Мета роботи

 

Вивчити класи конструкційних матеріалів та їх властивості

2.2 Теоретичні відомості

 

2.2.1 Класифікація конструкційних матеріалів

 

Матеріали, з яких виготовляють деталі машин, називаються конструкційними. На обробку цих матеріалів різанням впливають хімічний склад, механічні властивості, кристалічна гратка.

Основними по кількості у виробництві і споживанні є сплави на основі заліза — сталь і чавун. Другорядне значення мають сплави кольорових металів.

Сталь — сплав заліза з вуглецем до 2%. Практично виплавляють і застосовують сталь із вмістом вуглецю до 1,4%, тому що при більшому вмісті його збільшується твердість і крихкість, і вироби з такої сталі стають непридатними до роботи. Вуглецеві сталі мають гарні фізико-механічні і технологічні властивості, що робить їх придатними для більшості деталей машин. При цьому вироби одержують литтям, обробкою тиском у холодному і нагрітому стані, зварюванням і механічною обробкою.

По призначенню вуглецеві сталі поділяються на конструкційні із вмістом вуглецю від 0,02 до 0,8% і інструментальні із вмістом вуглецю від 0,65 до 1,4%.

Для надання сталям підвищених фізико-механічних або особливих технологічних властивостей вводять такі метали, як нікель, хром, марганець, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, титан, кобальт, мідь, алюміній і інші, і ці сталі називають легованими або спеціальними. По призначенню їх поділяють на конструкційні і інструментальні, а по властивостях — на зносостійкі, нержавіючі, жаростійкі, жароміцні, магнітні і сталі із спеціальними фізичними властивостями. Висока вартість легованих сталей і дефіцитність легуючих елементів — присадок цілком виправдовує себе їхньою тривалою службою в особливих умовах, у яких вироби з вуглецевої сталі непридатні.

Чавун — сплав заліза із вмістом вуглецю 2—5%. Кремній, марганець, фосфор і сірка, що присутні в чавуні, значно впливають на властивості виливок. Шкідливо впливає на якість сірка. Вироби з чавуна одержують головним чином виливанням у піщані і металеві форми під тиском (водопровідні і каналізаційні труби й інші порожні заготівки) і невелику частину у вигляді дрібних виливок в оболонкові форми і по виплавлюваних моделях.

Розрізняють виливки із сірого чавуна, звичайного, високоміцного, легованого і виливки з ковкого чавуна.

У виливках звичайного сірого чавуну вуглець знаходиться у вигляді пластинок графіту різних розмірів і товщини, розподілених по всьому об’єму і діючих подібно надрізам, послабляючи міцність металевої основи. Сірий чавун випробується на згин і стискання.

Високоміцний чавун з кулястим графітом одержують із сірого чавуну шляхом модифікування. Він має високу межу міцності на розтягання і велике відносне видовження і випробується на розтягання та ударну в'язкість.

Леговані виливки одержують додаванням в чавун хрому, нікелю, кремнію, міді й алюмінію для надання спеціальних властивостей: жаростійкості, зносо- і - корозійної стійкості, немагнітності.

У виливках з ковкого чавуну графіт знаходиться у вигляді скупчень пластівчастого вуглецю і у меншій мірі впливає на механічні властивості, чим у виливках сірого чавуну, що складають середнє між чавунним і сталевим литтям.

Сплави на основі міді поділяються на латуні і бронзи.

Латунь — сплав міді з цинком і невеликою кількістю інших металів (алюмінію, нікелю, марганцю, кремнію, свинцю, заліза й ін.) є найбільш розповсюдженим. Найбільшою міцністю володіють латуні із вмістом до 45% цинку. По виду обробки латуні поділяються на ливарні і ті, що деформуються, тобто оброблювані тиском. По складу розрізняють прості латуні — сплави міді з цинком і спеціальні латуні, що містять у невеликих кількостях інші кольорові метали. Виливки виготовляють тільки із спеціальних латуней, що володіють високою межею міцності і в'язкістю, що підвищується при обробці тиском і при наступній термічній обробці.

Бронза — сплав міді з оловом або з іншими металами. По складу бронзи поділяються на дві групи: олов’янисті — сплави міді з оловом і спеціальні — сплави міді з іншими металами, у залежності від яких одержують алюмінієві, свинцеві, кременисті, марганцеві, берилієві й інші бронзи.

Олов’янисті бронзи внаслідок дорожнечі і дефіциту олова втратили своє значення і виготовляються тільки з вторинних, а не з первинних кольорових металів.

Спеціальні бронзи поділяються на ливарні і ті, що деформуються. Найбільш поширена алюмінієва бронза завдяки високим механічним властивостям і антикорозійній стійкості. З неї виготовляють деталі відповідального призначення як і з кременистої бронзи. Свинцеві бронзи застосовують як антифрикційні матеріали; вони добре обробляються різанням, але мають велику ліквацію по питомій вазі. У приладобудуванні поширені берилієві бронзи, які мають високу міцність після термічної обробки та антикорозійну стійкість.

Алюмінієві сплави мають малу питому вагу (2,5 — 3 г/см3, або 0,025—0,030 Мн/м3), високі електричну і теплову провідність, механічні властивості, гарну корозійну стійкість і оброблюваність різальним інструментом. Питома міцність, віднесена до питомої ваги, вище, ніж у мідних сплавів, і близька до питомої міцності спеціальної сталі.

Ливарні сплави — силуміни — містять від 5 до 14% кремнію й основні добавки міді, магнію, цинку.

Сплави, що деформуються,— дуралюміни — сплави алюмінію з міддю, магнієм і марганцем.

Механічні властивості алюмінієвих сплавів підвищуються при загартуванні і штучному старінні — витримці при температурі до 100-150°С.

Магнієві сплави мають малу питому вагу (1,74—1,92 г/см³) і більш високу питому міцність, чим алюмінієві сплави, бронзи і чавуни. Ці сплави мають істотні недоліки: низьку корозійну стійкість і здатність самозайматися при температурі 600° С, малу пластичність у холодному стані і відносно погані ливарні властивості.

