Филиал Санкт – Петербургского государственного инженерно-экономического университета в г. Череповце
Кафедра социогуманитарных и естественных дисциплин
Контрольная работа
По дисциплине «Материаловедение»
Тема №31 «Инструментальные и быстрорежущие стали»
Студентки 2 курса
группы 4ЭУП-05
Валигура Т.В
Преподаватель:
Гаврилова М.А.
г. Череповец 2007
1. Требования к свойствам инструментальных материалов
В процессе резания режущие кромки инструмента находятся под воздействием очень высоких контактных напряжений. В таком состоянии материал склонен к пластическому деформированию. Сопротивление материала большим пластическим деформациям характеризуется твёрдостью. Таким образом, высокая твёрдость является необходимым свойством инструментального материала. Именно высокая твёрдость определяет принципиальную возможность использования материалов в качестве инструментальных. Это материалы, имеющие или получающие (в результате термической обработки) высокую твёрдость: инструментальные ткани, а также простые вещества (алмаз) и промежуточные фазы (карбиды, нитриды, оксиды).
При резании происходит нагрев режущей кромке инструмента. Температура в зоне резания тем выше, чем больше скорость резания. Способность материала сохранять твёрдость при нагреве – теплостойкость – является важной характеристикой, которая определяет производительность обработки.
В процессе резания инструменты подвергаются воздействию напряжений (изгиба – многолезвийный инструмент, кручения – осевой инструмент и реже растяжения – протяжки), а также динамическим нагрузкам. Поэтому инструментальный материал должен обладать достаточными механическими характеристиками – высокими пределом прочности и ударной вязкостью. При этом надо иметь в виду, что инструментальные материалы, обладающие высокой твёрдостью, имеют хрупкий характер разрушения (т.е. практически без пластической деформации), поэтому рост твёрдости сопровождается, как правило, снижением других механических свойств. Исходя из этого твёрдость должна быть максимально возможной, т.е. такой, при которой механические свойства материала обеспечивают работу инструмента без поломок и сколов режущей кромки.
Чем выше модуль упругости инструментального материала, тем больше его жесткость, меньше упругие сжатия в процессе резания, что обеспечивает меньшую шероховатость обрабатываемой поверхности.
Температура в зоне резания зависит от теплопроводности и теплоёмкости инструментального материала. Чем выше теплопроводность, тем интенсивнее отвод тепла из зоны резания. При более высокой теплоёмкости материала для его нагрева до определённой температуры требуется большее количество теплоты. Поэтому при резании в одинаковых условиях режущая кромка нагревается тем меньше, чем выше теплопроводность и теплоёмкость инструментального материала.
Коэффициент теплового расширения желательно иметь минимальным. Объёмные изменения при нагреве и охлаждении инструмента в процессе резания приводят к развитию термической усталости. Кроме того, изменения размеров инструмента в процессе резания снижают точность обработки.
Инструментальный материал должен иметь достаточно высокую химическую устойчивость. Это предотвращает или снижает вероятность появления адгезии (схватывания) и возникновения диффузионного износа (диффузия инструментального материала в обрабатываемый), опасность которого возникает при больших скоростях резания, из-за высоких температур в зоне обработки.
2. Стали для режущего инструмента
Из этих сталей можно изготовлять инструмент, который в процессе работы не разогревается выше 150 С. Такими инструментами являются деревообрабатывающие инструменты, ножовочные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент.
Углеродистые и легированные инструментальные стали не обладают теплостойкостью.
Они сохраняют высокую твёрдость при нагреве лишь до температуры около 200С.
Высокая твёрдость сталей достигается только за счёт мартенситного превращения. Твёрдость мартенсита зависит от концентрации в нём углерода, поэтому содержание его в инструментальных сталях высокое (0,7 – 1,3%).
Инструменты, которые в процессе работы не подвергаются ударным нагрузкам, можно изготовлять из сталей повышенной твёрдости. Инструменты, работающие в условиях действия ударных нагрузок, следует изготовлять из сталей повышенной вязкости.
При выборе стали следует учитывать также её прокаливаемость. Эксплуатационные свойства (твёрдость и износостойкость, прочность, и пластичность) сталей определяются в первую очередь количеством углерода в стали.
В таблице приводиться перечень марок нескольких основных нетеплостойких сталей для режущего инструмента.
| Марка сталей | Прокаливаемость | Твёрдость HRC | Вязкость |
| После термообработки | |||
| У9А, У10А:У11А, У12АХВ5Х, ОХС, ХВ5, ХВС5У76ХС, 7ХФ | Малая«ПовышеннаяМалаяПовышенная | 60…6265…6761…6450…5252…57 | Низкая«Повышенная« |
Углеродистые инструментальные стали (семь марок от У7 до У13) не обладают достаточной прокаливаемостью (так, при закалке в воде сталь У7 не получает сквозной твёрдости даже в сечении с поперечным размером 12мм, а прокаливаемость стали У12 менее20мм). Из них можно изготавливать только инструменты небольших размеров. Кроме того, закалка этих сталей производиться с охлаждением в воде. Это определяет высокую вероятность коробления или даже появления трещин.
