Материаловедение

1. Легирование. Влияние легирующих элементов на свойства стали

 

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях  с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими  элементами, а стали – легированными.

Содержание легируюших элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому  их использование должно быть строго обоснованно.

Влияние легирующих элементов  на превращения в стали:

1. Влияние легирующих элементов на превращение перлита в аустенит

Легирующие элементы в большинстве случаев растворяются в аустените, образуя твердые  растворы замещения. Легированные стали требуют более высоких температур нагрева и более длительной выдержки для получения однородного аустенита, в котором растворяются карбиды легирующих элементов.

Малая склонность к росту  аустенитного зерна – технологическое  преимущество большинства легированных сталей. Все легирующие элементы снижают склонность аустенитного зерна к росту, кроме марганца и бора. Элементы, не образующие карбидов (кремний, кобальт, медь, никель), слабо влияют на рост зерна. Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) сильно измельчают зерно.

2. Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита

По влиянию на устойчивость аустенита и на форму С-образных кривых легирующие элементы разделяются  на две группы.

Элементы, которые растворяются в феррите и цементите (кобальт, кремний, алюминий, медь, никель), оказывают только количественное влияние на процессы превращения. Замедляют превращение (большинство элементов), или ускоряют его (кобальт) (рис.1 а).

 

 

Рис 1. Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита: а – некарбидообразующие элементы; б — карбидообразующие элементы

 

Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) вносят и качественные изменения  в кинетику изотермического превращения. При разных температурах они по разному влияют на скорость распада аустенита: при температуре 700…500^oС — замедляют превращение в перлитной области, при температуре 500…400^oС (образование троостита) – очень сильно замедляют превращение, при температуре 400…300^oС (промежуточное превращение) – замедляет превращение аустенита в бейнит, но меньше, чем образование троостита. Это отражается на форме С-образных кривых: наблюдаются два максимума скорости изотермического распада, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 1 б)

Температура максимальной устойчивости аустенита зависит  от карбидообразующего элемента: хром – 400…500^oС, вольфрам – 500…550^oС, молибден – 550…575^oС, ванадий – 575…600^oС. Время максимальной устойчивости при заданной температуре возрастает с увеличением степени легированности (очень велико для высоколегированных сталей).

Важным является замедление скорости распада. Это способствует более глубокой прокаливаемости  и переохлаждению аустенита до интервала  мартенситного превращения при более медленном охлаждении (масло, воздух). Увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, особенно при совместном легировании.

 

2. Диаграмма состояния сплавов «Железо-цементит». Структурные превращения, происходящие в стали, содержащей 0,4% углерода.

 

Рис. 2. Диаграмма состояния железо цементит

 

Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными  сталями. Рассмотрим фазовые и структурные  изменения доэвтектоидной стали  на примере сплава III (рис. 3).

 

 

Рис. 3 - Кривая охлаждения сплавов

 

В интервале температур t8–727 ^oС идет полиморфное превращение А Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 ^oС концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р).

Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава  точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется  нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

 

3. Операции термической обработки стали 15Х для поршневого пальца автомобиля

 

Поршневые пальцы работают при больших  скоростях скольжения и средних  давлениях, поэтому основным требованием, предъявляемым к легированным конструкционным  сталям, является сочетание высокой  прочности, твердости и вязкости. Наряду с этим они должны иметь хорошие технологические и эксплуатационные свойства и быть дешевыми. Введение в сталь легирующих элементов само по себе уже улучшает ее механические свойства.

Для получения после цементации и последующей термической обработки  высокой твердости поверхности и пластичной сердцевины детали изготовляют из низкоулеглеродистых сталей 15 и 20. получающаяся после цементации и последующей термической обработки твердая и прочная сердцевина у сталей с повышенным содержанием углерода предохраняет цементованный слой от продавливания при больших предельных нагрузках. Это позволяет снизить глубину цементованного слоя, т.е. сократить длительность цементации.

Последовательность операций обработки  поршневого пальца, изготовленного из стали 15Х :

Отливка - цементация - механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка;

В результате длительной выдержки при  высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна. Для получения высокой  твердости цементованного слоя и  достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергнем последующей термической обработке.

В результате цементации поверхностный  слой деталей науглероживается (0,8 - 1% С), а в сердцевине остается 0,12 - 0,32% С, т.е. получается как бы двухслойный металл. Поэтому для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка.

Первая - закалка от 850 - 900°С; Вторая от 750 - 800°С и отпуск при 150 - 170°С. В результате первой закалке  улучшается структура низкоуглеродистой  сердцевины (перекристаллизация). При  этой закалке структура поверхностного слоя тоже улучшается, так как быстрым охлаждением устраняется цементитная сетка. Но для науглероживания поверхностного слоя температура 850 - 900°С является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева. После цементации деталь поступает на механическую обработку.

Основная цель закалки стали это получение высокой твердости, и прочности что является результатом образования в ней неравновесных структур - мартенсита, троостита, сорбита. Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас1 на 30 - 90 0С. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще более твердой составляющей, чем мартенсит (температура заэвтектоидных сталей постоянна и равна 760 - 780 0С).

Вторая закалка от 750 - 800°С является нормальной закалкой для науглероженного слоя - устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя.