Магнієві сплави, що деформуються, мають зміцнювальні домішки— марганець, алюміній, цинк, та ливарні — кремній. Застосовують сплави після термічної обробки — загартування і старіння, або безпосередньо в литому стані.

Титан і титанові сплави мають високу межу міцності (1000-1350 МПа), підвищену стійкість проти окислення при температурах до 600° С, антикорозійну стійкість в морській воді, гарну зварюваність і ковкість. Недоліками їх є висока вартість, труднощі в одержанні якісної литої заготовки при обробці тиском у холодному стані, а також у велика реакційна здатність при підвищеній температурі. Титан застосовується в сплавах із хромом, молібденом, марганцем, алюмінієм, залізом, кремнієм, індієм, вуглецем .

 

2.2.2 Позначення і області застосування сталей

 

Розглянемо детальніше позначення і області застосування сталей, як найбільш широко вживаних.

Назви марок сталей, як правило, відповідають їх хімічному складу. Букви визначають елемент, а цифри — його приблизну кількість. Буква “А” наприкінці марки вказує на підвищену якість сталі.

Усі сталі, крім вуглецю і легуючих присадок, містять невелику кількість кремнію, марганцю, фосфору і сірки. Наявність, наприклад, десятих часток відсотка кремнію і марганцю в сталі є залишковим після процесу розкислення і не робить помітної дії на властивості її у виробах. Фосфор викликає крихкість сталі при нормальній температурі й особливо при температурі нижче нуля при вмісті його більш 0,03 — 0,05%. Сірка в такій же кількості викликає крихкість сталі при температурах червоного розкалювання, тобто при 1000° С, і утворення тріщин при куванні, вальцюванні, зварюванні й інших видах гарячої обробки.

Цифри в початку назви вказують середнє значення вуглецю в сотих долях проценту. Якщо після букви немає цифр, то це означає, що в сталі міститься біля одного проценту вуглецю.

Наближене призначення вуглецевих сталей звичайної якості

Ст. 0 - для виготовлення зварних будівельних конструкцій невідповідального призначення: переліжки, перстини, огородження, кожухи. Зварюваність хороша.

Ст.1 – мало навантажені деталі металоконструкцій: нюти, перстини, шплінти, переліжки, кожухи, штамповані деталі. Зварюваність хороша.

Ст.2 - деталі металоконструкцій: рами візків, кільця, нюти, валики, вісі, кулачки, що не зазнають великих навантажень, ключі, перстини, цементовані деталі. Зварюваність хороша.

Ст.3 - деталі металоконструкцій: рами візків, деталі що цементують або ціанують, від яких потрібна висока твердість поверхні і невисока міцність серцевини, гаки кранів, кільця, циліндри, гайки, гонки, кришки. Зварюваність хороша.

Ст.4 - деталі металоконструкцій: вали, осі, гаки, важелі, болти, клини, шпонки та інші деталі при невисоких вимогах до міцності. Зварюваність задовільна.

Ст.5 - вали, осі, пальці, зірочки, упори вальниць, важелі гальмівні, болти, гайки, перстини, шатуни, гаки, клини, зубчасті колеса, шпонки й ін. деталі при підвищених вимогах до міцності. Зварюваність задовільна.

Ст.6.- вали, осі, бійки молотів, шпинделі, муфти кулачків і фрикційні, пластини ланцюгів, гальмівні стрічки і деталі, що вимагають високої міцності. Зварюваність обмежена.

Ст.7 - те ж, а також деталі, що піддаються інтенсивного зносу. Зварюваність погана.

Наближене призначення вуглецевих якісних сталей:

Сталь 08 кп, сталь10 - деталі, виготовлені штампуванням і холодним висадженням, трубки, переліжки, дрібні кріпильні деталі, ковпачки. Деталі, що цементуються, ціануються і не вимагають високої міцності серцевини: втулки, валики, упори, копіри, зубчасті колеса, фрикційні диски. Зварюваність хороша.

Сталь15, сталь 20 – мало навантажені деталі: валики, втулки, пальці, упори, копіри, осі, шестерні. Тонкі деталі, що працюють на стирання, фрикційні диски й ін. Важелі, гаки, траверси, вкладки, болти, стягачі. Зварюваність хороша.

Сталь30, сталь 35 - кріпильні деталі, штифти, упори, кільця клапанів, шатуни, кришки, шліцьові вали, ручки. Зварюваність задовільна.

Сталь40, сталь45 - деталі, що вимагають більш високої міцності при середній в'язкості: вали колінчасті, розподільні, шпинделі верстатів, шліцьові вали, штоки, черв'ячні вали, вилки, кронштейни, циліндри, храповики, стопори, фіксатори, упори, мало навантажені шестерні, муфти, кріплення, пальці, сухарі. Зварюваність обмежена.

Сталь 50, сталь55 - деталі високої міцності: зубчасті колеса, штоки, вали, осі, прокатні валки, ексцентрики, невідповідальні пружини. Зварюваність погана.

Сталь 60 - ексцентрики, прокатні валки, бандажі, пружинні кільця, перстини дисків зчеплення, переліжки. Зварюваність погана.

Сталь 65. 70, 75, 80, 85 - ресори, пружини, деталі, що піддаються абразивному зносу.

 

Леговані сталі

До складу легованих сталей можуть входити елементи, які умовно позначаються наступним чином (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1 - Умовні позначення елементів, що входять до складу сталей

Ф	В	Г	М	Н	Х	Ю	С	А	Д	Е	П
Ванадій	Вольфрам	Марганець	Молібден	Нікель	Хром	Аалюміній	Кремній	Азот	Мідь	Селен	Фосфор

 

Вміст вуглецю визначається подібно як і для вуглецевих сталей. Деякі легуючі елементи знаходяться в сталі в незначній кількості: бор (Р) – 0,002 – 0,005%, ванадій (Ф) – 0,1 – 0,2%, молібден (М) – 0,15 – 0,55%, титан (Т) – 0,06 – 0,12%, цирконій (Ц) - 0,15 – 0,25%.

