close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

9776.Материаловедение и технология конструкционных материалов.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БУРЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
С.Н. Шуханов, Ф.Л. Гатапов, А.В. Кузьмин
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики
и электротехники в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки 141100 «Энергетическое машиностроение»
Улан-Удэ
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 669.7.017
ББК 30.ЗЯ73
Ш 981
Утверждено к печати
редакционно-издательским советом
Бурятского государственного университета
Рецензенты
М.К. Бураев, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технический сервис и общеинженерные дисциплины» ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»
С.С. Ямпилов, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Биомедицинская техника, процессы и
аппараты пищевых производств»
ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управления»
Ш 981
Шуханов С.Н., Гатапов Ф.Л., Кузьмин А.В.
Материаловедение и технология конструкционных материалов:
учебное пособие. – Улан-Удэ: Изд-во Бурят. госуниверситета, 2013. –
296 с.: ил.
ISBN 978-5-9793-0616-2
В учебном пособии даны сведения по основам материаловедения и технологии конструкционных материалов. Предложен краткий курс лекций и лабораторных работ. Приводятся примеры оформления лабораторных работ.
Предназначено для студентов бакалавриата направления подготовки 141 100 Энергетическое машиностроение очного и заочного отделений и может быть полезным для всех
других лиц, интересующихся данными вопросами.
УДК 669.7.017
ББК 30.ЗЯ73
© С.Н. Шуханов, Ф.Л. Гатапов,
А.В. Кузьмин, 2013
© Бурятский госуниверситет, 2013
ISBN 978-5-9793-0616-2
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение…………………………………………………………………..
4
Раздел 1. Материаловедение
Лекции ……………………………………………………………………..
Содержание лабораторных работ по материаловедению ……………...
6
80
Раздел 2. Технология конструкционных материалов
Лекции …………………………………………………………………….. 114
Содержание лабораторных работ по технологии конструкционных
материалов ……………………………………………………………….. 252
Тесты для фронтального контроля по лабораторным работам по материаловедению…………………………………………………………
283
Тесты для фронтального контроля по лабораторным работам по технологии конструкционных материалов ………………………………… 292
Библиографический список ……………………………………………..
3
294
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Целью дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» является вооружение студентов знаниями о природе и свойствах материалов, способов их упрочнения, влияния технологических методов получения и обработки заготовок на работоспособность деталей, а также умениями по обоснованному выбору материалов и изготовления с учетом требований технологичности.
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
1. Строение и свойства материалов.
2. Современные способы получения материалов и изделий из них с заданным
уровнем эксплуатационных свойств.
3. Методы формообразования и обработки заготовок для изготовления деталей
заданной формы и качества, их технологические особенности.
4. Влияние условий технологической обработки и эксплуатации на структуру и
свойства современных металлических и неметаллических материалов.
Студент должен уметь:
1. Оценивать и прогнозировать поведение материала и причины отказов деталей и инструментов под воздействием на них различных эксплуатационных факторов.
2. Обоснованно и правильно выбирать материал, назначать обработку в целях
получения структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность изделий.
3. Выбирать рациональный способ получения заготовок, исходя из заданных
эксплуатационных требований к детали.
Базовыми для МиТКМ являются курсы высшей математики, химии, физики,
инженерной графики, начертательной геометрии и сопротивления материалов.
Многие вопросы МиТКМ основаны на знаниях по химии о строении и типах связи
в телах, физико-химических свойствах, кинетике химических процессов и т.д.
Знания и навыки, полученные при изучении курса МиТКМ, широко применяются студентами при изучении специальных дисциплин.
Учебная деятельность студента в вузе включает в себя активную работу на занятиях и самостоятельную работу. В современных условиях большое значение
придается самостоятельной работе в виде домашних заданий, рефератов и т.д. Эффективность самостоятельной работы можно повысить тем, что необходимо дать
студенту материал поэтапно.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел 1
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 1
Тема: Свойства материалов
 Вопросы
1. Свойства материалов.
2. Основы производства материалов.
1. Свойства материалов
Все вокруг нас: здания, сооружения, машины, коммуникации состоят из материалов. Важнейшей проблемой является повышение долговечности и надежности
конструкций и сооружений, поэтому необходимы материалы, имеющие высокие и
устойчивые характеристики. Выбор того или иного материала или замена одного
материала другим должны быть технически и экономически обоснованы. Не всегда, например, высокопрочные легированные стали лучше простых углеродистых,
так как они хуже свариваются, более чувствительны к ударным нагрузкам и вместе
с тем более дорогие.
Классифицируются материалы по признакам их происхождения, способам обработки и назначению. В зависимости от происхождения материалы подразделяются на естественные и искусственные (в том числе и синтетические), неорганические и органические.
Неорганические материалы включают металлы и неметаллические материалы,
а органические – топливо, древесину, полимерные и др. Подробную классификацию рассматривают по отраслям (строительные, химические, текстильные, кожаные, топливо и смазочные материалы).
В нашем предмете рассматриваются металлы и их сплавы, полимерные, резиновые, композиционные материалы.
Требования к качеству материалов и допустимые отклонения устанавливают
стандарты. Система качественных показателей в стандартах определяет сортность
материала и дает указание о величине допусков и дефектов, за пределами которых
начинается брак. Стандарт содержит правила приемки, маркировки, упаковки, перевозки и хранения материалов. Для оценки качества или проверки соответствия
свойств материала требованиям стандартов производят испытания.
Важнейшими методами испытания материалов являются: химический анализ,
исследование строения (структуры), физические методы (спектральный, рентгеноструктурный, термический, дилатометрический анализы), механические испытания
и технологические пробы.
Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала.
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов, их сплавов и других материалов, устанавливающая связь между их составом, строением и
свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства [2].
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные свойства материала можно подразделить на физические, химические, механические, технологические и специальные.
Некоторые свойства важнейших металлов даны в таблице 1.
К физическим свойствам относятся магнитные свойства, электро- и теплопроводность, плотность, теплоемкость, температура плавления.
Химические свойства характеризуют специфику межатомного взаимодействия
материала с другими веществами, в том числе с окружающей средой (коррозия) [1].
К механическим свойствам относятся прочность, твердость, пластичность,
ударная вязкость, усталость, упругость и др. [1].
К технологическим относятся литейные (жидкотекучесть), ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
От физических, химических и механических свойств зависят технологические
и специальные свойства (жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость).
Среди всех свойств главное место занимает прочность, так как от нее зависит
неразрушаемость изделий под действием эксплуатационных нагрузок.
Нагрузки по времени действия подразделяются на статические и динамические; по виду приложения: растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие, срезывающие, по частоте: повторно-переменные. Под воздействием внешних
нагрузок в материале возникают внутренние силы, которые могут быть выражены
через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями. После снятия внешней нагрузки
в теле могут оставаться внутренние остаточные напряжения.
Конструкционная прочность материала – комплексная характеристика, включающая сочетание конструкционных критериев прочности, надежности и долговечности. В качестве критериев прочности выбираются такие механические характеристики, получаемые при испытаниях, которые наиболее полно отражают
прочность в условиях эксплуатации. Примеры критериев прочности – временное
сопротивление σв; условный предел текучести σ0,2; модуль упругости Е; предел выносливости σ-1.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению.
Хрупкое разрушение особо опасно из-за большой скорости протекания при напряжениях, ниже расчетных, и создания аварийных ситуаций. В условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие опасность хрупкого разрушения: различные концентраторы напряжений (надрезы, трещины и микротрещины), понижение
температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный
фактор). Примерами критериев надежности являются относительное удлинение
после разрыва δ; относительное сужение после разрыва ψ; ударная вязкость КСТ,
KCV, KCU; вязкость разрушения K1с, температурный порог хладноломкости t50.
Долговечность – свойство материалов сопротивляться развитию постепенного
разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины постепенного отказа разнообразны: усталость, изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др. Эти
процессы при эксплуатации вызывают постепенное накопление необратимых изменений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения. Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).
Повышение конструкционной прочности достигается металлургическими, технологическими и конструкционными методами. Металлургические методы позволяют управлять химическим и фазовым составом, что влияет также на кристаллическую решетку, зеренную и дефектную структуры материала. Технологические
методы позволяют регулировать распределение химических элементов, фаз и дефектов, определять размеры и форму зерен, создавать определенную дефектную
структуру. Конструкционные методы обеспечивают равномерное распределение
нагрузки по детали и между деталями [1].
При статических испытаниях нагрузка прилагается к образцу сравнительно
медленно и плавно возрастает. К статическим испытаниям относятся испытания на
растяжение, кручение, изгиб, сжатие, ползучесть, твердость.
Для определения прочности образец испытывают на растяжение и получают
диаграмму растяжения и по ней определяют показатели прочности: предел текучести σт, временное сопротивление (предел прочности при растяжении) σв и относительное удлинение δ (сужение ψ) после разрыва (показатель пластичности).
σпц – предел пропорциональности – напряжение, при котором отступление от
линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины,
что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации в точке
Рпц с осью нагрузок, увеличивается на 50% своего значения на линейном участке;
σ0,05 – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение
достигает 0,05% от длины участка образца, равного базе тензометра;
σт – физический предел текучести, отвечающий напряжению, при котором
образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки – образуется область (площадка) текучести; при наличии пилообразной зависимости σ (ε)
в области текучести определяют верхний и нижний пределы текучести; предел те9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кучести характеризует сопротивление материала пластической деформации; для
(большинства сплавов площадка текучести на диаграмме растяжения отсутствует,
поэтому в испытаниях используется условный предел текучести, который позволяет не зависеть от наличия или отсутствия площадки текучести;
σ0,2 – предел текучести условный – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% начальной длины образца; ε = 0,2% достаточно точно отражает переход от упругих деформаций к пластическим;
σв – временное сопротивление (предел прочности) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующее разрушению образца и отнесенное
к начальной площади его поперечного сечения до испытания;
SK = Рк / FK – истинное сопротивление разрыву (разрушению, отрыву), или
истинное напряжение разрушения, – отношение усилия в момент разрушения
(Рк) к минимальной площади сечения образца в месте разрыва (FK);
ψ – относительное сужение после разрыва – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения, характеризует пластичность материала;
δ – относительное удлинение (после разрыва) -отношение приращения расчетной длины образца ℓк – ℓо после разрыва к его первоначальной расчетной длине
характеризует пластичность материала;
δ р=(Δℓр/ℓ0)·100% – относительное равномерное удлинение -отношение приращения расчетной длины образца Δℓр до максимальной нагрузки Рв к ее первоначальной длине ℓ0.
Е = Δσ / Δε – модуль упругости – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения в пределах упругой деформации в соответствии с законом Гука [1].
Испытания на длительную прочность и ползучесть проводятся при постоянной растягивающей нагрузке и постоянной температуре, с измерением деформации образца во времени. Эти испытания позволяют определить предел ползучести
материала: напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени при заданной температуре не превышает заданной
величины на прямолинейном участке кривой ползучести.
Для определения предела ползучести используют цилиндрические образцы,
которые устанавливают в захваты испытательной машины и помещают в печь для
нагрева до заданной температуры. Длительность испытания может составлять до
100 тыс. ч. После окончания испытания на ползучесть образец разгружают до предварительной нагрузки и определяют абсолютное значение остаточного удлинения.
Предел ползучести, найденный при допуске на остаточную деформацию, например,
0,2% за 100 часов испытания при 700 °С, обозначают, σ 7000,2/100, указывая суммарную или остаточную деформацию. Предел ползучести, определяемый по скорости
ползучести, например, 1·10-5 %/ч при 700 °С, обозначают σ7001·10-5/ч,
указывая
время испытания, за которое была достигнута заданная скорость ползучести.
Длительная прочность – прочность материала, находящегося длительное
время в напряженном состоянии при высокой температуре. Она характеризуется
пределом длительной прочности – напряжением, которое вызывает разрушение
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материала при заданной температуре. Предел длительной прочности чаще всего
получают в испытаниях на растяжение при высокой температуре. Длительная
прочность большинства материалов с ростом температуры снижается. Сопротивление ползучести и длительная прочность наряду с жаростойкостью – важные характеристики при выборе жаропрочных сплавов.
В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время
до разрушения: σ60010000=130 МПа. Это означает, что при 600 °С материал выдерживает напряжение в 130 МПа в течение 10000 ч.
Косвенно о прочности можно судить по твердости, поскольку между ними для
металлов, их сплавов существует прямая зависимость. Предел прочности стали,
алюминиевых сплавов примерно равен одной трети твердости по Бринеллю. Чем
тверже металл, тем он прочнее. Определение твердости материалов является неразрушающим испытанием. Суть его заключается в том, что в испытуемый материал
вдавливается под определенной нагрузкой какое-нибудь тело (индентор) в виде
шарика, конуса, пирамиды. По размерам или глубине отпечатка судят о твердости.
Для определения твердости применяют три метода: по Бринеллю (ГОСТ 9012-59),
по Роквеллу (ГОСТ 9013-59), по Виккерсу (ГОСТ 2999-75). Для измерения твердости тонких слоев материала или на микроскопическом участке (зерна) применяют
метод микротвердости (ГОСТ 9450-76). О методике измерения твердости материалов см. ниже в разделе «Лабораторно-практические работы» (ЛПР).
Для оценки материалов к хрупкому разрушению применяют испытания на
ударный изгиб, в результате которых определяют ударную вязкость, МДж/м2 (КСU,
KCV). Существуют испытания и на выносливость металла. Усталостью называется
процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению. Свойство материала противостоять усталости называют выносливостью и параметром, характеризующим усталость является предел выносливости σ-1, МПа (ГОСТ 25.502-79).
Деформация металла во времени под действием напряжения, постоянного по
величине, называется ползучестью. Особенно это важно для сплавов, работающих
при высокой температуре (жаропрочных). Жаропрочность оценивается пределом
ползучести и длительной прочностью.
Как уже отмечалось выше, свойства материала зависят от внутреннего строения. Внутреннее строение металла (сплава) еще называется структурой. Различают
макро- и микроструктуру. Макроструктура – это строение металла, наблюдаемое
невооруженным глазом или с помощью лупы при увеличении до 30 раз. Метод выявления макроструктуры называется макроанализом. Тонкое строение, т.е. микроструктура выявляется при больших увеличениях до 1500 раз на оптических микроскопах. Метод называется микроструктурным анализом (см. ниже раздел ЛПР).
Кроме оптических микроскопов применяются электронные. Различают просвечивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ).
Работа ПЭМ основана на прохождении через фольгу из исследуемого металла
потока электронов. В результате неодинакового рассеивания электронов на экране
ПЭМ формируется изображение субструктуры, т.е. можно увидеть тончайшие элементы в строении металла (увеличение в сотни тысяч раз).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа РЭМ основана на вторичной эмиссии электронов поверхностного излома, на которую направляется сканирующий (непрерывно перемещаемый по ней)
поток электронов. Также определяется тонкая структура на поверхности образца.
Спектральный анализ – это метод качественного и количественного анализа
веществ, основанный на изучении их спектров – испускания, поглощения, рассеяния света при прохождении через рассматриваемое вещество (для исследования
стали – стилоскоп, стилометр).
Дилатометрический анализ – метод, изучающий изменения размеров тела, вызванные воздействием теплоты и др. факторов. В металловедении применяют дилатометры.
Рентгеноструктурный анализ – метод исследования атомного строения вещества путем экспериментального изучения дифракции рентгеновского излучения в
этом веществе. Метод основан на том, что кристаллы представляют собой естественные дифракционные решетки для рентгеновского излучения. Позволяет определять тип и характерные размеры кристаллической решетки металлов, сплавов, а
также распределение в них внутренних напряжений, изучать дефекты решетки и
т.д.
Важнейшей частью материаловедения является учение о прочности и разрушении материалов. Изучая явления разрушения металлов, ученые доказали, что в конечном счете причиной разрушения являются дефекты кристаллической структуры,
т.е. наличие дислокаций и их плотность [1]. Чтобы выявить дислокационную
структуру необходимо увеличить в сотни тысяч раз, для чего применяются электронные микроскопы и рентгено-структурный анализ.
Среди материалов, применяемых в технике, на долю металлов, их сплавов приходится более 90%.
Все металлы подразделяются на черные и цветные. К черным относятся сплавы
железа с углеродом и имеют наибольшее распространение и применение в технике
(94%).
Сталью называется сплав железа с углеродом при содержании углерода менее
2%, а чугуном – сплав железа с углеродом при содержании более 2%.
Все свойства стали и чугуна зависят от содержания углерода, т.е. особенностей
взаимодействия атомов железа и углерода и образования различных структур.
Велика заслуга российских ученых в изучении строения стали и чугуна.
П.П. Аносов в 1831 г. впервые применил микроскоп для изучения стали, Д.К. Чернов в 1868 г. открыл критические точки в стали и установил причину изменения
свойств стали при термической обработке, за что получил международное признание.
Существенный вклад в развитие науки о металлических материалах внесли
Н.С. Курнаков, А.А. Байков, С.С. Штейнберг, Н.А. Минкевич, Г.П. Курдюмов,
А.М. Бочвар, А.А. Бочвар, А.П. Гуляев и их последователи. Среди зарубежных
ученых и инженеров следует назвать А. Мартенс, П. Мартенс, У. Остена, Н. Таммана, Э. Бейна, С. Роквелла, Ю. Бринелля и др.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Основы производства материалов
По агрегатному состоянию материалы подразделяют на твердые (металлические, неметаллические, композиционные), жидкие (масла, клеи, эмульсии, лаки,
краски), газообразные (аргон, кислород, ацетилен, углекислый газ, азот и т.д.). Источником производства материалов является минеральное сырье, находящееся в
недрах Земли (руды, нефть, уголь, газ, песок, глина, известняк, минералы и т.д.).
Для получения материалов с необходимыми свойствами используются различные методы. Для производства металлов существует огромная отрасль металлургия, которая охватывает подготовку и обогащение добытых руд, процессы получения металлов из подготовленного сырья, очистку их (рафинирование), производство металлических сплавов. Различают металлургию черных и цветных металлов. В
зависимости от вида энергии, используемой при основных процессах различают
пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.
В пирометаллургии металлы и сплавы получают и рафинируют при сжигании
топлива, экзотермических реакциях, дистилляции (т.е. восстановлении металлов в
газообразном состоянии с последующей конденсацией), термической диссоциацией
из летучих соединений.
В гидрометаллургии металлы получают из руд путем выщелачивания и выделения из растворов без нагрева до высокой температуры.
Электрометаллургия – это извлечение металлов из руд и концентратов, плавка
и рафинирование металлов и сплавов при помощи электрического тока [9]. Во всех
методах производства материалов основной задачей является получение качественного материала при наименьших затратах.
Качество металла, а, следовательно, и свойства в значительной степени зависят
также от того, как происходят процессы перехода из жидкого или газообразного
состояния в твердое, т.е. процессы кристаллизации. Кристаллизация металла подчиняется законам термодинамики. Энергетическое состояние системы характеризуется термодинамической функцией, называемой свободной энергией [2]. Чем
больше свободная энергия состояния сплава (жидкое или твердое), тем система менее устойчива. Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении происходит из-за того, что свободная энергия твердого состояния начиная от температуры
кристаллизации Тs становится меньшей, чем у жидкого состояния. Однако кристаллизация возможна только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже Тs. Разность
между теоретической ТS и фактической температурой кристаллизации называется
степенью переохлаждения. Кристаллизация начинается от зарождения центров
кристаллизации, образуется кристалл, затем он начинает расти. Параметрами кристаллизации являются число центров кристаллизации и скорость роста центров.
Степень переохлаждения значительно влияет на размер зерен и свойства сплава [2].
Чугун получают в доменных печах из железной руды.
Все железные руды состоят из минералов и пустой породы. Используются следующие руды: красный железняк (гематит, в среднем содержит 50-65% Fe), бурый
железняк (лимонит, 3-55% Fe), магнитный железняк (магнетит, 50-70% Fe), шпатовый железняк (сидерит, 30-40% Fe).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гематит, лимонит, магнетит являются окислами, а сидерит – карбонатом.
Пустую породу составляют обычно песок, глина, гранит, мрамор, силикаты
и др.
Содержание рудного вещества по мере разработки месторождений снижается,
в настоящее время в среднем составляет 20-30%. Поэтому приходится обогащать
руду. С этой целью проводят дробление руды, промывку, обжиг, магнитную сепарацию. Для окускования очень мелкой руды и пыли применяют агломерацию, т.е.
смешивают руду, топливо, флюс (известь) и спекают при 1100-1200 оС. Получается
продукт – агломерат, который вместе с основной шихтой идет на загрузку в доменную печь. Шихту составляют руда, кокс и известняк. Известняк как флюс способствует образованию из пустой породы, золы топлива и вредных примесей легкоплавких шлаков, всплывающих над жидким чугуном и удаляемую через шлаковую
летку.
Схемы устройства и работы доменной печи, основные реакции должны быть
даны в реферате, написанном по рекомендуемым учебникам.
Сталь получают из жидкого чугуна в конверторах путем продувки кислородом,
в мартеновских печах с использованием топлива и в электропечах. Конвертор
представляет собой грушевидной формы печь, внутри выложен огнеупорным кирпичом (футеровка). Вверху конвертора есть отверстие (горловина), через которое
загружают шихту и сливают шлак, а также летка для выпуска стали. Конвертор
может поворачиваться на нужный угол при загрузке шихты, выпуске шлака и стали. Вместимость кислородных конверторов от 50 до 400 т. Шихта состоит из жидкого передельного чугуна, металлолома (до 30%), извести, плавикового шпата и
других добавок. Известь вводят для ошлакования фосфора и серы, а плавиковый
шпат CaF2 – для разжижения шлака.
Сущность кислородно-конверторного процесса заключается в том, что загруженную в конвертер шихту продувают сверху струей кислорода под давлением до
1,5 МПа (подается через фурму – водоохлаждаемую трубу). Происходит окисление
углерода, т.е. выгорает и получается из чугуна сталь. Более детально производство
стали следует описать в реферате.
Медь добывают из руд (медный колчедан) 80% ее пирометаллургическим способом. Плавят концентрат (обогащенная руда) в печах, где образуются два несмешивающихся расплава: на поду печи – штейн, поверх его – шлак, в который переходит пустая порода и большая часть оксидов железа. Штейн содержит 10-60% Сu,
15-50% Fe и около 25% S, а также примеси других металлов. Затем штейн в конверторах продувают воздухом, в результате сера выгорает, а железо уходит со шлаком.
Получается черновая медь (98,5 – 99,5% Cu), которая в дальнейшем подвергается
рафинированию.
Алюминий добывают из руд (боксит, нефелин, каолин) путем получения сначала глинозема, а затем его электролиза.
Наибольшее распространение при получении глинозема имеет щелочной способ. Руду обрабатывают щелочью NaOH в автоклавах при 250 оС и давлении 25003000 кПа. При этом образуется раствор NaAℓO2, который подвергается гидролизу,
получается кристаллический Aℓ(ОН)3. Полученный гидрооксид Aℓ промывают,
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фильтруют и обжигают в трубчатых печах длиной до 70 м при постепенном нагревании до 1200 оС. Полученный глинозем Aℓ2О3 охлаждают и направляют в электролизный цех. Глинозем растворяют в криолите Na3 AℓF6 и вся масса подвергается
электролизу. Aℓ осаждается на катоде и накапливается на подине ванны, откуда
периодически отбирают сифоном или вакуум-ковшом. Электролитический Aℓ в
дальнейшем подвергают рафинированию также электролизом. Электролиз идет при
напряжении тока 4-4,3 В, силе тока до 140 тыс. А. Для получения 1 кг Aℓ расходуется 18500 кВт·ч.
Титан занимает первое место среди всех материалов по удельной прочности,
имеет большую коррозионную стойкость. Титан добывают из титановых руд: ильменит FeOTiO2 и рутил TiO2. Существует несколько способов получения титана.
Наиболее широкое применение получил магниево-термический способ, который
включает следующие технологические операции: обогащение руды, плавку на титановый шлак, получение четыреххлористого титана TiCℓ4, восстановление титана
магнием, очистку титана.
Следует отметить еще на один метод получения материалов. Это сплавы, получаемые из металлических порошков прессованием и спеканием без расплавления
(порошковая металлургия). Порошковая металлургия позволяет получать готовые
изделия из особо тугоплавких металлов, их соединений, сплавы и изделия из нерастворимых друг в друге металлов, изделия из композиций металлов с различными
неметаллическими материалами. Изделия порошковой металлургии широко используются в инструментальной промышленности как твердосплавные (спеченные
материалы) пластинки (победит) для металлорежущих инструментов (резцы, сверла, фрезы и т.д.).
Производство композиционных, полимерных материалов материал дан в соответствующих разделах.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 2
Тема: Основы строения металлов и сплавов.
Кристаллическое строение металлов
Вопросы
1. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
2. Дефекты кристаллического строения.
1. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов
Различают аморфное и кристаллическое строение тел. В аморфных телах атомы расположены в пространстве хаотически, в кристаллических – закономерно.
Металлы – тела кристаллические. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на
вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются
друг относительно друга, т.е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих
местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания частотой 1013Гц с изменяющейся в зависимости от температуры амплитудой.
При нагреве атомы могут перемещаться между соседями в другие положения.
Это явление носит название диффузии. Диффузия однородных атомов называется
самодиффузией.
Наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь геометрическое тело. Различают кубическая решетка, имеющая две разновидности: объемно-центрированный куб (ОЦК) и
гранецентрированный куб (ГЦК) (рис.1). Есть еще и гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ), которая представляет шестигранную призму.
Расстояние между соседними атомами называют периодом или параметром
решетки а. Для ГПУ и тетрагональной решетки будет два параметра а, с (рис. 1).
Рис. 1. Основные типы кристаллических решеток металлов
а – кубическая объемно-центрированная (ОЦК);
б – кубическая гранецентрированная (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ); г – тетрагональная
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОЦК имеют: Feα, Cr, V, W, Mo, Tiβ и др.
ГЦК имеют: Feγ, Al, Cu, Ni, Pb, Au, Ag и др.
ГПУ имеют: Tiα, Mg, Zn, Cd, Be и др.
Индексы α,β,γ и т.д. обозначают, что соответствующие металлы имеют разные
кристаллические решетки при различных температурах. Это явление носит название аллотропии или полиморфизма, а процесс перехода из одной кристаллической
формы в другую – аллотропическим (полиморфным) превращением.
Атомы в решетках удерживаются различными связями. В металлах преимущественно существует металлическая связь, когда положительно заряженные ионы
имеют общий электронный газ (свободные электроны). Эта связь может быть в
разных сочетаниях атомов, особенно в твердых растворах, образуя различные фазы,
электронные соединения (Юм-Розери, Лавеса).
Ионная связь характерна для химических соединений металла с неметаллом,
когда соседние атомы постоянно обменялись электронами. При ковалентной связи
объединяются два атома, временно передающие друг другу валентный электрон и
удерживаемые силами электростатического притяжения. Наиболее прочная связь.
Связь Ван-дер-Ваальса имеет место при межмолекулярном притяжении.
Параметры решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10-9м).
Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых лежат
атомы, например, грани куба или его диагональные плоскости (рис. 2) и обозначаются индексами.
Рис. 2. Кристаллографические направления (а)
и плоскости (б, в, г)
Понятие о кристаллографических направлениях и плоскостях необходимо для
изучения явлений и особенностей свойств вдоль различных направлений. Дело в
том, что на разных плоскостях плотность атомов различна, что предопределяет и
свойства. Другими словами наблюдается неодинаковость свойств вдоль различных
направлений, что называется анизотропией. Однако анизотропия наблюдается
только в пределах одного кристаллического зерна или монокристалла. Реальные
металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зерен, произвольно ориентированных друг к другу. Поэтому недостаток в одном
направлении одного зерна компенсируется избытком у другого зерна. В среднем
получается одинаковость свойств по всем направлениям и потому называют квазиизотропностью. Здесь нельзя путать анизотропию, рассматриваемую в условиях
равновесия, в кристаллах и зернах, с неодинаковостью свойств в макрообъемах металла при обработке давлением, литье, сварке и резании.
2. Дефекты кристаллического строения
Реальные металлы имеют несовершенства кристаллического строения. Характерными дефектами кристаллической решетки являются вакансии (пустые узлы
решетки) и внедренные атомы. С точки зрения прочности наибольший интерес
представляет линейный дефект – дислокация. Существуют различные типы дислокаций и степень искажения кристаллической решетки вокруг дислокации характеризуется вектором Бюргерса.
Вектор Бю́ргерса (b) – количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решётки вокруг дислокации.
Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций
Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если в реальном кристалле обойти контур, который был бы замкнутым в идеальном
кристалле (например, в примитивном кристалле кубической сингонии это контур «n
связей вверх, m связей вправо, n связей вниз, m связей влево»), заключив дислокацию «внутрь» контура. Как видно на рисунке, в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b, который нужен для замыкания контура, называется
вектором Бюргерса[1].
Определение вектора Бюргерса
Величина и направление вектора не зависят от размеров контура Бюргерса и
выбора точки начала контура, а полностью определяются видом дислокации. У
краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений в отличие
от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния.
Скачок вектора Бюргерса в некоторой точке означает, что дислокация ветвится.
Если точек ветвления нет, то вектор Бюргерса остаётся неизменным вдоль всей
длины дислокации, поэтому дислокация не может начинаться или обрываться внутри кристалла.
Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю.
В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентаций векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков – притягиваются.
Для оценки дислокационной структуры важно знать плотность дислокаций ρ –
суммарную длину их в 1 см3 металла (см-2). У железа ρ = 108 – 1013 см-2.
Наличие дислокаций и вакансий снижает прочность металла в сотни раз по
сравнению с теоретической прочностью. Так, например, реальное Fe имеет прочность σв = 280 МПа, правильный кристалл в виде нити, т.е. без дефектов, имеет σв =
13000 МПа.
Как влияет плотность дислокаций на прочность видно из рис. 3.
Рис. 3. Зависимость прочности металла
от платности дислокаций
Точка А соответствует прочности бездефектного металла, в точке В при плотности дислокаций 106–107 см-2 уменьшение прочности прекращается и начинается
ее постепенный рост. Это объясняется тем, что с увеличением ρ перемещение дислокаций затрудняется т.е. препятствуют движению друг другу.
Следует отметить, что под действием внутренних напряжений и других факторов происходит рождение и размножение дислокаций, генерируемых источниками
Франка-Рида.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величина зерна также влияет на способность перемещения дислокаций. Мелкозернистое строение обладает более высокой прочностью.
В случае сплава существенную роль играют взаимные размеры атомов компонентов, дефекты упаковки атомов по плоскостям и наличие высокодисперсных твердых
включений (атмосферы Коттрелла, Сузуки, стопоры) [1]. Атмосферы Коттрелла – это
зоны взаимодействия дислокаций с чужеродными атомами, которые являются барьерами для дислокаций. Атмосферы Сузуки – это зоны, связанные с дефектом упаковки
атомов в решетке, который влияет на процесс пластической деформации.
Стопорами называются высокодисперсные твердые включения в виде карбидов, нитридов, интерметаллидов, создающие на пути движения дислокации препятствие. При старении алюминиевых сплавов возникают так называемые зоны ГиньеПрестона – высокодисперсные дискообразные участки твердого раствора, также
препятствующие движению дислокации и упрочняющие сплав.
Существенное влияние на прочность металла оказывает наличие концентраторов напряжений и металлургические дефекты. Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металлах трещины, несплошности и всевозможные включения с острыми краями, а также резкие переходы в детали от одного сечения к другому. К металлургическим дефектам относятся неметаллические включения (окислы, сульфиды и т.д.), раковины, поры и другие нарушения сплошности.
Любое разрушение начинается с упругой деформации, которая затем переходит
в пластическую. В основе пластической деформации лежит работа дислокационного механизма, которая связана со скольжением (сдвигом) и двойникованием кристаллов. Деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле – пластической (остаточной). Упругопластическая деформация при
достижении достаточно высоких напряжений может привести к разрушению тела.
Различают вязкое и хрупкое разрушения. Вязкое разрушение происходит срезом
под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен матовый излом. Хрупкое
разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений,
вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.
Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушении происходит
путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями,
что приводит к концентрации напряжений.
Необходимо отметить и то обстоятельство, что при холодной пластической деформации металл становится хрупким, т.е. возрастают его прочность и твердость,
однако снижается пластичность. Это явление получило название «наклеп». Анализ
сущности пластической деформации с позиций дислокационной концепции позволяет установить, что изменение внутреннего строения металла при пластической
деформации связано главным образом с ростом плотности дислокаций.
Таким образом, прочность металла можно повысить или уменьшением дефектов кристаллической структуры или наоборот их увеличением (рис. 3).
Действие внешних сил приводит к деформации тела.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 3
Тема: Основы теории сплавов

