|
|
Определение ориентировочного химического состава материала Для определения ориентировочного химического состава материала для кернера необходимо провести анализ различных классов материала. 1. Стали. Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называется доэвтектоидными, 0,8% - эвтектоидными и больше 0,8% - заэвтектоидными [1, с. 54]. Твёрдость и прочность стали могут быть увеличены в результате термической обработки в 3 - 5 раз, а модули упругости при этом изменяются менее чем на 5% [3, с. 180]. Также благодаря термической обработке и введению легирующих элементов можно повысить их коррозионную стойкость. Основное требование к сталям является обеспечение конструкционной прочности: они должны обладать определённым набором механических свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу материала, иметь хорошие технологические свойства. Стали являются достаточно недорогим материалом. Свойства сталей соответствуют нашим требованиям к готовому изделию, и оно может быть изготовлено из данного материала. 2. Чугуны. Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% - эвтектическими и содержащие более 4,3% - заэвтектическими [1, с. 54]. Чугун отличается от стали по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации. Чугун дешевле стали [3, с. 203]. Чугуны обладают более высокой твердостью, чем стали из-за большого наличия цементита, что одновременно повышает и хрупкость. Однако углерод в этих сплавах может присутствовать в виде графита. В зависимости от того, в какой форме присутствует графит в сплаве, различают: Ø Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида. Ø Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Ø Высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Ø Ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита [3, с. 180]. Ещё одним достоинством этого класса является более низкая цена по сравнению со сталями. Недостатками чугунов являются: большая хрупкость, низкая упругость. Так как инструмент, который нам необходимо изготовить (кернер) работает в условиях ударных нагрузок, то использование данного материала нецелесообразно. 3. Сплавы цветных металлов. а) На основе меди. Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами называются бронзами. Оловянистые бронзы (содержание олова до 20%) обладают хорошими литейными свойствами, высокой химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Хорошо обрабатываются резанием. Являются дорогими. С очень высоким содержанием олова становятся очень хрупкими [1, с. 164]. Алюминиевые бронзы содержат 5 - 10% алюминия. Алюминиевые бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии. Обрабатываются давлением. Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и являются более дешёвыми. Обладают высокой стойкостью против коррозии. Хорошие упругие характеристики, удовлетворительно обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы содержат 2,0 - 2,5% бериллия. Дисперсионно - твердеющие сплавы, значительно повышают механические свойства в результате термической обработки. Высокие прочность и упругость, стойкость против коррозии, хорошая свариваемость и обрабатываемость резанием. Применяется для изготовления ответственных деталей и инструментов. Являются очень дорогими [1, с. 165]. Сплавы меди с цинком называются латунями. Они обладают хорошей жидкотекучестью, достаточно дешевые, обладают небольшой усадкой. Хорошо обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью, но с небольшой твердостью (120 НВ в деформированном состоянии). Различают деформируемые и литейные латуни. б) На основе алюминия. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются не высокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Дюралюминий хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии. После закалки дюралюминий подвергают старению, что обеспечивает получение высоких прочности и твёрдости. Сплавы авиаль, уступая по прочности дюралюминию, они обладают лучшей пластичностью в горячем и холодном состояниях [1, с. 167]. Силумины обладают высокой жидкотекучестью, имеют малую усадку. в) На основе магния. Магний относительно устойчив против коррозии лишь в сухой среде и при повышении температуры легко окисляется и даже самовоспламеняется. Магниевые сплавы применяют в авиационной промышленности, в машиностроении и радиотехнической промышленности [1, с. 168]. г) На основе титана. Обладают хорошими литейными свойствами. Наличие азота и кислорода повышает прочность титана, но сильно снижает пластичность. Присутствие углерода снижает ковкость, ухудшает обрабатываемость резанием, свариваемость титана. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, в ряде кислот. Титан хорошо куётся и сваривается [1, с. 170]. Цветные металлы и сплавы обладают хорошей пластичностью, стойкостью в агрессивных средах, хорошей твёрдостью и упругостью, поэтому некоторые из них можно использовать для изготовления кернера. 4. Материалы порошковой металлургии. Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке - спеканию [4, с. 418]. Основа твёрдых сплавов - карбиды металлов, обладают высокой хрупкостью. Сплавы являются дорогими, поэтому их делают не цельными. Твёрдые сплавы имеют высокие твердость 87 - 92 HRA (HRC = 2HRA - 104) и теплостойкость (800 - 11000С) [1, с. 137]. Твердые сплавы делятся на группы: вольфрамовая, титановольфрамовая, титанотанталовольфрамовая, безвольфрамовая. Твёрдые сплавы применяют в основном для изготовления режущего инструмента. Они дорогие и требуют специального оборудования, как для изготовления, так и для защиты от вредного воздействия, так как для улучшения механических свойств в них добавляют измельчённые легирующие элементы. 5. Неметаллические материалы. Значительное место в промышленности занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико. Достоинствами неметаллических материалов является высокая механическая прочность, высокие электроизоляционные характеристики, оптическая прозрачность, высокая эластичность, химическая стойкость, морозостойкость, износостостойкость. Недостатками же является низкая твердость, низкая ударная вязкость, склонность к старению. Поскольку твёрдость и ударная вязкость являются основными требованиями к изготовляемому инструменту, изготовление кернера из неметаллических материалов нецелесообразно. Таким образом, для изготовления кернера выберем углеродистую инструментальную, низколегированную инструментальную стали, а также быстрорежущую сталь. 22 Уточнение химического состава Таблица 3 Основные характеристики материала | ||||||||||||||||||||||||
Марка материала |
Название. |
Химический состав. |
Механические свойства. |
Технол. св-ва. |
ТО |
Область применения. |
|||||||||||||||||||
σв; МПа |
δ5;% |
HRC |
|||||||||||||||||||||||
Р6М5 |
Быстрорежущая инструментальная сталь |
С: 0,82 - 0,90 W: 5,5 - 6,5 Мо: 4,8 - 5,3 Cr: 3,8 - 4,4 V: 1,7 - 2,1 Со: < 0,5 |
-/- |
-/- |
63 - 65 |
Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. |
Закалка 12200С масло. Отпуск 5500С |
Для всех видов режущ. инструм., инструм. работающ. с ударными нагрузками. |
|||||||||||||||||
У8А |
Углеродистая инструментальная сталь |
С:0,75 - 0,84 Mn:0,15 - 0,4 Cr:< 0,15 Si: 0,17 - 0,33 |
1420 |
10 |
62 - 63 |
Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. |
Закалка 7700С вода. Отпуск 1700С |
Инструмент подвергающийся ударам и толчкам (зубила, клейма, кернеры). |
|||||||||||||||||
8ХФ |
Низколегированная инструментальная сталь |
С: 0,7 - 0,8 Si: 0,1 - 0,4 Mn:0,15- 0,45 Cr: 0.4 - 0.7 V: 0.15 - 0.3 |
-/- |
-/- |
61 - 63 |
Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. |
Закалка 8300С вода. Отпуск 2200С |
Для штемпелей при холодной работе, ножей при холодной резке Ме, обрезке заусенцев, кернеров. |
|||||||||||||||||
15ХФ |
Хромованадиевая сталь |
С:0,12 - 0,18 Si: 0,17 - 0,37 Mn:0,4 - 0,7 Cr:0,8 - 1,1 V: 0,06 - 0,12 Ni:0.3; Cu:0,3 |
750 |
13 |
63 - 64 |
Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. |
Закалка 7900С вода. Отпуск 1800С |
Применяют для небольших деталей машин (зубч. колёса, поршневые пальцы, плунжеры). |
24
Изучив все марки материалов, проанализируем достоинства и недостатки каждой (табл. 4).