Цель легирования заключается в повышении закаливаемости и прокаливаемости.
Низколегированные стали 11ХФ, 13Х и др. имеют невысокую прокаливаемость (до20 мм), их преимущество перед углеродистыми – улучшенная закаливаемость. Стали, получают высокую твёрдость 62-64 RC после закалки в масле.
Комплексно легированные стали ХВГ, ХВСГ, 9ХС прокаливаються при закалке в масле в сечениях 20-100 мм, это стали глубокой прокаливаемости.
2.1 Структура и термическая обработка сталей
Почти все стали являются заэвтектоидными (исключение У7 – доэвтектоидная и У8 – эвтектоидная). Карбидная фаза этих сталей – цементит (Ме3 С). В легированных сталях часть атомов железа в цементите может быть замещена атомами легирующих компонентов. В сталях, легированных вольфрамом и ванадием, присутствует также небольшое количество карбидов на основе вольфрама (Ме6С) и ванадия (МеС).
Упрочняющая термическая обработка сталей этой группы заключается в закалке и низком отпуске.
Закалка доэвтектоидных сталей выполняется от температуры Ас3 +(30-50) С, заэвтектоидных – от температуры Ас1 +(50-70) С. В целях уменьшения закалочных напряжений может быть использована ступенчатая закалка.
К достоинствам сталей этой группы следует отнести возможность выполнения закалки ТВЧ. Их закалочные температуры значительно ниже температур начало плавления, что принципиально, так как нагрев ТВЧ осуществляется со значительным перегревом. Структура закаленных сталей – мартенсит закалки, остаточный аустенит и цементит (в заэвтектоидных сталях). В том случае, если наличие остаточного аустенита в структуре недопустимо (например, для измерительного инструмента, так как распад аустенита в процессе эксплуатации вызывает изменение размеров), производится обработка холодом.
Температура отпуска 150-200С. При более высоких температурах нагрева происходит заметное разупрочнение, связанное с коагуляцией цементита. В процессе отпуска значительно снижаются закалочные напряжения, что приводит к росту прочности и ударной вязкости, твёрдость при этом уменьшается незначительно (на 1-2HRC) и сохраняется высокой. Структура после отпуска – мартенсит отпуска, цементит и остаточный аустенит.
Отжиг – разупрочняющая термическая обработка сталей – выполняется для улучшения обрабатываемости резанием. В результате отжига должна быть получена структура зернистого, а не пластинчатого перлита, что обеспечивает более высокую обрабатываемость резанием. Температура отжига назначается: для заэвтектоидных сталей – несколько выше Ас1, доэвтектоидных – выше Ас3. В структуре заэвтектоидных сталей недопустима цементитная сетка (пластины цементита расположены вокруг зерна; такая структура рассмотрена в первой части). Это приводит к повышенной хрупкости стали. Для устранения этого дефекта используют нормализацию – нагрев выше Асm с последующим охлаждением воздуха.
Свойства и область применения. После окончательной термической обработки стали получают твёрдость 60-63 HRC, предел прочности 2000-2500 МПа. Поскольку стали этой группы не обладают теплостойкостью, основная область их применения – инструменты, работающие с низкими скоростями резания (до 5-10 м\мин). Это ручной слесарный инструмент (метчики, плашки, развёртки, напильники), протяжки, так как протягивание осуществляется с низкими скоростями. Из сталей этой группы изготавливаются также свёрла.
При изготовлении протяжек и плашек требуется обеспечить минимальные деформации при закалке. Для протяжек характерно большое отношение длины к диаметру или толщине. Это определяет их предрасположенность к короблению при термической обработке. Режущая часть плашек, расположенная в середине инструмента, после термической обработки не шлифуется. Для изготовления этих инструментов используют, стали глубокой прокаливаемости ХВГ (протяжки), ХВСГ (плашки), для которых характерна малая склонность к деформациям при термической обработке.
Напильники изготавливают из сталей У13 и 13Х, при этом в условиях массового производства применяется закалка ТВЧ. Свёрла и метчики изготавливают из стали 9ХС. Кроме режущего из этих сталей изготавливается холодноштамповый инструмент, а также детали, от которых требуется износостойкость, обеспечиваемая высокой твёрдостью (детали оснастки, направляющие планки станков и др.)