Вопросы
1. Основные понятия и определения.
2. Закон равновесия Гиббса.
3. Диаграмма состояния сплава.
1. Основные понятия и определения
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемые свойства.
Поэтому применяют сплавы.
Сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют
спекание без расплавления, электролиз или сложную технологию (композиционные
материалы).
В большинстве случаев входящие в состав элементы (компоненты) в жидком
состоянии полностью растворимы друг в друге, т.е. представляют собой жидкий
раствор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом.
В твердом состоянии сплавы могут образовывать твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
Твердым раствором называется вещество, когда в кристаллическую решетку
элемента-растворителя внедряется или замещает в каком-нибудь узле атом растворенного, т.е. другого элемента. Поэтому могут быть твердые растворы внедрения и
замещения.
Химическим соединением называется вещество, когда атомы двух элементов в
определенной пропорции образуют новую сложную кристаллическую решетку.
Свойства химического соединения резко отличаются от свойств составляющих
компонентов.
Механической смесью называют вещество, когда элементы, входящие в состав
сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. Каждый элемент сохраняет свою кристаллическую решетку.
Механическая смесь может быть не только между двумя элементами, но и в
разных сочетаниях: элемент – твердый раствор, твердый раствор – химическое соединение и т.д.
Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре и давлении).
Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому
строению часть системы, которая во всех своих точках имеет одинаковый состав,
строение и свойства.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фазами могут быть металлы, неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения.
Компонентами называются вещества, образующие систему (элементы или устойчивые химические соединения).
Сплав называется двойным или бинарным когда состоит из двух компонентов
(двухкомпонентный).
Диаграммой состояния сплава называется графическое изображение в координатах состав – температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различных температурах.
Термодинамическим равновесием называется состояние с минимумом свободной энергии, т.е. когда фазы имеют устойчивые состояния, что в действительных
условиях возможно при очень малых скоростях нагрева или охлаждения.
2. Закон равновесия Гиббса
Существует закон равновесия Гиббса или называемый правилом фаз, которое
выражает закономерность происходящих в системе изменений [2].
С = К + П – Ф,
где: С – число степеней свободы;
К – число компонентов;
П – число внешних факторов;
Ф – число фаз, находящихся в равновесии
3. Диаграмма состояния сплава
Кроме правила фаз необходимо знать и правило отрезков, которое позволяет в
любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого проводят горизонтальную прямую (вс) в той точке, где хотим найти количество фаз, и в точках
пересечения с линиями, ограничивающими данную область в, с, определяем отрезки прямой ав, ас. (рис. 4). Отношение количества фаз (жидкость: кристаллы В) будет равно отношению отрезков, т.е.
ас
. Составы фаз определяются проекциями
вс
точек пересечения на ось концентраций (точка в´ и 100%) [2].
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0
20
40
60 80
100%
Рис. 4. Диаграмма состояния сплава
(к применению на ней правила отрезков)
Диаграмма состояния сплава строится на основании кривых охлаждения (термический анализ). Берутся сплавы разного состава, доводятся до плавления и затем
постепенно охлаждают каждый сплав, строя кривую охлаждения (рис. 5).
Рис. 5. Кривая охлаждения сплава
На кривой охлаждения находят критические точки, т.е. те температуры, в которых происходит изменение состояния сплава (точки 1, 2).
По всем точкам кривых охлаждения строится диаграмма состояния [2].
Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают
между компонентами в жидком и твердом состояниях. Существует 4 типа диаграмм [2]. Диаграмма состояния I рода получается в том случае, когда оба компонента в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений
(рис. 6).
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Диаграмма состояния для сплавов, образующих
механические смеси из чистых компонентов (I рода)
Диаграмма состояния II рода – оба компонента неограниченно растворимы и в
твердом и в жидком состоянии (рис. 7).
Рис. 7. Диаграмма состояния II рода
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаграмма состояния III рода – компоненты ограниченно растворимы в твердом состоянии (рис. 8).
Рис. 8. Диаграмма состояния III рода
Диаграмма состояния IV рода – компоненты образуют химические соединения
(рис. 9).
Существуют разновидности диаграмм в зависимости от растворимости компонентов в твердом состоянии, когда имеют место полиморфные превращения, неравновесные условия нагрева или охлаждения.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9. Диаграмма состояния IV рода
В условиях быстрых изменений температур изменяется не только температура
превращения, но и условия превращения, так как не успевают произойти диффузионные процессы, необходимые для осуществления превращений по типу равновесных. Для этих случаев диаграмма не действительна.
Существует связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния,
которую установил Н.С. Курнаков (рис. 10) [2, 3].
До сих пор мы рассматривали диаграммы двойных сплавов. Однако современная техника не ограничивается применением чистых металлов и двойных сплавов.
В большинстве случаев практически применяемые сплавы являются сплавами многих компонентов.
Тройная система изображается в виде призмы, в основании которой находится
равносторонний треугольник [2].
Многокомпонентные (более 3-х) сплавы изучают построением горизонтальных
и вертикальных разрезов. На любой диаграмме состояния сплава существуют характерные линии. Линия начала кристаллизации сплава (при охлаждении) называется линией ликвидус, а конца кристаллизации – солидус.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Свойства сплавов и диаграммы их состояния
ЛЕКЦИЯ 4
Тема: Железоуглеродистые сплавы.
Диаграмма состояния Fe-Fe3C
Вопросы
1. Диаграмма фазового состояния Fe-Fe3C.
2. Фазовые составляющие железоуглеродистых сплавов.
1. Диаграмма фазового состояния Fe-Fe3C
Наиболее распространенными сплавами железа с углеродом являются стали и
чугуны. Основной компонент этих сплавов – железо в зависимости от температуры
нагрева может существовать в нескольких модификациях. Каждая модификация
имеет свои определенные свойства и обозначения: Feα, Feβ, Feγ, Feδ (рис. 11).
Наибольший интерес представляют две модификации: α и γ, имеющие кристаллические решетки соответственно в виде объемно- и гранецентрированного
куба. Важное практическое значение имеет превращение γ-железа в α-железо, происходящее во время охлаждения при 911 оС.
На этой перекристаллизации основана теория термической обработки стали и
чугуна.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 11. Кривая охлаждения чистого железа
Диаграмма железо-углерод должна распространяться от железа до углерода.
Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C (цементит). Устойчивое
химическое соединение можно рассматривать как компонент. Тогда диаграмму
можно представить как Fe-Fe3C, отбрасывая часть диаграммы с более 6,67%С, как
не имеющую значения и не находящую применения.
На диаграмме состояния Fe-С (рис. 12) показаны различные превращения, происходящие в сплавах (от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температуре от комнатной до температуры плавления железа и цементита).
Диаграмма имеет применение при термической обработке и обработке металлов
давлением.
Линия АВСД является ликвидусом, т.е. линией начала кристаллизации при охлаждении, линия АНJECF – солидусом (конца кристаллизации).
Линии HJB – линия перитектических реакций, на которой жидкий расплав состава В взаимодействует с кристаллами феррита (Feδ) состава Н с образованием
аустенита состава J.
На диаграмме состояния железо-углерод ось абсцисс (концентрация углерода)
будет двойная: по содержанию углерода и цементита (рис. 12) [2].
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 12. Диаграмма фазового состояния Fe-Fe3C
ECF – линия эвтектических превращений соответствует кристаллизации из
жидкой фазы ледебурита – эвтектики (механическая смесь аустенита и цементита,
ниже 727 оС перлита и цементита).
PSK – линия эвтектоидных превращений, на которой идет распад аустенита и
образование перлита.
2. Фазовые составляющие железоуглеродистых сплавов
Самой мягкой и пластичной структурой является феррит – твердый раствор углерода в α-железе с максимальной растворимостью до 0,025% при 727 oС. Механические свойства в среднем: σв=300 МПа σ=30-40% НВ = 650-1300.
Аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе с максимальной растворимостью 2,14%С при 1147 оС. Механические свойства: σв = 600 МПа δ= 40-50% НВ
2000-2500, не магнитен. По пластичности превышает феррит, однако аустенит существует при температурах выше 727 оС. Это свойство аустенита отлично используется при горячей обработке металлов. Цементит Fe3C – химическое соединение
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего
93,33% Fe и 6,67% С (максимальная растворимость углерода в железе). Цементит
очень тверд, но хрупок имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку.
Твердость НВ 8000. Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Механические свойства: σв = 800 МПа σ=10% НВ 1800.
Ледебурит имеет следующие механические свойства σв = 1000 σ = 1-2% НВ
4500-5000. Из сравнения механических свойств структур следует заметить, что чем
больше в структуре будет цементита, тем выше твердость и прочность стали и чугуна и ниже пластичность (рис. 13).
Рис. 13. Влияние содержания углерода на свойства стали
1 – σв – предел прочности при растяжении, МПа
2 – δ – относительное удлинение, %
3 – НВ – твердость по Бринеллю, МПа
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 5
Тема: Классификация сталей и чугунов

Вопросы
1. Классификация сталей.
2. Классификация чугунов.
3. Легированные стали.
1. Классификация сталей
По назначению стали подразделяются на конструкционные (детали машин, сооружений), инструментальные, специальные (с особыми свойствами); по химическому составу.: углеродистые (Fe + С + постоянные примеси Mn, Si и вредные Р, S),
легированные – кроме вышеуказанных содержат легирующие элементы (Mn, Si, Cr,
Ni, W, V, Mo, Ti и др.).
Конструкционными называют стали и сплавы, применяемые для изготовления
деталей машин, конструкций и сооружений. Это – один из наиболее широко используемых и отличающийся разнообразием свойств класс материалов.
Такие материалы должны обладать высокими эксплуатационными свойствами,
хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.
Для обеспечения надежных эксплуатационных свойств они должны обладать
высокой конструкционной прочностью.
Конструкционная прочность (прочность материала и конструкции – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надежную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Следовательно, конструкционная прочность определяется не только свойствами самого материала, но также и условиями его нагружения (статические, циклические или ударно-циклические нагрузки), температурной областью эксплуатации изделия, средой, в которой изделию предстоит работать (жидкой, газообразной, высокоагрессивной и т. п.) [3].
По качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Качество определяется содержанием вредных примесей P, S от 0,01% до 0,05% каждая и степенью раскисления. По структуре: доэвтектоидная (<0,8%С), эвтектоидная
(0,8%С), заэвтектоидная (>0,8%С). По содержанию углерода низкоуглеродистая –
до 0,3%, среднеуглеродистая – 0,3-0,7%, высокоуглеродистая выше 0,7%.
Углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на три группы:
А, Б и В. Стали обыкновенного качества используются, главным образом, в металлоконструкциях при промышленном и жилищном строительстве, мостостроении, а
также для изготовления многих деталей, работающих при относительно невысоких
нагрузках.
Стали группы А поставляют с гарантируемыми механическими свойствами. Их
используют для деталей и конструкций, в которых при изготовлении сохраняются
исходные свойства и термическая обработка не требуется.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для сварных конструкций применяют стала группы В (например, сталь
В стЗ), и основным технологическим требованием, предъявляемым к ним, является
хорошая свариваемость (под свариваемостью понимают способность стали образовать сварной шов с прочностью равной прочности основного объема металла). Стали группы В поставляют не только с гарантированными механическими свойствами, но и с определенным составом. Для сталей группы Б гарантирован лишь химический состав [3].
Буквы Б и В ставят впереди маркировки стали, а принадлежность стали к группе А не обозначается. Если в маркировке стали впереди стоит буква А, то это означает, что сталь относится к обрабатываемой на станках- автоматах. Стали группы А
часто выпускают для специального назначения, которое отражается при маркировке. Например, стали для мостов СтЗ-мост, либо для судовых корпусов Ст1-с и др.
Специальные требования к таким сталям оговариваются в ГОСТах.
Автоматные стали (обрабатываемые на станках-автоматах) отличаются повышенным содержанием серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,15%), которые увеличивают количество неметаллических включений. Структура получается хрупкой, и
это позволяет повышать скорости резания. К числу таких сталей относятся, например, такие марки, как Al l, А20, А25 и т. д., где первая буква и означает принадлежность к автоматным, а двузначные цифры – содержание углерода в сотых долях
процента. В автоматные стали специально добавляют селен (0,04–0,10%), а также
свинец (0,15 – 0,35%), либо кальций (0,002–0,008%), и они маркируются, например,
как АС30 (со свинцом) или АЦ20 (с кальцием)
В сельскохозяйственном машиностроении для холодной штамповки деталей
используют среднеуглеродистые стали (СТ3, СТ4). Для снижения износа деталей из
этих марок, их часто подвергают цементации [3].
Детали, изготовленные из сталей группы Б, поставляемые с негарантируемыми
механическими свойствами, иногда для повышения свойств подвергают термической обработке.
В продовольственном машиностроении из сталей типа СтЗ, Ст5 изготавливают
сварные корпуса сосудов и аппаратов, работающих под давлением, детали для оборудования свеклосахарного производства (пальцы, цепи элеватора, валы свекломоек), детали устройств мукомольной и хлебопекарной (ролики и т. д.), мясо- и маслоперерабатывающей промышленности.
Для изготовления легких рельсов, колес вагонов, различных валов и шестерен,
крюков, крепежных деталей, используют стали с повышенным содержанием углерода (Ст5, В Ст5, Стб и др.), с более высокими механическими свойствами.
Углеродистые конструкционные качественные стали от сталей обыкновенного
качества отличаются более высокой чистотой (меньшее содержание серы, фосфора
и других примесей). Кроме того, иногда в них вводят повышенное количество марганца.
Низкоуглеродистые качественные стали (05, 08, 08 кп, 10, 15, 20) сочетают не
очень высокую прочность с высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и
штампуемостью.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из них изготавливают различные малонагруженные детали (оси, втулки, валики). Из стали 08кп штамповкой изготавливают детали, требующие глубокой вытяжки. Сталь 08 кп широко применяют для подвергаемых эмалированию деталей различных аппаратов продовольственного машиностроения, для изготовления емкостей, для жарки мясных и рыбных полуфабрикатов, выпечки хлебобулочных изделий. Из стали 08; 10; 20 изготавливают различные сварные конструкции [3].
Для повышения механических свойств низкоуглеродистых качественных сталей применяют термическую обработку (закалку +низкий отпуск), а также цементацию и цианирование. В пищевой промышленности из этих сталей часто изготавливают теплообменные аппараты.
Среднеуглеродистые конструкционные стали (35, 40...55), в зависимости от
требуемых свойств, применяют как в нормализованном состоянии, так и после других видов термической обработки. Одним из этих видов является улучшение, позволяющее повысить и прочность и вязкость, но при этом снижается и порог хладноломкости. При конкретном назначении марок стали необходимо учитывать их
прокаливаемость.
Из сталей этой группы изготавливают зубчатые колеса, валы, шатуны и другие
детали. Для повышения их поверхностной прочности применяют ТВЧ и лазерную
закалку.
Высокоуглеродистые конструкционные стали (марки 60, 70,..., 85, а также 60Г,
65Г) сочетают высокую прочность (σ0,2 ≈ 800 МПа, σ ≈ 3%, ψ ≈ 20-25%) и износостойкость с высокими упругими свойствами. Эти свойства достигаются закалкой (в
воде или масле) и средним отпуском (400-430 °С) либо изотермической закалкой.
Их используют как рессорно-пружинные. Пружины изготавливают не только в
термически обработанном состоянии, но также и из холоднотянутой проволоки (серебрянки). Для снятия напряжений рекомендуется отжиг при 250-300 °С [3].
После закалки и отпуска либо после поверхностной закалки ТВЧ или лазерной
детали износостойки как при статических, так и при циклических нагрузках (ножи
пилы мясорезательных, овощеобрабатывающих и свекло- резательных машин, кулачки, ролики, пальцы, валы дробилок в сельскохозяйственном машиностроении и
др.).
Общим недостатком всех углеродистых конструкционных сталей является недостаточная прокаливаемость и необходимость закалки с высокой скоростью. Поэтому в машиностроении углеродистые стали используют в основном лишь для деталей небольших сечений [3].
К инструментальным относится большая группа сталей и сплавов, используемых для обработки материалов давлением и обладающих после термической обработки высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Чаще всего инструментальные стали подразделяют на нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие. В зависимости от их назначения стали делят на: стали для режущих инструментов, штампо- вые стали для холодного и горячего деформирования и стали для точных инструментов.
Инструментальные стали получают либо обычным металлургическим переделом, либо методом порошковой металлургии.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К числу основных свойств инструментальных сталей (после окончательной
термической обработки) относят механические, тепловые, некоторые физические и
химические. Задачей металловедов является обеспечение оптимального сочетания
свойств сталей для конкретных условий службы. Повышенные требования предъявляют к износостойкости, сопротивлению пластической деформации, усталостному разрушению, сопротивлению ударным нагрузкам, к теплостойкости и разгаростойкости. Важнейшим свойством является твердость, Инструменты с низкой
твердостью под действием возникающих в процессе работы напряжений, быстро
теряют форму, размеры и работоспособность [3].
При разных термических обработках твердость инструментальных сталей изменяется в широких пределах. Ее максимальные значения у некоторых инструментальных сталей (быстрорежущих) достигают 68–70 HRC. Твердость нетеплостойких и некоторых полутеплостойких сталей определяется главным образом содержанием углерода в мартенсите и с повышением его концентрации увеличивается. В
теплостойких сталях твердость определяется в большой степени дисперсностью
карбидов и интерметаллидов. Такие факторы, как величина исходного зерна и распределение первичных карбидов по размерам, на твердость не влияют вообще. Однако величина зерна оказывает значительное влияние на прочность и вязкость стали. Повышение твердости может приводить и к повышению стойкости инструмента в одних условиях и к снижению в других. Линейная связь между твердостью и
прочностью, наблюдающаяся обычно в конструкционных сталях, в инструментальных может наблюдаться лишь при низких значениях этих свойств. Для инструментов с повышенными требованиями к вязкости высокую твердость создают
обычно лишь в поверхностных слоях, т. е. в рабочей кромке инструмента, а в его
сердцевине обеспечивают высокую вязкость, что является выгодным, так как ударные нагрузки передаются на всю площадь сечения инструмента.
Очень важным свойством для инструментальных сталей является сопротивление хрупкому разрушению, на которое влияют не только содержание углерода в
мартенсите и количество остаточного аустенита, но также величина зерна, структура границ зерен, дисперсность и распределение карбидов. С увеличением размеров
зерна и усилением неоднородности в распределении карбидов прочность инструментальных сталей снижается.
Для определения прочности инструментальных сталей применяют обычно испытания на изгиб и реже на кручение. Испытания на изгиб создают напряженное
состояние, аналогичное возникающему при работе инструмента, и более точно, чем
испытания на растяжение и сжатие, отражают влияние структуры (следовательно,
состава и термической обработки) на свойства.
Сопротивление усталостному разрушению важно для инструментальных сталей, используемых для штампового инструмента, работающего при знакопеременных нагрузках. Вязкость характеризует сопротивление образованию трещин и их
распространению под действием ударных нагрузок. При повышении вязкости возрастает износостойкость рабочей кромки. В сталях высокой твердости для повышения вязкости применяют легирование элементами, измельчающими зерно [3].
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Под теплостойкостью понимают способность стали сохранять структуру и
свойства, необходимые для работы инструмента при нагреве кромки в процессе
эксплуатации. Повышение теплостойкости достигается путем комплексного легирования, обеспечивающего большее количество упрочняющих фаз (карбидов и интерметаллидов). Так, например, легирование кобальтом быстрорежущей стали приводит к повышению ее теплостойкости с 610-615 °С до 640-650 °С, что позволяет
повысить скорости резания и стойкость режущих инструментов. Такое легирование
приводит одновременно и к повышению ударной вязкости. Теплостойкость определяется по температуре нагрева, при которой начинает быстро развиваться необратимое изменение структуры, приводящее к изменению свойств и снижению
стойкости инструмента. Определяют теплостойкость путем измерений холодной и
горячей твердости.
Разгаростойкость (сопротивление термической усталости) определяется сопротивлением стали образованию поверхностных трещин под нагрузкой при многократном нагреве и охлаждении. Общепринятого метода испытаний разгаростойкости нет. Чаще всего испытывают цилиндрические образцы, подвергнутые многократному нагреву и охлаждению. Разгаростойкость ухудшается при повышении
твердости, если это сопровождается снижением вязкости. Более высокую разгаростойкость имеют стали с меньшим содержанием углерода [3].
Из физических свойств инструментальных сталей наиболее важное значение
имеют тепловое расширение и устойчивость против прилипания обрабатываемого
металла к инструменту. Из химических свойств главное – окалиностойкость.
Износостойкость сталей зависит от структуры инструментальной стали,
свойств обрабатываемого материала и условий обработки, а также от прокаливаемости стали, определяющей распределение твердости по сечению инструмента.
При одинаковых условиях охлаждения прокаливаемость зависит от состава аустенита. Прокаливаемость хорошая у высоколегированных теплостойких сталей и полутеплостойких, у менее легированных и углеродистых сталей (нетеплостойких)
она гораздо хуже.
Стали для режущего инструмента делятся на углеродистые, низколегированные и высоколегированные (быстрорежущие).
Углеродистые стали после закалки имеют высокую твердость (60–63 HRC), которая сохраняется при низком отпуске (150-180 °С). Но твердость углеродистых
сталей при нагреве выше 190-200 °С резко падает, поэтому их используют при малой скорости резания не очень твердых материалов. Применяют углеродистые стали для инструментов небольших размеров (зенкеры, сверла, пилы для ручных ножовок и др.).
Углеродистые стали значительно уступают теплостойким в износостойкости, и
их использование резко сокращается, несмотря на преимущества, заключающиеся в
большой вязкости, хорошей обрабатываемости и низкой стоимости.
По сравнению с углеродистыми легированные стали (11ХФ, 13Х, 9ХФ и др.)
лучше прокаливаются и это предотвращает деформацию инструмента и его коробление при термической обработке. Инструменты из этих сталей рекомендуется закаливать в масле или горячей среде). Стали 9ХС, ХВГС имеют повышенную тепло35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стойкость (до 250-260 °С), их применяют для инструментов большого сечения
(ручных сверл, разверток и т. п.). Но в отожженном состоянии они имеют повышенную твердость и их обработка резанием и давлением затруднена [3].
Быстрорежущие стали применяют для изготовления большинства инструментов. От других сталей их отличает, прежде всего, высокая теплостойкость, поэтому
их можно использовать при резании с большой скоростью. Применение быстрорежущих сталей вместо углеродистых позволяет повысить скорость резания в 2-4
раза, а при их интерметаллидном упрочнении в 5-6 раз. При этом стойкость инструмента возрастает в 10-40 раз.
Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена специальным легированием (W, Мо, V, Со). Наиболее используемые марки-Р18, Р12, Р6М5, Р6М3.
Их применяют для изготовления всевозможных резцов, предназначенных для резания труднообрабатываемых материалов.
Для инструментов, от которых требуется более длительная стойкость, применяют стали с твердостью 66–68 HRC (Р6К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и др.).
Сочетание высокой твердости с высокой теплостойкостью обеспечивается закалкой с высоких температур (1200-1300 °С) и последующим отпуском при
550-560 °С, а для некоторых сталей и при 600-650 °С. Причем отпуск рекомендуется двух- и трехкратный.
Высокая твердость и теплостойкость этих сталей обусловлена выделением карбидов типа МС, М23С6, М6С, которые присутствуют в количестве до 25-30% (например, в стали Р18), либо интерметаллидов типа Co7W6.
Как правило, при закалке быстрорежущих сталей полного мартенситного превращения не наблюдается, в них сохраняется остаточный аустенит, снижающий
режущие свойства. Поэтому иногда для таких сталей применяют обработку холодом.
Термомеханическую обработку для быстрорежущих сталей применяют редко,
так как выигрыш прочности незначителен. Для улучшения поверхностного слоя
инструментов применяют низкотемпературное цианирование, азотирование, нитроцементацию с последующим оксидированием и другие методы. В результате на
поверхности инструмента создается слой, характеризующийся повышенной твердостью, износостойкостью и теплооостойкостью [3].
Стали для штампового инструмента. Штампами называют инструменты,
изменяющие форму материала без снятия стружки. Стали, используемые для изготовления штампового инструмента, должны обладать высоким сопротивлением
пластической деформации и износостойкостью, а в некоторых случаях (при разогреве) и повышенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали
должны иметь высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой объем
при закалке.
Стали для штампов холодного деформирования. Для изготовления штампов
холодного деформирования наиболее часто применяют высокохромистые стали
(Х12Ф1, Х12М, 4ХВ2С, 5ХВ2С). Их термическая обработка заключается в закалке
с 1100-1170 °С и последующем однократном или многократных отпусках. После
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
закалки сталь имеет твердость 42-54 HRC. Режимы отпуска выбирают в зависимости от назначения штампового инструмента.
Для штамповки легких металлов используют обычно стали с вязкой сердцевиной (малопрокаливающиеся), такие как У10, 11ХВ, 7ХГНМ и др.
Для деформирования более прочных металлов применяют полутеплостойкие
стали, а для пуансонов, работающих в условиях больших нагрузок – быстрорежущие.
Для вырубных и отрезных штампов нужны износостойкие стали с повышенным содержанием карбидов (Х12ВМ, Х12Ф4М и др.).
Стали для слесарно-монтажного инструмента отличаются износостойкостью,
повышенной вязкостью и высоким сопротивлением смятию рабочих кромок. Для
гаечных ключей используют сталь 40ХВА, для молотков – 50ХФА, отверток – 50 и
50ХФ, плоскогубцев – У7, У8 или 7ХВН [3].
Штамповые стали для штампов горячего деформирования. Кроме требований, предъявляемых к износостойкости, сопротивлению пластической деформации,
теплостойкости и вязкости, стали для штампов горячего деформирования должны
обладать еще высокой разгаростойкостью, низким коэффициентом теплового расширения, окалиностойкостью, теплопроводностью и прокаливаемостью. Прокаливаемость особенно важна для крупных деталей, например для ковочных молотовых
штампов.
Для небольших штампов (со стороной 200-300 мм) применяют стали 5ХНВ,
4ХСМФ; при средних размерах (300-400 мм) – стали 5ХНСВ, 5ХГМ; для более
крупных штампов – 5ХНМ, 27Х2НМФ и 30Х2НМФ.
Регламентация твердости зависит от размеров штампов и условий их эксплуатации. Для небольших – рекомендуемая твердость составляет 40-44 HRC, так как
при большей твердости увеличивается разгар. Штампы средних размеров обрабатываются на твердость 36-41 HRC, а крупных – на 35-38 HRC.
Хвостовую часть штампов следует обрабатывать на более низкую твердость
(33-37 HRC у мелких и 25-30 HRC у крупных), с тем чтобы обеспечить необходимую вязкость.
Стали для измерительного инструмента. Стали, применяемые для изготовления измерительного инструмента, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, а также способностью сохранять точные размеры и форму в течение длительного времени, измеряемого иногда годами. Для многих измерительных
инструментов, например плиток, требуется высокая чистота поверхности. Для
обеспечения требуемых свойств выбирают стали с мартенситной структурой. Однако мартенсит претерпевает старение, которое приводит к изменению размеров и
формы. Наблюдается также и распад остаточного аустенита, вызывающий увеличение размеров. Поэтому режим термической обработки и состав сталей для таких
инструментов должен обеспечивать требуемое сочетание свойств. Обычно для измерительного инструмента используют заэвтектоидные хромистые высокоуглеродистые стали Х, 12ХГ, ХВГ. Для более полного превращения аустенита в мартенсит стали часто подвергают многократной обработке холодом. После каждой из
них проводят отпуск при 100-125 °С.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Шаблоны и лекала лучше изготавливать из низкоуглеродистых (сталь 20 или
20Х) или же среднеуглеродистых сталей (55, 50, 50Г). Перед закалкой их подвергают цементации, затем закаливают при температуре 790-810 °С в масло или воду и
отпускают при 150-180 °С, 2-3 ч [3].
2. Классификация чугунов
Чугун отличается от стали хрупкостью и лучшими литейными свойствами. Как
уже отмечалось, чугунами называют сплавы железа, содержащие больше 2 %С.
При содержании до 4,3%С чугуны называются доэвтектическими, а при большем
содержании – заэвтектическими.
Железоуглеродистый сплав, содержащий 4,3%С является эвтектическим и кристаллизуется при практически постоянной температуре, равной 1147 °С или 1420 К.
Образующаяся после затвердевания этого сплава структура, называется ледебуритом (рис. 14). Эта эвтектики при температурах несколько ниже 1147 °С представляет смесь аустенита и первичного цементита. При последующем охлаждении аустенита выделяется цементит, называемый вторичным. Подобные выделения существуют и для заэвтектоидных чугунов.
Ледебурит является хрупкой составляющей чугунов различного состава, причем чисто железоуглеродистые чугуны почти не используют и обычно в них присутствует кремний, сильно повышающий активность углерода. Поэтому в присутствии кремния углерод в значительной мере выделяется не в виде цементита, а в
виде графита [3].
Рис. 14. Микроструктура белого чугуна (ледебурита)
В чугуне углерод может быть в двух состояниях: в свободном – в виде графита
и в связанном, т.е. в виде цементита.
При высоком содержании кремния, для получения цементитной составляющей,
т. е. для получения структуры белого чугуна, необходимо обеспечивать более высокую скорость охлаждения по сравнению с обычной.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В условиях доменной плавки чугуны с высоким содержанием кремния характеризуются меньшим содержанием углерода и, тем не менее, активность углерода в
них близка к единице. Добавление кремния к такому чугуну снижает растворимость углерода и углерод выделяется в виде графитовых хлопьев. В этом и состоит один из принципов модифицирования чугуна, заключающийся в изменении условий его графитизации.
Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии (Fe3C),
в основном идет в переработку в сталь, поэтому называется передельным. На диаграмме состояния Fe-Fe3C область чугуна представлена белым чугуном, структуры
чугуна даны ниже в лабораторных работах. Процесс выделения углерода в чугуне
называется графитизацией. Тогда в структурах чугуна появляется графит, и важное
значение имеет его форма. В зависимости от формы графита различают: серый чугун, в котором графит имеет пластинчатую форму, ковкий чугун имеет хлопьевидный графит; высокопрочный – шаровидную форму графита. В связи с выделением
графита существует две диаграммы состояния: одна Fe-Fe3C – превращения рассматриваются без образования графита называется метастабильной; вторая Fe-C –
с образованием графита – называется стабильной, показана штриховой линией
(рис. 12).
Условия образования графита зависят от скорости охлаждения чугуна. Быстрое
охлаждение приводит к образованию белого чугуна, а медленное охлаждение приводит к выделению графита, т.е. серого чугуна.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна. Высокопрочный получают введением в жидкий чугун чистого магния (0,3-1%) и других
добавок, т.е. модификаторов, которые являясь центрами кристаллизаций графита,
способствуют образованию шаровидного графита (модифицирование).
Степень графитизации чугуна зависит не только от скорости его кристаллизации, но и режима охлаждения. Скорость кристаллизации обычно уменьшается с
ростом толщины стенок отливки. Поэтому с ростом толщины стенок отливки возрастает степень графитизации чугуна. Толстостенные отливки, как правило, имеют
структуру так называемого серого чугуна.
В зависимости от степени графитизации чугуны делят на пять типов (рис. 15):
1) белые чугуны, в которых весь углерод находится в виде Fe3C; 2) половинчатые
чугуны, в которых содержание углерода, связанного в Fe3C, превышает 0,8%. и составляющим и являются феррит и графит [3].
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15. Схематические структуры различных типов чугунов:
I – белый чугун; II – перлитный; IIа – перлитно-цементитный;
IIб – перлитно-ферритный; III – ферритный; IV – высокопрочный
Структурными составляющими таких чугунов являются перлит, ледебурит и
графит; 3) перлитные серые чугуны, в которых содержание связанного в цементит
углерода ~0,8%. В структуре серых чугунов представлены перлит и графит; 4) феррито- перлитные серые чугуны, в которых содержание углерода находится в пределах от 0,8 до 0,2%. Отличительной особенностью их является присутствие феррита. Кроме феррита в структуре присутствуют перлит и графит; 5) ферритные серые чугуны, в которых содержание углерода <0,20%. Структурным отличием таких
чугунов является отсутствие перлитной составляющей. Основными структурным
Выделение графита в чугунах продолжается все время, в том числе и при эксплуатации изделий, хотя происходит и очень медленно. Быстрое выделение графита наблюдается лишь при высоких температурах. Это явление используют для изменения структуры чугуна и производства так называемых ковких чугунов. При отжиге
чугунов выделяющийся углерод собирается в хлопья, которые снижают прочность
чугуна. При модифицировании жидкого чугуна магнием формируется структура
чугуна с шаровидным графитом (рис. 16).
Аналогичный результат получается при модифицировании кальцием, барием,
церием, т.е. сульфидообразующими элементами. Чугуны с шаровидным графитом
называются высокопрочными.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16. Микроструктура чугуна с шаровидным графитом
Механические свойства чугуна зависят в значительной степени от относительного количества и формы графитовых включений. Чем выше доля графитной составляющей, тем ниже его механические свойства. При одинаковой ее доле свойства чугунов ниже в случае образования крупных графитных частиц. При растягивающих нагрузках прочность чугуна, ниже, чем при сжимающих. Значительное влияние на прочность чугуна оказывает и форма графитных включений (при переходе
от пластинчатой формы к шаровидной, прочность возрастает). Пластичность чугунов также увеличивается при выделении частиц графита шаровидной формы. При
пластинчатых выделениях графита относительное удлинение δ≈0,5%, а при шаровидных – его величина возрастает до 10-15%. В то же время наличие графитных
включений улучшает обрабатываемость чугуна резанием и, кроме того, чугуны отличаются лучшими, по сравнению со сталью, литейными свойствами [3].
Чугуны широко используют как конструкционные материалы для изготовления
деталей машин, не испытывающих больших ударных нагрузок.
Маркировка чугунов
Согласно ГОСТу 1412-79, в зависимости от прочности, серые чугуны маркируются указанием принадлежности к серым чугунам буквами СЧ, последующие
цифры означают сопротивление разрушению, т. е. соответствуют временному сопротивлению (пределу прочности) чугуна при растяжении. Например, чугун СЧ40,
характеризуется временным сопротивлением (пределом прочности) 390) МПа.
Временное сопротивление (предел прочности чугунов), определяемое при изгибе,
примерно в два раза выше, чем при растяжении, а твердость чугунов определяется
в основном свойствами и долей перлита.
Высокопрочные чугуны (по ГОСТ 7293-79) маркируются следующим образом:
ВЧ45-0, ВЧ50-1,5 и т.д. В этой маркировке ВЧ – означает принадлежность к высокопрочным чугунам, цифры, изменяющиеся от 45 до 60 – соответствуют пределу
прочности чугуна, выраженному в килограммах на 1 мм2 (кГ/мм2), а следующие
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цифры [от 0 до 10 (15)] – относительному удлинению образцов чугуна, т. е. величине δ, выраженной в процентах [3].
Ковкие чугуны (по ГОСТ 1215-79) подразделяют на ферритные и перлитные.
Ферритные ковкие чугуны разделяют на марки КЧ30-6, КЧ35-10 и КЧ37-12, перлитные ковкие чугуны – на марки КЧ45-7 и КЧ60-3, КЧ80-1,5. Первые двухзначные
цифры означают предел прочности в килограммах на 1 мм2 (кГ/мм2), вторые – относительное удлинение δ. Кроме рассмотренных выше видов чугунов, в технике
используют также отбеленные чугуны, имеющие структуру белого чугуна лишь на
поверхности. Твердость поверхности при этом значительно увеличивается и достигает 1000 НВ. Отбеленные чугуны используют для изготовления шаров шаровых
мельниц, ободов вагонных колес. Твердость, ковких чугунов значительно ниже и
составляет 200–250 НВ. На практике используют также коррозионностойкие чугуны- с высоким содержанием хрома, а также никеля и кремния.
По назначению, в основном, различают чугуны литейные и передельные. Литейные чугуны используют для изготовления отливок, а передельные – для передела чугуна в сталь.
В практике чугуны часто применяют также в качестве антифрикционных и износоустойчивых материалов. Антифрикционные чугуны обычно содержат повышенное содержание графита.
После отливки чугунных деталей, их как правило, подвергают термической обработке, чаще всего отжигу. Одно из основных назначений этого вида термической
обработки – устранение внутренних напряжений, возникающих при отливке. Отжиг проводят при 500-550 °С в течение 6-8 ч.
Иногда отжиг применяют для снятия отбела в чугунах – для смягчения. В этом
случае нагрев проводят до более высоких температур: 850-900 °С, а иногда и 10501150 °С, в течение нескольких минут. При таких условиях процесс графитизации не
завершается, но снижается твердость.
Применяют иногда и другие виды термической обработки чугунов [3].
3. Легированные стали
Легированными называют стали, содержащие кроме углерода и постоянных
примесей (Mn, Si, Р, S), специально вводимые при выплавке стали элементы для
получения заданных свойств. Такие элементы называют легирующими. В качестве
легирующих наиболее часто применяют хром Cr, никель Ni, молибден Mo, ванадий
V, вольфрам W, кобальт Со, титан Ti, медь Cu, алюминий Al, бор В, ниобий Nb,
Тантал Ta, кремний Si более 0,8%, марганец Mn более 1%
Легирующие элементы оказывают влияние на электронную и дислокационную
структуру металла [1]. Замещая атомы в решетке основы, они создают барьеры
ближнего действия на пути движущихся дислокаций, а также влияют на их подвижность. При легировании может увеличиваться плотность дислокаций, вызванная изменением энергии дефектов упаковки. Легирующие элементы могут входить
в состав структуры (аустенит, феррит) и упрочнять. Причем одни элементы (Ni,
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Mn, Co, Cu) расширяют область устойчивого аустенита, другие (Cr, W, Mo, V, Ti,
Si) сужают и могут даже совсем устранить аустенитное превращение. При достаточном содержании Ni аустенит может быть устойчивым даже при комнатной температуре, а в низкоуглеродистых сталях при содержании 13% и более хрома аустенит может отсутствовать и ферритная структура будет сохраняться при всех температурах, вплоть до расплавления.
По влиянию на углерод легирующие элементы разделяются на: элементы, образующие карбиды, т.е. устойчивые химические соединения с углеродом. Это Cr,
Mn, Mo, W, V, Ti. Различают простые карбиды, например, Cr4C, MoC и сложные,
например, (Fe, Cr)7C3, (Fe, W)4C и др.;
Диаграмма состояния Fe-Fe3C к легированным сталям не применима, так как
легирующие элементы существенно изменяют положение критических точек. Например, критические точки А1 и А3 такие элементы, как Cr, Si, W, Mo, Ti повышают, а Ni, Mn, Co, Cu – понижают. Карбидообразующие элементы существенно
сдвигают т.S и Е на диаграмме влево и понижают эвтектоидное содержание углерода. В легированных сталях перлитную структуру можно получить при содержании углерода, равном 0,4% и менее. Кроме, кобальта, все легирующие элементы
повышают устойчивость аустенита при охлаждении, сдвигая вправо С-образные
кривые изотермического его распада. Поэтому, чтобы закалить легированную сталь
на мартенсит, в ряде случаев достаточно охлаждения на воздухе. Хром, как и другие легирующие элементы, увеличивает прокаливаемость стали. Многие марки легированных сталей прокаливаются насквозь даже при больших сечениях детали.
Большинство легирующих элементов снижает температуру мартенситного превращения и увеличивает количество остаточного аустенита в структуре.
В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов стали делят
на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (от 2,5% до 10%) и высоколегированные (выше 10%).
По структуре в нормализованном состоянии сталь подразделяется на пять
классов: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.
После охлаждения на воздухе при различном содержании углерода и легирующих элементов стали будут иметь и различные структуры, образование которых
определяется скоростью распада аустенита (положением С-образных кривых) и
температурами аустенито-мартенситного превращения (положением точек Mн, Мк).
Если образуется смесь феррита и цементита, то сталь относится к перлитному
классу.
При большем содержании легирующих элементов и повышением содержания
углерода при охлаждении на воздухе может образоваться мартенсит. Тогда сталь
относят к мартенситному классу.
Дальнейшее увеличение суммарного содержания легирующих элементов до
30% приводит к тому, что в процессе охлаждения стали на воздухе до 0 оС аустенит
превращений не претерпевает. Такую сталь относят к аустенитному классу.
Сталь, содержащая достаточно высокое количество углерода и карбидообразующих элементов, относится к карбидному плану. Структуру такой стали представляют легированные карбиды и мартенсит.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Низкоуглеродная сталь, содержащая большое количество ферритообразующих
элементов (Cr, Si) относится к ферритному плану.
Легирующие элементы, как правило, измельчают зерно, повышая прочность
стали. Наряду с повышением механических свойств сообщают стали особые свойства: немагнитность, коррозионную стойкость, жаропрочность и т.д.
Большинство марок легированных сталей приобретает высокие физикомеханические свойства только после термической обработки.
Наибольшее использование в машиностроении, судостроении и промышленном строительстве получили низкоуглеродистые и среднеуглеродистые низколегированные стали [3].
Наилучшей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали (09Г2С, 16ГС,
15ГФД и др.), а также стали с карбонитридным упрочнением, содержащие кроме
углерода азот и карбидообразующие элементы (16Г2АФ, 14Г2АФД, 08Г2ФСБ и
др.). Их применяют в судо- и вагоностроении, для нефте- и газотрубопроводов,
различных резервуаров, сварных мостостроительных конструкций. В продовольственном машиностроении стали 16ГС, 15ГФ используют для корпусов и днищ аппаратов, фланцев и других деталей, работающих при температурах от -40 до +475 °С
под давлением. Детали из сталей 20ХН, 18ХГТ, 12ХН3, 20ХН3А и др. чаще всего
применяют после цементации с последующей закалкой и низким отпуском [3].
ЛЕКЦИЯ 6
Тема: Основы термической и химико-термической обработки