Якщо після букви, що позначає легований елемент, нема цифри, то це означає, що в сталі міститься близько 1% даного елемента.

Приклади розшифровки:

1. Сталь 18 ХГТ – вуглецю 0,18%, хрому, марганцю, титану біля 1%

2. Сталь 25Х2Н4ВА – вуглецю 0,25%, хрому 2%, нікелю 4%, вольфраму 1%.

Легівні елементи по різному впливають на властивості сталі (дивись таблицю 2.2). В таблиці позначено: + підвищує властивість; -зменшує властивість; 0 істотно не впливає.

 

Таблиця 2.2 - Вплив легівних елементів на властивості сталей

Елемент	Температура нормалізації, загартовування	Твердість, міцність	Пластичні властивості	Хрупкість	Жароміцність	Корозійна стійкість	Цементування
Алюміній	+	+	+				-
Бор	+	+	-		+	-	+
Ванадій			+	-	-
Вольфрам			+			-	-
Кобальт		+			+	+
Кремній	+	+	-	+	+	+	-
Марганець	-			+	+
Молібден	+	+	+	-	+	+
Нікель	-		+		+		-
Титан	+	+	+				-
Хром	+	+		+	+	+

 

Наближене призначення низьколегованих сталей

Сталь 15Г - застосовується для тієї ж групи деталей, що і сталь 15. Зварюваність хороша.

Сталь 30Г - деталі, що піддаються стиранню: осі, вали, зубчасті колеса, вилки, важелі, кріплення. Зварюваність обмежена.

Сталь 40Г, 45Г, 50Г - те ж при дії високих навантажень: диски тертя, вали, анкерні болти, напівосі, шпильки. Зварюваність погана.

Сталь 60Г - зубчасті колеса, бандажі вагонні, шпинделі, упорні кільця, пружинні перстини, гальмівні диски.

Сталь 65Г, 70Г - деталі, що працюють на знос, цанги подачі і затискні різних розмірів, пружини плоскі і круглі, перстини пружинні, кільця, втулки, фрикційні диски, ножі, стійки пружинні сільгоспмашин.

Сталь 15Х - сталь добре зварюється, цементується. Пальці поршневі, вали розподільні двигунів, штовхачі, клапани, хрестовини карданів, різні дрібні деталі, що працюють в умовах зносу при терті.

Сталь 20Х - сталь зварюється задовільно.

Шестерні коробок передач, кулачкові муфти, втулки, напрямні планки, шпинделі, що працюють у підшипниках ковзання, плунжери, оправки, копіри, шліцьові вали.

Сталь 40Х - сталь зварюється погано.

Деталі, що працюють на середніх швидкостях і середніх питомих тисках: шестерні, шпинделі і вали в вальницях кочення, черв'ячні вали, шліцьові вали. Деталі, що працюють при середніх кругових швидкостях і високих питомих тисках при невеликих ударних навантаженнях: шестерні, шпинделі, втулки, кільця, рейки, ротори гідронасосів.

Сталь 45Х, 50Х - сталі зварюються погано, мають високу міцність. Великі деталі, що працюють при середніх швидкостях і питомих тисках: шестерні, шпинделі і вали, що працюють у вальницях кочення, черв'ячні вали, шліцьові вали.

Сталь 38ХА - сталь зварюється погано, має високу міцність і в'язкість. Шестерні, що працюють при середніх швидкостях і питомих тисках (при підвищеній міцності з попереднім поліпшенням).

Сталь 45Г2, 50Г2 - сталі зварюються погано, мають глибоке гартування. Великі мало навантажені деталі: шпинделі, вали, шестерні, деталі важких верстатів.

Сталь 18ХГТ - сталь зварюється задовільно. Деталі, що працюють при великих швидкостях, середніх і високих тисках з ударними навантаженнями: шестерні, шпинделі, що працюють у підшипниках ковзання, черв'яки, кулачкові муфти, втулки.

Сталь 20ХГР, 12ХН2 - сталі зварюються добре. Важко навантажені деталі, що працюють при великих швидкостях і ударних навантаженнях: шестерні, гільзи, черв'яки, кулачкові муфти, шпинделі (сталь 12ХН2 застосовується тільки після цементації).

Сталь 40ХГР - великогабаритні деталі, шпинделі, вали, осі, циліндри низького тиску й інші деталі моторного обладнання. Рекомендують замість сталей марок 40ХН, 40ХНМ, ЗОХНЗ.

Сталь 20ХФ - для невеликих деталей (через низьке гартування), шестерні, поршневі пальці, розподільні валики.

Сталь 40ХС - сталь зварюється погано, має високу міцність, але помірну в'язкість. У зв'язку з низьким гартуванням застосовують для невеликих деталей.

Сталь 40ХФА - сталь зварюється погано. Високоміцна сталь, застосовується після загартування і відпуску для відповідальних деталей.

Сталь ЗОХГС - Сталь зварюється добре. Деталі середніх розмірів, дрібні деталі складної конфігурації, що працюють в умовах зносу (важелі, штовхачі); для відповідальних зварних конструкцій, що працюють при змінних навантаженнях. Зварюваність обмежена. Вали, деталі турбін і кріплення при підвищеній температурі.

45ХН, 50ХН Зварюваність погана. Застосовується для тієї ж групи деталей, що і сталь 40Х, але більших розмірів.

Високолеговані, корозійностійкі, жаростійкі, жароміцні сталі

Ці сталі застосовуються при роботі в агресивному середовищі, при високих температурах

 

2.2.3 Оброблюваність матеріалів

По оброблюваності конструкційні матеріали діляться на 4 групи :

а) легкооброблювані (алюмінієві деформовані сплави, м’які чавуни, бронзи);

б) середньої оброблюваності (вуглецеві низьколеговані сталі, чавуни середньої твердості, алюмінієві недеформовані сплави, бронзи);

в) низької оброблюваності (тверді чавуни, сталі мартенситного класу, сталі мартенситно-феритного класу, сталі феритного класу, сталі аустенітно-мартенситного класу);

г) важкооброблювані (сплави на залізо-нікелевій основі, високолеговані (аустенітні) сталі).