Таблица 4
Достоинства и недостатки материалов
Свойства
Р6М5
У8А
8ХФ
15ХФ
Коррозионная
стойкость
средняя
низкая
средняя
средняя
не являются коррозионно-стойкими
Твёрдость в ТО состоянии
высокая
высокая
высокая
высокая
Прочность в ТО состоянии
высокая
ниже чем у Р6М5, но выше чем у 8ХФ и 15ХФ
ниже, чем у сталей
Р6М5;У8А
Ударная
вязкость
средняя
выше среднего
Жидкотекучесть
средняя
Термическая
обработка
сложная
простая
простая
простая
Стоимость
высокая
низкая
дороже У8А, дешевле Р6М5
1.6. Выбор материала
На основе сравнения свойств четырёх выбранных нами марок сталей можно сделать вывод, что для изготовления кернера наиболее оптимальным материалом является сталь У8А, так как она удовлетворяет нашим требованиям и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими:
Ø Низкой стоимостью
Ø Простая термическая обработка
Ø Необходимый и достаточный комплекс характеристик (твёрдость, прочность, ударная вязкость) который необходим нам в готовом изделии.
1.7. Термическая обработка
Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении [5, с. 5].
Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава [3, с. 227].
Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения [5, с. 171].
Скорость охлаждения должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения [5, с. 171].
Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава [3, с. 227].
Материалом для нашего изделия была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А.
В данной стали содержится 0,8 % С, она является эвтектоидной (рис. 14)
Рис. 14. Расположение стали У8А на диаграмме железо - цементит
В нашем случае мы будем делать полную закалку. Этот процесс достигается нагревом стали на 30 - 500С выше критической точки Ас1 и быстрым охлаждением в воде. Температура закалки будет равна 7700С. Время выдержки будет складываться из времени, необходимого для того, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В результате закалки получаем мартенситную (М) структуру с остаточным аустенитом (Аост).
Далее проведём высокотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 500 - 6500С. Его мы выполняем с целью получения структуры сорбита отпуска (Сотп.) твёрдость которого 20 - 30 HRC, а также снижения внутренних напряжений и получения максимальной вязкости.
Полученная нами твёрдость не устраивает нас, поэтому дальше мы проведём поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ). Мы выбрали закалку ТВЧ, поскольку можно регулировать глубину закалённого слоя частотой и временем, а также, потому что при закалке на поверхности детали практически отсутствует окисление.
Температура нагрева будет составлять 760 - 7700С, охлаждение будем проводить в воде. Время нагрева должно быть небольшим, поскольку диаметр кернера невелик.
Далее проведём низкотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 150 - 2000С. Его мы выполняем с целью получения структуры мартенсита отпуска (Мотп) твёрдость которого 64 HRC, присутствуют внутренние напряжения.
Таким образом, мы получили сердцевину структура, которой Сотп, твердость в пределах 20 - 30 HRC и максимальная вязкость, которая будет способствовать сопротивлению ударной нагрузке. Поверхность же нашего изделия имеет структуру Мотп твердость, которого 64 HRC, это будет способствовать проникновению кернера в материал заготовки.
Схему термической обработки стали У8А представим на рис. 15.
Рис. 15. Термическая обработка стали У8А
Структуру стали, после термообработки представим на рис. 16., где
а - структура сердцевины (Сотп.), б - структура поверхности (Мотп).
Рис. 16. Структура стали, после термообработки
2. Заключение
3.
Целью нашей работы был подбор материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял ряду требований (срок службы, себестоимость, технология изготовления).
Нами была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А, мы провили её термическую обработку, чтобы она полностью удовлетворяла нашим требованиям.
При выполнении курсовой работы мы закрепили, обобщили и научились применять на практике полученные нами в курсе «Материаловедение» теоретические знания.
Список литературы
1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.
2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1983, 348 с.
3. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 648 с.
4. Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова и др.; Под общ. ред. Дальского А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с., ил.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Металлургия, 1978. 392 с.
6. Гелин Ф.Д. Металлические материалы: справ. - Мн.: Высш. шк., 1987. - 368 с.
7. Журавлёв В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.
8. Щербаков Н.Н. Оборудование школьных мастерских средствами малой механизации: Пособие для учителя (Из опыта работы). - М.: Просвещение, 1983. - 127 с., ил.
Страницы: 1, 2
Новости |
Мои настройки |
|
© 2009 Все права защищены.