Вопросы
1. Определения и общие положения.
2. Превращения в стали при равномерном нагреве и охлаждении.
3. Диаграмма изотермических превращений аустенита при охлаждении.
4. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении.
1. Определения и общие положения
Термической обработкой сплава называются процессы нагрева и охлаждения
с целью изменения его строения (структуры) и получения заданных свойств [1].
Графически процесс термообработки изображается в координатах температуравремя (рис. 17).
Иногда по оси абсцисс с целью изображения и кратко- и долговременных значений откладывается время в логарифмической шкале (см. диаграмму изотермического распада аустенита).
Получение необходимых свойств у сплава зависит не только при выплавке (металлургия), но и от последующих этапов обработки, когда можно воздействовать на
внутреннее строение (структурно-фазовый состав и дислокационная структура).
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 17. График термической обработки
Термической обработкой обеспечивается заданный уровень свойств во всем
объеме детали, а поверхностным упрочнением – только в определенных наиболее
нагруженных и сильно изнашиваемых местах на поверхности детали.
Основой теории термообработки является наличие аллотропических превращений и ограниченная растворимость компонентов в зависимости от температуры.
Режим термообработки включает также параметры: температуру нагрева, скорость нагрева, время выдержки при данной температуре и скорость охлаждения.
Конкретные величины этих параметров зависят от химического состава, размера
детали и вида термообработки.
От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений
и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она
выбирается в зависимости от химического состава и цели проводимой термообработки.
Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные
потери времени на нагрев, исключить возникновение в детали опасных термических напряжений (коробление и трещины) с учетом теплопроводности сплава.
Время выдержки детали по достижении заданной температуры должно быть
достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения процессов.
Скорость охлаждения выбирается в зависимости от вида термообработки, но не
должно быть слишком высокой во избежание появления трещин и коробления.
2. Превращения в стали при равномерном (медленном)
нагреве и охлаждении
Для стали термообработка основана на аллотропических превращениях железа
и растворимости углерода в них. Поэтому температура нагрева обусловлена этими
превращениями (диаграмма состояния железо-углерод). Первое превращение стали
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
происходит при 727 оС (линия РSК). Перлит (феррито-цементитная смесь) превращается в аустенит, являющийся твердым раствором внедрения углерода в γ – Fe,
содержащий при этой температуре 0,8%С. Температура превращения перлитаустенит (П-А) является первой критической точкой Ас1. При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными изменениями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях (менее 0,8%С) составы феррита (Ф) и аустенита (А) изменяются
соответственно по линиям PG и SG. В заэвтектоидных сталях (более 0,8%С) равновесие между аустенитом и цементитом (Ц) с ростом температуры поддерживается
за счет растворения Ц в А, приводящего к обогащению А углеродом (вплоть до
2,14%С в т.е.) и уменьшению количества Ц.
На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь
приобретает равновесную однофазную структуру А. Точки, лежащие на линии SG,
обозначают АС3, SE – Асm. При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных АС3 + (30-50) оС, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях это явление происходит начиная с температур нагрева Асm1 +
(30–50) оС. Поэтому нежелательно нагревать выше указанных температур.
В соответствии с режимом термообработки после нагрева и выдержки стали
при заданной, зависящей от содержания углерода, температуре следует процесс
охлаждения аустенита.
На линии SG аустенит начинает распадаться (А→Ф+А), выделяется феррит.
Процесс протекает равновесно (устойчиво), если их химический состав изменяется
по линиям PG и SG.
Критическая температура, соответствующая началу выпадения Ф из А, обозначается Аr3. Когда температура достигнет PSK, равновесный фазовый состав стали
будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и
0,8%С.
При температуре, обозначаемой Аr1, аустенит превращается в перлит. Феррит и
цементит перлита, образующегося при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок.
Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения превращается
в исходную смесь перлита и цементита (П+Ц). При этом начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Аr1, он по уже знакомой реакции превратится в
перлит А0,8→Ф0,02+Ц6,67.
При неравномерном охлаждении (переохлаждении) аустенита образуются уже
другие структуры (см.диаграмму распада аустенита).
Сплав с равновесной структурой имеет минимальные прочностные характеристики.
Однако термообработка в большинстве случаев производится с целью получения у стали более высоких показателей прочности. В связи с этим режим обработки
должен быть построен таким образом, чтобы получающаяся после ее завершения
дислокационная структура характеризовалась более высокой плотностью дислока46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ций и наличием в ней элементов, затрудняющих процесс пластической деформации
(атмосферы Коттрелла, стопоры, стенки).
Режим термообработки должен строиться и с учетом возможности управления
прочностью за счет регулирования размера зерен структурных составляющих стали.
3. Диаграмма изотермических превращений
аустенита при охлаждении
Получающаяся в результате термообработки дислокационная структура стали
и ее структурно-фазовый состав зависят в основном от скорости охлаждения аустенита и предопределяется содержанием углерода и легирующих элементов в стали.
О влиянии скорости охлаждения аустенита на строение и свойства получающихся при его распаде структур изучают по диаграмме изотермических превращений, т.е. таких превращений, которые происходят при постоянных температурах
охлаждения, лежащих ниже точки Аr1 (727 оС).
Для построения диаграммы берут образцы эвтектоидной (0,8%) стали, нагревают на 30-50 оС выше Ас1 (727 оС) и после выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению образцов, быстро переносят в ванну с расплавом
солей, температура которого ниже 727 оС и автоматически поддерживается постоянной. Образец быстро охлаждается до температуры расплава и переохлажденный
аустенит распадается не в процессе охлаждения, а при постоянной температуре.
Наблюдения проводят при разных температурах t1, t2, t3 и т.д. Процесс изотермического превращения аустенита показан на рис. 18.
Рис. 18. График и кривая изотермического распада аустенита
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Время о-а называется инкубационным периодом. Превращение начинается с т.
а и заканчивается в т. б. По нескольким экспериментальным кривым (б), полученным для разных температур t1, t2 и т.д. строится диаграмма.
Получаемые структуры даны на рис. 19 [1].
Диаграмма представлена двумя кривыми (С-образные) в координатах температура-время. Время откладывается в логарифмической шкале, чтобы охватить значения от долей секунды и до нескольких часов или суток.
Левая (кривая) является началом превращения (распада) аустенита – Н. Время
окончания распада ограничивается правой С-кривой – К.
Весь диапазон температур изотермических превращений можно разбить на две
части, существенно отличающиеся друг от друга по составу и особенностям строения фаз, получающихся при распаде аустенита.
Рис. 19. Диаграмма изотермических превращений аустенита стали 0,8%С
П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; Н – начало;
К – конец превращения; Мн, Мк, – начало и конец мартенситного превращения
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Границей между этими частями является температура, соответствующая выступу С-кривых (примерно 550 оС). Для уяснения характера превращений аустенита в обеих температурных областях необходимо иметь в виду следующие два важных положения.
1. Ниже точки А1 (Аr1) ГЦК решетка аустенита обязательно должна бездиффузионно перестроиться в ОЦК решетку феррита, способную растворить очень малое
количество углерода. Тогда углерод должен диффузионно выйти из ОЦК и образовать карбиды железа. Таким образом, интенсивность распада аустенита и характер
образующихся при этом продуктов должны зависеть от уровня температуры, определяющей скорость диффузии углерода.
2. Основной причиной аллотропического превращения является стремление
сплава обладать минимумом свободной энергии, следовательно, чем ниже температура переохлажденного аустенита при изотермическом превращении, тем сильнее
окажется его склонность к распаду.
В верхней области (выше 550 оС) диффузионные процессы происходят интенсивно, поэтому углерод имеет хорошую возможность выйти из ОЦК и на базе ОЦК
образуется ферритная основа (до 0,02 %С).
По этой же причине создаются благоприятные условия для образования освобождающимися из раствора атомами углерода пластинок карбидной фазы, приобретающей стабильный состав цементита Fe3C.
В связи с изложенным для верхней области температур характерна реакция
распада аустенита (А→Ф+Ц) в смесь двух фаз.
При снижении температуры ослабляется интенсивность диффузионных процессов при распаде аустенита и уменьшается время, в течение которого происходит
распад. Это обуславливает уменьшение размера образующихся при распаде аустенита пластинок феррита и цементита. Различают три структуры: перлит, сорбит и
троостит (рис. 20 а, б, в).
Рис. 20. Строение перлита, сорбита и троостита ×1500
Если в среднем толщина двух пластинок (феррита и цементита) перлита равняется 0,6–1,0 мкм, то у сорбита 0,2–0,3 мкм, у троостита – 0,1–0,15 мкм. Соответственно и твердость будет НВ 180–250, НВ 250–330, НВ 330м400. Распад аустенита в
области температур ниже выступа происходит при недостаточной скорости диффузионных процессов, тогда образуется бейнит. Бейнит представляет собой структуру, состоящую из несколько пересыщенного α- твердого раствора, претерпевшего
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мартенситное превращение (см. ниже) и частиц цементита. Бейнит имеет игольчатое строение и более высокую твердость, чем троостит.
Если переохладить аустенит до точки Мн то начнется так называемое мартенситное превращение М, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале
температур от точки Мн до точки Мк лежащей ниже 0 оС при С≥0,8%. Суть его состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическое превращение γ-Fe в α-Fe. Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов они не могут выйти из
образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменения и внутренние напряжения.
Важнейшим условием А-М – превращения является непрерывное охлаждение
аустенита в интервале от Мн до Мк. При остановках фиксируется нераспавшийся
аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение со временем размеров и т.д.).
Мартенсит представляет собой пересыщенный, а потому неравновесный (неустойчивый) твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Он имеет игольчатую
микроструктуру (рис. 21) [1].
Рис. 21. Структура мартенсита, × 250
В связи с перенасыщенностью элементарная ячейка кристаллической решетки
мартенсита оказывается вытянутой, т.е. из кубической превращается в тетрагональную (рис. 22).
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 22. Кристаллическая ячейка мартенсита
Отношение
с
называется степенью тетрагональности мартенсита. Оно тем
а
больше, чем больше углерода растворено в мартенсите.
Согласно современным взглядам об электронном строении кристаллической
решетки мартенсита, находящийся в октаэдрической поре атом углерода двумя из
четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи [1] с двумя ближайшими атомами железа. Остальные же два электрона переходят в электронный
газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.
Образующиеся ковалентные связи почти на порядок сильнее металлических и
не допускают упругие деформации. Эти особенности межатомного взаимодействия
в мартенсите, сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллической решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость, внутренние напряжения и плотность дислокаций.
4. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении
От скорости охлаждения зависит температурный интервал превращения аустенита, продолжительность превращения, а также характер и свойства получающегося продукта.
Накладывая на диаграмму изотермических превращений аустенита кривые непрерывного охлаждения (V1<V2<V3<V4) (рис. 23) видим, что при увеличении скорости охлаждения снижаются температуры распада аустенита на Ф+Ц и уменьшается время распада. Это обусловливает снижение интенсивности происходящих
при распаде диффузионных процессов и увеличение числа зарождающихся в зер51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нах аустенита центров, вокруг которых растут зерна нового продукта Ф+Ц (перлит,
сорбит, троостит).
Рис. 23. Влияние скорости непрерывного охлаждения
аустенита на характер образующихся продуктов
Механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от размеров зерен фаз, но и от уровня остаточных внутренних напряжений и плотности
дислокаций.
От значений внутренних напряжений зависят интенсивность работы источников Франка-Рида и, следовательно, плотность генерируемых ими дислокаций.
Термические напряжения возникают при всяких изменениях температуры
сплава. Они обусловлены разницей удельных объемов сосуществующих в едином
монолите слоев металла. Эти напряжения тем выше, чем больше скорость изменения температуры. Следовательно, применительно к охлаждению они возрастают от
V1 к V4.
Фазовые напряжения возникают в процессе превращения аустенита в другие
структуры (фазы) вследствие того, что при этом в едином монолите одновременно
сосуществуют различные по удельному объему фазы (т.е. аустенит и продукты его
распада). Аустенит обладает минимальным удельным объемом. Далее в порядке
увеличения удельного объема следуют перлит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит. Соответственно возрастает плотность дислокаций до 107, 108, 109, 1011, 1013 см2.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Критической скоростью Vкр. называется минимальная скорость охлаждения,
при которой образуется мартенсит (150…300 оС в секунду).
У доэвтектоидных (С<0,8%) и заэвтектоидных (С>0,8%) сталей распад аустенита имеет свою специфику.
Стабильность аустенита с уменьшением количества растворенного в нем углерода снижается. Поэтому у доэвтектоидных сталей более высока критическая скорость закалки Vкр. Ввиду этого для А-М-превращения требуются более резкие закалочные среды, а при содержании углерода менее 0,25% мартенситное превращение
практически невозможно.
Распад аустенита доэвтектоидных сталей начинается с выделения из него зерен
феррита.
У заэвтектоидных сталей распад в области перлитного превращения начинается с выделения цементита, а для мартенситного превращения требуется интервал
более низких температур. При этом Мн снижаясь, остается выше 0 оС, а Мк, будучи
при 0,8%С намного ниже 0 оС, при дальнейшем росте содержания углерода продолжает снижаться.
Следует отметить, что характерным для мартенситного превращения является
то, что часть аустенита остается не превращенным и называется остаточным аустенитом.
ЛЕКЦИЯ 7
Тема: Основные виды термической обработки

Вопросы
1. Виды термической обработки.
2. Особенности термообработки легированных сталей и чугунов.
3. Понятие о термомеханической обработке стали.
4. Понятие о термообработке сплавов с переменной растворимостью компонентов.
5. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов.
6. Поверхностная закалка сталей.
7. Лазерная термическая обработка.
1. Виды термической обработки
Отжиг. Цель отжига – привести сталь в равновесное состояние с минимальной
плотностью дислокаций (106-107 см-2), по возможности с низкой твердостью и высокой пластичностью.
Существуют следующие виды отжига.
Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30-50 оС выше GSK и последующим медленным охлаждением. Цель – снизить твердость перед механической
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обработкой и подготовить структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки.
Диффузионный отжиг (гомогенизация) – нагрев легированной стали до 10001100 оС и длительная выдержка (18-24 ч) и медленное охлаждение с целью устранения дендритной ликвации. Однако наблюдается рост зерна, поэтому в последующем производится нормализация (см. ниже).
Рекристализационный отжиг – нагрев стали на 150-250 оС выше температуры
рекристаллизации (0,4 Топл.К) с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Для стали 600-700 оС. Конечно, наклеп можно устранить, применяя
полный отжиг. Однако рекристаллизационный отжиг значительно выгоднее как по
продолжительности, так и по температуре.
Нормализация – нагрев стали на 30-50 оС выше линии GSE, выдержка и охлаждение на воздухе с целью измельчения зерна и экономии времени термообработки.
Плотность дислокаций 107–108 см-2. Прочностные свойства будут выше, чем при
отжиге.
В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из
низкоуглеродистой стали, для которых закалка не применяется.
При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Асm(SE) –
Ar1(SK) нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В
связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки
у заэвтектоидных сталей.
Закалка – нагрев стали выше линии GSK на 50-60о и охлаждение со скоростью
не ниже критической, т.е. резкое охлаждение в воде, масле или в других средах.
Желательно, чтобы закалочная среда быстро охлаждала в интервале температур малой устойчивости аустенита (600-550 оС), медленно – в интервале мартенситного превращения (300-200 оС), чтобы уменьшить деформации и напряжения.
Вода имеет недостаток в том, что интенсивно охлаждает и в мартенситном интервале (300-200 оС), что может привести к большим напряжениям, а, следовательно, к деформации.
В отличие от воды масло в интервале образования мартенсита охлаждает, примерно, в 10 раз медленно, чем вода.
Выбор закаливающей среды в практике термообработки зависит от химического состава стали, конфигурации изделий и необходимости получения тех или иных
структур и механических свойств.
При закалке стали глубина проникновения мартенситной или троостомартенситной структуры бывает неодинаковой. В связи с этим вводится такое понятие, как прокаливаемость, под которым понимается глубина закаленной зоны,
имеющей структуру мартенсита. Прокаливаемость зависит от многих факторов:
размера зерна, состава стали, скорости охлаждения, температуры нагрева. Методика определения прокаливаемости (ниже глава «Лабораторно-практические работы»).
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способы закалки.
Закалка в одном охладителе – нагретое изделие погружают в охлаждающую
среду до полного охлаждения. Этот способ прост, но может вызвать большие внутренние напряжения.
Закалка в двух средах – охлаждают сначала в воде до 300-200 оС, затем изделие
переносят в масло или на воздух. Обычно этот способ применяется для крупных
изделий.
Ступенчатая закалка – нагретое изделие охлаждают, погружая в соляную. ванну, температура которой превышает температуру начала мартенситного превращения Мн данной стали. Затем изделие выдерживают в ванне для выравнивания температуры по всему его объему и охлаждают на воздухе до нормальной температуры, что снижает внутренние напряжения.
Закалка с самоотпуском (закалка по цветам побежалости) заключается в том,
что изделие охлаждают от температуры закалки в охлаждающей среде только в течение времени, которое необходимо для его прокаливания на определенную глубину. Дальнейшее охлаждение идет на воздухе. При этом осуществляется отпуск за
счет теплоотдачи из внутренних слоев изделия. Данный способ применяют для закалки ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и др.).
Изотермическая закалка характерна промежуточным охлаждением в соляной
ванне с заданной температурой до конца превращения аустенита и последующим
медленным или быстрым охлаждением. Продолжительность выдержки в закалочной среде определяют по диаграмме изотермического распада аустенита для данной стали. При изотермической закалке в интервале температур 250-400 оС образуется структура игольчатый троостит, которой свойственны большие твердость и
вязкость. Такое сочетание механических свойств необходимо для ударного инструмента, пружин и др.
При закале при обычных охлаждающих средах в стали наряду с мартенситом
сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем больше, чем ниже
точка Мк. У высокоуглеродистых сталей и особенно у сталей с достаточно высоким
содержанием легирующих элементов точка Мк лежит ниже О оС. В связи с этим
при обычной закалке в них сохраняется много остаточного аустенита, что снижает
твердость. Кроме того с течением времени происходит превращение аустенита,
приводящее к изменению размеров изделия, оно недопустимо для мерительного
инструмента.
Во избежание этого явления проводят обработку холодом, т.е. изделие помещают в холодильную камеру при tо, близкой к Мк (обычно – 80 оС).
Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже критической Ас1
(727 оС), выдержка и последующее охлаждение на воздухе с целью повышения вязкости, уменьшения внутренних напряжений после закалки и получения более устойчивых структур.
Различают 3 вида отпуска.
Низкий – нагрев до 250 оС для снижения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости (свыше 58 НRС). Применяется для режущего и мерительного инструмента, штампов для холодной штамповки, цементированных изделий.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мартенсит частично освобождается от некоторых атомов углерода. Тогда уменьшается число охрупчивающих трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe- связей. Однако, атомы углерода, не образуя обособленный стабильный Fe3C, находятся в связи с
мартенситом и создают вместе с атомами азота вокруг дислокаций атмосферы Коттрелла [2].
Средний отпуск – нагрев на 350-450 оС, который приводит к понижению твердости и повышению вязкости стали по сравнению с низким отпуском. Образуется
устойчивая структура-троостит отпуска, в котором, в отличие от троостита закалки,
цементит представлен не пластинками, а в виде мельчайших зерен, что обуславливает его более высокую вязкость. При среднем отпуске устраняются ковалентные
связи и искажения ОЦК-решетки α-Fe, уменьшается плотность дислокаций до 109–
1010 см-2, ликвидируются атмосферы Коттрелла и уменьшаются остаточные напряжения. Применяют для рессор, пружин.
Высокий отпуск – нагрев в интервале 450-650 оС.
Происходит образование более крупных зерен феррита и цементита, чем у
троостита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций до
108–109 см-2 и полным устранением остаточных напряжений. Структура – сорбит
отпуска обладает хорошей вязкостью, хотя и снижается прочность. Такая термообработка применяется для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам и называется улучшением.
При термической обработке возможны следующие дефекты: недостаточная
твердость, повышенная хрупкость, обезуглероживание, окисление, коробление,
трещины и др. Они появляются при несоблюдении температурного режима нагрева
и охлаждения.
2. Особенности термообработки
легированных сталей и чугунов
Низколегированные (до 2,5%) стали при закалке охлаждают в воде, так же как
и углеродистые. Увеличение содержания легирующих элементов в стали вызывает
понижение теплопроводности, поэтому время прогрева заготовок увеличивается.
Легированные стали необходимо нагревать и охлаждать равномерно и медленно,
чтобы не образовались значительные внутренние напряжения, трещины и коробление. Легирование снижает критическую скорость закалки, вследствие чего охлаждение проводят в масле, а хромовольфрамовых и хромоникельмолибденовых сталей – на воздухе.
Прокаливаемость легированных сталей зависит от присутствия легирующих
элементов в составе стали. Хром, кремний, марганец, никель – особенно молибден
улучшают прокаливаемость.
Отпуск требует продолжительной выдержки при более высоких температурах,
поскольку легирование замедляет процессы превращения в стали. При отпуске некоторых легированных сталей, например, хромоникелевых хромомарганцовистых,
резко падает ударная вязкость. Это явление называется отпускной хрупкостью. Ее
следует избегать путем выбора режима охлаждения.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Термическую обработку серых, высокопрочных и легированных чугунов проводят либо для увеличения прочности и износостойкости, либо для снятия внутренних напряжений и уменьшения твердости.
Для получения закалочных структур чугун нагревают до 850-880 оС и охлаждают в масле или реже в воде. Для снятия внутренних напряжений проводят низкий
отпуск (200-250 оС) или отжиг при 500-550 оС. Отжиг для понижения твердости и
улучшения обрабатываемости чугуна резанием выполняют при 850-900 оС.
3. Понятие о термомеханической обработке
стали (ТМО)
ТМО – процесс упрочнения стали за счет изменения структуры и свойств, связанный с пластическим деформированием и термической обработкой (закалкой и
отпуском). ТМО позволяет получить у стали более высокие прочностные и вязкостно-пластические свойства. Дополнительный положительный эффект при ТМО
объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных,
возникших при наклепе дислокаций, которые, складываясь с дислокациями при образовании мартенсита, создают более плотную (до 1013 см-2) дислокационную
структуру.
Учитывая, что формирование дислокаций первого и второго поколений происходит разновременно, такая высокая плотность дислокаций не порождает возникновения трещин при закалке. Образовавшийся таким путем мартенсит имеет более
высокую плотность дислокаций при меньшем уровне остаточных напряжений.
Применяя ТМО, можно повысить у стали σв до 3000 МПа при  =6-8%, в то
время как при обычной закалке и низком отпуске эти показатели составляют соответственно около 2000 МПа и 3-4%.
Существует две разновидности ТМО: высокотемпературная – ВТМО, низкотемпературная – НТМО. При ВТМО аустенит деформируют при tо несколько выше
Ас3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400-600 оС аустенита. Степень деформации 75-90%. Более предпочтительна ВТМО.
4. Понятие о термообработке сплавов
с переменной растворимостью компонентов
Принцип термообработки этих сплавов (алюминиевые, титановые и др.) основан на переменной растворимости компонентов и включает в себя нагрев двухфазного сплава до температуры полного растворения избыточной фазы и получения
однофазного строения.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплав быстро охлаждают для получения при комнатной tо пересыщенного
твердого раствора. Затем повторно нагревают на небольшую температуру, при этом
образуется новая структура.
Рассмотрим этот принцип применительно к термообработке дюралюминов, основу которых составляют сплавы Al-Cu (рис. 24) [1].
Рис. 24. Начальный участок диаграммы состояния
системы Al-Cu
Сплав 1 нагреваем выше t1 и после некоторой выдержки быстро охлаждается в
воде. При этом фиксируется пересыщенный, нестабильный твердый раствор замещения меди в алюминии. Твердость небольшая. Однако при повторном нагреве
(старении) в пересыщенном твердом растворе происходят следующие процессы.
1. Образование так называемых зон Гинье-Престона (ГП), представляющих собой высокодисперсные тонкие (несколько атомных слоев дискообразные участки
диаметром 10-50 нм твердого раствора, обогащенные медью. Температура начальной стадии колеблется от комнатной до 50-80 оС, продолжительность – до 5-6 суток.
2. Образование неустойчивых, метастабильных высокодисперсных частиц химических соединений. Частицы когерентно связаны с кристаллической решеткой
обедненного основного раствора. Данная стадия происходит при 80-150оС, продолжительность – до суток.
3. Образование стабильных, обособившихся крупных частиц химического соединения CuAl2 при температуре более 150 оС, твердость снижается.
Для упрочнения сплава, применяется старение, происходящее на 1-й и 2-й стадиях распада. Соответственно называются естественным (20-25 оС) и искусственным (100-150 оС) старением.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов
Химико-термическая обработка (ХТО).
ХТО называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали. При этом происходит поверхностное насыщение соответствующим элементом (С, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из определенной среды при высокой температуре. ХТО включает следующие стадии:
1. Образование активных атомов в насыщающей среде.
2. Адсорбцию (поглощение) активных атомов поверхностью металла.
3. Диффузию – перемещение адсорбированных атомов внутрь металла.
Диффузионным слоем является слой материала детали у поверхности насыщения, отличающейся от исходного по химическому составу, а значит, структуре и
свойствам. Материал, не затронутый воздействием насыщающей среды называется
сердцевиной.
Цементация стали – насыщение углеродом при нагревании детали в среде –
карбюризаторе при температуре (выше Ас3) (930-950 оС), когда устойчив аустенит,
хорошо растворяющий углерод. Цементации подвергают низкоуглеродистые (0,10,2%С), чаще легированные стали (15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХНЗА и др.). Детали
поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование (0,05-0,1 мм). Когда необходимо цементировать часть детали, то участки, не
подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, которая наносится электролитическим путем.
Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине,
убывающую от поверхности к сердцевине детали и соответствующие структуры
(рис. 25) [1].
Виды цементации – газовая (природный газ) и твердая (древесный уголь – 75%,
углекислые соли – 25%).
Газовая цементация проводится в герметически закрытых печах при непрерывной подаче газа или керосина (разлагается на газ).
CH 4  2 H 2  C (атомарный)
Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом,
чем твердая [1].
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 25. Изменение концентрации углерода по глубине
цементованного слоя (а) и схема микроструктуры (б)
После цементации обязательно проводят термообработку: закалку при
820-850 оС, низкий отпуск при 160-180 оС. Твердость на поверхности НRC 58-62, в
сердцевине НRC 30-45, толщина закаленного слоя 0,4–1,8 мм.
Азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом при 500-600 оС (низкотемпературное азотирование) в атмосфере аммиака в герметически закрытых камерах (ретортах). При нагреве аммиак разлагается по реакции:
2 NH 3  2 H 2  2 N (атомарный)
Образующиеся твердые растворы и нитриды придают стали очень высокую твердость.
Процесс азотирования длится очень долго – до 90 ч, что является основным недостатком. Толщина азотированного слоя получается обычно 0,2-0,5 мм. Микроструктура – нитриды.
Для активизации процесса (сокращается время в 2-3 раза) применяют ионное
азотирование.
Нитроцементация – одновременное насыщение азотом и углеродом в газовой
среде. Азот способствует диффузии углерода, поэтому процесс сокращается на
20-30% и снижается температура процесса на 100 оС. После нитроцементации проводится закалка и низкий отпуск.
Одновременное насыщение N и С возможно также в расплавленных солях, содержащих цианид натрия при 820-860 оС (цианирование). Однако токсичность расплавов солей препятствуют внедрению этого процесса.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Борирование – насыщение бором при 850-950 оС с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Структура состоит из боридов и
твердых растворов бора в железе. Борированию подвергают обычно инструментальные стали Р18, Р9, ХВГ.
Силицирование – насыщение кремнием при 1100-1200 оС в течение 1-5 часов
для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, твердости и износостойкости.
Хромирование – насыщение изделий хромом в вакууме при 1420 оС с целью
повышения окалиностойкости.
Алитирование – насыщение алюминием при 950-1050 оС с целью повышения
жаростойкости, коррозионной стойкости.
6. Поверхностная закалка стали
Назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и
предела выносливости поверхности изделий. Сердцевина остается вязкой, что увеличивает сопротивляемость ударным нагрузкам. Нагрев осуществляется токами
высокой частоты (ТВЧ).
Деталь устанавливается в индуктор (соленоид), который представляет один или
несколько витков водоохлаждаемой медной трубки. При пропускании через индуктор переменного тока создается магнитное поле, индуктирующее ток в поверхностном слое изделия. Толщина закаленного слоя (м) может быть подсчитана по формуле:
у  4,46  10 5