Конструкційні матеріали постачають у вигляді вальцювання (листи, труби, прутки) відпаленого стану. Стан заготовки може бути покращений за рахунок термічної обробки (твердість та механічні властивості). В механічних цехах властивості вальцювання оцінюють по твердості та міцності.

де HB – твердість в МПа, к – коефіцієнт.

к = 0,27 – вуглецеві сталі;

к =0,31 – низьколеговані сталі;

к =0,41 – високолеговані сталі.

Оброблюваність матеріалу є сукупністю його багатьох технологічних властивостей, які впливають на різні сторони процесу різання. З практичної точки зору найбільший інтерес представляють наступні показники оброблюваності:

· інтенсивність зношування робочих поверхонь інструменту при обробці даного металу, що визначає рівень швидкості різання, з яким доцільно працювати, і, що знаходиться в тісному зв'язку з продуктивністю і собівартістю обробки;

· якість остаточно обробленої поверхні деталі, що характеризується шорсткістю поверхні, точністю розмірів і форми деталі, залишковими напругами в поверхневому шарі деталі і т.д.;

· величина сили різання, яка визначає деформації інструмента і деталі, потужність, що затрачається на різання;

· характер утворення і легке відведення остружка, які мають важливу роль при глибокому свердлінні, нарізанні різьби в глухих отворах, роботі на токарних автоматах і т.п.

В залежності від особливостей операції вибирається найбільш важлива характеристика оброблюваності, але у всіх випадках, прямо або побічно, ці характеристики зв'язані з інтенсивністю затуплення інструменту, або його стійкістю Т, що визначається рівнем швидкості різання v.

Таким чином, у більшості випадків оброблюваність металу визначається шляхом знаходження залежності Т=f(v) при інших параметрах процесу різання, близьких до оптимальних, які забезпечать вимоги якості і вартості деталі.

Вперше вивчення залежності Т=f(v) було проведено в 1905 р. Тейлором. На основі експериментальних досліджень він установив, що при великих перетинах зрізу залежність стійкості від швидкості з достатнім наближенням можна охарактеризувати рівнянням

Т=С_Т / v^μ або v = С_V /Т^m, (2.1)

де С_Т, С_v - коефіцієнти, що залежать від властивостей оброблюваного матеріалу, матеріалу і геометричних параметрів інструмента, параметрів перетину зрізу, умов охолодження і т.д.;

μ - показник ступеня, що відповідає інтенсивності впливу v на Т.

Однак надалі було встановлено, що формула (2.1) придатна для опису залежності Т=f(v) далеко не у всіх випадках, тому що в залежності від сполучення параметрів різання величина μ змінюється в значних межах.

Класичний метод полягає у визначенні залежностей v=f(Т) для різних матеріалів. Шляхом виміру зносу різця через невеликі проміжки часу, задавшись визначеним періодом стійкості Т, можна знайти відповідні йому швидкості різання V_T1,V_T2. і визначити коефіцієнт оброблюваності:

K₀= V_T1/V_T2

Таблиця 2.3 – Максимально припустимі значення, Т_пр

Інструмент	Оброблюваний матеріал	Інструментальний матеріал	Тпр, хв.
Різці	Сталь	Швидкорізальна сталь
	Чавун	»
	Сталь	Тверді сплави
	Чавун	»
Свердла	Сталь	Швидкорізальна сталь
	Чавун	»
	Сталь	Тверді сплави
	Чавун	»
Зенкери	Сталь	Швидкорізальна сталь
	Чавун	»
	Сталь	Тверді сплави
	Чавун	»
Фрези	Сталь	Швидкорізальна сталь
	Чавун	»
	Сталь	Тверді сплави
	Чавун	»

2.3 Хід виконання роботи

1. Ознайомитись із теоретичними відомостями.

2. По виданих викладачем різальним інструментам визначити марку їх сталей та розшифрувати.

3. Провести обробку різних класів конструкційних матеріалів на токарному верстаті. Визначити оброблюваність запропонованих матеріалів.

 

2.4 Контрольні запитання

1. Що називається сталями?

2. Як поділяються вуглецеві сталі?

3. Що таке леговані сталі? Як вони поділяються по властивостям?

4. Що таке латуні?

5. Що таке бронзи?

6. Які алюмінієві сплави ви знаєте?

7. Які властивості магнієвих сплавів?

8. Які властивості титанових сплавів?

9. Як позначають вуглецеві сталі звичайної якості? Назвіть їх область застосування.

10. Назвіть область застосування вуглецевих якісних сталей.

11. Які елементи входять до складу легованих сталей? Як вони позначаються?

12. Який вплив легувальних елементів на властивості сталей?

13. Назвіть наближене призначення низьколегованих сталей.

14. Як позначаються леговані сталі?

15. Як поділяються матеріали по оброблюваності?

16. Які показники оброблюваності ви знаєте?

ЛАБОРАТОРНА ОБОТА №3

 

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ

 

3.1 Мета роботи

 

Вивчити основні класи інструментальних матеріалів, їх позначення та область застосування

 

3.2 Теоретичні відомості

3.2.1 Властивості інструментальних матеріалів

 

Працездатність різального інструменту може бути забезпечена лише за умов, коли його робоча частина має такі властивості.

1). Твердість. Інструментальні матеріали твердіші за конструкційні удвічі. Найнижчу твердість мають вуглецеві інструментальні сталі У10, У12. Твердість інструментальних вуглецевих сталей HRC 61...64, швидкорізальних сталей HRC 62...69. Тверді сплави мають твердість HRА 88...92, мінералокераміка HRА 92...95. Найтвердіший інструментальний матеріал – алмаз .

Для здійснення процесу обробки твердість інструменту повинна бути приблизно в півтора-два рази більшою ніж твердість заготовки.

