в авиастроении.

Маркировка: Мг90 – 99,9% Mg, Мг95, Мг96; сплавы – МЛ10, МЛ3, МА5, МА2-2.

 

Титан и его сплавы

 

Титан – это серебристо-белый металл с малой плотностью (4,5 г/см³) и высокой температурой плавления (1672 ^оС), имеющий две аллотропические модификации: α – низкотемпературную с плотноупакованной гексагональной решёткой и β – высокотемпературную с кубической объёмноцентрированной решёткой. Температура перехода α ↔ β равна 882 ^оС.

Для улучшения прочностных и пластических свойств титан легируется различными элементами, содержание которых, в общей сложности, не превышает 10 –15 %. Легирующие элементы смещают температуру аллотропического превращения титана. Алюминий, кислород, азот, углерод стабилизируют α –фазу ; железо, молибден, тантал, вольфрам, хром, марганец, никель стабилизируют β –фазу;

Титан имеет высокую коррозионную стойкость в большом количестве агрессивных сред, превосходя в этом отношении нержавеющую сталь. При нагреве до 500 ^оС титан становится активным и поглощает из атмосферы газы (кислород, азот, водород), что сильно влияет на его механические свойства.

Технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей: BT1-00 (сумма примесей менее 0,398 %), ВТ1-0 (сумма примесей менее 0,55 %).

Титановые сплавы классифицируются:

- по технологии изготовления на деформируемые, литейные и изготовленные методами порошковой металлургии. Для маркировки деформируемых титановых сплавов используется буквенно-цифровой код:

- ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4 - сплавы, в которых основными легирующими добавками являются алюминий и марганец; буква О в начале означает «опытный» - совместное производство ВИАМ и Свердловского завода;

- ВТ5, ВТ5-1, ВТ3-1, ВТ6, ВТ9 и т.д. – сплавы, легированные алюминием или алюминием и вольфрамом; буква В означает производителя – Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ); если стоит буква П – ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» (С – Петербург);

Стоящие за буквами цифры являются условным порядковым номером.

Особенности маркировки литейных титановых сплавов – наличие буквы Л в конце обозначения марки: ВТ5Л, ВТ3-1Л и др. Буква И в конце – специального назначения, В – преобладание ванадия (ПТ3В).

Для изготовления деталей методом порошковой металлургии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 и др. Порошковые сплавы маркируются так же, как и деформируемые. Иногда титан маркируется просто буквой Т и цифрами, показывающими содержание титана.

Литейные сплавы титана обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые;

- по способу упрочнения на термически упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой;

- по структуре на однофазные α – сплавы (не содержат b-стабилизаторов); псевдо –а - сплавы (коэффициент b- стабилизации не более 0,25); (a + b)-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 0,3 до 0,9); псевдо-b-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 1,4 до 4,4) и b-сплавы (коэффициент b-стабилизации > 2,5).

Преимуществом титановых сплавов, по сравнению с техническим титаном, являются следующие свойства:

- сочетание высокой прочности (σ_в = 800-1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ = 18-25 %);

- малая плотность и высокая удельная прочность (σ_в/γ до 40);

- хорошая жаропрочность (до 600-700 ^оС);

- высокая коррозионная стойкость;

- низкая пластичность при комнатной температуре;

- высокая чувствительность к поверхностным дефектам.

Все титановые сплавы подвергаются термообработке, ХТО и ТМО и для повышения их износостойкости возможно применение цементации и азотирования.

Основными недостатками титана и его сплавов являются:

- высокая способность при повышенных температурах к взаимодействию со всеми газами, а также с материалами плавильных печей;

- невысокие антифрикционные свойства;

- плохая обрабатываемость резанием;

- невысокая жесткость конструкции из-за низкого значения модуля упругости.

Титановые сплавы используют в авиа- и ракетостроении (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа, фюзеляжа), в химической промышленности (компрессоры, клапаны, вентили), в изготовлении криогенной техники.

 

Цинк и его сплавы

 

Цинк - голубовато-серебристый блестящий металл; на воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой защитной пленкой, уменьшающей его блеск; имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности. С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление.

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность. Наиболее общие и важные физические характеристики цинка представлены ниже:

• Плотность — 7,133 г/см³.
• Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
• Температура плавления цинка — 419,6 °C.
• Температура кипения — 906,2 °C.
• Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
• Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
• Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
• Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м².

 

Маркировка: Ц0, Ц1С, ЦВ00, ЦАМ10-5 (Al-10%, Cu-5%).