,
f
где:  – электросопротивление, Ом·м
 – магнитная проницаемость, Гн/м,
f – частота, Гц
Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от f,  ,  составляет 50-500о С/с, при
обычном печном нагреве она не превышает 1-3оС/с. Нагрев до tо закалки осуществляется за 2-10 с. В связи с этим tо закалки выше на 100-200оС, чем при обычной закалке.
Закалке ТВЧ подвергают стали, содержащие 0,4-0,5%С (40, 45, 40Х, 40ХН и
др.).
После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше, чем при обычной закалке с печным нагревом. Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердостью на 3-6 HRC выше, чем при печном нагреве.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Лазерная термическая обработка (ЛТО)
Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации
световой энергии в тепловую. Нагрев и охлаждение происходят мгновенно. Мощность излучения 103–5·104 Вт/см2, время воздействия 10-2с. При больших значениях
производят сварку, плавление и ХТО.
Процесс ЛТО зависит не только от мощности и времени воздействия, но и от
оптических и теплофизических свойств обрабатываемого материала.
Для ЛТО используют лазеры импульсного и непрерывного действия.
Глубина упрочненного слоя при нагреве на непрерывном СО2-лазере (5 кВт)
колеблется от 0,3 мм до 1,0 мм, на импульсном – 0,1-0,15 мм.
Охлаждение при ЛТО идет за счет теплопроводности материала, скорость которой выше чем при обычной закалке в сотни раз (5-10) ·103 оС/с.
В результате ЛТО повышается твердость и износостойкость. Хорошо упрочняются средне- и высоколегированные конструкционные и инструментальные стали. Низкоуглеродистые стали упрочняются плохо.
Перед химико-термической обработкой с помощью лазера на поверхность изделия наносят различными способами (накатка фольги, электролитическое осаждение, напыление, нанесение порошковых композиций и др.) легирующие элементы.
ХТО обычно осуществляется в режиме расплавления.
ЛЕКЦИЯ 8
Тема: Цветные металлы и сплавы

Вопросы
1. Медь и её сплавы.
2. Алюминий, магний, титан и их сплавы.
3. Антифрикционные сплавы.
4. Электротехнические металлы и сплавы.
Цветными называют металлы и сплавы на их основе, кроме железа и его сплавов.
Цветные металлы применяют в качестве конструкционных и электротехнических материалов. Их используют как легирующие элементы для создания высокопрочных, износостойких, нержавеющих, жаропрочных и электротехнических сталей.
По плотности и температуре плавления цветные металлы подразделяют: легкие
металлы (Mg – 1,74 т/м3, Ве – 1,85, Al – 2,72, Ti – 4,5), тяжелые (Сu – 8,92; Ni – 8,9;
Со – 8,9 и др.), тяжелые легкоплавкие (Pb – 11,34/327о; Sn – 7,29/232о; Zn –
7,13/419о и др.), тяжелые тугоплавкие (W – 19,3/3420о, Cr – 7,19/1875о; Mo –
10,2/2610о и др.), благородные (Au – 19,3/1064о, Ag – 10,5/961о, Pt – 21,45/1772о, Pd
– 12,02/1552о и др.).
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Медь и ее сплавы
Медь – металл красно-розового цвета, температура плавления 1084 оС. В отожженном состоянии σв~200 МПа, НВ 40, δ~50%. После деформации в холодном
состоянии медь становится малопластичной и твердой (наклеп): σв~400, НВ110,
δ~4-6%.
Выпускают медь следующих марок МО (99,95%), М1 (99,9%), М2 (99,7%), М3
(99,5%), М4(99%).
Медные сплавы обладают большей, чем медь, прочностью, высокой пластичностью, обрабатываемостью резанием, ударной вязкостью до -60о. Недостатком
этих сплавов являются высокая плотность и стоимость, низкие свойства при высоких температурах.
Латунями называют сплавы меди с цинком (до 45%). У сплавов меди с цинком
в твердом состоянии возможно образование шести фаз (α, β, γ, ε, δ, η). Латуни, содержащие до 39% Zn, являются однофазными, представляющими собой твердый
раствор Zn в меди. Их называют α-латунями. При увеличении содержания цинка
наряду с α-фазой в сплаве появляется β-фаза (выделение электронного соединения
CuZn). Она может быть с упорядоченной пластичной (выше ~ 460 оС) и неупорядоченной хрупкой (ниже ~ 460 оС) структурой.
При дальнейшем увеличении Zn более 45% прочность латуни уменьшается, а
хрупкость увеличивается.
По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, (σв 300-400),
твердостью (НВ 150-170), коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и дешевле.
Однофазные α-латуни хорошо воспринимают холодную и горячую пластическую
деформацию. Двухфазные (α+β) – латуни подвергаются горячей пластической деформации в интервале температур выше 500 оС, поскольку при низких температурах малопластичны. В сложных латунях общее содержание дополнительных легирующих компонентов обычно не превышает 9%. Mn, Sn, Ni они повышают прочность и коррозионную стойкость латуней, свинец улучшает обрабатываемость резанием, Si повышает твердость и прочность. Латуни подразделяют на деформируемые (обработка давлением) и литейные в зависимости от технологии получения
полуфабрикатов и изделий.
Деформируемые латуни (ГОСТ 15527-70) маркируют буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди в %: Л96 (томпак), Л63. Если латунь легирована другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов:
ЛАН59-3-2 (Cu-59%, Al – 3%, Ni – 2%, Zn – остальное).
Литейные латуни (ГОСТ 17711-93): после бeкв ЛЦ указываются легирующие
элементы и числа ЛЦ23А6ЖЗМц2 (Zn – 23%, Al – 6%, Fe – 3%, Mn – 2%, Cu – остальное).
Бронзами называют сплавы Cu с оловом, алюминием, кремнием, свинцом и др.
элементами, кроме цинка. Однако Zn может быть в небольших количествах, как
легирующий элемент.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, P. Цинк улучшает литейные свойства,
свинец – обрабатываемость резанием. Никель повышает прочность и износостойкость, фосфор раскисляет сплав и повышает его жидкотекучесть.
При содержании олова до 8% бронзы являются однофазными (α-бронза). При
дальнейшем увеличении появляются дополнительные фазы и возрастает хрупкость.
Оловянные бронзы обладают прекрасными литейными свойствами, изготовляют литые детали (арматура, гребные винты, подшипники скольжения и т.д.).
Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.
Алюминиевые бронзы уступают оловянным по литейным свойствам, но превосходят по механическим и стойкости против коррозии. Из легированных железом
и никелем алюминиевых бронз изготавливают червячные колеса.
Свинцовые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства (вкладыши и
втулки подшипников скольжения).
Кремнистая бронза имеет хорошие литейные свойства (арматуры).
Бериллиевая бронза (Ве-2% Cu – 98%) после закалки и старения при 300-350 оС
имеет твердость НВ 350-400 σв 1200, δ = 2-4%. Высокая прочность и упругость при
одновременной высокой химической стойкости, хорошей свариваемости, обрабатываемости резанием делают бериллевую бронзу подходящим материалом для ответственных пружин, контактов, мембран, контактных проводов. Кроме того, применяется как безыскровой инструмент при взрывоопасных горных работах. При
ударе о металл или камень не получаются искры, как у стали.
В марке бронзы впереди ставятся буквы Бр, затем идут буквы и цифры, указывающие на химический состав. Например, БрОЦС 3-12-5 (Sn – 3%, Zn – 12%, Pb –
5%, Cu – остальное).
2. Алюминий, магний, титан и их сплавы
Алюминий – металл белого цвета, tпл. 660 оС. В отожженном состоянии: НВ 25
σв ~ 80, δ~45%) после деформации в холодном состоянии из-за наклепа возрастают
σв до 220 Мпа, НВ 32, снижается пластичность до 4-6%.
В зависимости от чистоты Al подразделяется на марки: А-995 (99,995%), А-99
(99,99%), А-95 (99,95%), А-8 (99,80%), А-7 (99,7%), А-5 (99,5%), А-О (99,0%). Для
проводников электрического тока применяются А-95, А-8, А-7.
Различают литейные и деформиремые сплавы Al с другими элементами.
Литейные Al-сплавы. Основные требования к сплавам для фасонного литья –
это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой
усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами.
Наиболее распространенны сплавы Al+Si – силумины, содержащие Si до 12%. В их
состав для упрочнения также входят Mg, Mn. Для получения мелкозернистой
структуры добавляют в расплав около 0,1% натрия, что называется модифицированием. Марки: АЛ4, АЛ5 и т.д. Также к литейным относятся сплавы Al с Cu (4-11%),
Mg (5-11%).
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Деформируемые Al-сплавы. Эти сплавы делят на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Для изготовления деталей, работающих в коррозионной среде, и деталей, получаемых глубокой штамповкой и сваркой, применяют
неупрочняемые термообработкой сплавы Al с магнием и марганцем. Они обладают
умеренной прочностью, высокой пластичностью и хорошей свариваемостью.
К упрочняемым термообработкой относятся дюралюмины – сплавы Al с медью
(~4,0%), магнием (~1,5%), марганцем (~0,5%).
Растворимость меди в алюминии уменьшается с 5,7% при 548 оС до 0,5% при
о
0 С. Если сплав Al-Cu закалить, а затем подвергнуть старению, то прочность возрастает в 2-3 раза. Под старением понимают превращения, происходящие в пересыщенном твердом растворе, приводящие к упрочнению.
Естественное старение состоит в выдержке (5-7 суток) закаленного сплава при
нормальных температурах, искусственное (30-50 ч) – при 120-150 оС.
Высокопрочные сплавы системы Aℓ-Zn-Mg-Cu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями σв (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность,
трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами старения. Эти
сплавы обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дуралюмины. Рабочая
температура высокопрочных сплавов не превышает 120 оС. Сплавы используют для
высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия.
Высокомодульный сплав 1420 обладает за счет легирования алюминия литием
и магнием (Aℓ-Mg-Li) пониженной (на 11%) плотностью и одновременно повышенным (на 4%) модулем упругости по сравнению с дуралюмином Д16. Жаропрочные сплавы Aℓ-Cu-Mn (Д20, Д21) и Aℓ-Cu-Mg-Fe-Ni (АК4-1) применяют для
изготовления деталей, работающих при повышенных tо (до 300 оС) (поршни, головки цилиндров). Жаропрочность достигается за счет легирования Ni, Fe, Ti.
Повышенными механическими и физическими свойствами обладают спеченные алюминиевые сплавы (САП) (см. ниже композиционные материалы).
Алюминиевые сплавы маркируются: АЛ2, АЛ4, АК4, Д16 и т.д., где А означает – алюминиевый сплав, Л – литейный, К – ковкий, Д – Дуралюмин. Цифры – порядковые номера. Вводится новая четырехзначная цифровая система: например,
1160, где: 1 – основа Al,
1 – основные легирующие элементы;
6 – порядковый номер сплава.
О или нечетная цифра – деформируемый сплав, четная цифра – литейный
сплав.
Сплавы на основе Mg.
Mg – самый легкий из технических цветных металлов ρ=1,74, tпл. = 650 оС. В
литом состоянии σв~100 МПа, δ~4%. Магний в виде порошка, стружки или пыли
легко воспламеняется, при контакте расплавленного или горячего магния с водой
происходит взрыв, легко окисляется. В технике применяют сплавы: Mg c Al, Mn,
Zn.
Мn повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплавов магния. Al и
Zn оказывают большое влияние на прочность и пластичность магниевых сплавов.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По технологии изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на литейные (марки МЛ) и деформируемые («МА»).
Для измельчения зерна в литейные сплавы добавляют мел или магнезит. Для
предотвращения возгорания плавку магниевых сплавов ведут в железных тиглях
под слоем флюса, а разливку – в парах сернистого газа, образующегося при введении серы в струю металла. При литье в песчаные формы в смесь вводят специальные добавки для уменьшения окисления магния. Литейные сплавы могут упрочняться как гомогенизацией и закалкой на воздухе, так и дополнительным старением: σв~115 МПа, S=8%, HB 30.
Деформируемые сплавы обладают более высокими механическими свойствами: σв~200 МПа, δ=11,5%, НВ 40. Температура обработки давлением 300-450 оС.
Жаропрочным (до 250 оС) является сплав МА14 (Mg-Zn-Zr). Сплав упрочняется
искусственным старением.
Из сплавов магния изготавливают корпуса ракет, насосов, приборов, топливные баки и т.д., т.е. там, где требуется особая легкость конструкции.
Титан – серебристо-белый металл, tпл.=1665оС, ρ=4,5 г/см3, имеет две аллотропические формы ГПУ и ОЦК. Коррозионностойкий материал в любой воде и некоторых кислотах.
Сплавы обладают более высокой прочностью, чем чистый титан. Во все сплавы
входит Al. Элементы Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышают прочность, но снижают
пластичность и вязкость КСU; Al, Zr, Mo увеличивают жаропрочность; Mo, Zr, Nb,
Та, – коррозионную стойкость.
Сплавы Ti имеют σв~100-1200 МПа, упрочняется при термообработке и наклепе, δ=10-15%.
Для титановых сплавов проводятся следующие виды термообработки: отжиг
(780-850 оС), закалка с 720-930 оС в воде и старение при 450-550 оС. В промышленности применяются в основном двухфазные (α+β) сплавы, например, ВТ14. Различают деформируемые, литейные и порошковые сплавы титана [3].
Из сплавов Ti изготовляют обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок, корпуса ракет и двигателей, диски и лопатки турбин и компрессоров авиадвигателей; емкости для агрессивных химических сред и др.
3. Антифрикционные сплавы
Подшипниковые сплавы применяют для изготовления вкладышей, втулок
подшипников скольжения. К ним предъявляются следующие требования:
- они должны иметь небольшую твердость и высокую пластичность, чтобы хорошо прирабатываться к поверхности вала;
- их поверхность должна обладать микрокапиллярностью, чтобы удерживать
смазку;
- они должны обладать малым коэффициентом трения с материалом вала;
Следовательно, сплав должен состоять из мягкой основы с рассеянными в ней
более твердыми включениями. Во время работы узла трения мягкая основа изна66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шивается и в ней образуется сеть каналов, по которым циркулирует смазка (принцип Шарпи). Твердые фазы структуры выступают из основы и поддерживают вал.
Такая неоднородная по твердости структура и обеспечивает снижение коэффициента трения.
Применяются оловянные бронзы БрОЦС 5-5-5, БрС30, выдерживающие высокие нагрузки, но плохо прирабатываются.
Основными материалами являются баббиты, которые могут быть на основе Sn,
Pb, Al, Zn. Из оловянных баббитов распространен Б83 (Sn-83%; 10-12% Sb; 5,5-6,5%
Cu). Твердой структурой являются SuCu3 и SbSn, а мягкой – эвтектика. Эвтетика
изнашивается первой, образуя между SnCu3 и SbSn поры, по которым при вращении вала и засасывается смазка.
Из-за дороговизны олова разработаны свинцовистые бабиты БН или БТ, СОС6-6 (6% Sn, 6% Sb, остальное – Pb.
Также нашли применение баббиты на Al-основе: ~6,5% Sn, ~1% Cu, ~0,5% Ni,
~1,5% Si, остальное алюминий; АСМ (~0,5% Mg, ~5% Sb, остальное – Al).
На основе Zn разработан баббит ЦАМ 10-5 (~10% Al, ~5% Cu, остальное цинк).
В качестве антифрикционных материалов применяются чугун (AЧС, АЧВ,
АЧК), пористые (металлокерамические) сплавы (бронзографит, железо-графит).
Последние имеют пористость 20-30%, в порах сохраняется смазка и обеспечивается
самосмазывание [3].
4. Электротехнические металлы и сплавы
Проводниковые металлы и сплавы. К ним предъявляются следующие требования: малое удельное сопротивление, антикоррозионность, механическая прочность,
способность поддаваться обработке давлением в холодном и горячем состоянии,
сварке и пайке.
Медь, бронзы, латуни широко применяются для проводов, различных электроустройств.
Алюминий – для проводов и обмоток. Недостатком является низкая прочность
и свариваемость, плохо поддается пайке.
Сталь оцинкованная благодаря дешевизне и высокой прочности получила широкое применение как сердцевина для сталемедных и сталеалюминиевых проводов,
что экономит Cu и Al.
Свинец применяется для изготовления защитных оболочек кабелей, легкоплавких вставок предохранителей, пластин кислотных аккумуляторов.
Сплавы вольфрама, молибдена, серебра применяются для разрывных контактов, нитей накаливания (W).
Сплавы высокого электросопротивления – медноникелевые – манганин МНМц
3-12 (3% Ni, ~12% Mn, остальное – медь) для реостатов. Эти сплавы имеют низкий
температурный коэффициент сопротивления. Никелевые сплавы с хромом ХН 60Ю
(нихромы) используются для нагревательных приборов с рабочей температурой до
1000 оС.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Магнитные металлы и сплавы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями
на гистерезис и применяются для изготовления магнитопроводов. Выпускается
электротехническая сталь марок «Э», содержание углерода в которой должно быть
не более 0,04%.
Более магнитомягкими сплавами являются пермаллои – железоникелевые
сплавы 50Н (50% Ni), ферриты (смесь окислов MgO, MnO, Fe2O3 и др.) Применяются в приборах и магнитных усилителях.
Магнитотвердые сплавы и стали имеют малую магнитную проницаемость, высокую коэрцитивную силу и большие потери на гистерезис и применяются для изготовления постоянных магнитов. Выпускаются марки «ЮНДК» и «ЕХ». Эти стали
содержат углерод около 1%. Подвергаются закалке и старению при 1000 оС.
Немагнитные стали и чугуны. К ним относятся стали аустенитного класса с
высоким содержанием Ni и Mn и чугуны с ~3%С, ~3% Si, ~6% Mn, ~12% Ni.
ЛЕКЦИЯ 9
Тема: Порошковые материалы