2). Міцність. В процесі різання робоча частина інструмента перебуває в складному напруженому стані (стискання, розтягування, крученні, зсуву), тому висувають основні вимоги щодо міцності, на стискання та на згин. Важливе їх оптимальне співвідношення. Швидкорізальні сталі мають найкращі показники міцності. Дещо меншу міцність на згин мають тверді сплави. Ще меншу міцність має мінералокераміка. Найменша міцність на згин у алмаза. Міцність визначає подачу інструмента на зуб (оберт) – чим більша міцність, тим більша подача.

Чим менша міцність інструментальних сталей, тим приймають більшим значення переднього кута у інструмента, що збільшує сили різання та деформацію металу.

3). Температуростійкість (червоностійкість) – здатність матеріалу інструменту зберігати свої механічні властивості під дією високих температур. Найвищу температуростійкість має мінералокераміка, кубічний нітрид бору, тверді сплави, швидкорізальні сталі. Температуростійкість матеріалу визначає продуктивність обробки. Найнижчу продуктивність обробки мають вуглецеві та леговані сталі (V_різ = 20...30 м/хв.).

4). Теплопровідність. Температура в зоні різання в ряді випадків може бути знижена завдяки відтоку тепла від головного різального леза та передньої площини, тому матеріал повинен мати добру теплопровідність. Теплопровідність інструментального матеріалу залежить від вмісту вольфраму, ванадію та кобальту. Всі названі метали дуже дефіцитні.

4). Коефіцієнт тертя. Матеріал різальної частини інструмента працює в умовах сухого тертя інструментального матеріалу по оброблюваному. Коефіцієнт тертя залежить від хімічного складу матеріалів заготовки та інструменту. Чим краще ковзання інструменту по заготовці, тим менший коефіцієнт тертя.

5). Зносостійкість – здатність матеріалу інструментау протидіяти витиранню матеріалу заготовки.

Зносостійкість оцінюється інтенсивністю зносу ,

де m – маса продукту зносу (мг.), L – ширина контакту (мм.).

6). Ударна в’язкість – здатність матеріалу інструменту витримувати ударні навантаження без розрушення.

3.2.2 Вуглецеві інструментальні сталі

 

Вуглецеві інструментальні сталі допускають невисокі швидкості різання (до 15 м/хв), внаслідок невисокої теплостійкості. Через це їх основне призначення - ручний інструмент, свердла невеликого діаметру, плашки, мітчики, протяжки, напилки.

Сталь У7А призначена для інструменту, що піддається ударам і який потребує великої в'язкості при помірній твердості, — для зубил, ковальських штампів, викруток, ножиць, свердел, таврів по залізу, штампів по шкірі.

Сталь У7 - те ж, для кувалд, ковальських і слюсарних молотків, теслярського інструменту й ін.

Сталь У8А - для інструменту, що піддається ударам і вимагає підвищеної твердості при наявності достатньої в'язкості, — для матриць простої форми, ножиць і ножів по металу, таврів, столярного інструменту, пилок по м'якому металу і дереву, пневматичного інструменту та ін.

Сталь У8 - те ж, для губок лещат, зубил для вугілля, зубил для відбиття каменю й ін.

Сталь У9А - для інструментів, що вимагають твердості при наявності деякої в'язкості, діркопробивних штемпелів, кернів, деревообробного інструменту.

Сталь У9 - те ж, для зубил по кам'яних породах і ін.

Сталь У10А - для інструменту, що не піддається різким і сильним ударам і потребує деякої в'язкості на гострих лезах, — для токарних і стругальних різців, свердел, мітчиків, розверток, плашок, фрез, ножівочних полотен, фасонних штампів, свердел по досить твердим породам і ін.

Сталь У10 - те ж, для інструменту для відбиття каменю, зубил для насічення напилків і ін.

Сталь У12 і У12А - для інструменту, що не піддається ударам і який потребує великої твердості, — для токарних і стругальних різців, мітчиків, плашок, бритв, гострого хірургічного інструменту, калібрів, годинникового інструменту, монетних штампів, напилків і ін.

Сталь У13А - для інструменту, що не піддається ударам і потребує високої твердості.

Сталь У13 - для різців по твердому металу, бритв, волочильного інструмента, зубил для насічки напилків, граверного інструмента й ін.

Інструментальні вуглецеві сталі позначаються буквою У, за нею іде цифра, що характеризує вміст вуглецю в сталі, помножений на 10. Так в сталі марки У10 вміст вуглецю складає біля 1%. Буква А в кінці відповідає високоякісним сталям.

 

3.2.3 Леговані інструментальні сталі

 

У легованих інструментальних сталях легівні елементи покращують властивості сталі.

Хром підвищує зносостійкість, та покращує твердість.

Кремній – сприяє більш рівномірному розподіленню карбідів, використовується для інструментів з тонкими різальними лезами.

Ванадій утворює стійкі тверді карбіди, через це сталі мають високу зносостійкість, міцність та низьку оброблюваність шліфуванням. Сприяє отриманню дрібнозернистої структури.

Кобальт – підвищує міцність, температуропровідність, хімічну активність легівних елементів, збільшує червоностійкість. Використання кобальту необхідно економічно обґрунтовувати.

Наведемо області застосування деяких легованих інструментальних сталей.

Сталь Х12 - для холодних штампів високої стійкості проти стирання, які не піддаються сильним ударам і поштовхам, для волочильних дошок, формувальних штампів, для матриць і пуансонів.

Сталі ХВГ, ХСВГ - для інструментів, що при загартуванні повинні мало деформуватися, для вимірювальних і різальних інструментів, різевих калібрів, лекал, довгих мітчиків, плашок, протяжок, фрез, прес-форм для пластмас.

Сталь Х09 - для зубил, застосовуваних при насіченні напилків, для кулачків, токарних, стругальних і довбальних різців у лекальній і ремонтній майстернях.

Сталь 9Х - для валків при холодному вальцюванні, таврів, пробійників, матриць і пуансонів для холодного висадження, деревообробного інструменту.

Сталь Х05 - для ножів бритв і лез гострого хірургічного інструменту.