Сплавы на основе хрома

 

Хром — блестящий металл серебристо-белого цвета. Его плотность равна 7,16 г/см3, температура плавления 1903° С, температура кипения 2567° С. Железо и хром в полной мере взаимно растворимы в твердом и жидком состояниях.

Маркировка: Х99Н1 – 99% Cr + 0,01% N; Х99Н4; Х99; Х97,5

 

Сплавы на основе марганца

 

Марганец — металл серебристого цвета, плотность его равна 7,3 кг/см3, температура плавления 1244° С, температура кипения 2095° С, теплота плавления 14,6 МДж/кг-атом (3500 кал/г-атом) теплота испарения 224,8 МДж/г-атом (53 700 кал/г-атом). В жидком состоянии железо и марганец полностью взаимно растворимы, химических соединений они не образуют. Сплавы марганца, содержащие 75—85% Mn, с железом легкоплавки, температура плавления железа и Mn составляет около 1380° С.

Маркировка: металлический Мн998 – 99,8% Mn; Мн997, Мн965, Мн95; азотированный Мн92Н6 – 92% Mn + 6% N; Мн87Н6, Мн89Н4, Мн91Н2.

Ферросплавы

 

Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (напр., феррохром, ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы (Mn, Cr, Si) с минимальным содержанием примесей. Получают из руд или концентратов в электропечах или плавильных шахтах (горнах). Как правило, стоимость металла в виде ферросплава ниже, чем стоимость его в чистом виде.

 

Ферросилиций – кремниево-железный сплав, отличающийся отменными прочностными показателями. Используют его в качестве раскислителя, восстановителя и укрепителя. Он широко применяется в выплавке рессорно-пружинных, коррозийно- и жаростойких, электротехнических сталей, термитных смесей.

Маркировка: ФС90 – 90% Si + 10% Fe; ФС75, ФС70, ФС50, ФС20.

 

Ферромарганец представляет собой легирующий ферросплав с содержанием марганца в нем от 70% до 90%, серы не более 6%, фосфора до 0.5%. В зависимости от химического состава ГОСТом 4755-91 предусмотрено производство ферромарганца трех основных видов: низкоуглеродистый, среднеуглеродистый и углеродистый. Низкоуглеродистый ферромарганец содержит не менее 85% марганца и менее 0,5 углерода.

Среднеуглеродистый сплав данного рода состоит из более 85% марганца и от 1 до 2% углерода. Углеродистый ферромарганец содержит в своем составе более 70% марганца и до 7% углерода.

Данный продукт применяют в металлургии для улучшения коррозионной устойчивости и стойкости на разрыв стали, улучшения ее твердости и увеличения плотности. Используют также этот ферросплав в черной металлургии для очищения металлов путем их раскисления и для обработки электродов в процессе сварочных работ. Оправдано также применение ферромарганца для выплавки сталей с низким содержанием углерода.

Маркировка: ФМн90 – 90% Mn + 10% Fe; ФМн88, ФМн78, ФМн70.

 

Ферросиликомарганец - ферросплав, в котором содержится большое количество марганца. Значительную часть занимает кремний. Все остальное - это железо со всевозможными примесями. Это легирующая добавка, которая позволяет получить определенные марки стали. Раскислительность материала значительно выше, чем в случае с простым марганцем либо же кремнием. При добавлении материала в жидкую сталь получается более износостойкий материал с повышенными характеристиками, который гораздо лучше переносит внешние воздействия. В частности, ему не страшна влага. Плотность уменьшается. Кроме того, ферросиликомарганец способствует устойчивости при изгибе.

Маркировка: МнС17Р35 – 17% Si + 0,35% P + 60-65% Mn; МнС25, МнС17, МнС22, МнС12.

 

Ферромолибден - легирующий компонент стали, в сплав входит молибден, занимающий чуть больше половины объема и железо. При применении устраняется хрупкость, повышается прокаливаемость стали и, как показывает практика, увеличивается температурный интервал закалки.

Маркировка: ФМо60 – 60% Mo + 40% Fe; ФМо58, ФМо55, ФМо50.

 

Ферротитан представляет собой сплав, созданный сплавлением железа и других металлов (кремния, марганца, хрома, алюминия и так далее). Процентное количество титана или 60 % или до 35 %. Его применяют в производстве нержавеющей стали разного вида, быстрорежущих, инструментальных и штамповых сталей, сварочных электродов. Имеет отличную свариваемость (адгезия) и лучшие жароупорные качества.