Вопросы
1. Порошковые материалы.
2. Спеченные твердые сплавы.
3. Композиционные материалы.
1. Порошковые материалы
Сплавы, получаемые из металлических порошков прессованием и последующим спеканием без расплавления, называют порошковыми, а метод получения –
порошковой металлургией.
Порошковая металлургия позволяет получать изделия, которые обычным литьем или давлением не могут быть получены из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов, из композиций с различными неметаллическими материалами.
Порошки получают двумя методами:
1) в результате измельчения или распыления твердых или жидких металлов
или сплавов без изменения их химического состава;
2) на основе физико-химических превращений исходного материала в порошок, отличающийся химическим составом.
С помощью порошковых материалов можно получить специальные свойства:
антифрикционные, фрикционные, пористые, магнитные, вакуумные, контактные и
др. Из антифрикционных материалов изготавливают пористые подшипники сколь68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жения. Пористые материалы широко применяют для изготовления металлических
фильтров из порошков железа, меди, латуни, бронзы и алюминия.
Для контактов применяются сплавы, состоящие из порошков тугоплавких элементов (W, Mo) и металлов с высокой электропроводностью (Ag, Cu).
Вакуумные порошковые материалы применяют для изготовления ламп накаливания, рентгеновских трубок, катодных ламп, выпрямителей (W, Mo, Ta).
2. Спеченные твердые сплавы
Эти материалы представляют собой композиции, состоящие из особо твердых
тугоплавких соединений в сочетании с вязким связующим металлом.
Наибольшее практическое применение имеют карбиды WC, TiC, TaC. Связующим является кобальт. В зависимости от состава карбидной фазы твердые
сплавы разделяют на три основные группы: однокарбидные WC-Co (типа ВК),
двухкарбидные WC-TiC-Co (типа ТК), трехкарбидные WC-TiC-ТаC-Со (типа ТТК).
Сплавы 1 группы различаются между собой по содержанию кобальта (2-30%)
и по зернистости карбидной фазы. С увеличением содержания Со растет вязкость
сплава, но снижается твердость и износостойкость. Укрупнение зерен карбида
вольфрама повышает вязкость сплава, но снижает твердость.
Из однокарбидных сплавов изготавливают режущие инструменты, предназначенные для обработки хрупких материалов (чугуна), цветных сплавов, неметаллических материалов (резины, пластмасс), а также нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и его сплавов. Сплавы с низким содержанием Со (<4%) применяют для
чистовой и получистовой обработки, а выше – для черновой. Сплавы с более 20%
Со применяют для изготовления штампового инструмента (ударные нагрузки).
Сплавы второй группы применяют при обработке сталей резанием. Т30К4 –
для чистовой обработки, Т15К6 – для получистовой обработки, Т5К10 для черновой обработки.
Сплавы третьей группы (ТТ7К12) применяют для черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сталей и
сплавов.
Твердые сплавы получают прессованием порошков карбидов и кобальта в изделия необходимой формы и последующим спеканием в вакууме при 1250-1450 оС.
Выпускают в виде стандартных пластин различной формы для оснащения ими резцов, фрез, сверл и др. металлорежущих инструментов.
К порошковым относятся и минералокерамика (ЦМ-332), изготовляемая из
окиси алюминия в виде пластинок белого цвета. Обладают большой твердостью и
красностойкостью, но хрупки и непрочны, что ограничивает их применение.
Следует отметить, что твердые сплавы могут быть использованы для наплавки
деталей для повышения абразивной износостойкости (лемех плуга, лапы культиватора, ножи бульдозеров и т.д.). Выпускаются литые сплавы: сормайт, стеллит, порошковые: сталинит, вокар и др., достигается твердость наплавленного слоя
HRC60.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Композиционные материалы (КМ)
Композиционными [1] называют материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними
и состоящие из матрицы и армирующего материала. Характеризуются свойствами,
которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности.
Для КМ характерна следующая совокупность признаков:
- состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;
- материалы компонентов разделены границей раздела;
- свойства материала определяются каждым из его компонентов;
- материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в
отдельности;
- материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе.
Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей или основой.
Компонент же прерывный, разделенный в объеме КМ, считается армирующим
или упрочнителем, иногда еще называемый наполнителем.
КМ классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице
и природе компонентов. По геометрии подразделяют:
- с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют
один и тот же порядок;
- с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других.
- с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят
третий.
По схеме расположения наполнителей:
- с одноосным (линейным) расположением в виде волокон, нитей, нитевидных
кристаллов в матрице параллельно друг другу.
- с двухосным (плоскостным) расположением.
- с трехосным (объемным) расположением.
По природе компонентов:
- КМ, содержащие компонент из металлов или сплавов;
- КМ, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.
- КМ, содержащие компонент из неметаллических элементов: углерода, бора и
др.
- КМ, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, фенольные и др. смолы).
Свойства КМ зависят не только от свойств компонентов, но и прочности связи
между ними. КМ по сравнению с современными конструкционными материалами
обнаруживают более высокую удельную жесткость (Е/ρ), удельную прочность
(σв/ρ), длительную прочность при высоких температурах, усталостную прочность.
Модуль упругости (Е) КМ может изменяться в требуемом направлении в зависимости от схемы армирования. Высокая надежность в работе конструкций из КМ
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро. В КМ трещины обычно возникают и развиваются в матрице и встречает препятствия на границе матрица-упрочнитель, затормаживается ее
распространение.
КМ с нуль-мерными наполнителями
Наибольшее распространение получила металлическая матрица, упрочнителями являются дисперсные частицы диаметром от 0,01 мкм до 50 мкм. Эти композиции получают методами порошковой металлургии.
В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы упрочнителя препятствуют развитию пластической деформации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5-10% (об.) частиц
упрочнителя.
На уровень прочности композиций оказывает влияние объемное содержание
упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между частицами.
Упрочнителями служат тугоплавкие оксиды, нитриды, бориды, карбиды
(Al2O3, ThO2, HfO2, BN, SiC, Be2C и др.).
Эти тугоплавкие соединения имеют высокие значения модуля упругости, низкую плотность, значительную инертность в отношении материала матриц.
Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие технологии получения дисперсноупрочненных КМ. Например, порошок упрочнителя вводят в
жидкий металл с ультразвуковой обработкой и т.д.
Промышленное применение нашли КМ на основе Al, упрочненные Al2О3. Получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием при
550-600 оС. Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной ~1 мкм размером 10-30
мкм, оксидная пленка на поверхности частиц имеет толщину 0,01-0,1 мкм. Выпускают несколько марок САП (спеченная алюминиевая пудра) с различным содержанием Al2О3 от 6% до 17%. Преимущества САП проявляются при температурах выше 300 оС. Например, при 500 оС дуралюмины Д19, Д20 имеют прочность 1-5 МПа,
в то время как, прочность САП 80-120 МПа, Остальные свойства, как электро- и
теплопроводность уменьшаются незначительно.
Сплавы САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, легко
обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной сваркой.
Из САП изготовляют детали, работающие в зоне высоких температур авиадвигателей.
Кроме Al-основы, применяется никелевая матрица с упрочнителями из диоксида тория (ThO2) или диоксида гафния (HfO2). Объемное содержание упрочняющей
дисперсной фазы оксидов тория и гафния находится в пределах 2-3%.
КМ на Ni-основе типа марки ВДУ, при комнатной температуре имеют σв~500600 МПа. При высоких температурах по жаропрочности ВДУ превосходят стареющие деформируемые никелевые сплавы и целесообразно применять при рабочих
температурах 1100-1200 оС.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВДУ пластичны, хорошо деформируются в широком интервале температур.
Для соединения деталей из сплавов ВДУ применяют высокотемпературную пайку
либо диффузионную сварку, с тем чтобы избежать расплавления. В зоне расплавления происходит агломерация частиц упрочняющей фазы и, как следствие, потеря
сплавами жаропрочности.
Из ВДУ изготовляют сопловые лопатки, камеры сгорания, трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах в агрессивных средах.
КМ с одномерными наполнителями
Упрочнителями являются проволоки, волокна, нити, нитевидные кристаллы.
Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены
в матрице.
На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матрицы оказывает влияние прочность связи
на границе матрица-волокно. Критический объем упрочняющих волокон определяют исходя из пределов прочности волокна, матрицы и предела текучести матрицы. Критическая объемная доля волокон в матрице может изменяться от 1 до 50%.
Большое количество поверхностей раздела в волокнистых КМ определяют их
поведение при разрушении. Трещина, образовавшаяся в матрице, при своем распространении через сечение многократно задерживается на границе матрицаволокно. Причем трещина распространяется не через волокно, а отводится вдоль
волокна, т.е. одна большая трещина преобразуется во множество мелких ответвленных трещин. Структурные особенности КМ и связанный с этим прерывистый
характер распространения трещины определяет их существенное отличие в характере усталостного разрушения от наблюдаемого в металлах и сплавах. В КМ критическая длина трещины в связи с периодическими остановками ее на расслоениях
по границе волокна с матрицей, особенностями разрушения матрицы, дроблением
волокон больше, чем в металлах и сплавах.
При одинаковых условиях испытаний время и число циклов до разрушения у
КМ больше, чем у металлов и сплавов.
Для армирования КМ с одномерными наполнителями используют проволоку
диаметром от 0,05 до 0,3 мм высоколегированных сталей (Х18Н9, 30Х13),
20Х15Н5АМЗ и др.), из вольфрама, молибдена, бериллия.
Углеродные волокна диаметром 7 мкм получают из полиакрилнитрильного
гидроцеллюлозного волокна.
Борные волокна диаметром от 70 до 200 мкм получают осаждением бора на
вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. Волокна бора обладают ценным сочетанием свойств: низкой плотностью (2600 кг/м3), достаточно высокой прочностью (σв~3200 МПа), жесткостью (Е ~ 420000 МПа) и температурой плавления
2300 оС. Борные волокна применяют в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц.
Волокна карбида кремния применяют для армирования металлических матриц
композитов, предназначенных для эксплуатации при высоких температурах.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стеклянные волокна получают путем пропускания расплавленного стекла при
1200-1400 оС через фильтры диаметром 0,8-3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра 5-15 мкм применяется для армирования пластиков.
Нитевидные кристаллы (усы) из карбидов, нитридов кремния, оксида и нитрида алюминия и других тугоплавких соединений получают по специальной технологии. Диаметр усов колеблется в зависимости от условий получения от долей до десятков мкм.
Промышленностью выпускаются волокнистые композиции на основе Al и Ni.
Al-матрицу армируют стальными (ø 0,15) и борными волокнами. В результате армирования алюминиевой матрицы прочность композита увеличивается в 10-12 раз
при объемной доле упрочнителя до 25%.
Для работы при высоких температурах рационально в качестве матрицы использовать дисперсноупрочненные сплавы САП (см. выше).
Предел прочности алюминия, армированного волокнами бора с карбидом
кремния составляет 1600 МПа и сохраняется после длительной выдержки до
1000 ч при 300о и даже 500 оС.
Для получения КМ в качестве матриц используют жаропрочные никелевые
сплавы, чтобы увеличить время их работы и рабочую температуру до 1100-1200 оС.
Для армирования применяют нитевидные кристаллы (усы) Al2O3, волокна углерода,
карбида кремния и проволоку на основе W и Mo.
Эвтектические композиционные материалы
Эвтектическими КМ называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Структура образующейся эвтектики состоит из кристаллов твердой прочной фазы (карбидов, интерметаллидов), распределенных в матрице, представляющей собой твердый раствор.
Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин.
Способами направленной кристаллизации получают КМ на основе Al, Mg, Cu,
Ni, Co, Ti и других элементов.
На Al-основе получают композиции Al-Al3Ni; Al-CuAl2. При затвердевании эвтектического сплава Al-Al3Ni фаза Al3Ni выделяется в виде сильно вытянутых частиц, объемное содержание которых ~ 11%. Направленность частиц Al3Ni достигается кристаллизацией со скоростью 2-10 см/ч. Прочность σв ~ 300 МПа. Предел выносливости σ-1 в 4-5 раз выше, чем предел выносливости алюминия.
В композиции Al-CuAl2 образуется пластинчатое строение. Объемная доля
концентрации пластин CuAl2 составляет ~50%.
КМ Al-Al3Ni и Al-CuAl2 применяют как конструкционный материал, а также
для изготовления высокопрочных электропроводов и контактов.
На основе Ni разработаны жаропрочные материалы. Упрочнителями являются
вольфрам, карбиды ниобия, тантала. Пределы длительной прочности эвтектических
КМ превосходят пределы длительной прочности современных гидропрочных сплавов при рабочих температурах выше 900 оС. Эти КМ применяют в основном в космической и ракетной технике.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Композиционные материалы на неметаллической основе
В качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и др. смолы. Композиты, армированные однотипными волокнами, получили названия по упрочняющему волокну: стекловолокнит, стеклотекстолит (ткань), углеволокнит, бороволокнит, органоволокнит (органит).
КМ с полимерной матрицей обнаруживают целый ряд достоинств, среди которых следует назвать высокие удельные прочностные и упругие характеристики,
стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Вместе с тем пластики имеют и недостатки: низкую прочность и жесткость
при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100200 оС, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
В целом производство пластиков проще, дешевле и технологичнее.
Стеклопластики содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна: непрерывные в виде нитей, тканей и дискретные.
Характеристика стекловолокнитов колеблется в широких пределах в зависимости от соотношения продольных и поперечных слоев, направления: предел прочности σв от 400-500 МПа до 900 МПа, модуль упругости Е от 35000 до 60000 МПа.
Оптимальное содержание наполнителя составляет 65-67%.
Стеклотекстолиты выпускаются на основе фенолформальдегидной, кремнийорганической и эпоксидной смол. Плотность стеклопластиков составляет 1500-2000
кг/м3, по удельным характеристикам прочности почти сопоставимы со сталями.
Стеклопластики способны длительное время работать при 200-300 оС. По демпфирующим свойствам стеклопластики превосходят металлы и хорошо работают в условиях вибрации.
По применению стеклопластики делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические.
Используются в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов,
для корпусов ракет, сосудов высокого давления, лопастей вертолетов, топливных
баков, изоляторов в электрических машинах и т. д.
Углепластики. По удельной прочности и жесткости углепластики превосходят
стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Плотность 1400-1500
кг/м3, временное сопротивление σв~650-1200 МПа, модуль упругости Е~(120180)·103, предел выносливости σ-1~300-500 МПа,  103
100 о
~600-800 МПа.
Углепластики отличаются высоким усталостным сопротивлением, чем стеклопластики. По вибропрочности и демпфирующей способности углепластики превосходят многие металлы. Детали, выполненные из углепластика, с изменением температуры мало изменяют размеры и форму. Из-за высокой электропроводности углепластики применяют как антистатики и электрообогревающие материалы.
Углепластики нашли широкое применение в авиации, космической технике:
лопасти несущего винта вертолетов, корпуса компрессора и вентилятора, вентиляторные лопатки, диски статора и ротора компрессора низкого давления авиадвига74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
телей. В результате применения в этих узлах углепластиков взамен металлов масса
двигателя снижается на 15-20%.
В космической технике – панели солнечных батарей, теплозащитные покрытия.
Бороволокниты содержат борные волокна в виде нитей непрерывной длины
диаметром 100 или 150 мкм на эпоксидной или полиамидной основе. Имеют следующие характеристики: рабочая температура 200-300 оС; плотность 2000 кг/м3;
σв~900-1500 МПа; Е= (210-250) ·103; σ-1 = 350-400 МПа; σ1000 = 1200-1300 МПа.
Борные волокна, являясь полупроводниковыми, придают боропластикам повышенную тепло- и электропроводность.
Наибольшее применение нашли в авиационной и космической технике.
Органоволокниты – наполнителем являются синтетические волокна из капрона, нейлона, нитрона и др.
Природа волокна и матрицы одинакова, поэтому адгезия высока.
Механические свойства органопластиков зависят от типа волокна. Объемная
доля волокон составляет 35-37%, σв 150-200 МПа. Большинство органитов может
длительное время работать при 100-150 оС.
Органиты обнаруживают высокое сопротивление знакопеременным нагрузкам
и высокие теплозащитные свойства. Их используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций самолетов и вертолетов (обшивки, лопасти винтов, панели пола и т. д.).
Для соединения КМ применяют точечную, диффузионную сварку, пайку, болты, заклепки, клей или в комбинации клееболтовые и клеезаклепочные соединения.
ЛЕКЦИЯ 10
Тема: Неметаллические материалы

Вопросы
1. Древесина.
2. Пластические массы.
3. Резиновые материалы.
1. Древесина
К этим материалам относятся древесина, пластмассы, резины, фрикционные и
прокладочные материалы.
Древесина имеет сложно-волокнистое строение. Важными свойствами являются: влажность, плотность, гигроскопичность, тепло- звуко- и электропроводность,
текстура.
Под влажностью древесины подразумевается количество содержащейся в ней
воды, выраженное в % от веса сухой древесины. При высыхании древесины наблюдается ее усушка, т.е. уменьшение линейных размеров и объема, при увлажнении происходит разбухание. Древесина, применяемая для изготовления изделий,
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
должна иметь влажность 8-12%. Плотность древесины в зависимости от породы
бывает от 0,47 до 0,7 г/см3.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон больше, чем поперек в
3-10 раз, а при растяжении в 10-20 раз. Механические свойства зависят от породы,
влажности, температуры, σв в среднем равна 150 МПа.
Древесина и изделия из нее в условиях переменной влажности (более 18%) и
переменной температуры (от 2 до 35о) подвергаются гниению. Для предохранения
древесины от гниения ее подвергают сушке и обрабатывают антисептиками (хлористый цинк, медный и железный купорос, фтористый натрий, креозот и др.).
Твердые породы древесины: граб, бук, ясень, береза, дуб.
Из древесины выпускают пиломатериалы – это доски и брусья. Доски бывают обрезные и необрезные, дюймовые (толщина доски 25 мм), плахи (толщина 50 мм) и т.д.
Шпон – это лущеная или строганная широкая стружка, получаемая на специальных станках; она используется как полуфабрикат для изготовления слоистых
древесных материалов. Толщина листов шпона от 0,55 до 1,5 мм.
Фанерой называется листовой материал, получаемый путем склеивания нескольких листов лущеного березового или соснового шпона с перпендикулярным направлением волокон в смежных слоях. Различаются по количеству слоев (толщине).
Древесностружечные плиты (ДСП) изготовляют горячим прессованием древесной стружки с термореактивной смолой.
Древесноволокнистые плиты (ДВП) изготовляют из древесных волокон и смолы.
2. Пластические массы (пластмассы)
Пластмассами называют материалы, которые при определенной температуре
приобретают пластические свойства, т.е. способность принимать в результате прессования, литья под давлением или других видов обработки необходимую форму и
сохранять ее.
Пластмассы имеют малую плотность и относительно высокие механические
свойства. Пластики не поддаются вредному воздействию влаги. Некоторые из них
противостоят действию кислот и щелочей и могут быть использованы в качестве
антикоррозионных покрытий. Некоторые пластики пригодны для изготовления
подшипников скольжения, другие же, обладающие фрикционными свойствами,
используются в тормозных устройствах. Пенообразные, пористые пластики применяют для теплоизоляции. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства.
Они легко формуются, прессуются, их можно склеивать и сваривать, обрабатывать
на станках.
Пластмассы обладают рядом недостатков:
1) имеют низкую теплостойкость (35-250 оС);
2) некоторые обладают большой ползучестью;
3) подвержены релаксации, т.е. медленному и самопроизвольному переходу
упругих деформаций в пластическое;
4) имеют относительно малую поверхностную твердость;
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) из-за старения ухудшаются свойства.
Основу пластмассы составляет искусственная смола, которую получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации. Смола представляет собой
макромолекулу полимера, имеющей определенную структурную формулу.
Искусственные смолы разделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные смолы и пластики, изготовленные на их основе, при нагревании
приобретают пластичность, размягчаются и плавятся, а после охлаждения отвердевают. При повторном нагреве они снова приобретают пластичность. Благодаря
этому свойству данные пластики могут подвергаться многократной переработке.
Термореактивные таким свойством не обладают, отверждение необратимое,
при повторном нагреве не размягчаются.
В состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, смазывающие вещества, отвердители, красители и др.
Наполнители сокращают расход смолы и улучшают нужные свойства пластмасс. Порошкообразные наполнители – древесная мука, кварцевая мука, графит,
цемент и т.д. Волокнистые наполнители – хлопковые очесы, асбест, стекловолокно.
Листовые – ткань, бумага.
Пластификаторы повышают пластичность и увеличивают текучесть при производстве. К ним относятся дибутилфталат, крезилфосфат. Смазывающие вещества
препятствуют прилипание пластиков к пресс-формам: стеарин, олеиновая кислота,
воск и т.д. Отвердители (катализаторы) – вещества, ускоряющие процесс отвердевания массы: известь, окись магния.
Красители применяют для окраски пластиков в различные цвета: нитрозин.
Термореактивные пластмассы получают на основе фенолформальдегидных,
кремнийорганических, эпоксидных смол с различными наполнителями (порошковыми, волокнистыми и слоистыми).
Из пластмасс с порошковыми наполнителями изготовляют различные детали
конструкций и электрооборудования (изоляция).
К пластмассам с волокнистым наполнителем относятся волокниты (хлопковые
очесы), асбоволокниты (асбестовое волокно), стекловолокниты (стекловолокно).
Асбоволокниты имеют высокую теплостойкость, фрикционные свойства (тормозные колодки, диски, накладки).
Стекловолокниты не горят, устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей и
химических веществ.
Слоистые пластмассы – это конструкционные материалы. Выпускаются следующие пластики:
Гетинакс – пластик с бумажным наполнителем, в основном электроизоляционный материал.
Текстолит – пластик с наполнителем из хлопчатобумажной ткани применяется
как конструкционный и электроизоляционный материал..
Древеснослоистые пластики – на основе древесного шпона для различных деталей.
Асботекстолит – асбестовая ткань. Это конструкционный, фрикционный и термоизоляционный материал.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стеклотекстолит – стеклянная ткань. Электроизоляционный и конструкционный материал.
Термопластичные пластмассы характеризуются высокой ударной вязкостью,
водостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами и низкой теплостойкостью. Обычно выпускаются без наполнителей. Широкое применение нашли полиэтилен, полипропилен, полистирол, органическое стекло (плексиглаз), поливинилхлорид ПВХ, фторопласты, полиформальдегид, полиамиды (капрон, нейлон), газонаполненные пластмассы. Прочность термопластов σв 10-100 МПа.
Существуют различные методы переработки пластмасс: прокатка, штамповка,
выдавливание (экструзия), литье под давлением, горячее прессование, сварка и
склеивание.
Под действием теплоты, кислорода, света, механических напряжений и других
факторов возможно разрушение макромолекул полимеров, которая называется деструкцией.
3. Резиновые материалы
Резиной называют продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Резина отличается от других конструкционных материалов высокой эластичностью, удлинение возможно до 10 раз, которое
практически обратимо.
Основой всякой резины является каучук – натуральный или синтетический, которые определяют основные свойства резины. Любой каучук является непредельным полимером с двойной химической связью между углеродными атомами в элементарных звеньях макромолекулы. Макромолекулы каучука, хотя и имеют линейную структуру, но не вытянуты в линию, сильно изогнуты, перепутаны и даже
скручены в клубки. Такое строение каучука обусловливает возможность получения
из него резины с высокой механической прочностью и эластичностью в широком
интервале температур.
Наряду с прочностью и эластичностью весьма важны и другие свойства: водои газонепроницаемость, теплостойкость, морозостойкость, стойкость к агрессивным средам, бензо- и маслостойкость, электроизоляционные свойства и т.д. Каучук
в чистом виде не используется. Для получения из каучука различных изделий с необходимыми свойствами каучук подвергают вулканизации в смеси с другими веществами, называемыми ингредиентами. Такая смесь называется резиновой, а вулканизированный продукт – резиной.
Содержание каучука в резиновых смесях колеблется от 5 до 92%.
Основными ингредиентами резиновых смесей являются:
1) вулканизующие вещества. К ним относится сера. При нагревании в течение
определенного времени до известной температуры (130-150 оС) атомы серы вступают в реакцию со звеньями двух или более линейных молекул каучука, образуя
между ними поперечную химическую связь. В результате такого химического
взаимодействия каучука и серы (вулканизации) и образуется резина, состоящая из
макромолекулы с сетчатой структурой, обладающая значительно большей прочно78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стью, эластичностью и другими более ценными свойствами, чем невулканизированный каучук. В зависимости от количества серы по отношению к каучуку получаются вулканизаты с различными свойствами: 1-3,5% – мягкие резины; 15-20% –
полутвердые; 30-50% – твердые резины, называемые эбонитом;
2) ускорители вулканизации – окиси магния, цинка, свинца и некоторые органические вещества (альтакс, тиурам и др.);
3) наполнители (сажа, каолин, мел, тальк и др.) служат для придания резине
высокой прочности, износостойкости и удешевляют стоимость;
4) пластификаторы – это вещества, увеличивающие пластичность каучука с целью повышения клейкости и термостойкости при повышенных и пониженных температурах (масла, гудроны, парафины, мазуты и др.);
5) противостарители – вещества, противодействующие процессу старения резиновых изделий под действием кислорода, озона, света, радиации. К ним относятся неозон, альдоль – сложные органические вещества;
6) красители.
Около 80% всего каучука идет на изготовление шин. Шина состоит из покрышки и камеры. Основой покрышки является каркас из слоев специальной прорезиненной ткани (корда) и резиновых прослоек. В качестве корда используют вискозные или капроновые нити.
Наименований резинотехнических изделий довольно много (приводные ремни,
рукава, шланги, сальники, манжеты, изоляция проводов и кабелей и т.д.).
Для изготовления автошин, резиновой обуви, транспортерных лент, эбонитовых изделий, к которым не предъявляются особые требования по морозостойкости,
теплостойкости, стойкости к агрессивным средам используются натрий – бутадиеновый, бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный каучуки. Как маслобензостойкие используют полихлорпреновый (наирит), бутадиен – нитрильный каучуки, морозостойкий – бутадиеновый, бутадиен-стирольный, теплостойкий от -70о до
325 оС – силоконовый, бутадиен-нитрильный.
Рабочая температура большинства каучуков 80-130 оС, у силоксановых и фторсодержащих 250-325 оС. Температура хрупкости -50…-70 оС, у хлорпренового
(наирит): – 35 оС, у фторсодержащего: – 25 оС.
После смешивания резиновая масса подвергается каландрованию. Каландры
представляют собой трехвалковую клеть листопрокатного стана. Два валка, верхний и средний, имеют температуру 60-90 оС, а нижний 15 оС. Резиновая масса (сырая резина) проходя валки выходит в виде листа.
Из сырой резины методами прессования и литья под давлением изготавливают
детали. При любом методе изготовления изделия подвергают вулканизации в процессе или после их изготовления.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНО‐ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
Тема: Определение твердости материалов
!
Цель работы: изучить принцип работы, устройство твердомеров,
приобрести навыки в определении твердости.
 Порядок выполнения работы
1. Прочитать методические указания [5].
2. Записать узловые моменты по методам измерения твердости.
3. Ознакомиться с устройством и принципом работы твердомеров.
4. Замерить твердость образцов из сталей 45, У7, Cm. 3.
5. Построить график зависимости твердости от содержания углерода в стали.
6. Выводы.
Теоретические сведения
Твердостью называется свойство материала сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела. Твердость обозначается латинской буквой «Н» и
буквой, обозначающей метод. Твердость тесно связана с такими основными характеристиками, как прочность, износостойкость.
Для большинства стали и алюминиевых сплавов: σв≈(0,34 – 0,35) НВ.
Испытания на твердость относятся к статическим, они не сложны. Быстро выполняются и не разрушают изделия. Имеется несколько методов определения твердости.
Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59) (НВ), основан на том, что в металл под нагрузкой вдавливают закаленный стальной шарик определенного диаметра Д мм
(рис.26) и по величине отпечатка судят о его твердости
НВ 
где:
Р – нагрузка кН (кгс)
F – площадь отпечатка, мм2
80
Р
,
F
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выразив площадь через диаметр шарика Д и диаметр отпечатка d, получим
формулу:
НВ 
2Р
Д ( Д  Д 2  d 2 )
,
(2)
Рис. 26. Схема измерения твердости по Бринеллюd –диаметр отпечатка
D – диаметр шарика
Нагрузку, Д шарика и выдержку выбирают по табл. 2
Таблица 2
Зависимость диаметра шарика и нагрузки от твердости
и толщины испытуемого образца
Металл
Твердость
НВ кгс/мм2
Черные
140…450
Менее 140
Цветные
35…130
8…35
Минимальная
толщина образца, мм
6-3
4-2
<2
Более 6
6-3
менее 3
9…6
6…3
<3
Более 6
6…3
<3
Диаметр
шарика Д,
мм
10
5
2,5
10
5
2,5
10
5
2,5
10
5
2,5
Нагрузка Р.
кгс
Выдержка, с
Р=30 Д2
10
Р=10 Д2
10
Р=10Д2
30
Р=2,6Д2
60
Устройство и принцип работы прибора ТШ (твердомер шариковый) объясняется по плакату. Прибор имеет станину, предметный столик, систему рычагов и грузы.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаметр отпечатка определяют с помощью измерительного микроскопа МПБ-2
(микроскоп прибора Бринелля) с точностью до 0,05 мм, предварительно отрегулировав резкость отпечатка и шкалы. Чтобы не вычислять по формуле каждый раз,
имеются готовые таблицы.
Метод Роквелла (HR) (ГОСТ 9013-59) основан на том, что в металл вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120о или стальной закаленный шарик
диаметром 1,588 мм. В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по площади отпечатка, а по глубине проникновения наконечника в поверхность образца. В зависимости от нагрузки и типа индентора прибор ТК (твердомер
конусный) имеет три шкалы А, В, С и соответственно твердость обозначается HRA,
HRB, HRC. Шкала «A» – нагрузка 60 кгс (600Н), алмазный конус; шкала «B» – нагрузка 100 кгс (1000 Н), шарик стальной, шкала «С» – нагрузка 150 кг (1500Н), конус;
Минимальная толщина испытуемого образца в зависимости от его твердости
составляет 0,7-2 мм при испытании по шкале В; 0,7-1,5 мм – шкала «C», 0,4 – 0,7
мм – шкала «A».
Шкалой «B» пользуются при измерении твердости мягких металлов (незакаленные стали, цветные сплавы). Шкалой А пользуются при измерении очень твердых материалов (твердых сплавов).
Схема измерения твердости по Роквеллу показана на рис. 27.
Устройство и принцип работы объясняется по плакату.
Достоинство метода Роквелла – большая точность измерений, высокая производительность, простота испытания. Для перевода твердости, полученной методом
Роквелла, в твердость по Бринеллю пользуются таблицами.
Предварительная нагрузка на индентор Ро составляет 10 кгс (100Н), основная
нагрузка Р может быть в зависимости от школы 50, 90, 140 кг, т.е. в сумме составляет 60, 100, 150 кг. Глубина проникновения соответственно будет ho, h.
Рис. 27. Схема измерения твердости по Роквеллу
Метод Виккерса (HV) (ГОСТ 2999-75) основан на том, что в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136о. Твердость определяется по отношению нагрузки к площади отпечатка
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HV  1,85
Р
,
d2
(3)
где: d – средняя диагональ отпечатка, мм.
Определение микротвердости (ГОСТ 9450-76) – измеряется твердость в микрообъемах, например, твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих. Принцип такой же, как и по методу Виккерса, только нагрузка от 1 г до 200 г.
Прибор (ПМТ – 3) имеет оптическую систему, позволяющую увеличивать и измерять отпечаток.
 Контрольные вопросы
1. Назовите методы измерения твердости материалов.
2. Скажите достоинства и недостатки каждого метода.
3. Какова размерность твердости, определяемой разными методами?
4. По какой формуле определяются числа твердости?
5. Определите ø шарика для испытания латунной пластинки толщиной 3 мм
методом Бринелля.
6. Определите твердость по Виккерсу, если при нагрузке 98Н диагональ отпечатка равна 0,2 мм.
7. Укажите выбор нагрузки при испытании по Бринеллю.
8. Назовите форму инденторов у разных методов.
9. Чему должна быть равна минимальная толщина медного образца для определения твердости по Виккерсу?
10. Для чего дают предварительную нагрузку при испытании по Роквеллу?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
Тема: Макроструктурный анализ металлов и сплавов
!
Цель работы: Изучить методику макроструктурного анализа металлов и сплавов (макроанализ).
 Порядок выполнения задания:
1. Ознакомиться с образцами изломов и макрошлифами.
2. Зарисовать по образцам:
a) изломы с выявлением размеров зерен, волокнистости, кристалличности,
дендритности и др.;
b) макроструктуру шлифов образцов с выявлением распределения волокон в
деталях (оценить правильность конфигурации волокон, размер зоны термического влияния сварного соединения, глубину закалки и др.).
3. Выявить на шлифе ликвацию серы по способу Баумана и получить фотоотпечаток.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Содержание отчета. В отчет необходимо включить: описание способов макроанализа; схемы макроструктур; описание определения ликвации серы по
Бауману; отпечаток ликвации серы в образце. В выводах дать оценку влияния
характера макроструктуры на свойства металла.
Теоретические сведения
Макроанализ – исследование структуры металлов и сплавов невооруженным
глазом или при увеличении до 30 раз через лупу. При макроанализе применяют два
метода: метод изломов и метод макрошлифов.
Метод изломов позволяет установить характер предшествующей обработки
металлов давлением, величину зерен, вид чугуна, дефекты внутреннего строения
(поры, трещины и др.). Для изучения излома образцы ломают и место излома изучают визуально или пользуются лупой.
Метод макрошлифов дает возможность исследовать структуру, образующуюся
в процессе кристаллизации или последующей обработки давлением. Этим способом можно выявить волокнистость, ликвацию серы и фосфора, различного рода
дефекты: усадочную раковину, газовые пузыри, поры, трещины и др. Макрошлиф
приготовляют шлифованием образца. Подготовленную поверхность травят соответствующим реактивом для выявления структуры (рис. 28).
Рис. 28. Макрошлиф сварного соединения:
а – до травления; б – после травления в реактиве Гейна
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Волокнистость, возникающую при обработке металлов давлением, выявляют
глубоким травлением одной отшлифованной стороны образца в сильных кислотах,
нагретых до 70…100 ˚С. При этом примеси, скопившиеся на границах зерен, растворяются быстрее основного металла, в результате чего образуется рельефная поверхность в виде тонких волокон. Волокнистость, повторяющая конфигурацию сечения детали, свидетельствует о правильной технологии горячей обработки давлением (рис. 29). При несоответствии расположения волокон контуру детали в местах
перехода от одной конфигурации к другой создаются напряжения, сокращающие
эксплуатационный срок ее службы.
Рис. 29. Микроструктура поковке полуоси.
Травление 50%-ной соляной кислотой
Для выявления в образце ликвации серы применяют метод Баумана. Фотографическую бромосеребряную бумагу на свету смачивают 5%-ным водным раствором серной кислоты, выдерживают 5…10 мин и слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги. После этого на шлиф исследуемой детали накладывают
фотобумагу и осторожно, не допуская ее смещения, проглаживают рукой для удаления пузырьков воздуха. Фотобумагу на шлифе выдерживают 2…3 минуты. При
этом сернистые соединения FeS и MnS, содержащиеся в стали, взаимодействуют с
серной кислотой:
FeS + H2SO4 = FeSO4 + H2S.
Подобная же реакция протекает при взаимодействии с сернистым марганцем.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выделившийся сероводород вступает в реакцию с бромистым серебром фотографической бумаги:
(4)
2AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr.
Для закрепления отпечатка на фотобумаге ее после снятия с макрошлифа помещают на 10…15 минут в 25%-ный водный раствор гипосульфита, затем промывают водой и сушат. В результате сера обнаруживается на поверхности фотобумаги
в виде сернистого серебра (Ag2S). Темно-коричневые пятна указывают на места,
обогащенные серой, на форму скоплений сульфидов по сечению образца (рис. 30).
В стали сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику, которая
располагается преимущественно по границам зерен и плавится при 985 ˚С. Поэтому
при горячей обработке сталей при температурах выше 1000 ˚С эвтектика быстро
расплавляется, разобщая зерна, и металле образуются надрывы и трещины. Такое
явление носит название красноломкости. Вредное влияние серы на сталь также
усиливается при неравномерном распределении ее по сечению образца (ликвация)
[5].
Рис. 30. Ликвация серы: а – большая неравномерность распределения серы по сечению
 Контрольные вопросы
1. Назовите методы исследования металлов и дайте краткую характеристику.
2. В каком (отраженном или проходящем) свете изучается микрошлиф и обоснуйте.
3. Что такое микроструктура и для чего ее следует изучать?
4. Расскажите, как приготовляется микрошлиф?
5. Как называется метод, который изучает изломы образцов, деталей, волокнистость металла? Как получается волокнистость и для чего ее нужно знать?
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Что такое ликвация и как определяется ликвация серы в металле и почему
именно серы?
7. Каково максимальное увеличение оптического микроскопа для исследования
микроструктуры? От чего оно зависит?
8. Какие реактивы применяются для травления шлифа из стали, чугуна и алюминиевых сплавов? Что происходит при травлении?
9. Какие дефекты или структурные составляющие можно изучать на полированном микрошлифе без травления?
10. Как производится полирование микрошлифа?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Тема: Микроструктурный анализ металлов и сплавов
!
Цель работы: освоить технологию приготовления микрошлифов, ознакомиться
с устройством металлографического микроскопа, изучить микроструктуры
шлифа до и после травления; уяснить принцип выявления структур и практическое значение данного метода.
 Порядок выполнения задания:
1. Механически обработать образец для приготовления микрошлифа (шлифование, полирование).
2. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом до травления.
3. Определить общее увеличение микроскопа.
4. Зарисовать схему увеличенной микроструктуры, указав строение сплава
(неметаллические включения, металлическую основу). Пользуясь шкалой
баллов определить балл оксидов и сульфидов (ГОСТ 1778-70.
5. Протравить шлиф реактивом.
6. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом после травления.
7. Зарисовать схему микроструктуры после травления, указав строение сплава
(границы зерен, зерна однородного и неоднородного строения, размер зерна), пользуясь для этого шкалой величины зерна (ГОСТ 5639-65).
 Содержание отчета
В отчет необходимо включить: технологию приготовления микрошлифа; реактив, применяемый для травления стали и чугуна; оптическую схему металлографического микроскопа и ее краткое описание; семы микроструктур и их описание. В выводах указать особенности строения исследуемого металла, выявленные микроанализом до травления и после травления, наличие неметаллических включений, дефектов, размер, форму зерен и их влияние на свойства
(красноломкость), прочность, твердость, пластичность.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теоретические сведения
Микроанализ применяют для изучения внутреннего строения металлов и сплавов на оптическом микроскопе при увеличении от 50 до 1500 разили на электронном микроскопе при увеличении порядка 5000…20 000 раз.
Впервые в мире структуру высококачественной стали (булата) исследовал с
помощью микроскопа инженер Павел Петрович Аносов в 1831 г.
Для проведения микроисследования от изучаемой детали или заготовки отрезают образец, который специально обрабатывают для придания одной из его поверхностей прямолинейности и зеркального блеска. Образец, подготовленный к
микроанализу, называют микрошлифом. На практике приходится изготовлять
шлифы больших размеров (рис. 31, а и б) и малых (рис. 31, в и г). При изготовлении
микрошлифов из образцов малых размеров (проволока, стружка, листы и др.) для
их надежного крепления используют специальные струбцины (рис. 31, г) или заливают образцы легкоплавким сплавом Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn и 12,5% Cd) с
температурой плавления 68 ˚С, серой или пластмассой (рис. 31, в).
Для проведения микроанализа необходимо: изготовить шлиф; изучить под
микроскопом структуру на полированной поверхности шлифа (до травления); протравить полированную поверхность; изучить под микроскопом структуру протравленной поверхности шлифа.
Изготовление микрошлифа включает следующие операции: отрезку образца,
его торцовку, шлифование и полирование.
Отрезка образца нужных размеров проводится резцом или ножовкой (при
твердости металла HB<300) или дисковым шлифовальным кругом (при твердости
металла HB>300) с охлаждением водой или эмульсией, чтобы образец не нагревался свыше 150 ˚С и его структура не изменялась.
Рис. 31. Виды металлографических образцов для приготовления микрошлифов:
а и б – без приспособлений; в и г – в приспособлениях;
(1 – образец; 2 – трубка; 3 – сера или легкоплавкий сплав; 4 – струбцина)
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Торцовка шлифа осуществляется с целью придания прямолинейности одной из
его поверхностей и проводится опиловкой напильником или шлифовальным кругом.
Шлифование необходимо для удаления рисок, оставшихся от торцовки. Это
достигается обработкой поверхности шлифа шлифовальной бумагой различной
зернистости (разных номеров). Шлифовальная бумага отечественного производства
имеет следующую нумерацию: 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 (номер обозначает примерную
величину зерна в сотых долях миллиметра). Для предварительного чернового шлифования берут бумагу первых четырех номеров. Заканчивают шлифование бумагой
с номерами 5…3 с мелкими абразивными зернами. Шлифование проводят вручную
или на специальном шлифовальном станке. Вручную образец шлифуют так. Наждачную бумагу кладут на толстое стекло, затем образец (шлиф) прижимают к бумаге и, удерживая его тремя пальцами, перемещают по ней в одном направлении, но
обязательно перпендикулярно рискам от предыдущей обработки. Этого правила
необходимо придерживаться и при переходе с одного номера шлифовальной бумаги на другой для удобства наблюдений за выведением рисок и ускорения процесса
шлифования.
Полирование проводят на быстровращающемся диске с сукном, которое смачивается водой с взвешенными в ней частицами какого-либо абразива (окись хрома
или алюминия). Частицы окиси металла весьма тверды, поэтому во время полирования они производят резание металла образца. Так как эти частицы дисперсионны,
они способны снимать мельчайшие неровности, делая поверхность шлифа зеркального вида, без рисок даже при рассмотрении под микроскопом. Готовый полированный шлиф последовательно тщательно промывают водой спиртом и сушат,
прикладывая (промокая) фильтровальную бумагу.
Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопом преследует цель
определить качество его изготовления (отсутствие следов обработки) и установить
характер расположения и размеров микроскопических трещин, неметаллических
включений – графита, сульфидов, оксидов (рис. 32) в металлической основе (имеет
светлый вид при рассмотрении под микроскопом).
Рис. 32. Неметаллические включения в стали и чугуне:
а – оксиды; б – сульфиды; в – графит
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выявление структуры металлической основы шлифа после полирования осуществляется его травлением реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяется 2…5%-ный раствор азотной кислоты (HNO3) в этиловом спирте. Полированную
поверхность шлифа погружают в реактив на 3…15 с или протирают ватой смоченной в реактиве, до появления ровного матового оттенка без наличия каких – либо
пятен. Затем шлиф промывают спиртом или водой и просушивают фильтровальной
бумагой.
Известно, что любой металл или сплав является поликристаллическим телом,
т.е. состоит из большого числа различно ориентированных кристаллитов или зерен.
На границах зерен (даже чистейших металлов) обычно располагаются различные
примеси. Эти примеси и структурные составляющие двухфазного строения (механические смеси) под действием реактива образуют микроскопические гальванические пары, что способствует их более быстрому растворению. Однофазные структуры (чистые металлы, твердые растворы, химические соединения) травятся медленнее. В результате неодинаковой степени травимости структурных составляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф (рис. 33).
а
б
Рис. 33. Микроструктура низкоуглеродистой стали (0,15% С):
а – после холодной деформации; б – после рекристаллизации.
Изучение протравленной поверхности шлифа под оптическим микроскопом
позволяет увидеть микроструктуру металлической основы. Она обычно состоит из
светлых и темных участков. Это объясняется неодинаковой степенью отражения
света от структурных составляющих. Структура, растворившаяся на большую глубину, под микроскопом имеет темный цвет (рис. 33, а), так как дает больше рассеивающих лучей; структура же, растворившаяся меньше, за счет прямого отражения
света имеет светлый цвет (рис. 33, б). Границы зерен будут видны в виде тонкой
темной сетки (рис. 33, б). Часто зерна металла одного и того же фазового состава
под микроскопом могут иметь различные оттенки. Это объясняется тем, что каждое
зерно в плоскости шлифа имеет свое сечение кристаллической решетки с различ90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ным количеством в нем атомов, а следовательно, и свойства зерен отличаются одно
от другого способностью протравливаться, прочностью и др. Такое явление называется анизотропией.
Строение металла, наблюдаемое в металлографическом микроскопе, называется микроструктурой, которая представляет собой изображение весьма малого участка поверхности, составленное из отраженных от него световых лучей (рис. 34).
а
Рис. 34. Схемы, поясняющие видимость под микроскопом:
а – зерна во впадинах – темного цвета; б – границы зерен металлов
и твердых растворов.
Принципиальная оптическая схема металлографического микроскопа МИМ-7
показана на рисунке 35. Увеличение микроскопа определяется произведением увеличения окуляра на увеличение объектива 10. Объектив дает обратное увеличенное
действительное изображение. Окуляр, как обычная лупа, укрупняет изображение,
полученное объективом.
В результате изучение микроструктуры можно установить: количество структурных составляющих сплава и характер их расположения; величину зерен (путем
их сопоставления со специально установленной шкалой (рис. 36) или непосредственным измерением, зная величину увеличения); вид термической обработки и
правильность выбора ее режима (температуры нагрева, скорости охлаждения); приближенное содержание некоторых элементов, например углерода, в отожженных
сталях.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 35. Оптическая схема микроскопа МИМ – 7: 1 – осветитель (лампа); 2 – коллектор; 3 – зеркало; 4 – линза; 5 – аппаратурная диафрагма; 6 – линза; 7 – призма; 8 –
линза; 9 – отражательная пластинка; 10 – объектив; 11 объект; 12 – ахроматическая
линза; 13 – окуляр; 14 – зеркало; 15 – фотоокуляр; 16 – зеркало; 17 – фотопластинка;
18 – полевая диафрагма; 19 – затвор; 20 – линза для работы в темном поле; 21 –
кольцевое зеркало; 22 – параболическое зеркало; 23 – заслонка (включается при работе в темном поле); 24 – поляризатор; 25 – анализатор.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Между структурой и свойствами металлов и сплавов существует прямая зависимость. Поэтому в практике металловедения микроанализ является одним из основных методов, позволяющих изучить строение металлов и сплавов, получить
сведения об их свойствах [5].
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 36. Шкала размеров зерна конструкционной стали
(цифры 1 – 10 соответствуют баллам зерна 3 – 12. Х100
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Характеристики (параметры) структуры стали с разной величиной баллов
Номер зерна
(баллы)
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Средняя
площадь
зерна, мм2
1,024
0,512
0,256
0,128
0,064
0,032
0,016
0,008
0,004
0,002
0,001
0,0005
0,00025
0,000125
0,000062
0,000031
0,000016
0,000008
Среднее
число зерен
на площади
1 мм2 шлифа
1
2
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
2048
4096
8192
16384
32768
65536
131072
Среднее число зерен в 1
мм3
1
2,7
8
21
64
179
512
1446
4096
11417
32768
92160
262122
737280
2097152
5930808
16777216
47448064
Средний диаметр зерна, мм
по расчету
условный
1,00
0,694
0,500
0,352
0,250
0,177
0,125
0,088
0,060
0,041
0,031
0,022
0,015
0,012
0,0079
0,0056
0,0039
0,0027
0,875
0,650
0,444
0,313
0,222
0,167
0,111
0,0788
0,0553
0,0391
0,0267
0,0196
0,0138
0,0099
0,0069
0,0049
0,0032
0,0023
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Тема: Определение критических точек и построение диаграммы
состояния сплавов свинец-сурьма
! Цель работы:

освоить методику построения диаграммы состояния сплава.
Порядок выполнения задания
1. Взять тигли с чистым свинцом, сурьмой и тремя сплавами, нагреть на
20-30 оС выше температуры плавления.
2. Выключить ток и охлаждая, фиксировать температуры через каждые 10 …
15 с. После затвердевания металла еще продолжать наблюдения: 3-4 точки.
3. По результатам наблюдений построить кривые охлаждения, определить критические точки.
4. Построить диаграмму состояния Pb-Sb.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 В тетради должно быть записано
1. Краткие теоретические сведения.
2. Схема установки с термопарой.
3. Данные наблюдений.
4. Построение кривых охлаждения.
5. Построение диаграммы состояния Pb-Sb.
6. Анализ диаграммы состояния Pb-Sb.
Теоретические сведения
Диаграмма состояния сплавов является графическим изображением изменения
фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их концентрации (состава) и температуры. Для построения диаграммы используют термический метод
(анализ). Он основан на том, что любые изменения в состоянии металла или сплава,
происходящие в них при нагревании или охлаждении, сопровождаются поглощением или выделением тепла. Температуры, при которых происходят эти изменения, а
также соответствующие им точки на кривой нагрева или охлаждения металла или
сплава называются критическими (рис. 37, точки 1, 2).
Кривые охлаждения строят путем наблюдения за показаниями термометра или
гальванометра при охлаждении сплава через определенный интервал времени.
Строится ряд кривых сплавов разного состава. Для нашего случая берем чистые
металлы Рb и Sb и сплавы их: 6% Sb + 94% Pb, 13% Sb+87% Pb, 40% Sb+60% Pb
(рис. 37).
С кривых охлаждения критические температуры переносим на диаграмму для
соответствующих составов. Соединяем точки. Линия начала кристаллизации АСВ
называется ликвидусом, конца кристаллизации ДСЕ – солидусом (рис. 37).
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 37. Построение диаграммы состояния сплавов
свинец Pb-сурьма Sb
Фазой называется химически однородная часть сплава, отделенная от других
его частей поверхностью раздела.
Для анализа кривых охлаждения применяют правило фаз (закон Гиббса, см.
лекционный материал).
 Контрольные вопросы
1. Объясните, как построить кривую охлаждения?
2. Что можно узнать по кривой охлаждения?
3. Что такое термопара? Принцип определения температуры с помощью термопары. Из каких материалов изготовлена термопара?
4. Сколько сплавов надо брать для построения диаграммы состояния сплава?
5. Каким образом изображается состав сплава по оси абцисс?
6. Расскажите метод термического анализа.
7. О чем гласит закон Гиббса?
8. В каких координатах строится диаграмма состояния сплава?
9. Что за линии ликвидус и солидус?
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
Тема: Анализ диаграммы состояния сплавов
железо-цементит
!
Цель работы: Изучить характерные линии и области, фазы и структуры, превращения в железоуглеродистых сплавах.
 Порядок выполнения задания
1. Изучить структурные составляющие по содержанию углерода, количеству
фаз, свойствам.
2. Изучить превращения.
3. Научиться применять правило фаз и правило отрезков.
4. В тетради зарисовать в масштабе диаграмму железо-цементит, дать таблицу
и две кривые охлаждения по индивидуальной варианту, записать названия
линий.
5. Ответить на контрольные вопросы и выводы.
Теоретические сведения
Диаграмма железо-цементит (рис. 12) является основой для понимания процессов, происходящих при нагревании и охлаждении сталей и чугунов. В зависимости
от температуры и состава возможны следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит (табл. 4).
Для анализа диаграммы железо-цементит применяют правило фаз Гиббса. Выше линии АВСД – все сплавы в жидком состоянии, число степеней свободы С=КФН=2-1+1=2, т.е. можно менять без нарушения равновесия системы два параметра
и состав, и температуру (в определенных пределах). Между линиями ликвидус и
солидус AHJECF сплавы двухфазны, т.е. жидкость и твердая фаза (кристаллы), т.е.
С=2-2+1=1, система в данных областях располагает только одной степенью свободы, что означает – можно менять лишь один параметр.
Горизонтальные линии ECF – линия эвтектических превращений, PSK -линия
эвтектоидных превращений, на этих линиях степень свободы равна нулю, т.е. ничего изменить нельзя.
Правилом отрезков или правилом рычага пользуются для определения процентного и весового состава фаз в двухфазных областях. Для этого проводят горизонталь в данной точке (рис.4) до пересечения с кривыми ограничивающими данную область. При этом получаются отрезки, по соотношению которых определяется количество фаз.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4
Характеристика структурных составляющих
Название
структуры
Тип структуры
Содержание
углерода, %
Колво
фаз
Феррит
Ограниченный
твердый раствор С в αжелезе
Ограниченный
твердый раствор С в γжелезе
Химическое
соединение
железа с углеродом Fe3C
Механическая
смесь феррита
и цементита
От 0,006 при
0 оС до 0,025
при 727о
1
От 0,8% при
727 оС до
2,14% при
1147%
6,67
1
600
60
18002000
Очень
пластичная
1
2000
0
8000
Очень
твердая и
хрупкая
0,8
2
600
20
2000
Механическая
смесь перлита
и цементита
4,3
2
1000
1-2
7000
Средняя
пластичность и
прочность
Твердая
и хрупкая
Аустенит
Цементит
Перлит
Ледебурит
Механические
свойства
σи
δ, %
НВ
МПа
МПа
300
40
8001000
Характеристика
структур
Пластичная,
но не прочная
По диаграмме железо-цементит можно построить кривые охлаждения. Для этого точки пересечения вертикали, обозначающей сплав определенной концентрации,
с линиями диаграммы, сносят на систему координат температура-время и строят
кривую нагревания или охлаждения этого сплава. Точки пересечения с кривыми
линиями диаграммы соответствуют перегибам на кривых охлаждения или нагревания, а точки пересечения с горизонталями соответствуют площадкам на тех же
кривых.

Контрольные вопросы
1. Назовите структуру заэвтектоидной стали.
2. При какой tо и содержании углерода образуется перлит?
3. Дайте определения структур.
4. Чем обусловлено подразделение цементита на первичный, вторичный, третичный?
5. Какова структура доэвтектического чугуна?
6. Назовите структуру доэвтектоидной стали.
7. Какова структура эвтектоидной стали при температуре 727о, 1000о, 600 оС.
8. Какие фазы находятся в области GPQ диаграммы Fe-Fe3C?
9. Каково содержание углерода в стали, состоящей из 20% перлита и 80% феррита?
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. Какую структуру при температуре 1000 оС имеет чугун с содержанием углерода 2,5 %С?
11. Какой сплав из системы Fe-C имеет наименьшую tо плавления?
12. Какие структуры железоуглеродистых сплавов представляют собой механическую смесь, твердые растворы, химические соединения?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
Тема: Микроструктура углеродистой стали и чугуна
!
Цель работы: Изучить микроструктуру углеродистой стали и чугуна в равновесном состоянии
 Порядок выполнения задания
1. Прочитать теоретические сведения и записать основные моменты.
2. Изучить под микроскопом микрошлифы и определить и зарисовать структуры.
3. Определить наименование стали и чугуна.
4. Выводы.
Теоретические сведения
Микроструктура может быть определена по диаграмме Fe-Fe3C. По структуре в
равновесном состоянии стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8%С), эвтектоидные
(С=0,8%), заэвтектоидные (более 0,8%). Доэвтектоидные стали имеют структуру
феррит (светлые зерна) + перлит (темные).
С увеличением содержания углерода уменьшается количество феррита, возрастает количество перлита (рис. 38).
Эвтектоидная сталь имеет структуру перлита, имеющего пластинчатое строение.
Заэвтектоидная сталь – перлит и цементит вторичный.
Рис. 38. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зависимость механических свойств от содержания углерода показана на рис.38.
По площади занимаемой перлитом в доэвтектоидной стали можно определить
содержание углерода.
100% перлита – 0,8%С.
Например, 25% перлита – х
х
25  0,8
 0,2%C
100
Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь. Есть у
него хорошие свойства: литейные (жидкотекучесть), обрабатываемость резанием,
антифрикционность (графит – твердая смазка) и др. Из чугуна детали получают в
основном литьем.
В зависимости от состояния углерода чугуны подразделяют на две группы: чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита
(Fe3C) и чугуны, в которых весь углерод или большая часть его находится в свободном состоянии в виде графита.
К первой группе относятся белые чугуны. Структура доэвтектического чугуна
(менее 4,3%С) – перлит+ледебурит+вторичный цементит; эвтектического чугуна
(4,3%C) – ледебурит; заэвтектического чугуна (более 4,3%С) – ледебурит
+цементит. На микрошлифе цементит располагается в виде светлых зерен (рис. 39).
Рис. 39. Микроструктура белых чугунов.
а – доэвтектический; б – эвтектический; в – заэвтектический
Образованию белого чугуна способствуют повышенное содержание Mn, сравнительно (со второй группой чугунов) быстрое охлаждение. Белые чугуны хрупки
и тверды, в машиностроении применяются редко, в основном, идут на переделку в
сталь и для получения ковкого чугуна.
Ко второй группе чугунов относятся серые, ковкие и высокопрочные чугуны.
Структура их представляет собой металлическую основу, в которой находятся гра101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фитные включения. Структура металлической основы может быть ферритная, перлитная и феррито-перлитная (рис. 40).
Рис. 40. Микроструктура чугуна ×450
а – серый чугун ферритный; б – ковкий чугун феррито-перлитный;
в – высокопрочный чугун феррито-перлитный; г – серый чугун перлитный
Прочность чугуна зависит не только от структуры металлической основы, но и
от формы графитных включений.
Серый чугун имеет пластинчатую форму графита (наименьшая прочность),
ковкий чугун – хлопьевидную (средняя прочность), высокопрочный – шаровидную
форму (высокая прочность) (рис. 41).
Рис. 41. Формы графита в чугуне
А – пластинчатая; б – хлопьевидная; в – шаровидная
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Повышение механических свойств серых чугунов достигается модифицированием, т.е. вводят в жидкий чугун вещества-модификаторы (ферросилиций, силикокальций, алюминий), которые становятся центрами графитизации и способствует
измельчению графитных частиц.
Высокопрочный чугун получают двойным модифицированием: сначала вводят
ферросилиций, затем магний (0,05%).
Ковкий чугун получают длительным двухступенчатым отжигом (70-80 час)
(томлением) белого чугуна при 950-1000 оС и 720-760 оС, когда происходит разложение цементита Fe3C→3Fe+C.
Чугуны маркируют буквами и цифрами. Числа показывают механические
свойства чугуна. Маркировку см. в работе «Расшифровка марок сплавов».
 Контрольные вопросы
1. Назовите постоянные примеси в стали и каково их влияние?
2. Назовите элементы, ухудшающие механические свойства углеродистых сталей.
3. Назовите какие бывают углеродистые стали и чугуны по структуре.
4. Виды чугунов и их маркировка.
5. Маркировка углеродистых сталей.
6. Назовите структуру стали 40 при 700 оС, 900о, 1100о, 1300о, 1500о.
7. Назовите структуру чугуна с содержанием углерода 3,0% при 18оС, 500, 1200,
1400 оС.
8. Каким образом получают ковкий чугун и какова его структура?
9. Укажите структуру перлитного серого чугуна.
10. Сколько углерода в виде графита содержится в ферритном сером чугуне,
содержащем 3,5%С.
11. Что такое раскисление стали?
12. Какие превращения происходят при 727 оС при охлаждении стали?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6
Тема: Микроструктура цветных металлов и сплавов
!
Цель работы: Изучить микроструктуры цветных сплавов, свойства и
применение
 Порядок выполнения задания
1. Прочитать теоретические сведения и записать основные положения.
2. Изучить под микроскопом микрошлифы и определить структуры.
3. Зарисовать структуры.
4. Записать основные механические свойства дюралюминия до и после термообработки.
5. Выводы.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теоретические сведения
Цветные металлы обладают рядом специфических свойств: высокая электро- и
теплопроводность (Cu, Al), малая плотность (Al, Mg), высокая пластичность, легкоплавкость (Pb, Sn, Zn) и т.д. В чистом виде применяются только для электропроводов (Cu, Al), в остальных случаях – только сплавы.
Медные сплавы (основа – медь) делят на две большие группы: латуни и бронзы. Латунями называются сплавы меди с цинком, В качестве легирующих элементов могут быть Al, Fe, Mn, Ni, Sn, Pb. Латунь обладает высокой прочностью, пластичностью, антикоррозионностью и детали изготавливаются прокаткой и штамповкой.
Латунь обозначается ЛЦ40С, после буквы Ц число указывает содержание цинка в %, С – свинец ≈1% , остальное – медь.
Есть и другая маркировка, когда после буквы «Л» указывается содержание меди. Л68 (Zn-32%, Cu – 68%).
Латуни, содержащие менее 20% цинка называются томпаками.
Cu с цинком образует шесть твердых растворов (α, β, γ, δ, ε, η) в зависимости от
содержания цинка. В технике находят применение α и α+β, в которых цинк содержится до 45%. При содержании до 39% Zn – латуни однофазны (α). При содержании более 39% Zn и до 45% на базе электронного соединения CuZn выделяется βфаза. На микроструктуре Л68 (травление солянокислым раствором хлорного железа) видны характерные двойники, линии сдвига и протравленные в разной степени
зерна α. Для α+β фаз заметны светлые зерна – α-кристаллы, темное поле – β-фаза.
Для латуни ЛЦ40С микроструктура состоит из светлых зерен α-фазы и темных
зерен твердой и хрупкой β-фазы.
Бронзами называются сплавы Сu с другими элементами, кроме цинка.
Бронза Бр010 (10%Sn, остальное – медь) обладает хорошими литейными свойствами, применяется для сложного или фасонного литья.
Микроструктура оловянистой бронзы состоит из неоднородного твердого αраствора олова в меди и эвтектоида α+Cu31Sn8. Темные участки α-раствора богатые
медью, светлые – оловом.
Эвтектоид имеет светлое поле, в котором видны темные точечные включения
α-фазы.
Микроструктура алюминиевых сплавов изучается на силумине и дюралюмине.
Силумин АЛ2 (10…13%Si, остальное – Al) обладает коррозионной стойкостью и
хорошими литейными свойствами (отливают крышки, кожухи, корпуса водяных
насосов, блоки и головки блока цилиндров некоторых ДВС и т.д.).
Для повышения прочности (мелкозернистой структуры) добавляют в силумин
натрий. На структуре видны темные зерна – эвтектика (α+Si), светлые зерна пластичная α-фаза. Применяется реактив-раствор фтористо-водородной кислоты в воде. Дюралюминий содержит 4% Сu, 0,5% Mg. Для повышения коррозионной стойкости добавляют Mn – 0,5%. Кроме того имеются Fe и Si, как постоянные примеси,
ухудшающие свойства сплава.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Структура дюралюминия в отожженном состоянии состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений (светлые и
темные зерна).
После закалки с 500 оС дюралюминий подвергается старению 5-7 суток при
комнатной температуре. Видны светлые зерна пересыщенного твердого раствора
меди в алюминии. Упрочняющие продукты, полученные при старении, под микроскопом не видны.
Подшипниковый сплав баббит Б83 (Sn-83%, Sb-11%, Cu-6%) обладает высокими антифрикционными свойствами. Структура сплава состоит из темной пластичной основы α-фазы (твердый раствор сурьмы и меди в олове), светлых твердых частиц крупных кристаллов SnSb и мелких звездочек Cu6Sn5.
 Контрольные вопросы
1. Каким способом получаются детали из силумина?
2. Какие сплавы алюминия обрабатываются давлением?
3. Как проводится термообработка дюралюминия?
4. Назовите сплавы меди и дайте определение.
5. Как маркируются алюминиевые и медные сплавы?
6. Расскажите о физико-механических свойствах меди, алюминия, магния и титана.
7. Способы получения меди и алюминия из руд.
8. Какими свойствами должны обладать подшипниковые сплавы?
9. Из какого материала изготавливаются вкладыши подшипников коленчатого
вала?
10. Можно ли подвергать термообработке медные сплавы, если да, то какой?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7
Тема: Термическая обработка углеродистых сталей
!
Цель работы: Изучить сущность термообработки, определить влияние
скорости охлаждения на твердость углеродистой стали.
 Порядок выполнения задания
1. Прочитать теоретические сведения и записать основные положения.
2. Определить и замерить температуру нагрева для образцов.
3. Определить твердость образцов из сталей 45, У7, У13.
4. Провести термообработку образцов с охлаждением в разных средах: в воде,
масле и на воздухе.
5. После охлаждения определить твердость.
6. Выводы.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теоретические сведения
Термической обработкой называются процессы нагрева и охлаждения стали с
целью получения заданных свойств путем изменения структуры. Для проведения
любой термообработки необходимо знать время нагрева, tо нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Основными видами термообработки являются отжиг,
нормализация, закалка и отпуск. Температуры нагрева определяются по диаграмме
состояния Fe-Fe3C (рис. 42).
Отжигом называется вид термообработки, при которой доэвтектоидную сталь
(до 0,8%С) нагревают выше критической точки Ас3 (GS), заэвтектоидную – выше
Ас1(PSK) на 30-50 оС и после выдержки дают медленное охлаждение вместе с печью. Получаемая структура: феррит+перлит, перлит, перлит+цементит. Цель отжига – снижение твердости, снятие внутренних напряжений.
Рис. 42. Температурные интервалы термической обработки углеродистой стали
(на схеме масштаб не соблюден)
Нормализация – вид термообработки, при которой доэвтектоидную сталь нагревают выше Ас3, заэвтектоидных – выше Асm(SE) на 30-50 оС, с непродолжительной выдержкой и охлаждением на воздухе. Структура – та же, что и при отжиге, но
мелкозернистая. Большинство деталей машин подвергается нормализации.
Закалка – вид термообработки, при которой доэвтектоидную сталь нагревают
выше Ас3, заэвтектоидных – выше Ас1 на 30-50оС, выдержка и последующее резкое
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
охлаждение в воде или масле. При этом образуется структура мартенсита, твердость стали повышается в 3-4 раза по сравнению с отжигом и нормализацией, снижается пластичность, ударная вязкость. Следует заметить, что после закалки может
сохраниться часть аустенита, не превращенной в мартенсит, что нежелательно.
Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Различают
закалку: полную, неполную, изотермическую, в двухе средах, с самоотпуском и др.
Отпуском называется вид термообработки, как правило, проводимая после закалки с нагревом при температуре ниже Ас1 (727 оС). Различают в зависимости от
температуры нагрева: низкий (200±50 оС), средний (400±50), высокий (600±50 оС).
Чем выше температура нагрева, тем больше будет снижаться твердость закаленной
стали. Скорость охлаждения после нагрева особой роли не играет (обычно охлаждают на воздухе).
При низком отпуске твердость закалки сохраняется НВ 500-600, но снижаются
внутренние напряжения, что очень важно. Поэтому этому отпуску подвергаются
инструменты и детали машин после поверхностной закалки (после ТВЧ и ХТО).
Среднему отпуску подвергают рессоры, пружины, ударный инструмент (зубила,
молоток, штампы). Твердость НВ 400-450. Структура-троостит. При высоком отпуске твердость снижается до НВ 250-300, пластичность и вязкость значительно
возрастают. Структура – сорбит отпуска. Подвергают высокому отпуску детали,
испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки: полуоси, шатуны двигателей, ответственные валы и оси. Закалку + высокий отпуск иногда называют улучшением.
 Контрольные вопросы
1. Какой вид термообработки дает наибольшую твердость?
2. Какой вид термообработки дает наибольшую пластичность и наименьшую
твердость?
3. Какой вид термообработки снижает хрупкость после закалки?
4. Какие стали называют наследственно мелкозернистыми и крупнозернистыми?
5. Назовите температурные интервалы нагрева углеродистой стали при закалке, отжиге, нормализации и отпуске.
6. Как охлаждают при закалке, нормализации, отжиге и отпуске?
7. Объясните, что такое критическая скорость закалки?
8. Способы закалки и в каких случаях они применяются?
9. Как проводят термообработку рессор и пружин?
10. Назовите структуры, получаемые после отжига, нормализации, закалки и
отпуска.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8
Тема: Определение прокаливаемости стали
!