Сталь 7Х3, 8Х3 - для матриць при гарячому висадженні, для формувальних і поршневих пуансонів при гарячому гнутті й обрізці.

Сталь 9ХС - для свердел, розверток, фрез, мітчиків, плашок, гребінок, машинних штемпелів, таврів для холодних робіт.

Сталь 6ХС - для пневматичних зубил і штампів невеликих розмірів для холодного штампування.

Сталь 4ХС - для зубил, ножиць при гарячому і холодному різанні металу, для штампів гарячої витяжки.

Сталь ХГС - для вимірювальних інструментів, щодо яких підвищене короблення при загартуванні не допустиме.

Сталь В1 - для спіральних свердел, мітчиків, розверток.

Сталь 4Х8В2 - для матриць і пуансонів, що працюють у важких умовах нагрівання, для прес-форм, застосовуваних при формуванні виробів із пластмас.

Сталь 5ХВ2С, 6ХВ2С - для ножиць при холодному різанні металу, пуансонів і обтискних матриць при холодній роботі, для прес-форм для лиття під тиском, для деревообробних інструментів при тривалій роботі.

Інструментальні леговані сталі позначаються цифрою, що характеризує вміст вуглецю в десятих долях процента (якщо цифра відсутня, вміст вуглецю 1%), за якою слідують букви, що відповідають легівним елементам (Г – марганець, Х – хром, С – кремній, В – вольфрам, Ф – ванадій), і цифри, що позначають вміст елемента в процентах.

 

3.2.4 Швидкорізальні інструментальні сталі

 

Швидкорізальні інструментальні матеріали містять більшу кількість карбідоутворюючих елементів (вольфрам, молібден, ванадій і ін.).

Швидкорізальні сталі за рівнем теплостійкості підрозділяють на наступні групи:

1. Нормальної продуктивності:

ü вольфрамові Р18, Р12, Р9

ü вольфрамо-молібденові Р6М5, Р9М4, Р6М3.

2. Підвищеної продуктивності:

ü ванадієві Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2;

ü кобальтові Р9К5, Р9К10, Р18К10Ф2.

Вольфрамові сталі, через високий процентний вміст вольфраму, у даний час не застосовують. Вольфрамо-молібденові сталі мають достатню міцність і пластичність, одержали найбільше поширення при виготовленні складних зубообробних і різеобробних інструментів.

Кобальт, на противагу вольфраму і ряду інших металів, карбідів не утворює. Однак, він підвищує міцність і червоностійкість, маючи високу теплопровідність. Тому кобальтові сталі більш теплопровідні, чим вольфрамові, краще шліфуються. Їхній недолік – знижена в порівнянні з вольфрамовими механічна міцність. У порівнянні зі сталями нормальної теплостійкості кобальтові сталі допускають більш високі швидкості різання, однак, інструмент із них повинен працювати при малих перетинах зрізу, тобто вони допускають меншу подачу.

Сталь Р18 –застосовується для обробки м'яких і середньої твердості матеріалів.

Сталь Р9 - через низьку оброблюваність шліфуванням застосовується для інструментів обмеженої точності, де об’єм шліфувальних робіт обмежений.

Сталь Р18Ф2 - застосовується для обробки матеріалів різної твердості, у тому числі нержавіючих і жароміцних сплавів.

Сталь Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 – використовують в інструментах, що нагріваються в процесі роботи до високих температур. Для обробки нержавіючих і жароміцних сплавів і інших твердих матеріалів.

Сталь Р9Ф5 – знайшла застосування в інструментах, які виконують окремі операції при невеликих перетинах стружки і без сильного нагрівання інструменту, для обробки матеріалів, що володіють абразивними властивостями, жароміцних сплавів і сплавів на основі титана.

Швидкорізальні сталі позначаються буквами, що відповідають карбідоутворюючим і легуючим елементам (Р- вольфрам, М – молібден, Ф – ванадій, А – азот, К – кобальт, Т – титан, Ц – цирконій). За буквою йде цифра, що позначає середній вміст елемента в процентах (вміст хрому біля 4% в позначенні не вказується). Вміст азоту вказується в сотих долях проценту. Цифра, що стоїть на початку позначення сталі вказує на вміст вуглецю в десятих долях процента. Якщо цифра відсутня, вміст вуглецю 1%.

3.2.5 Тверді сплави

Тверді сплави одержали широке поширення. Швидкість різання приблизно в 5 разів вища, ніж в інструменту із швидкорізальної сталі. Червоностійкість цих матеріалів досягає 870-1000 Сº. Тверді сплави виготовляють при високих температурах спіканням пластифікованого порошку карбідів, що при цьому змінює свій об’єм, зменшуючись приблизно на 50%. Склад твердих сплавів – карбіди вольфраму, титану, танталу, зцементовані кобальтом.

Чим менше кобальту в сплаві, тим менша його в'язкість і крихкість. Такі матеріали застосовують для невеликих перетинів зрізу, тобто для чистових робіт.

Тверді сплави класифікують на дві великі групи: що містять вольфрам, і на безвольфрамові тверді сплави.

Сплави, що містять вольфрам поділяються на:

ü вольфрамові (однокарбідні) –ВК15;

ü титанові (двохкарбідні) – Т15К6, Т30К4;

ü титано-танталові (трьохкарбідні) ТТ7К12, ТТ8К10, ТТ9К12Б.

Тверді сплави групи ВК найбільш міцні але разом з тим менш тепло і зносостійкі. Їх використовують при обробці чавунів, кольорових металів і їхніх сплавів, нержавіючих і жароміцних сталей, загартованих сталей і при переривчастому різанні.

Тверді сплави групи ТК у порівнянні зі сплавами групи ВК більш зносостійкі але менш міцні. Істотною перевагою є більша відсутність схильності до злипання. Їх застосовують для обробки пластичних матеріалів – вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей.

Тверді сплави групи ТТК по застосовності є універсальними, їх використовують при обробці сталей і чавунів. Основна область застосування – різання з дуже великими перетинами зрізу, чорнова обробка й обробка з ударами.