Отпуск при 150 - 170°С проводится для снятия внутренних напряжений. После такого режима термической  обработки структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины - мелкозернистый феррит+перлит.

Механические свойства стали после термической обработки:

- Твердость в сердцевине  повысилась до НВ 212;

HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)

- Предельная прочность  (ув) равна 620 Н/мм2.

 

4. Марки сплавов для изготовления следующих инструментов и деталей машин:

а) Для бортов грузовых автомобилей применяют сплавы АД31, 1935, 1915, Амг5. Для крыла грузового автомобиля, изготовленного холодной штамповкой, наиболее подойдет сплав марки Амг5. Сплав АМг5  - относится к системе Al - Mg - Mn . Он имеет высокие пластические характеристики, как при комнатной, так и при повышенных температурах, и обладает высокой коррозионной стойкостью в различных средах. Марганец несмотря на довольно узкий диапазон содержания в сплаве существенно влияет на его механические свойства. Так при содержании Mn на верхнем пределе (0,8%) при прочих равных условиях прочностные свойства на 2-3 кг/мм 2 выше, чем при содержании Мn на нижнем пределе (5%). Значительное упрочнение профилей из сплава Амг5 может быть достигнуто в результате холодной деформации.

б) Для изготовления неразъемного вкладыша подшипника скольжения подойдет баббит. Сложные антифрикционные белые сплавы, объединенные под этим общим названием, весьма различны по своему химическому составу и физико-механическим свойствам, но все они характеризуются мягкой основой из олова или свинца с твердыми зернами сплавов сурьмы, меди, щелочных металлов и пр. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемосто подшипника к валу, а твердые зерна повышают износоустойчивость. По антифрикционным свойствам баббит превосходит все остальные антифрикционные сплавы, но по механической прочности он значительно уступает бронзе и чугуну, поэтому баббит применяют только для покрытия рабочей поверхности вкладыша тонким слоем, предохраняющим от заедания и повышенного износа при пуске и останове машины; основные характеристики наиболее распространенных марок баббита и область их применения приведены в табл.1.

Таблица 1. Техническая характеристика и область применения баббитов

 

в) Для изготовления корпуса  редуктора методом литья мы выбираем высокопрочный чугун ВЧ 50-2

Примерный химический состав, %:

С 3,3-3,6

Mn 0,5-0,8

Si 1,9-2,2

S 0,14

P 0,15

Характеристика механических свойств отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ 50-2:

Временное сопротивление sВ = 50 кгс/мм2.

Предел текучести sТ = 38 кгс/мм2.

Относительное удлинение  после разрыва dS = 2%.

Ударная вязкость аН = 2,0 кгс·м/см2.

Твёрдость НВ = 180-260.

 

5. Схема резания при точении

 

Точение представляет собой  обработку резанием наружных и внутренних осесимметричных поверхностей геометрических тел вращения, а также плоских  поверхностей, расположенных перпендикулярно  к оси вращения. Реализуется точение  на станках токарной группы. Принципиальная кинематическая схема точения в прямоугольной (декартовой) системе координат имеет вид, показанный на рис. 4.

 

 

 

Рис.4. Принципиальная схема точения

 

В соответствии с этой схемой заготовка вращается относительно оси X (движение Dr), а продольную подачу осуществляют вдоль оси X (движение Ds). Сочетание этих двух движений предопределяет траекторию результирующего движения, которое совершают точки лезвия проходного резца. Путь движения имеет вид винтовой линии.

Точение вдоль оси X называют проходным. За каждый оборот заготовки лезвие проходного токарного резца перемещается на размер подачи S и удаляет один виток слоя материала. Толщина слоя представляет собой глубину резания t. Этот слой превращается в стружку (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Схема последовательного срезания припуска проходным токарным резцом

 

Исходя из технологических  назначений различают предварительное  точение (обдирка - с целью удалить  избыточный припуск, обусловленный  способом получения заготовки), межоперационное  формообразующее точение, чистовое формообразующее точение и окончательное (доводочное) точение.

В каждом конкретном случае токарной обработки при выборе параметров резания следует учитывать то обстоятельство что режущий инструмент (резец) имеет всего лишь одно главное лезвие, причем, его активная длина ограничена шириной срезаемого слоя и находится в условиях большой динамической и температурной напряженности. В свою очередь, геометрия режущей части оказывает существенное влияние как на качество обработанной поверхности (уровень шероховатости), так и на её состояние (наклёп поверхностного слоя).

Основное технологическое  время to проходного точения составляет to= l / n S, где l - длина обрабатываемой поверхности вдоль направления  подачи S; n - частота вращения (об/мин).

 

 

Список литературы

 

1. Гапонкин В. А. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и станки: Учебник для средних специальных учебных заведений по машиностроительным специальностям/ В. А. Гапонкин, Л. К. Лукашев, Т. Г. Суворова. -- М.: Машиностроение, 1990. -- 448 с.: ил.
2. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003.
3. Материаловедение Козлов Ю.С. М.,СПб.: Агар, 2000
4. Пожидаева С.П. Технология конструкционных материалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультета технологии и предпринимательства. Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002.
5. Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М., Машгиз, 1962.
6. Технология металлов и сварка. Учебник для ВУЗов. Под ред. П. И. Полухина. М., «Высш. школа», 1977.