Цель работы: изучить метод торцовой закалки и определить
прокаливаемость углеродистой и легированной стали
Порядок выполнения задания
1. Прочитать теоретические сведения и усвоить методику торцовой закалки.
Кратко записать основные положения.
2. Нагреть образцы.
3. Охладить с торца водой комнатной температуры.
4. Замерить твердость на приборе Роквелла.
5. По данным замеров построить кривые: твердость – расстояние от торца для
40 и 40Х.
6. Найти полумартенситную зону и по номограмме перевести на критический
диаметр.
7. Выводы.
Теоретические сведения
Прокаливаемостью называется свойство стали, связанное с глубиной закалки.
Прокаливаемость стали зависит от содержания углерода и легирующих элементов,
интенсивности охлаждения, величины зерна в стали, наличия неметаллических
включений.
Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали.
Увеличение содержания углерода (до 0,8%) и легирующих элементов (Mn, Mo,
Cr, Ni, Cu, Si) увеличивают прокаливаемость.
Стали, обладающие повышенной прокаливаемостью, можно закаливать при
меньших скоростях охлаждения в масле или даже на воздухе, что способствует
уменьшению структурных и термических напряжений во избежание появления
трещин.
Количественной характеристикой прокаливаемости стали служит критический
диаметр образца, при котором сталь в данном охладителе прокаливается насквозь,
т.е. в центре образца твердость соответствует твердости структуры 50% мартенсита
+ 50% троостита.
Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания углерода: например, для углеродистой стали 40 при содержании углерода 0,40% твердость составляет 40 HRC, для хромистой стали 40Х – 45 HRC.
Наиболее часто критический диаметр находят методом торцовой закалки. Для
этого изготовляют образцы диаметром 25 мм, длиной 100 мм. Нагревают образцы
из сталей 40 и 40Х при температуре 850±10оС и охлаждают с торца водой при
18-20 оС. После полного охлаждения замеряют твердость по образующей через каждые 1,5-2 мм по HRC.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 Контрольные вопросы
1. Что такое закаливаемость и прокаливаемость?
2. Для чего необходимо значение прокаливаемости стали?
3. В чем суть метода торцовой закалки при определении прокаливаемости стали?
4. Какие факторы влияют на прокаливаемость стали?
5. От чего зависит критическая скорость закалки?
6. Какова связь между критической скоростью закалки и прокаливаемостью?
7. Каково влияние среды охлаждения на прокаливаемость стали?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9
Тема: Расшифровка марок сплавов
и выбор материала для деталей машин
!
Цель работы: Усвоить маркировку распространенных сплавов и выбрать материал для деталей машин.
 Порядок выполнения задания
1. Прочитать теоретические сведения и усвоить методику торцовой закалки.
Кратко записать основные положения.
2. Нагреть образцы.
3. Охладить с торца водой комнатной температуры.
4. Замерить твердость на приборе Роквелла.
5. По данным замеров построить кривые: твердость – расстояние от торца для
40 и 40Х.
6. Найти полумартенситную зону и по номограмме перевести на критический
диаметр.
7. Выводы.
Теоретические сведения
Общие сведения. Надежность и долговечность работы машин и механизмов в
значительной степени зависят от материала, из которых они изготовлены. Нельзя
проектировать и разрабатывать ту или иную конструкцию, не зная свойства материала. Знание материала необходимо и при эксплуатации и ремонте машин.
Число металлических сплавов, применяемых в технике, большое количество.
Оно постоянно возрастает в соответствии с возникающими новыми и разнообразными требованиями многих отраслей промышленности. Не удается характеризовать эти сплавы по одному признаку, одинаковому для всех сплавов, так как их
свойства и назначения различны.
Свойства, характерные и наиболее важные для одних сплавов (например, механические свойства и прокаливаемость для конструкционных сталей), часто являются второстепенными для других (стали с особыми свойствами) и т.д.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наибольшее применение в технике имеют стали, особенно углеродистые стали
обыкновенного качества: листовой и сортовой прокат для строительных конструкций, мостов, массовые металлоизделия (гвозди, болты, винты, гайки и т.д.).
Ниже даны основные марки сплавов, рекомендуемые для распространенных
машиностроительных изделий [12, т 1-3; 7, c. 338].
1. Крепежные изделия (болты, гайки, винты, шайбы, заклепки и т. д.)
Cm.3, Cm 3 кn, 10 кп, 20, 35, 45, 30Х, 30Х ГСА, А3О, из цветных сплавов АМг,
ЛЦ40С, Л63, Д1, БрАМц 9-2 и др.
2. Шплинты – из стали с содержанием углерода не более 0,20%.
3. Штифты, фиксаторы 45.
4. Шпонки 40, 45, Cт.6.
5. Пробки, заглушки Cт.3, A12, 10, 35, КЧ 35-10, СЧ18.
6. Валы оси 45, 40Х, 40ХН, 45Г2.
7. Коленчатые валы ДВС 40Х, 45, 40ХН, 40ХНМА, ВЧ 50-2
8. Шатуны ДВС 40Х, 45.
9. Клапаны ДВС 40Х9С2, 40Х10С2М, 45Х14Н14В2М.
10. Зубчатые колеса 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА (цементация), 30ХГТ, 40Х, 45, 50Г.
11. Звездочки для цепных передач 15, 20 (цементация), 45, СЧ18, КЧ 45-6.
12. Подшипники качения, обгонные муфты, роликовые цепи. ШХ6, ШХ15.
13. Подшипники скольжения баббит Б83, БрОЦС 5-5-5, БрАЖ 9-4, чугун АЧС1, АЧК-2.
14. Корпусные детали, блоки, станины, шкивы СЧ18, СЧ24.
15. Мостовые, строительные конструкции Cm3, Cm3кn, 10Г2С, 14Г2, 14Г,
14Г2АФ, 14ХГС, 15 ХСНД, 16Г2САФ, 18Г2, 18Г2С, 25Г2С.
16. Рельсы ж-д 75.
17. Кабины, кузова, баки, изделия из листовой стали 08, 08 кп, 08Ю, 10кп.
18. Рессоры, пружины, кольца запорные 65Г, 60С2А, 50ХФА, БрКМц 3-1 (контакты).
19. Ходовые винты 40 ХГ, 65Г, У10А, 45.
20. Гайки ходовых винтов Бр ОФ 10-1, БрОЦС-6-6-3.
21. Грузовые винты 20,25.
22. Крестовины шарниров 40Х.
23. Вилки карданов 20 Х.
24. Краны ЛЦ40С, СЧ18, КЧ35-10
25. Трубки Л63, Л96, медь М1.
26. Муфты 45, СЧ21.
27. Фитинги (муфты сантехнические) КЧ35-10, КЧ 37-12.
28. Гидроцилиндры поршень 20Х (цементация), крышка, корпус 40Х.
29. Пневмоцилиндры
поршень Д1
шток 40Х
гильза (труба) 45
крышка Cm.3, СЧ21.
Втулка БрАЖ 9-4.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30. Детали, работающие в коррозионной среде 12Х13, 20Х13, 40Х13,
12Х18Н9Т, 06Х23Н28МДТ.
31. Сердечники электрических устройств (трансформаторы, двигатели и т.д.)
Э11, Э12, Э22, Э3100.
32. Постоянные магниты ЕХ5К5, ЮНДК (основа Fe-Ni-Cо).
33. Металлорежущий инструмент ХВСГ, 9ХС, Р18, Р6М5, Т15К6, ВК8.
34. Слесарный инструмент У7, У8, У12, 50Г.
Марка материала может содержать следующие данные:
1. Химический состав (сталь, медные сплавы, антифрикционные сплавы).
2. Механические свойства (чугун).
3. Порядковый номер (алюминиевые сплавы).
Маркировка сталей
Конструкционные
Углеродистая обыкновенного качества общего назначения ГОСТ 380-94.
Cm.0, Cm.1, Cm.1 кп, Сm.1сп, … Сm.6.
Цифра – порядковый номер. Содержание углерода возрастает с повышением
номера от 0,1 до 0,5%. После цифры – буквы означают степень раскисления: кп –
кипящая, пс-полуспокойная, сп-спокойная (качество выше, чем кп, пс).
Углеродистая качественная ГОСТ 1050-88.
05, 08, 10,15, 15А, 15 кп… 85.
Цифра – содержание углерода в сотых долях %, в конце марки «А» – высококачественная.
Легированная ГОСТ 4543-90.
15Х, 40ХС, 45Г2, 25ХГР, 40Х2Н2МА…т.д.
1-е число – содержание углерода в сотых долях %; буквы – наличие легирующего элемента Х-хром, Н-никель, С-кремний, Г-марганец, Р-бор, М – молибден, Ввольфрам, Ф-ванадий, Т-титан, К-кобальт, Д-медь, Ц-цирконий, Ю-алюминий. Содержание элемента указывается числом, стоящим после буквы (при отсутствии
числа – до 1,5%).
Рессорно-пружинная ГОСТ 14959-79:
65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 55ХГР… т.д.
Шарикоподшипниковая ГОСТ 801-78;
ШХ6, ШХ9, ШХ15.
Содержание углерода около 1%, хрома соответственно 0,6; 0,9; 1,5%. Остальное – Fe.
Инструментальные.
1-е число или число после «У» – содержание углерода в десятых долях %.
Углеродистая ГОСТ 1435-99, У7, У7А, У8… У12.
Легированная ГОСТ 5950-2000: 7хФ, 9хС, ХВГ.
Быстрорежущая ГОСТ 19265-73: Р18, Р6М5, Р10 К5Ф5…
Содержание углерода около 1%. Число после «Р» – содержание вольфрама.
Маркировка чугуна:
Серый чугун ГОСТ 1412-85:
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СЧ12, СЧ18… др.
Число – предел прочности при растяжении кгс/мм2.
Ковкий чугун ГОСТ 1215-79
КЧ 30-6, КЧ 37-12 и др.
1-е число – то же, что и для СЧ.
2-е число – относительное удлинение после разрыва, %.
Высокопрочный чугун ГОСТ 7293-85:
ВЧ 45-0, ВЧ 50-1,5.
Расшифровку марки см. ковкий чугун.
Маркировка цветных сплавов.
Алюминиевые сплавы (цифры – порядковые номера).
Литейные ГОСТ 1583-93.
Силумины АЛ2, АЛ9 и т.д.
Деформируемые ГОСТ 4784-97.
Д19 (дюралюминий), АК4, АМц2, АМг т.д.
Медные сплавы (буквы и числа – химический состав).
Латунь ГОСТ 17711-93 ЛЦ40С, ЛЦ23В6Ж3Мц2 и т.д.
Бронза ГОСТ 613-79. Бр 03Ц6С5, БрА5, БрС30 и др.
О – олово, Ц-цинк, С – свинец, А – алюминий, Ж – железо, Мц – марганец, Н –
никель, К – кремний, Б – бериллий, остальное – медь.
Марки твердых сплавов (спеченные сплавы)
ГОСТ 4872-75
ВК3, ВК8, Т15К6, Т5К10, ТТ7К12 и др.
К-кобальт и его содержание в %.
Т-карбид титана и его содержание, %.
ТТ-карбиды титана и тантала в %.
Остальное – карбид вольфрама, %.
В тетрадь записать раздел «Маркировка сплавов» и усвоить систему маркировки сплавов путем расшифровки данных контрольных вопросов. Каждому студенту
выдается карточка с марками десяти сплавов.
 Контрольные вопросы
Укажите и расшифруйте марки
1) самого мягкого сплава из перечисленных;
2) стали, имеющей наименьшую прочность и твердость;
3) инструментальной углеродистой стали;
4) твердого сплава. Напишите область применения;
5) алюминиевого сплава. Дайте краткую характеристику;
6) серого, ковкого и высокопрочного чугуна и какова их прочность?
7) бронзы и область применения бронзы;
8) электротехнической стали. Область применения;
9) конструкционной качественной углеродистой стали;
10) латуни и область ее применения;
11) быстрорежущей стали и область ее применения.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел 2
ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 1
Тема: Обработка металлов давлением

Вопросы
1. Сущность обработки давлением.
2. Виды обработки давлением.
3. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла.
1. Сущность обработки давлением
Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных
условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.
Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических
деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил,
сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное
положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг
друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил
не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.
Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходима определенная величина действующих напряжений, зависящая от межатомных сил и характера взаимного расположения атомов (типа кристаллической решетки, наличия
и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т. п.).
Так как сопротивление смещению атомов в новые положения изменяется не
пропорционально смещению, то при пластических деформациях линейная связь
между напряжениями и деформациями обычно отсутствует.
Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия,
могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под
нагрузкой при пластическом деформировании деформация состоит из упругой и
пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при разгрузке
(при снятии деформирующих сил), а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела. В новые положения равновесия атомы
могут переходить в результате смещения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения расстояний между этими плоскостями. При
этом атомы не выходят из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без нарушения сплошности металла, плотность которого практически не
изменяется. Скольжение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скольжения). В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение.
Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла.
На величину пластической деформации, которую можно достичь без разрушения (предельная деформация), оказывают влияние многие факторы, основные из
которых – механические свойства металла (сплава), температурно-скоростные условия деформирования и схема напряженного состояния. Последний фактор оказывает большое влияние на значение предельной деформации. Наибольшая предельная деформация достигается при отсутствии растягивающих напряжений и увеличении сжимающих. В этих условиях (схема неравномерного всестороннего сжатия)
даже хрупкие материалы типа мрамора могут получать пластические деформации.
Схемы напряженного состояния в различных процессах и операциях обработки
давлением различны, вследствие чего для каждой операции, металла и температурно-скоростных условий существуют свои определенные предельные деформации.
Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с
обработкой резанием – возможность значительного уменьшения отхода металла, а
также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного
приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением
физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов давлением (отмеченные ниже) способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а
также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей,
изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и
размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением [7].
2. Виды обработки давлением
Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два
вида:
- для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в
качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения,
- основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием
лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества; основными разновидностями таких процессов являются ковка
и штамповка.
Прокатка (рис. 43, а) заключается в обжатии заготовки 2 между вращающими валками 1. Силами трения Ятр заготовка втягивается между валками, а силы Р, нормальные к поверхности валков, уменьшают поперечные размеры заготовки.
Прессование (рис. 43, б) заключается в продавливании заготовки 2, находящейся в замкнутой форме 3, через отверстие матрицы, причем форма и размеры поперечного сечения выдавленной части заготовки соответствуют форме и
размерам отверстия матрицы, а длина ее пропорциональна отношению площадей поперечного сечения исходной заготовки и выдавленной части и перемещению давящего инструмента 4.
Волочение (рис. 43, в) заключается в протягивании заготовки 2 через сужающуюся полость матрицы 1; площадь поперечного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы.
Ковкой (рис. 43, г) изменяют форму и размеры заготовки 2 путем последовательного воздействия универсальным инструментом 1 на отдельные участки
заготовки.
Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента – штампа (для каждой детали изготовляют свой
штамп). Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке сортового металла (рис. 43, д) на заготовку, являющуюся обычно отрезком
прутка, воздействуют специализированным инструментом – штампом 1, причем
металл заполняет полость штампа, приобретая ее форму и размеры [7].
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 43. Схемы основных видов обработки металлов давлением
Листовой штамповкой (рис. 43, е) получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, у которых толщина значительно меньше размеров в плане
(лист, лента, полоса). Обычно заготовка деформируется с помощью пуансона 1 и
матрицы 2.
3. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла
В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.
Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 44, а). При
холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических
и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится
более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота
плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества
центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные
зерна. Так как в равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем
направлениям одинакова, то новые зерна, появившиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям [7].
Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется
рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла.
Рекристаллизация протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.
При температурах ниже температуры начала рекристаллизации, наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева
или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т. д. Остаточные
напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в
заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений
при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на
некоторые его физико-химические свойства. Так, например, в результате возврата значительно повышается электрическая проводимость, сопротивление
коррозии холоднодеформированного металла [7].
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 44. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации:
а – холодной; б – горячей
Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.
Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после
обработки давлением оказывается
равноосной,
без следов упрочнения
(рис. 44, б).
Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения
скорости рекристаллизации).
Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению
неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.
При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз
меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому,
что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется
в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном
то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).
Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок малых размеров
(малой толщины) трудно выдержать необходимые температурные условия ввиду
быстрого их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструментом.
При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке
труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из
литого металла (слитков), В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает
качество поверхности и точность получаемых размеров [7].
Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением
без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.
Влияние холодной деформации на свойства металла можно использовать для
получения наилучших эксплуатационных свойств деталей, а управление изменением свойств в требуемом направлении и на желаемую величину может быть достигнуто выбором рационального сочетания холодной и горячей деформации, а также
числа и режимов термических обработок в процессе изготовления детали.
Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением
(прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных размеров и форм). Кроме того, в нем имеется пористость, газовые пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до
достаточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной
заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.
В результате деформации кристаллитов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение, т. е. размеры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры
примерно одинаковы по всем направлениям (равноосная структура).
Если слиток загрязнен неметаллическими включениями, обычно располагающимися по границам кристаллитов, то в результате обработки давлением неметаллические включения вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. Эти волокна выявляются травлением и видны невооруженным глазом в форме так называемой волокнистой макроструктуры (рис. 45,
а). Полученная в результате обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя в зависимости от характера деформирования может изменить лишь направление и форму волокон макроструктуры.
Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характеризуется
анизотропией (векториальностью) механических свойств. При этом характеристики
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.) в разных направлениях отличаются незначительно, а характеристики пластичности (относительное
удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их.
Рис. 45. Макроструктура металла после обработки давлением
Так как направление волокон зависит от характера деформирования заготовки,
то в готовой детали желательно получить такое расположение волокон, при котором она имела бы наилучшие свойства. При этом общие рекомендации следующие;
необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент
этой детали работает на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по касательной и не перерезались наружными поверхностями
детали.
Выполнение этих требований не только повышает надежность детали (в том
числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные
характеристики, например сопротивление истиранию.
Возможность воздействия обработкой давлением на расположение волокон, а
следовательно, и на свойства деталей можно иллюстрировать следующим примером. В зубчатом колесе, изготовленном резанием из прутка (рис. 45, б), растягивающие напряжения, возникающие при изгибе зуба 1 действием сопряженного колеса, направлены поперек волокон, что понижает их надежность. При горячей
штамповке зубчатого колеса из полосы (рис. 45, в) волокна по-разному ориентированы в различных зубьях относительно наибольших растягивающих напряжений: в
зубе 1 – вдоль волокон, а в зубе 2 – поперек. Следовательно, зубья оказываются
неравнопрочными.
При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис. 45, г) из отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиальное направление. В этом случае все
зубья равнопрочны, а наибольшие растягивающие напряжения, возникающие при
изгибе, направлены почти вдоль волокон [7].
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 2
Тема: Литейное производство

Вопросы
1. Сущность литейного производства.
2. Теоретические основы производства отливок.
3. Модельный комплект.
4. Формовочные и стержневые смеси.
5. Литниковые системы.
1. Сущность литейного производства
Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в
специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали).
При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет
конфигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок [7].
Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких
граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5–500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки
редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т. д.).
Для изготовления отливок применяют множество способов литья: в песчаные
формы (рис. 46), в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под
давлением, центробежное литье и др. Область применения того или иного способа
литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и
другими факторами.
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 46. Схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах
Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при
заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. На рис. 47, а показана литейная форма для тройника (рис. 47, б). Форма обычно состоит из нижней
2 и верхней 6 полуформ, которые изготовляют по литейным моделям 7 (рис. 47, г) в
литейных опоках 3, 5. Литейная опока – приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы. Верхнюю и нижнюю полуформы взаимно
ориентируют с помощью цилиндрических металлических штырей 4, вставляемых в
отверстия приливов у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 1, которые фиксируют с
помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в
форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис. 47, д). Для
подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8–11. После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают,
извлекая отливку (рис. 47, ё).
Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов; углеродистые и легированные стали;
сплавы цветных металлов; медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и
магниевые сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые,
вольфрамовые и др.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 47. Литейная форма и ее элементы:
а – литейная форма; б – тройник; в – литейный стержень; г – литейная модель;
д – стержневой ящик; е – отливка с литниковой системой
Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свойствами (высокой
жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.);
требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами. Выбор сплава для тех
или иных литых деталей является сложной задачей, поскольку все требования в
реальном производстве учесть не представляется возможным [7].
2.
Теоретические основы производства отливок
Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по
размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов.
Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная
и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и
образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.
Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном
состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки
и формы, свойств литейной формы и т. д.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие
твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость,
тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме, с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы
жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы
снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав [7].
Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных
технологических проб. Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъема пробки металл сначала сливается
в зумпф, а затем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают
длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.
Рис. 48. Спиральная проба (а) и литейная форма (б)
для определения жидкотекучести сплавов:
1,2 – нижняя и верхняя полуформы; 3 – заливочная чаша; 4 – графитовая пробка
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и
охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки.
Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.
Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением, %:
,
где
и
(5)
– размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С.
На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.
Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и
кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния, усадку отливок – снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода
теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки [7].
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение
усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и
формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются
совместному воздействию механического и термического торможения.
Рис. 49. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9–1,%, для углеродистых сталей 2–2,4 %, для алюминиевых сплавов 0,9–1,5%, для медных 1,4–2,3%.
Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной
форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением,
%,
,
где
и
(6)
– объем полости формы и объем отливки при температуре 20 °С.
Объемная
усадка
приблизительно
равна
утроенной
линейной
усадке:
.
Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин
и короблений.
Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 49, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твердого металла. Вследствие того что усадка
расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки,
уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а–а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень
жидкости опять понижается до уровня б–б. Так продолжается до тех пор, пока не
закончится процесс затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании
приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3. Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых
металлов, сплавов эвтектического состава (сплав АЛ2) и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).
Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла (рис. 49, б). Вблизи температуры
солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек
2, заключающих в себе остатки жидкой фазы 3. Затвердевание небольшого объема
металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 1. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует
пористость, которая располагается по границам зерен металла.
Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до
полного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибылирезервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними. На рис. 50, а прибыль 1 не может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки 3. В этом месте образуется усадочная раковина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 4 (рис. 50, б) предупреждает образование
усадочной раковины и пористости.
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильников 5 (рис. 50, в) или внутренних
холодильников 6 (рис. 50, г).
Наружные холодильники (рис. 50, в) устанавливают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой
теплоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливки происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости.
Внутренние холодильники (рис. 50, г) устанавливают внутрь полости формы,
образующей массивные части отливки.
Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с
основным металлом.
В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если
величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в
данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины.
Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен
противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая
форма отливки.
Рис. 50. Способы предупреждения усадочных раковин и пористости в отливках
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки
металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к
температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин
увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызывают
резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие
части и т. д. Высокая температура заливки способствует увеличению зерна металлической структуры и увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что повышает вероятность образования трещин.
Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо
создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры;
обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава и т. д.
Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав
полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее,
чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают
появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава,
чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях). Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников;
применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг отливок
и т. п.
Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних
напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и повышении скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное охлаждение между отдельными частями отливки и различную усадку. Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения короблений в отливках
необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.
В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать
значительное количество водорода, кислорода, азота и других газов из оксидов и
влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей среды, при заливке металла в форму и т. д.
В жидких металлах и сплавах растворимость газов с увеличением температуры
повышается. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность или остаться в отливке,
образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок. При заливке расплавленного
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
металла движущийся расплав может захватывать воздух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые стенки каналов литниковой системы. Кроме
того, газы могут проникать в металл из формы при испарении влаги, находящейся в
формовочной смеси, при химических реакциях на поверхности металл-форма и т.д.
Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и
другими способами, а также увеличивать газопроницаемость литейных форм и
стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д. [7].
3. Модельный комплект
Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комплект включают модели, модельные плиты,
стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и другие приспособления.
Литейная модель (рис. 51, а) – приспособление, при помощи которого в литейной форме получают полость с формой и размерами близкими к конфигурации получаемой отливки. Литейные модели бывают неразъемными, разъемными, с отъемными частями и др.
Модельная плита (рис. 51, б) – металлическая плита с закрепленными на ней
моделями и элементами литниковой системы. Ее применяют, как правило, при
машинной формовке.
Рис. 51. Литейная модель (а), модельная плита (б) и стержневой ящик (в) для
корпуса вентиля: 1 – центрирующие шипы; 2 – стержневые знаки; 3 – центрирующие штыри; 4 – металлическая плита; 5 – модели отливок; 6 – модели элементов литниковой системы
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стержневой ящик (рис. 51, в) – приспособление, служащее для изготовления
стержней. Стержневые ящики бывают цельными, разъемными, вытряхными и др.
Исходным документом для разработки чертежа модельно-литейных указаний
является чертеж детали (рис. 52, а), на котором указаны разъем модели и формы,
положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку,
формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы
стержней и т. п.
Поверхность разъема модели и формы должна обеспечивать свободное извлечение модели из формы при минимальном числе стержней и отъемных частей. При
этом обрабатываемые поверхности отливки должны находиться преимущественно
в нижней полуформе, что гарантирует получение плотной обрабатываемой части
отливки. На чертеже поверхность разъема модели и формы обозначают линией
РМФ и стрелками направления верха (В) и низа (Н) (рис. 52, б).
Припуск на механическую обработку – слой металла, удаляемый в процессе
механической обработки отливки с ее обрабатываемых поверхностей для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности детали. Припуск на
механическую обработку зависит от материала отливки, способа ее изготовления,
расположения отливки в форме и наибольшего габаритного размера литой детали.
На чертежах припуск на механическую обработку показывают тонкой линией и
указывают его величину (рис. 52, б).
Рис. 52. Чертежи детали (а) и литейно-модельных указаний (б) для корпуса вентиля
Формовочные уклоны 4 служат для удобства извлечения модели из формы без
ее разрушения и для свободного удаления стержня из стержневого ящика. Уклоны
выполняют в направлении извлечения модели из формы. Величина уклона зависит
от материала модели, способа изготовления отливки и высоты боковой поверхности и составляет 0,5–3°. Величину уклона указывают на чертеже (рис. 52, б).
Галтели 5 (рис. 52, б) – скругления внутренних углов поверхностей модели.
Галтели облегчают извлечение модели из формы, предотвращают появление тре131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щин и усадочных раковин в отливке. Радиус галтели К принимают от 1/5 до 1/3
средней арифметической толщины стенок, образующих угол модели.
При разработке литейно-модельных указаний в чертеже обозначают все стержни 3, форму и размеры стержневых знаков 2, границы стержней, указывают плоскости набивки стержней, каналы для сбора газов и места их вывода из стержня.
Конфигурация стержневых знаков и их размеры должны обеспечивать легкую
установку стержней в форму и их устойчивость. С этой целью предусматривают
специальные замки. Припуски на механическую обработку, формовочные уклоны,
галтели, размеры стержневых знаков регламентированы ГОСТами.
Модели и стержневые ящики для единичного и серийного производств изготовляют деревянными, а для массового производства – из чугуна, алюминиевых
сплавов, пластмассы.
На рис. 53 показана последовательность процесса изготовления разъемной деревянной модели корпуса вентиля, отливаемого из серого чугуна, а на рис. 54 – последовательность изготовления стержневого ящика к модели корпуса вентиля, состоящего из двух симметричных половинок.
Металлические модели, модельные плиты и стержневые ящики изготовляют из
литых заготовок, полученных литьем в песчаные формы по деревянным моделям.
Заготовки затем обрабатывают на универсальных токарных, фрезерных, шлифовальных, сверлильных и других станках. После обработки модели монтируют на
заранее подготовленных плитах.
Металлические модельные плиты и стержневые ящики используют в массовом и крупносерийном производствах. Они более долговечны, точны, имеют малую
шероховатость поверхности и не деформируются при хранении.
Изготовление литейных форм с применением металлических модельных плит и
стержневых ящиков обеспечивает большую точность и хорошее качество поверхности отливок [7].
Рис. 53. Последовательность обработки и сборки модели корпуса вентиля
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Формовочные и стержневые смеси
Формовочные материалы – это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей. В
качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины. Глины обладают связующей способностью и термохимической устойчивостью, что позволяет получать отливки без пригара. Если
глина не обеспечивает необходимых свойств смесей, применяют различные связующие материалы. Кроме того, используют противопригарные добавки (каменноугольную пыль, графит), защитные присадочные материалы (борную кислоту, серный цвет) и другие добавки.
Формовочная смесь – это многокомпонентная смесь формовочных материалов,
соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных
форм. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.
Облицовочная смесь – это формовочная смесь, используемая для изготовления
рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных
формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические
свойства.
Наполнительная смесь – это формовочная смесь для наполнения формы после
нанесения на модель облицовочной смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси, с малым количеством исходных формовочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси используют при изготовлении крупных и сложных отливок.
Единая смесь – это формовочная смесь, применяемая одновременно в качестве
облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной
формовке и на автоматических линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приготовляют из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей
связующей способностью, чтобы обеспечить их долговечность.
По роду заливаемого металла различают формовочные смеси для стального,
чугунного и цветного литья.
Формовочные смеси должны иметь высокую огнеупорность, достаточную
прочность и газопроницаемость, пластичность, податливость и т. д.
Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться размягчению или
расплавлению под воздействием температуры расплавленного металла. Чем крупнее песок, тем меньше в нем примесей и пыли и чем больше кремнезема, тем более
огнеупорна смесь. При низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется
пригар – прочное соединение формовочной или стержневой смеси с поверхностью
отливки.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 54. Последовательность изготовления стержневого ящика
и модели корпуса вентиля
Прочность – способность материала формы не разрушаться при извлечении
модели из формы, транспортировании и заливке форм. Прочность формовочной
смеси увеличивается с увеличением содержания глины, с уменьшением размеров
зерен песка, плотности.
Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, а
также чем меньше содержание глины в формовочной смеси.
Пластичность – способность деформироваться без разрушения и точно воспроизводить отпечаток модели. Пластичность смеси увеличивается с повышением
в ней (до определенного предела) связующих материалов и воды, а также песка с
мелкими зернами.
Податливость – способность формы или стержня сжиматься при усадке отливки.
Стержневая смесь – это многокомпонентная смесь формовочных материалов,
соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных
стержней. Стержни при заливке расплавленного металла испытывают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой, поэтому
стержневые смеси должны иметь более высокую огнеупорность, газопроницае134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мость, податливость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д.
Стержневые смеси в зависимости от способа изготовления стержней разделяют
на смеси с отверждением стержней тепловой сушкой; с отверждением стержней в
нагреваемой оснастке, жидкие самотвердеющие смеси; жидкостекольные смеси,
отверждаемые углекислым газом; холоднотвердеющие смеси на синтетических
смолах.
Стержневые смеси, отверждающиеся при тепловой сушке, приготовляют из
кварцевого песка и связующих материалов, в качестве которых используют различные органические и неорганические материалы.
Стержневые смеси, отверждающиеся в нагреваемой оснастке, приготовляют из
кварцевого песка с использованием синтетических смол и катализаторов.
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), используемые для изготовления как
литейных стержней, так и литейных форм, приготовляют из кварцевого песка, отвердителей (шлаков фер-рохромистого производства), связующих материалов
(жидкое стекло, синтетические смолы), поверхностно-активных веществ. При интенсивном перемешивании компонентов смеси образуется пена, которая разделяет
зерна песка, уменьшает силы трения между ними, что и придает смеси свойство
текучести. Такие смеси сохраняют текучесть обычно в течение 9–10 мин. За это
время смесь должна быть разлита по формам или стержневым ящикам. Через 20–30
мин смесь становится прочной.
Жидкостекольные смеси, используемые для изготовления литейных стержней
и литейных форм, приготовляют из кварцевых песков с содержанием не более 3,5%
глины, связующего материала – жидкого стекла с добавкой 10%-ного раствора
едкого натра. Отверждение смеси осуществляется продувкой углекислым газом.
Холоднотвердеющие смеси (ХТС), используемые для стержней, приготовляют
из кварцевого песка, связующих материалов – карбамидофурановых, фенолоформальдегидных смол и др. В качестве катализаторов применяют ортофосфорную или
азотную кислоту и ее соли. Продолжительность отверждения смесей составляет 1–
20 мин.
Приготовляют формовочные и стержневые смеси перемешиванием компонентов смеси в течение 5–12 мин с последующим их выстаиванием в бункерах. В современных литейных цехах приготовление формовочных и стержневых смесей
осуществляется на автоматизированных установках. Все операции приготовления
смесей – просушка, дробление и просеивание формовочных материалов, отделение
металлических включений, подача в смесители компонентов смеси, перемешивание
их, разрыхление и подача готовой смеси к формовочным машинам – осуществляются автоматически.
Смеси ЖСС и ХТС приготовляют в специальных шнековых смесителях, размещенных непосредственно в формовочном или стержневом отделениях из-за того,
что готовая смесь должна быть немедленно (не позднее 2 мин) использована для
изготовления форм и стержней [7].
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Литниковые системы
Литниковая система – это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную
подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.
В зависимости от конфигурации и толщины стенок отливок 5 и состава заливаемого сплава расплавленный металл в полость литейной формы подводят сбоку
(рис. 55, а), снизу (рис. 55, б) или сверху (рис. 55, в). Литниковая система обычно
состоит из литниковой чаши 4, вертикального канала-стояка 3, шлакоуловителя 2,
питателей 1, выпора 6. При подводе металла снизу или сверху используют массивные коллекторы 7 [7].
Рис. 55. Способы подвода расплавленного металла в полость литейной формы
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 3
Тема: Термическая сварка

