Учебное пособие 800481

держание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название.

Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые — спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

1.8.10. Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380 - 90) выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается.

Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — «сп», полуспокойных — «пс», кипящих — «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Спокойными и полуспокойными про-

31

изводят стали Ст1…Ст6, кипящими — Ст1…Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, без указания химического состава.

Сувеличением номера марки прочность увеличивается,

апластичность стали соответственно уменьшается.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом. Пример маркировки: Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп.

Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно колеблется. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки. Пример маркировки: БСт3, МСт3кп, КСт3пс.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Пример маркировки: ВМСт2, ВКСт2.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и

32

приборов. Эти стали используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций.

1.8.11.Углеродистые качественные стали

Вмашиностроении эти стали используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. Они имеют более низкое содержание вредных примесей и неметаллических включений, чем стали обыкновенного качества. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Вмашиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. Содержание серы

ифосфора в них допускается в пределах 0,03…0,04% каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами

05, 08, 10, 15, 20,..., 75, 80, 85, обозначающими среднее со-

держание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20% С, сталь 75 — 0,75% С и т. д.

К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7...1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г,

..., 70Г, имеющих повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25…30 мм).

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп». Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные — 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.

33

1.8.12. Автоматные стали

Эти стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора.

Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС» (AC 14). Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2…3 раза сократить расход режущего инструмента.

Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фосфора снижает качество стали. Стали, содержащие серу, имеют ярко выраженную анизотропию механических свойств и пониженную коррозионную стойкость.

Стали A11, A 12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.

Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Стали, содержащие свинец, широко применяют для изготовления деталей двигателя.

1.8.13.Легированные стали

Вуглеродистой стали, кроме углерода, содержатся и другие элементы, например марганец, кремний, хром, никель. Но эти элементы содержатся в виде примеси и не вводятся в

углеродистую сталь преднамеренно, они входят в исходные материалы (руды, флюсы и т. п.) или попадают в сталь в процессе ее раскисления. Если же в процессе выплавки углеродистой стали преднамеренно добавить в нее другие элементы, то

34

при этом изменяется не только химический состав, но и свойства стали.

Специальные элементы, которые преднамеренно добавляют в углеродистую сталь при ее выплавке с целью получения требуемых свойств стали, называются легирующими элементами, а полученная сталь — легированной сталью. Суммарное содержание легирующих элементов в стали, выраженное в весовых процентах, называется степенью легирования.

Такие постоянно присутствующие в стали элементы, как марганец и кремний, считаются легирующими элементами при содержании марганца более 1% и кремния более 0,8%.

Легированием стали (различными элементами в разном количестве) и применением соответствующей термической обработки можно получить, по сравнению с углеродистой сталью, большую вязкость при одинаковой прочности, большую прочность при одинаковой вязкости и даже более высокие и прочность и вязкость.

Но преимущества легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются не только в более высоких механических свойствах. Легированием можно изменить и физикохимические свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную, немагнитную, магнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами.

1.8.14.Классификация легированных сталей

Воснову классификации легированных сталей заложены четыре признака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей.

По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат

35

соответственно избыточный феррит или вторичные карбиды типа МезС.

В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вкупе с аустенитом; поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (< 2%) и возможности подвергать пластической деформации.

Классификация по структуре после нормализации

предполагает разделение сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный.

Классификация по химическому составу предполагает разделение легированных сталей (в зависимости от вводимых элементов) на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.п.

Согласно той же классификации стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%).

Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали — это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей — серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04% S и до 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025% Р) и особовысококачественные (до

0,015% S и до 0,025% Р).

По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами. К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие,

36

коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали.

1.8.15. Маркировка легированных сталей

Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузначные цифры (например, 12ХН3А), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д

— медь, Е — селен, К — кобальт, Н — никель, М — молибден, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, Х — хром, Ц —цирконий, Ч — редкоземельные элементы, Ю — алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1…1,5% и менее цифра отсутствует, например 30ХГС).

Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные — буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, 30ХГС-Ш). Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом.

При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2, где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш (ШХ 15, где 15 — среднее содержание хрома в десятых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные стали, выплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь иссле-

37

довательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33 (10Х11Н23ТЗМР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях.

При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается количественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквенных обозначений остальных легирующих элементов, например ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР.

1.8.16. Чугуны

Чугуны — более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно диаграмме состояния (Fe—Fe3C). Эти чугуны имеют большую твердость (НВ 450...550) из-за присутствия в них большого количества цементита; как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12…30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина — серого чугуна. Высокая твердость поверхности такой отливки позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойст-

38

ва отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях износа.

Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), то и свойства его будут зависеть от этих двух составляющих.

По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.

1.Серый перлитный со структурой перлит + графит. Количество связанного углерода составляет 0,8%.

2.Серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит +графит. Количество связанного углерода < 0,8%.

3.Серый ферритный со структурой феррит + графит. Весь углерод в виде графита.

Марка серого чугуна состоит из букв Сч (серый чугун) и

цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2), например, Сч15, Сч40.

Графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов до 100 т и более.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

Высокопрочный чугун. Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования магнием. Этот процесс сопровождается сильным возгоранием, поэтому чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокую прочность и при этом некоторую пластичность.

39

Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности (ζв) и относительному удлинению (δ), например Вч45-5, где ~ 45 кгс/мм2 — предел прочности, а ~ 5% — относительное удлинение.

Ковкий чугун. Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томление) доэвтектического белого чугуна. Графит в таких чугунах называют углеродом отжига. Ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью, что связано с меньшим влиянием хлопьевидной формы графита на механические свойства металлической основы.

Полное отсутствие литейных напряжений, которые снимаются за счет длительного отжига, и разобщенность графитовых включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов.

Маркировка ковких чугунов Кч и цифрами (как высокопрочных чугунов), например, Кч30-6, Кч80-1,5.

1.9. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.9.1. Характеристика свойств инструментальных материалов

Режущие инструменты работают в условиях больших силовых нагрузок, высоких температур и трения. Поэтому инструментальные материалы должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований. Материал рабочей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допустимые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяла воспринимать ударную динами-

40