Маркировка: ФТи70С05 – 70% Ti + 0,5% Si + 5% Al; ФТи35С7, ФТи30.

 

Силикокальций – это сплав нескольких химических элементов между собой – железа, кремния и кальция. В результате этого соединения проявляются свойства эффективного дисульфатора, литейного чугуна, дегазатора стали и комплексного раскислителя. Используется во время раскисления стали и различных сплавов, а также модифицированного чугуна.

Маркировка: СК10 – 10% Ca + 45% Si + 1% Al; СК15, СК20, СК25, СК30

 

Ферросиликохром - ферросплав, применяемый для легирования и раскисления стали и сплавов, модифицирования чугуна, а также для использования в качестве восстановителя при выплавке феррохрома.

Маркировка: ФХС20 – 20% Si + 48% Cr + 4,5% C + 0,04% P; ФХС33, ФХС40; если повышено содержание фосфора, то в конце добавляется буква Р (ФХС48Р).

 

Ферробор – сплав железа и бора, применяемый для легирования и модифицирования стали, чугуна и сплавов цветных металлов. Содержит 6-20% бора, до 15% кремния, до 12% алюминия, примеси углерода, серы, фосфора, меди.

Маркировка: ФБ20 – 20% B; ФБ17, ФБ12, ФБ6.

 

Феррониобий является химическим ферросплавом с большим содержанием ниобия (около 60%). Так же в состав материала входит алюминий, кремний, железо, титан и прочие примеси. Это наиболее дорогостоящее металлургическое сырье с высокой температурой плавления (1700 градусов по Цельсию), так как растворение феррониобия происходит в металле крайне медленно. Применяется: в виде добавки к более низколегированной стали (для нефтяной и газовой проводки, мостов, строительных сооружений, ЖД путей, корпусов легкового и грузового автотранспорта); в сталелитейной промышленности для легирования стальных сплавов некоторых марок, а также при производстве электродных покрытий; в составе хромоникелевой стали для предотвращения межкристаллитной коррозии и улучшения технических характеристик исходного материала.

Маркировка: ФНб60 – 60% Nb; ФНб58; если повышено содержание Si (до 20%), то в конце ставится буква С (ФНб50С, ФНб55С).

 

Ферровольфрам - это ферросплав вольфрама и железа, который массово применяется в черной металлургии во время легирования стали и других сплавов. Массовая доля вольфрама составляет 60-85%, до 7% молибдена и других примесей. Ферровольфрам очень тяжело плавится, в нормальных условиях обладает химической стойкостью. Он улучшает свойства стали при высоких температурах, придает ей стойкость против отпуска, улучшает теплостойкость. Ферровольфрам придает сплавам твердости и износостойкости. Он повышает интенсивность намагничивания для магнитных сталей. Повышает сопротивляемость разрыву, позволяет создать мелкозернистую структуру стали.

Маркировка: ФВ80(а) – 80% W, (а) – повышенное содержание Al (3-6%); ФВ75(а), ФВ70(а), ФВ70, ФВ72, ФВ65.

 

Феррованадий представляет собой особый вид ферросплава, с четко регламентированным содержанием ванадия. В качественном продукте, произведенном в четком соответствии с положениями ГОСТа 27130-94, содержание ванадия должно составлять от 35 до 85 процентов. Используют феррованадий в качестве легирующей добавки при производстве инструментальных и конструкционных сталей, а также жаропрочных сплавов. Благодаря этому стали и сплавы получают более крепкую микрокристаллическую структуру с улучшенными характеристиками устойчивости к коррозии, механическим нагрузкам и повреждениям. Также феррованадий вводится в состав многих сталей для улучшения такой их характеристики как прокаливаемость.

Маркировка: ФВо50У0,4 – 50% V + 0,4%; ФВо50У0,5; ФВо40У0,75

 

Феррохром входит в группу ферросплавов, основные компоненты – железо и хром. Классификация зависит от того, сколько в составе различных элементов (хром, кремний, углерод, примеси). В целом по процентному содержанию выделяют 10 марок. Однако главного компонента – самого хрома, может быть только 65 или 68 процентов. Феррохром необходим для производства нержавеющей стали.

Маркировка: FeCr…C50 - 5% C

Алюминиевые сплавы

 

АМц – Al+Mn

АМ – Al+Cu

Al+Si – силумины

Al+Zn+Mg – алькусины (В95)

Al+Mg – магналии

 

АВ – авиаль, АК – ковочный, АЛ – литейный, ВАД – деформируемый, изготовляемый ВИАМ (ВАД1, ВАД23), Д – дюралюминий, В – высокопрочный, САП – спеченные алюминиевые порошки (САП-1), САС – спеченные алюминиевые сплавы; цифры означают номер сплава.