Чим важчі умови роботи в силовому відношенні (чорнова обробка), тим більше кобальту повинен містити сплав, чим легше режим (чистова обробка), тим більше повинно бути карбідів (вольфраму, титану, танталу).

Класифікація твердих сплавів по зернистості:

Розрізняють чотири групи:

ü грубозернисті – зерна карбідів 3-5 мкм (ВК8В,Т15К6В);

ü середньозернисті – зерна карбідів 1,5-3 мкм (ВК8,Т15К6 буква в позначення не додається);

ü дрібнозернисті – зерна карбідів 0,5-1,5 мкм (ВК8М, Т15К6М);

ü особливо дрібнозернисті – зерна карбідів 0,5-1,0 мкм (ВК8ОМ, Т15К6ОМ).

Дослідженнями встановлено, що властивості твердого сплаву залежать не тільки від хімічного складу, але і від структури (від величини зерен карбідів вольфраму).

Зі збільшенням розміру зерен міцність сплаву підвищується, а зносостійкість знижується.

Це дозволило створити сплави з високими зносостійкістю і задовільною міцністю:

ВК6ОМ для чистової обробки нержавіючих сталей, титанових сплавів і чавуна;

ВК15ОМ, ВК10ОМ, ВК15ХОМ – для напівчистової і чорнової обробки тих же матеріалів.

Класифікація твердих сплавів по області застосування.

Стандартом ІСО виділено три групи твердосплавного різального інструменту:

Р – для обробки вуглецевих і середньо легованої сталей і сталевого лиття, незагартованих інструментальних сталей, різання яких супроводжується появою зливної стружки. Позначаються цифрою 1 або смугою синього кольору.

М – для обробки високолегованих тепло і жаростійких сталей, високомарганцевистих і нержавіючих сталей аустенітного класу, ковких легованих чавунів, титанових і нікелевих сплавів. Позначаються цифрою 2 або смугою жовтого кольору.

К – для обробки сірих і вибілених чавунів, що дають стружку надлому, для різання загартованих сталей, кольорових металів, сплавів, пластмас, склопластиків, бетону і деревини. Позначаються цифрою 3 або смугою червоного кольору.

Кожна область розбита на групи виходячи з типу операцій. Група позначається цифрами від 01 до 50. Найбільше часто зустрічаються 01, 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, але можливі і проміжні значення. Малі індекси відповідають чистовим операціям, коли від твердого сплаву потрібна висока зносостійкість і мала міцність. Великі індекси відповідають чорновим операціям. Тому кожна марка твердого сплаву має свою область застосування.

Оскільки границі груп встановлені орієнтовно, те та сама марка твердого сплаву може добре працювати в двох або трьох групах або навіть різних областях.

Крім трьох вказаних груп випускаються також різальні пластини із спеціальних сплавів – це сплави групи МС. Виготовляють їх за технологією шведської фірми «Сандвик Коромант». Характеризуються високою стабільністю різальних властивостей.. Завдяки цьому їх рекомендується застосовувати на верстатах з ЧПК.

МС - це трьохкарбідні тверді сплави (ТТК), однак у них карбіди танталу замінені карбідами ніобію.

Позначення сплаву складається із букв МС і трьохзначного (для пластин без покриття) чи чотирьохзначного (для пластин з покриттям карбідом титана) числа: 1-а цифра відповідає області застосування по ISО; 2-а і 3-я характеристика підгрупи застосування, 4-а –наявність покриття.

Велика номенклатура твердих сплавів дозволяє підібрати кілька марок для будь-якої групи застосування. Перевагу варто віддавати найбільш міцним і дешевим матеріалам.

Нанесення зносостійких покрить дозволяє одержати одночасно зносостійкі і міцні інструментальні матеріали. Як матрицю під покриття беруть міцні марки твердих сплавів із дрібнозернистою структурою. Це можуть бути або стандартні марки твердих сплавів або спеціальні твердосплавні основи. Як покриття використовують Ti, TiCN. Будучи хімічно інертними до сталей, вони забезпечують твердим сплавам високу зносостійкість.

Розрізняють сплави з одношаровими і багатошаровими покриттями.

У сплавів з одношаровими покриттями наносять шар товщиною 5-12 мкм (звичайно золотавого кольору). Багатошарові покриття більш прогресивні і являють собою композицію Ti+TiCN+Ti, тому що Ti щонайкраще схоплюється з матрицею, а найбільшу надійність роботи забезпечують зовнішні шари з TiCN+Ti. Загальна товщина покриття 8-15 мкм.

Недоцільно застосовувати пластини при роботі з ударом, при різанні титанових сплавів, жароміцних сталей, металів з ливарною коринкою.

3.2.6 Безвольфрамові тверді сплави

У них карбід вольфраму замінений карбідом і карбонітридом титану, а для зв'язування замість кобальту використовують нікель і молібден. Безвольфрамові тверді сталі відрізняються зниженою схильністю до злипання. Однак, їм властиві схильність до тріщиноутворення, погана робота при ударних навантаженнях. Застосовують при чистовій і напівчистовій обробці при різанні конструкційних і низьколегованих сталей, кольорових металів і їхніх сплавів. Марки: ТН20, КНТ16, ТМ3

Так як безвольфрамові тверді сплави не містять дефіцитних елементів, то їм необхідно віддавати перевагу і використовувати замість твердих сплавів на основі карбідів вольфраму.

В залежності від складу карбідної фази і зв’язки, позначення твердих сплавів містить букви, що характеризують карбідоутворюючі елементи (В – вольфрам, Т – титан, друга буква Т – тантал і зв’язку (буква К – кобальт).

Процент карбідоутворюючих елементів в одно карбідних сплавах, що містять тільки карбід вольфраму, визначається різницею між 100% і масовою частиною зв’язки (цифра після букви К), наприклад сплав ВК4 містить 4% кобальту і 96% WC.

У двохкарбідних сплавах WC+ ТіС цифрою після букви карбідоутворюючого елемента визначається масова частка карбідів цього елемента, наступна цифра – масова доля зв’язки , решта – масова частка карбідів вольфраму (наприклад Т5К10 містить 5% ТіС, 10% Со і 85% WС).