Буквы в конце: М – мягкий (после отжига), Т – после закалки и естественного старения, А – плакированный (нанесен чистый слой алюминия), Н – нагартованный (3 – на ¾, 2 – на ½, 1 – на ¼), П – полунагартованный (полуфабрикат); ч – чистый, пч – повышенной чистоты, оч – особой чистоты, с – селективный.

Примеры: АК12М2 – 12% Si + 2% Cu; АМг4К – 4% Mg + 1% Si; А6П; АДоч; АК7М2; АК21М2; АК4МЦ6.  

Особые виды чугунов

 

АЧС-1 - антифрикционный чугун серый 1-й марки

АЧВ-1 – антифрикционный чугун высокопрочный 1-й марки

АЧК-2 – антифрикционный чугун ковкий 2-й марки

 

Передельный чугун: П1, П2; для литейного производства – ПЛ1, ПЛ2; фосфористый – ПФ1, ПФ2, ПФ3; высококачественный – ПВК1, ПВК2, ПВК3.

 

Литейный чугун: Л1-6, ЛР1-7 (литейный, рафинированный магнием)

 

ЧВГ30 – чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом

 

 

Минералокерамика

 

Минералокерамическим называют материал, полученный путем обра­ботки порошкообразных минералов или их смесей с другими веществами и последующего обжига отформованного полуфабриката. Минералокерамические режущие пластины изготавливаются методами порошковой металлургии из исходного сырья дисперсностью 1...2 мкм.

Инструментальная промышленность выпускает минералокерамический инструмент, оснащенный многогранными (трех -, четырех -, пяти -, и шестигранными) неперетачиваемыми пластинами.

Современная минералокерамика подразделяется на четыре группы:

- оксидная;

- оксидно-карбидная;

- оксидно-нитридная;

- нитридно-кремниевая.

 

1.1. Оксидная минералокерамика

1.1. Оксидная минералокерамика изготавливается из технического гли­нозема (А1₂О₃) - полупродукта алюминиевой промышленности, получаемого химическим путем из естественных глиноземных пород (бокситов). Имеет твердость HRA 92...95, микротвердость до 32000 МПа, теплостойкость 12OO°C, предел прочности на сжатие 5000 МПа.

Недостатком оксидной минералокерамики является ее низкая изгибная прочность, предел прочности на изгиб 450 МПа.

Основными марками оксидной минералокерамики является традицион­ная марка ЦМ-332 (цементный материал, литер 332), новые марки ВО-13, ВО-14, ВШ-75 и др.

Особенно эффективно применение мине­ралокерамики при точении термически необработанных сталей при скорости резании V=100 м/мин и выше. При этом обеспечивается шероховатость обра­ботанной поверхности до R_a=0,63… 0.40 мкм.

 

1.2. Минералокерамика оксидно-карбидная

Научный поиск, направленный на совершенствование дешевого минералокерамического режущего материала, привел к созданию оксидно- карбидной минералокерамики (марки ВЗ, ВОК-60. ВОК-63 и др.), имеющий предел прочности на изгиб до 700 МПа. При этом ок­сидно-карбидная минералокерамика сохраняет высокую твердость, тепло­стойкость, износостойкость и прочность на сжатие, присущие оксидной минералокерамике.

В состав оксидно-карбидной минералокерамики входят окись алюминия и карбиды тугоплавких металлов (минералокерамика ВОК-60 содержит 60% окиси алюминия AI₂O₃ и 40% карбида титана TiC).

Отличительной чертой оксидно-карбидной минералокерамики является её способность работать в условиях прерывистого резания с ударными нагрузками например, при обработке плоских поверхностей торцевыми фрезами. Стойкость торцовых фрез, оснащенных оксидно-карбидной минералокерамикой значительно выше стойкости фрез, оснащенных твердым сплавом.

 

1.3 Нитридно-кремниевая минералокерамика (НКК)

Представлена маркой силинит-Р. НКК (как инструментальный материал) обладает следующими отличительными свойствами по сравнению с другими видами режущей керамики:

- высокая плотность;

- высокое значение вязкости;

- высокая термопрочность;

- малый коэффициент линейного расширения.

 

Эти характеристики дают хорошие предпосылки данного инструментального материала для использования его как альтернативного твердому сплаву. Плотность НКК (силинит-Р) находится в пределах 3,2...3,4 г/см³, прочность на изгиб 500...700 МПа, прочность на сжатие 2500 МПа, микротвердость-32000 МПа.

Основу силинита Р составляет нитрид кремния Si₃N₄ с небольшим количеством добавок карбидов и окислов.

Опыт применения НКК Кіоn-2000 показывает, что инструмент, оснащен­ный данной керамикой, способен работать при точении чугуна (НВ147) на ско­ростях резания до V=500 м/мин при t =2,5 мм и подачах, превышающих зна­чения S>1,3 мм/об.

По предельным значениям используемых подач при резании пластина­ми Kion-2000 вполне сопоставим с твердосплавным инструментом при воз­можности повышения скорости резания в 2...3 раза.

Инструмент, оснащенный мииералокерамикой, позволяет заменить опе­рации шлифования токарной обработкой, причем качество обработанной по­верхности не снижается и в большинстве случаев повышает эксплуатационные свойства деталей. Применение минералокерамики позволяет, наряду со значительным снижением трудоемкости, технологическим методом повысить долговечность работы деталей.

Минералокерамическим режущий инструмент получил значительное применение в машиностроительных отраслях промышленности. Данный инст­румент также можно широко использовать в практике лезвийной обработки восстановленных напеканием автоматической наплавкой поверхностей дета­лей машин при выполнении чистовых операций взамен операции шлифова­ния.

Увеличение номенклатуры деталей, обработанных инструментом, ос­нащенным минералокерамикой, является одной из важных задач при реше­нии вопроса повышения качества и снижения трудоемкости обработки

 

2. Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе нитрида бора

Рассмотрены физико-технические свойства разновидностей кубического нитрида бора (эльбор-Р, белбор-Р, гексанит-Р и др.)

Одним из наиболее эффективных направлений совершенствования технологии в современной металлообработке является внедрение и широкое применение инструмента из СТМ на основе нитрида бора. Эффективное при­менение СТМ достигается в том случае, когда четко соблюдаются рекомен­дуемые режимы резания и правила по использованию СОЖ, что связано с физико-механическими характеристиками данного режущего материала. Од­ной их важных характеристик композитов является возможность работы с ударом и без удара, на что необходимо обращать особое внимание.

СТМ выпускаемые в странах СНГ и в дальнем зарубежье, в зависимости от основного процесса, протекающего при получении и определяющего свойства СТМ на основе нитрида бора, можно разделить на три вида:

1. СТМ, синтез, которого основан на фазовом превращении графитоподобного нитрида бора в кубический нитрид бора BN. Из материалов этой группы в странах СНГ производят: - композит 01 - эльбор РМ, - композит 02- белбор.

2. СТМ, получение которых основано на частичном или полном превращении вюрцитного нитрида бора в кубический. В СНГ из материалов этой группы производят: - однослойный композит 10 и двухслойный композит 10Д (гексанит P), - модификация композита 09 (НТНБ, ПТНБ-ИК).

3. СТМ поручение которых основано на методах порошковой металлургии, спеканием частиц кубического нитрида бора BN. По этой технологии получают следующие модификации: композит 05, киборит, ниборит.

 

 

2.1 Эльбор-Р

Микротвердость эльбора, определяющая его режущую способность, близка к микротвердости алмаза и составляет 70000...90000 МПа, что обеспечивает высокую размерную стойкость инструмента. Теплостойкость эльбора1400…1500 ⁰С - наивысшая среди всех известных режущих материалов для лезвийных инструментов. Важнейшим свойством эльбора является его способность противостоять циклическому воздействию высоких температур. При нагревании до температуры 1000°С на поверхности его кристаллов образуется тонкая защитная пленка, предохраняющая его от дальнейшего окисления.

Химическая стойкость эльбора-Р, определяющая в известной степени его износ при резании, также весьма высока. Эльбор нерастворим в концентрированных и разбавленных кислотах и щелочах, не разлагается в растворах щелочных металлов.

Эльбор-Р в отличие от алмаза инертен к железу, что способствует снижению его диффузивного и адгезионного износа. Этим он выгодно отличается от алмаза.

Предел прочности на изгиб эльбора - 700 МПа, что выше предела прочности на изгиб алмаза. Масса эльбора измеряется, как и масса алмаза, в каратах. Плотность эльбора 3,44…3,49 г/см³.