В трьохкарбідних сплавах цифра після букв Т означає частку карбідів титана і танталу. Цифра за буквою К – масову частку зв’язки, решта – карбід вольфраму (наприклад, сплав ТТ8К6 містить 6% кобальту, 8% карбідів титана і Танталу і 86% карбіду вольфраму).

3.2.7 Мінералокераміка та кермети

Мінералокераміка виготовляється на основі Al₂O₃ методом пресування під великим тиском. Основною перевагою її є висока теплостійкість (~1200ºС), що дозволяє інструменту працювати при більш високих швидкостях різання в порівнянні з твердосплавним. Крім того, її вартість значно нижче, тому що вихідним продуктом для її одержання є глинозем. Твердість різальної кераміки вище твердості твердих сплавів, при цьому злипання зі стружкою не відбувається через хімічне розходження між інструментальним і оброблюваним матеріалами.

Керметами називаються сплави Al₂O₃ з карбідами , нітридами і іншими сполуками.

Істотний недолік мінералокераміки та керметів- велика крихкість, знижена міцність. Застосовують тільки при чистовій і напівчистовій обробці сталей, чавуну, міді і її сплавів при відсутності ударного і циклічного температурного навантаження.

 

Розрізняють чотири групи мінералокераміки:

1. Оксидна (чиста або біла) – складається з Al₂O₃ і невеликої кількості легівних домішок окисів магнію і цинку. Міцність найменша, але теплостійкість і твердість найвищі - ЦМ 332, ВШ75. З метою підвищення міцності оксидної кераміки її легують карбідами титана або нітридами титана.

2. Оксидно-карбідна (змішана, металева чорна) – складається з Al₂O₃ окисів магнію і цинку і 20-40% Ti – ВОК 60, ВОК 63.

3. Оксидно-нітридна (кортинид) - складається з Al₂O₃ окисів магнію і цинку і 20-40% Ti – ОНТ 20.

4. На основі нітриду кремнію Si₃O₄ (силініт-р).

Оксидна кераміка використовується для чистового та напівчистового точіння сирих та не загартованих сталей, сірих чавунів з великими швидкостями різання.

Оксидно-карбідна та оксидно-нітридна кераміка - для напівчистової обробки ковких відбілених чавунів, загартованих сталей, кольорових металів на основі міді.

Нітридна кераміка призначена для чистової обробки чавунів.

3.2.8 Надтверді матеріали

До надтвердих матеріалів відносять алмази, КНБ (кубічний нітрид бору).

Твердіть НТМ вища за твердіть інших матеріалів. У надтвердих матеріалів вимірюється мікротвердість за шкалою Вікерса

Механічні властивості алмазів: анізотропні, хімічно активні з залізом, червоностійкість порядку 600°-700°С.

НТМ виготовляють на основі синтетичних алмазів (АС):

АСПК – алмаз синтетичний карбонадо:

АСПБ - алмаз синтетичний балас.

Алмаз найтвердіший інструментальний матеріал Його мікротвердість за шкалою Вікерса в 4,5 рази вища порівняно з твердими сплавами. Алмази мають високу теплопровідність, яка значно перебільшує теплопровідність кольорових матеріалів, це сприяє швидкому відтоку тепла з зони різання. Малі значення коефіцієнтів тертя та об’ємного розширення, радіусів заокруглення різальних лез дозволяють проводити точну розмірну обробку.

Недоліки: анізотропність, низька міцність, підвищена хрупкість (через неї від’ємні значення передніх кутів), низька стійкість при високих температурах.

Розподіляють за міцністю на 5 класів:

О – звичайний;

Р – підвищені властивості;

В – високі властивості;

С – сортований, (найкращий);

К – кристалічний.

КНБ (кубічний нітрид бору) вперше був отриманий в 1960 році з нітриду бору – хімічного елементу, що є подібний до графіту. В теперішній час синтезований на Україні в Інституті НТМ (м. Київ). Технологія його виготовлення схожа з отриманням СА, але на відміну від алмазів кришталева гратка заповнена різними атомами: азоту та бора. Твердість трохи нижча від алмазів (на 20%), але червоностійкість приблизно в 2 рази вища. КНБ в хімічному плані більш інертний до інших матеріалів.

Освоєно випуск особливо великих полікристалічних утворень ПКНБ діаметром 5-6 мм і висотою7-8 мм. Це дає можливість обладнати КНБ різці та навіть фрези для обробки високоміцних чавунів та загартованих сталей. Успішним є використання КНБ для шліфування сталей та чавунів.

Використання:

композит 01,02 – для чистового точіння загартованих сталей, сірого та високоміцного чавуну;

композит 05 – точіння без удару чавунів будь-якої твердості;

композит 10 – точіння з ударом, торцеве фрезерування сталей та чавунів будь-якої твердості, твердих сплавів тощо (при вмісті кобальту більше ніж 15%).

3.3 Хід виконання роботи

1. Розшифрувати задані викладачем марки інструментальних матеріалів.

2. Зробити ескізи виданих різальних пластинок із різних інструментальних матеріалів. Визначити область застосування даних інструментальних матеріалів.

 

3.4 Контрольні запитання

 

1. Назвіть основні властивості інструментальних матеріалів.

2. Що таке вуглецеві інструментальні сталі? Назвіть їх область застосування. Як позначаються вуглецеві інструментальні сталі?

3. Що таке леговані інструментальні сталі? Їх позначення та область застосування.

4. Що таке швидкорізальні інструментальні сталі? Їх позначення та область застосування.

5. Як класифікують тверді сплави по хімічному складу? Назвіть основні властивості кожної групи та область застосування.

6. Що таке мінералокераміка? Область застосування та основні марки.

7. Які матеріали відносять до надтвердих?

8. Назвіть основні властивості алмазів та кубічного нітриду бору?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ ЛІНІЙНИХ ТА КУТОВИХ РОЗМІРІВ