Точение закаленных сталей резцами из эльбора обеспечивает шероховатость обработанной поверхности R_a=0,63…0,1 мкм и точность до 6…4 квалитетов.

При обработке чугуна можно получить при такой же высокой точности шероховатость обработанной поверхности R_a=1,25…0,4 мкм

По режущим свойствам и износостойкости резцы из эльбора-Р в 5 6 раз превосходят резцы из твердого сплава при обработке закаленных сталей (HRC₃ 58…65) и чугунов (НВ 200). В связи с этим лезвийный инструмент из эльбора, несомненно, перспективен и находит все большее применение при окончательной обработке деталей из закаленных сталей и высокопрочных чу­гунов вместо шлифования.

Основной торговой маркой эльбора, используемого для оснащения рез­цов, фрез и другого лезвийного инструмента, является композит 01 (эльбор -Р) и композит 05.

Композит 01 (эльбор-Р) предназначен для чистовой обработки (без удара) закаленных сталей с наибольшей твердостью HRC3 67 и высокопроч­ных чугунов.

Резцы из эльбора-Р рекомендуются применять на следующих операци­ях:

1) обтачивание валиков из закаленной стали и высокотвердых чугунов взамен шлифования;

2) растачивание отверстий в деталях из закаленной стали и высокотвер­дых чугунов взамен шлифования,

3) прецизионная обработка деталей из незакаленных сталей взамен точения твердосплавными резцами и шлифования;

4) обработка деталей из труднообрабатываемых материалов
Композит 05 применяется для получистовой и чистовой обработки (без удара) чугунов (заготовки композита 05 выпускаются в виде цилиндров диаметром 8 мм, что позволяет снимать большие припуски) и не рекомендуется для обработки сталей.

 

2.2. Гексанит

Институтом проблем материаловедения АН УССР были созданы поликристаллические сверхтвердые материалы на основе вюрцитного нитрида бора, получившие наименование гексанит-Р и гексанит-А и используемые соответственно для лезвийного и шлифовального инструмента.

Использование ударных волн для осуществления фазового превраще­нии в графитоподобном нитриде бора приводит к сильному измельчению получаемого материала (размер частиц основной фракции менее 1 мкм) и вносит большие искажения в структуру кристаллической решетки. Эти особенности вюрцитного нитрида бора обеспечивают возможность спекания его в поликристалический СТМ при более низких давлениях, чем применяемые для полу­чения эльбора-Р, имеющего структуру кубического нитрида бора. Последнее обстоятельство позволило получать в серийном производстве поликристаллы гексанита—Р диаметром до 6…8 мм на стандартном прессовом оборудовании. Поликристаллы гексанита-Р и гексанита-А отличаются высокой микротвердостью 40000...70000 МПа, и сравнительно высокой теплостойкостью - до 900⁰С, а также сильно выраженными пластическими свойствами. Они имеют предел прочности на изгиб 1300 МПа. Основной отличительный признак поликристаллов гексанита-Р - способность работать при сильных ударных нагрузках за счет двухслойности. Гексанит-Р (торговая марка композит 10Д) применяется для получистовой и чистовой обработки прерывистых поверхностей деталей из закаленных сталей твердостью до HRC₃ 60 и чугунов.

Гексанит-Р можно применять и при чистовой обработке деталей высокой твердости и разнотвердости, восстанавливаемых напеканием или наплавкой при ремонте сельскохозяйственной техники.

Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

Марка	Первоначальное название	Твердость HV, ГПа	Теплостойкость, oС
Композит 01	Эльбор-Р	60...80	1100...1300
Композит 02	Белбор	60...90	900...1000
Композит 03	Исмит	60	1000
Композит 05	Композит	70	1000
Композит 09	ПКНБ	60...90	1500
Композит 10	Гексанит-Р	50...60	750...850

 

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершенствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования:

композиты 01 (эльбор-Р) и 02 (белбор) используют для тонкого и чистового точения и фрезерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 55...70 НRС, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачами до 0,20 мм/об и глубиной резания до 0,8

композит 05 применяют для чистового и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40...58 HRC, чугунов твердостью до 300 НВ с подачами до 0,25 мм/об и глубиной до 2,5 мм

композит 10 (гексанит-Р) используют для тонкого, чистового и получистового точения и фрезерования с ударами деталей из закаленных сталей твердостью не выше 58 HRC, чугунов любой твердости.

Абразивные зерна

Наибольшее распространение для производства абразивных инструментов на гибкой основе получили такие типы абразивного зерна:

---

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 280; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!