Вопросы
1. Дуговая сварка.
2. Ручная дуговая сварка.
3. Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса.
4. Сварка в защитном газе.
5. Плазменная сварка.
6. Газовая сварка.
1. Дуговая сварка
Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или
совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.
Сварка – экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной
степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения [7].
Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных
связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок.
Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных
на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей
на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.
Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и
других видов воздействия. В результате поверхностные атомы металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовок
кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение
частей молекулярных цепей.
В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса; термический, термомеханический и механический.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с
использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).
К терм о механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).
К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при
установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия заданных
свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их
склонностью к образованию таких сварочных дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно и плохо сваривающиеся. Многие разнородные материалы, особенно
металлы с неметаллами, не вступают во взаимодействие друг с другом. Такие материалы относятся к числу практически несваривающихся.
Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами
структуры, возникающей в сварном соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура,
идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Этому случаю соответствует хорошая свариваемость материалов. При сварке разнородных материалов в
зависимости от различия их физико-химических свойств в места соединения образуется твердый раствор с решеткой одного из материалов либо химическое или интерметаллидное соединение с решеткой, резко отличающейся от решеток исходных
материалов. Механические и физические свойства твердых растворов, особенно
химических или интерметаллидных соединений, могут значительно отличаться от
свойств соединяемых материалов. Такие материалы относятся к удовлетворительно
сваривающимся. Если образуются хрупкие и твердые структурные составляющие в
сварном соединении, то в условиях действия сварочных напряжений возможно
возникновение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае материалы относятся к категории плохо сваривающихся.
Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая
горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического
тока различают следующие способы дуговой сварки: сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис, 56, а),
при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4; сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 56, б) с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну
жидким металлом; сварка косвенной дугой 5 (рис. 56, в), горящей между двумя, как
правило, неплавящимися электродами 1; при этом основной металл 3 нагревается и
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расплавляется теплотой столба дуги; сварка трехфазной дугой 6 (рис. 56, г), при
которой дуга горит между электродами 1, а также между каждым электродом и основным металлом 3. Питание дуги осуществляется постоянным или переменным
током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной
полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором – к положительному (анод).
Рис. 56. Схемы дуговой сварки
Кроме того, различные способы дуговой сварки классифицируют также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.
Дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере
газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3–6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рис. 57, а) выполняется для разогрева
торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 57, б) с его разогретого торца (катода) под действием электрического
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за
счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой
промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого
дугового разряда (рис. 57, в).
Рис. 57. Схема процесса зажигания дуги
Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток,
обеспечивающего его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на
короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при
сварке неплавящимся электродом [7].
Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода и состава газов в
дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен приближается к температуре
кипения металла электродов. Эти температуры для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~6000 и ~3000 К. При этом в анодной области
дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.
Полная тепловая мощность дуги, Дж/с
,
140
(7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где К – коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для постоянного тока равен единице, для переменного тока 0,7–0,97);
– сварочный ток, А; . –
напряжение дуги, В.
Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление
электрода и основного металла, часть ее теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду. Часть мощности дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги, Дж/с:
,
(8)
где η – КПД дуги, представляющий собой отношение эффективной мощности дуги
к полной; величина η зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов (для автоматической сварки под флюсом, электрошлаковой, ручной дуговой
покрытым электродом и сварки в защитных газах среднее значение соответственно
равно 0,9; 0,7; 0,8 и 0,6).
Для оценки затрат тепловой энергии на образование единицы длины шва или
единицы площади соединения при однопроходной сварке используют величины
погонной
и удельной погонной энергии
(
– скорость сварки, см/с; δ
– толщина заготовки, см).
Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током
дуги в состоянии устойчивого горения (рис. 58, а). Характеристика состоит из трех
участков: / – характеристика падающая, // – жесткая, /// – возрастающая. Самое широкое применение нашла дуга с жесткой и возрастающей характеристиками. Дуга с
падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение. В
последнем случае для поддержания горения дуги необходимо постоянное включение в сварочную цепь осциллятора. Каждому участку характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в
сварочную ванну: / и // – крупнокапельный, /// – мелкокапельный или струйный.
Для дуги с жесткой характеристикой напряжение Uд пропорционально ее длине:
где
– длина дуги (0 <
< 8 мм); α и β– опытные коэффициенты, зависящие от
рода металла и газа в дуговом промежутке и других факторов (для стальных электродов α = 10 В; β=2 В/мм).
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 58. Статическая вольт-амперная характеристика дуги (а)
и зависимость напряжения дуги
от ее длины
(б)
Из приведенной зависимости следует, что для сохранения напряжения дуги неизменным необходимо длину дуги поддерживать постоянной (рис. 58, б).
В дальнейшем рассмотрена главным образом дуга с жесткой характеристикой
как наиболее распространенная при сварке.
Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную
внешнюю характеристику. Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи.
Внешние характеристики могут быть следующих основных видов: падающая 1, полого-падающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4 (рис. 60, а).
Источник тока выбирают в зависимости от вольт-амперной характеристики дуги, соответствующей принятому способу сварки. Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источники с падающей или пологопадающей внешней
характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника тока 1 (рис. 60, 6).
Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А – режиму
холостого хода в работе источника тока в период, когда дуга не горит и сварочная
цепь разомкнута. Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением (60–80 В). Точка О соответствует режиму короткого замыкания при зажигании
дуги и ее замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание
характеризуется малым напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но
ограниченным током.
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 60. Внешние характеристики источников сварочного тока (а) и соотношение
характеристик дуги и падающей характеристики источника тока при сварке (б)
Источники сварочного тока с падающей характеристикой необходимы для облегчения зажигания дуги за счет повышенного напряжения холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как колебания ее длины и напряжения (особенно значительные
при ручной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного тока, а
также для ограничения тока короткого замыкания, чтобы на допустить перегрева
токоподводящих проводов и источников тока. Наилучшим образом приведенным
требованиям удовлетворяет источник тока с идеализированной внешней характеристикой 5 (рис. 60).
Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей характеристикой
применяют источники сварочного тока с жесткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повышенной плотности).
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и
генераторы). Источники переменного тока более распространены, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ. Сварочные трансформаторы проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем
выпрямители и генераторы постоянного тока. Однако в некоторых случаях (сварка
на малых токах покрытыми электродами и под флюсом) при питании переменным
током дуга горит неустойчиво, так как через каждые 0,01 с напряжение и ток дуги
проходят через нулевые значения, что приводит к временной деионизации дугового
промежутка. Постоянный ток предпочтителен в технологическом отношении: при
его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия
сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести
сварку на прямой и обратной полярностях и т. д. Последнее вследствие большего
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тепловыделения в анодной области дуги позволяет проводить сварку сварочными
материалами с тугоплавкими покрытиями и флюсами.
По сравнению с выпрямителями сварочные преобразователи имеют более низкий КПД и менее удобны в эксплуатации ввиду наличия вращающихся частей. Преобразователи применяют только для ручной и полуавтоматической сварки. Преобразователи эффективны при сварке в монтажных условиях и на открытом воздухе.
Сварочные агрегаты состоят из двигателя внутреннего сгорания и сварочного
генератора постоянного тока. Агрегаты монтируют на подвижных платформах и
используют в монтажных и полевых условиях для ручной сварки [7].
2. Ручная дуговая сварка
Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 61) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и
основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие
электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая
ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна
затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.
В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легирующих элементов, например
углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавленного металла
кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно
изменение состава сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижение его механических свойств, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие
вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 61. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом
Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного
металла и протекает путем роста столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом
оси кристаллита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности движущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытягиваются в направлении сварки (рис. 62). Вследствие дендритной ликвации примеси
располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие
эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва
и в отдельных случаях может быть причиной образования горячих трещин [7].
Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на
них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного
качества. Стандарт на стальную сварочную проволоку предусматривает 77 марок
проволок» диаметром 0,2–12 мм. Сварочную проволоку всех марок в зависимости
от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистую (Св-08А, Св-08ГС и др.).
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св06Х19Н10МЗТ; Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки «Св» означает слово
«сварочная», буквы и цифры – ее марочный состав.
Рис. 62. Столбчатые кристаллиты в сварном шве:
1 – сварочная ванна; 2 – изотерма кристаллизации шва; 3 – столбчатый кристаллит
Сварочную проволоку используют также при автоматической дуговой сварке
под флюсом, сварке плавящимся электродом в среде защитных газов и как присадочный материал при дуговой сварке неплавящимся электродом и газовой сварке.
Покрытия электродов предназначены для обеспечения стабильного горения дуги,
защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и получения металла шва
заданного состава и свойств. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.
Электроды классифицируют по назначению и виду покрытия. По назначению
стальные электроды подразделяют на пять классов: для сварки углеродистых и
низколегированных конструкционных сталей с
600 МПа, легированных конструкционных сталей с ≥ 600 МПа, легированных жаропрочных сталей, высоколегированных сталей с особыми свойствами и для наплавки поверхностных слоев с
особыми свойствами. Электроды для сварки конструкционных сталей делят на типы Э38, Э42, ..., Э150. Цифры в обозначении типа электрода означают
наплав-1
ленного металла в 10 МПа. В обозначение типов электродов для сварки жаропрочных и высоколегированных сталей и наплавочных входит марочный состав
наплавленного металла (Э-09МХ, Э-10Х5МФ, Э-08Х20Н9Г2Б, Э-10Х20Н70Г2М2В,
Э-120Х12Г2СФ, Э-350Х26Г2Р2СТ и др.).
По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым, рутиловым, основным и целлюлозным покрытием.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Режим ручной дуговой сварки. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сварочный ток (А), который выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:
,
(9)
где – опытный коэффициент, равный 40–60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35–40 для электродов со стержнем из высоколегированной
стали, А/мм; – диаметр стержня электрода, мм.
Диаметр электродов выбирают, исходя из толщины стали δ:
δ, мм . . .
1–2
3–5
4–10 12 – 24 и более.
, мм . . . 2 – 3
3–4
4–5
5–6
При толщине стали до 6 мм сваривают по зазору без разделки кромок заготовки. При больших толщинах металла выполняют одностороннюю или двустороннюю разделку кромок под углом 60°. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. Металл толщиной свыше 10 мм сваривают многослойным
швом. Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в
любых пространственных положениях – нижнем, вертикальном, горизонтальном,
потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы Ручная сварка обеспечивает
хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью,
например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.
Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение
тока сверх рекомендованного значения приводит к -разогреву стержня электрода,
отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов [7].
3. Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса
Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую
электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.
Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.
В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 63) дуга 10 горит между
проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого
металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30–50 мм. Часть
флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а
на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака 4. Для сварки под
флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Действие мощной
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки.
По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва 7, покрытого твердой
шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи 2 и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.
Рис. 63. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом
Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с
ручной дуговой сваркой состоят в повышении производительности процесса сварки
в 5–20 раз, качества сварных соединений и уменьшении себестоимости 1 м сварного шва. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение
непокрытой проволоки позволяет приблизить токопровод на расстояние 30–50 мм
от дуги и тем самым устранить опасный разогрев электрода при большой силе тока.
Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар
расплавленного металла. Увеличение силы тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок.
Повышенное качество сварных швов обусловлено получением более высоких
механических свойств наплавленного металла благодаря надежной защите сварочной ванны флюсом, интенсивному раскислению и легированию вследствие увели148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшением формы и поверхности сварного шва и
постоянством его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки, механизированной подачи и перемещения электродной проволоки.
Флюсы служат для изоляции сварочной ванны от атмосферы воздуха, обеспечения устойчивого горения дуги, формирования поверхности шва и получения заданных состава и свойств наплавленного металла. Флюсы классифицируют по назначению, химическому составу и способу изготовления. По назначению они разделяются на флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей,
легированных и высоколегированных сталей [7].
4. Сварка в защитном газе
При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены
струей защитного газа.
В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда – смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее распространено применение аргона Аг и углекислого
газа СО2.
Аргон – бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха, нерастворим в жидких и
твердых металлах. Аргон выпускают высшего и первого сортов, имеющих соответственно чистоту 99,992 и 99,987%. Поставляют и хранят аргон в стальных баллонах в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа.
Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха,
нерастворим в твердых и жидких металлах. Выпускают углекислый газ сварочный,
пищевой и технический, имеющие соответственно чистоту 99,5, 98,5 и 98,0%. Для
сварки газ поставляют и хранят в стальных баллонах в сжиженном состоянии под
давлением 7 МПа.
Аргонодуговой сваркой можно сваривать неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,5–6 мм; плавящимся электродом – от 1,5 мм и более. В
аргоне неплавящимся вольфрамовым электродом (Тпл = 3370 °С) можно сваривать с
расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости получения усиления шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3
мм) – и присадочного материала (прутка или проволоки). Последний подают в дугу
вручную или механизмом подачи [7].
Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном токе прямой полярности. В этом случае дуга легко зажигается и горит устойчиво при напряжении
10–15 В. При обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость ее горения и снижается стойкость электрода. Эти особенности дуги обратной полярности делают ее непригодной для непосредственного применения в
сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает одним важным
технологическим свойством: при ее действии с поверхности свариваемого металла
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
удаляются оксиды. Одно из объяснений этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона,
которые механически разрушают пленки оксидов. Процесс удаления оксидов также
известен как катодное распыление. Указанные свойства дуги обратной полярности
используют при сварке алюминия, магния и их сплавов, применяя для питания дуги
переменный ток.
При сварке неплавящимся электродом на переменном токе сочетаются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях. Однако асимметрия электрических свойств дуги, обусловленная ее меньшей электрической проводимостью при
обратной полярности по сравнению с прямой, приводит к ряду нежелательных явлений. В результате выпрямляющей способности дуги появляется постоянная составляющая тока прямой полярности. В этих условиях дуга горит неустойчиво,
ухудшается очистка поверхности сварочной ванны от тугоплавких оксидов и нарушается процесс формирования шва. Поэтому для питания дуги в аргоне переменным током применяют специальные источники тока. В их схему включают стабилизатор горения дуги – электронное устройство, подающее импульс дополнительного напряжения на дугу в полупериод обратной полярности. Таким образом,
обеспечивается устойчивость дуги, постоянство тока и процесса формирования шва
на обеих полярностях тока.
Сварку сталей часто выполняют в смеси Аг + 5 % О2. Кислород уменьшает поверхностное натяжение расплавленного металла, что способствует снижению критической плотности тока, при которой капельный перенос металла переходит в
струйный. Одновременно повышается устойчивость горения дуги при относительно небольших токах, что облегчает сварку металла малой толщины.
Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности (рис. 5.11, в, г). Такой режим обусловлен теми же особенностями переноса электродного металла и
формирования шва, которые рассмотрены для сварки плавящимся электродом в
аргоне. При применении СО2 в качестве защитного газа необходимо учитывать некоторые металлургические особенности процесса сварки, связанные с окислительным действием СО2. При высоких температурах сварочной дуги СО3 диссоциирует
на оксид углерода СО и кислород О, который, если не принять специальных мер,
приводит к окислению свариваемого металла и легирующих элементов. Окислительное действие О нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей марганца и кремния. Поэтому для сварки в СО2 углеродистых
и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих элементов (Св-08ГС, Св-10Г2С и т. д.). На поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей. Часто применяют смесь
СО2 + 10 % О2. Кислород играет ту же роль, что и при добавке в аргон.
Сварка в атмосфере защитных газов в зависимости от степени механизации
процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.
По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической
под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более
высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в углекислом газе.
Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.
В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. д.). Преимущество полуавтоматической сварки в СО2 с точки зрения ее стоимости и производительности часто
приводит к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами [7].
5. Плазменная сварка
Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный
поток частично или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10
000–20 000 °С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб
сжатой дуги. Дуга горит в узком канале сопла горелки, через который продувают
газ. При этом столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности
энергии и температуры. Газ, проходящий через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи. В качестве
плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси. Газ выбирают в зависимости от процесса обработки и вида обрабатываемого
материала.
Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю,
выделенную из столба косвенной дуги, и плазменную дугу, в которой дуга прямого
действия совмещена с плазменной струей. Соответственно применяют две схемы
плазменных горелок. В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 и соплом 4, к которому подключен положительный полюс источника тока (рис. 64, а). Электрод изолирован от корпуса горелки
керамической прокладкой 3. Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит ярко светящаяся плазменная струя 5. Горелка питается постоянным током прямой полярности от источников с падающей характеристикой. Дугу зажигают с помощью осциллятора.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления
поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена и ее
применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропровод151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных материалов, а также напыления тугоплавких материалов па поверхность заготовок. Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим
соплом 6, через который подается защитный газ. Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 64, б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и заготовкой 7. Для облегчения зажигания дуги вначале возбуждается маломощная вспомогательная дуга
между электродом и соплом. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока. Как только возникшая плазменная струя коснется
заготовки, зажигается основная дуга, а вспомогательная выключается. Плазменная
дуга, обладающая большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, имеет более широкое применение при обработке материалов. Ее используют
для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама и других материалов. Плазменную дугу применяют для резки материалов,
особенно тех, резка которых другими способами затруднена, например меди, алюминия и др. С помощью плазменной дуги наплавляют тугоплавкие материалы на
поверхность заготовок.
Рис. 64. Схемы процесса получения плазменных источников нагрева: а – плазменной
струи, выделенной из дуги; б – плазменной дуги, совмещенной с плазменной струей
По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом плазменная
дуга имеет ряд преимуществ. Во-первых, она является более концентрированным
источником теплоты и вследствие этого обладает большей проплавляющей способностью. Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без раздел152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки кромок и применения присадочного металла. При этом снижается тепловое
влияние дуги на свариваемый металл и уменьшаются сварочные деформации. Вовторых, плазменная дуга обладает более высокой стабильностью горения, что
обеспечивает повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять так
называемую микроплазменную сварку металла толщиной 0,025–0,8 мм на токах
0,5–10 А.
В-третьих, увеличивая ток и расход газа, можно получить так называемую проникающую плазменную дугу. В этом случае резко возрастет тепловая мощность
дуги, скорость истечения и давление плазмы. Такая дуга дает сквозное проплавление и выдувает расплавленный металл (процесс резки). Недостаток плазменной
сварки – недолговечность горелок вследствие частого выхода из строя сопел и
электродов [7].
6. Газовая сварка
При сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем (рис. 65). При нагреве газосварочным пламенем 4 кромки
свариваемых заготовок 1 расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне. Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода.
Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой
цвет с черной надписью «Кислород».
Рис. 65. Схема газовой сварки
Кислородный баллон (рис. 66) представляет собой стальной цилиндр со сферическим днищем 6 и горловиной 4 для крепления запорного вентиля 2. На нижнюю часть баллона насаживают башмак 5, позволяющий ставить баллон верти153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кально. На горловине имеется кольцо 3 с резьбой для навертывания защитного
колпака 1. Средняя жидкостная вместимость баллона 40 дм3. При давлении 15 МПа
он вмещает ~6000 дм3 кислорода.
Рис. 66. Схема газового баллона
Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянной
величины рабочего давления применяют газовые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, а ацетиленовые – от 1,6 до 0,02 МПа.
Редукторы, применяемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один
из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, второй – на выходе из него.
Редукторы для различных газов отличаются лишь устройством присоединительной части, которая соответствует устройству вентиля соответствующего баллона. Корпус редуктора окрашивают в определенный цвет, например в голубой для
кислорода, в белый для ацетилена и т. д. К сварочной горелке кислород от редуктора подают через специальные резиновые шланги.
В качестве горючих газов можно также применять природные газы, водород,
пары бензина и керосина, нефтяные газы и др. Перечисленные горючие газы могут
быть использованы главным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени. Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он
имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и вы154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сокую температуру пламени (3200 °С). Ацетилен (С2Н2) – горючий газ с низшей
теплотой сгорания 54 кДж/м3. Его получают в специальных аппаратах – газогенераторах – при взаимодействии воды с карбидом кальция:
СаС2 + 2Н2О
Са(ОН)2 + С2Н2 + д.
При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250–300 дм3 ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне (в одном объеме ацетона при давлении 0,15 МПа растворяется 23
объема ацетилена). Последнее свойство используют для его безопасного хранения в
баллонах.
Ацетиленовые генераторы могут быть различных систем и размеров, их различают по способу взаимодействия воды и карбида кальция, по давлению выходящего газа, по производительности.
Наиболее простая конструкция у генератора системы вода на карбид, при которой воду периодически подают на карбид, насыпанный в открытую сверху корзинку. Корзинку помещают в горизонтальную цилиндрическую реторту, герметически
закрывающуюся снаружи.
На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают
предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникание кислородноацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при его обратном ударе. Обратный удар возникает, когда скорость истечения газов становится меньше скорости
их горения. Практически обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжектора.
Ацетиленовые, генераторы взрывоопасны и нуждаются в специальном обслуживании. При работе одного-двух сварочных постов и в полевых условиях целесообразно использовать баллонный ацетилен. Ацетиленовые баллоны окрашивают в
белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацетилен». Их конструкция
аналогична конструкции кислородных баллонов. Давление ацетилена в баллоне 1,5
МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу
и становится безопасным.
Газосварочные горелки используют для образования газосварочного пламени. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она
более безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рис. 67). В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1–0,4 МПа через регулировочный вентиль 6
и трубку 7 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала
инжекторного конуса, кислород создает значительное разрежение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль 8 в ацетиленовые каналы горелки 9 и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется сварочное пламя.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 67. Схема газосварочной инжекторной горелки
Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами
выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени. Обычно горелки имеют семь номеров
сменных наконечников.
Газосварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 68): ядра пламени 1, средней зоны
2 (сварочной), факела пламени 3 (I – длина).
Рис. 68. Газосварочное пламя
На рисунке показано строение газосварочного пламени и распределение температуры по его оси. В зоне / происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 – первая стадия
горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона:
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С2Н2 + О2
2СО + Н2.
Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной, или рабочей, зоной. В зоне 3 (факеле)
протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода:
2СО + Н2 + (3/2)О2 = 2СО2 + Н2О.
Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют металл, поэтому эту зону называют окислительной. Газосварочное пламя называется нормальным, когда соотношение газов О2/С2Н2 ≈1. Нормальным пламенем сваривают
большинство сталей. При увеличении содержания кислорода (О2/С2Н2 > 1) пламя
приобретает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя
обладает окислительными свойствами и может быть использовано только при
сварке латуни. В этом случае избыточный кислород образует с цинком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых препятствует дальнейшему
испарению цинка.
При увеличении содержания ацетилена (О2/С2Н2< 1) пламя становится коптящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглероживающим и применяют для сварки чугуна и цветных металлов, так как в этом случае компенсируется выгорание углерода и восстанавливаются оксиды цветных металлов.
Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от
состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные
литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий – литые стержни
из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки
меди и ее сплавов – кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки
алюминиевых сплавов – бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых
солей лития, калия, натрия и кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и
образования шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во
флюсы можно вводить элементы, раскисляющие и легирующие наплавленный металл.
Для сварки латуни применяют газофлюсовую сварку с дозированной подачей в
сварочную ванну газового флюса. Флюс, представляющий собой эфир борной кислоты (ВОСНз), подают в ацетиленовый канал сварочной горелки, где он сгорает в
пламени и образует борный ангидрид, связывающий оксиды цинка. В результате
образуется слой шлака, препятствующий дальнейшему выгоранию цинка. При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2–3
мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения, например инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных
и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла производительность га157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые
изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки [7].
ЛЕКЦИЯ 4
Тема: Технология обработки резанием

Вопросы
1. Классификация движений в металлорежущих станках.
2. Режим резания и геометрия срезаемого слоя.
3. Элементы токарного проходного резца.
4. Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания и качество обработанной поверхности.
5. Физическая сущность процесса резания.
6. Силы резания.
1. Классификация движений в металлорежущих станках
Одна из главных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей
машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества
обработки деталей. Особенно большое внимание уделяется чистовым и отделочным технологическим методам обработки, объем которых в общей трудоемкости
обработки деталей постоянно возрастает. Наряду с механической обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергий.
Весьма прогрессивны комбинированные методы обработки.
Обработка металлов резанием – это процесс срезания режущим инструментом
с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой
геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости
поверхностей детали. Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Инструмент и
заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станков, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной головке.
Движения рабочих органов станков подразделяют на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки
слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания. К ним относят главное движение и движение подачи.
За главное принимают движение, определяющее скорость деформирования и
отделения стружки, за движение подачи – движение, обеспечивающее врезание ре158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по своему характеру вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают v,
величину подачи – s.
Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для
срезания с нее определенного слоя материала, называют установочными. К вспомогательным движениям относят транспортирование заготовки, закрепление заготовок и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов станка и др.
Для любого процесса резания можно составить схему обработки. На схеме условно изображают обрабатываемую заготовку, ее установку и закрепление на станке, закрепление и положение инструмента относительно заготовки, а также движения резания (рис. 69). Инструмент показывают в положении, соответствующем
окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверхность на схеме
выделяют другим цветом или утолщенными линиями.
Рис. 69. Схемы обработки заготовок:
а – точением; б – растачиванием; в – сверлением; г – фрезерованием; д – шлифованием
на круглошлифовальном станке; е – шлифованием на плоскошлифовальном станке
На схемах обработки показывают характер движений резания и их технологическое назначение, используя условные обозначения. Существуют подачи: про159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дольная snp, поперечная sn, вертикальная sв, круговая sкp, окружная s0 и др. В процессе резания на заготовке различают обрабатываемую поверхность 1, обработанную поверхность 3 и поверхность резания 2 (рис. 69, а)
Пространственную форму детали определяет сочетание различных поверхностей. Для облегчения обработки конструктор стремится использовать простые геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические и конические, шаровые, торовые, геликоидные. Геометрическая поверхность представляет собой совокупность последовательных положений (следов) одной производящей линии, называемой образующей, движущейся подругой производящей линии, называемой направляющей Например, для образования круговой цилиндрической поверхности
прямую линию (образующую) перемещают по окружности (направляющей). При
обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и направляющие
линии в большинстве случаев отсутствуют. Они воспроизводятся комбинацией
движений заготовки и инструмента, скорости которых согласованы между собой.
Движения резания являются формообразующими. Механическая обработка
заготовок деталей машин реализует четыре метода формообразования поверхностей. Образование поверхностей по методу копирования состоит в том, что
режущая кромка инструмента соответствует форме образующей обрабатываемой
поверхности детали (рис. 70, а). Направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки. Главное движение здесь является формообразующим. Движение
подачи необходимо для того, чтобы получить геометрическую поверхность определенного размера. Метод копирования широко используют при обработке фасонных поверхностей деталей на различных металлорежущих станках.
Рис. 70. Методы формообразования поверхностей
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Образование поверхностей по методу следов состоит в том, что образующая
линия 1 является траекторией движения точки (вершины) режущей кромки инструмента, а направляющая линия 2 – траекторией движения точки заготовки
(рис. 70, б). Движения резания формообразующие.
Образование поверхностей по методу касания состоит в том, что образующей
линией 1 служит режущая кромка инструмента (рис. 70, в), а направляющая линия
2 поверхности касательная к ряду геометрических вспомогательных линий – траекториям точек режущей кромки инструмента. Здесь формообразующим является
только движение подачи.
Образование поверхностей по методу обкатки (огибания) состоит в том, что
направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки. Образующая линия
1 получается как огибающая кривая к ряду последовательных положений режущей
кромки инструмента относительно заготовки (рис. 70, г) благодаря согласованию
двух движений подачи. Скорости движений согласуют так, что за время прохождения круглым резцом расстояния он делает один полный оборот относительно своей
оси вращения (рис. 70, г).
2. Режим резания и геометрия срезаемого слоя
При назначении режимов резания определяют скорость резания, подачу и глубину резания.
Скоростью резания v называют расстояние, пройденное точкой режущей
кромки инструмента относительно заготовки в единицу времени. Скорость резания
имеет размерность м/мин или м/с. Если главное движение вращательное (точение),
то скорость резания, м/мин:
v = πDзаг n / 1000,
(10)
где Dзаг – наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; п –
частота вращения заготовки в минуту.
Если главное движение возвратно-поступательное, а скорости рабочего и холостого ходов различны, то скорость резания, м/мин:
v = Lm (k + l)/1000,
(11)
где L – расчетная длина хода инструмента, мм; т – число двойных ходов инструмента в минуту; k – коэффициент, показывающий отношение скоростей рабочего и
холостого ходов.
Подачей s называют путь точки режущей кромки инструмента относительно
заготовки в направлении движения подачи за один оборот (рис. 71) либо один ход
заготовки или инструмента. Подача в зависимости от технологического метода обработки имеет размерность: мм/об – для точения и сверления; мм/дв. ход – для
строгания и шлифования.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глубиной резания t называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к последней. Глубину
резания задают на каждый рабочий ход инструмента относительно обрабатываемой
поверхности. Глубина резания имеет размерность мм.
При точении цилиндрической поверхности глубину резания определяют как
полуразность диаметров до и после обработки (рис. 71):
t = (Dзаг – d)/2,
(12)
где d – диаметр обработанной поверхности заготовки, мм.
Рис. 71. Элементы резания и геометрия срезаемого слоя
Форму срезаемого слоя материала рассмотрим на примере обтачивания цилиндрической поверхности на токарном станке. На рис. 71 показаны два последовательных положения резца относительно заготовки за время одного полного ее оборота. Резец срезает с заготовки материал площадью поперечного сечения fABCD
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
называемой номинальной площадью поперечного сечения срезаемого слоя fН, мм2.
Для резцов с прямолинейной режущей кромкой fН = fABCD = t s ,мм2.
Форма и размеры номинального сечения срезаемого слоя материала зависят от
sпр и t, углов φ и φ1 и формы режущей кромки. В процессе резания участвуют одновременно два движения, поэтому траекторией движения вершины резца относительно заготовки будет винтовая линия. Начав резание в точке А, резец вновь
встретится с этой образующей цилиндрической поверхности только в точке В. Следовательно, не вся площадь поперечного сечения материала fABCD будет срезана с
заготовки, а только часть ее, и на обработанной поверхности останутся микронеровности. Остаточное сечение врезаемого слоя f0 = fABE. Действительное сечение
срезаемого слоя материала fд = fBCDE будет меньше номинального fН на величину
площади осевого сечения микронеровностей.
Шероховатость – один из показателей качества поверхности – оценивается высотой, формой, направлением неровностей и другими параметрами. На шероховатость влияют режим резания, геометрия инструмента, вибрации, физикомеханические свойства материала заготовки.
К параметрам процесса резания относят основное (технологическое) время обработки, время, затрачиваемое непосредственно на процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки. При токарной обработке цилиндрической поверхности основное время То, мин, равно:
То = Li / (n sпр),
(13)
где L = l+l1 + l2 – путь режущего инструмента относительно заготовки в направлении подачи; l – длина обработанной поверхности, мм; l1 = t ctg φ – величина врезания резца, мм; φ – главный угол в плане токарного резца; l2 = 1…3 – выход резца
(перебег), мм; i – число рабочих ходов резца, необходимое для снятия материала,
оставленного на обработку.
3. Элементы токарного проходного резца
Токарный прямой проходной резец (рис. 72) имеет головку – рабочую часть I и
тело – стержень II, который служит для закрепления резца в резцедержателе. Головка резца образуется при заточке и имеет следующие элементы: переднюю поверхность 1, по которой сходит стружка; главную заднюю поверхность 2, обращенную к поверхности резания заготовки; вспомогательную заднюю поверхность
5, обращенную к обработанной поверхности заготовки; главную режущую кромку
3 и вспомогательную 6; вершину 4. Инструмент затачивают по передней и задним
поверхностям. Для определения углов, под которыми расположены поверхности
рабочей части инструмента относительно друг друга, вводят координатные плоскости (рис. 72). Основная плоскость (ОП) – плоскость, параллельная направлениям
продольной и поперечной подач. Плоскость резания (ПР) проходит через главную
режущую кромку резца, касательно к поверхности резания. Главная секущая плос163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кость (N – N) – плоскость, перпендикулярная к проекции главной режущей кромки
на основную плоскость. Вспомогательная секущая плоскость (N1 – N1) – плоскость,
перпендикулярная к проекции вспомогательной режущей кромки на основную
плоскость.
Рис. 72. Элементы токарного прямого проходного резца
Перечисленные элементы имеют и другие режущие инструменты. Кроме этих
элементов, инструменты могут иметь переходную (дополнительную) режущую
кромку, располагающуюся между главной и вспомогательной режущими кромками. В этом случае рабочая часть инструмента имеет переходную заднюю поверхность [7].
Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания и качество
обработанной поверхности
Углы резца (рис. 73) определяют положение элементов рабочей части относительно координатных плоскостей и друг друга. Эти углы называют углами резца в
статике. Углы инструмента оказывают существенное влияние на процесс резания и
качество обработки.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 73. Углы резца в статике
У токарного резца различают главные и вспомогательные углы, которые рассматривают, исходя из следующих условий: ось резца перпендикулярна к линии
центров станка; вершина резца находится на линии центров станка; совершается
главное движение резания.
Главный передний угол γ измеряют в главной секущей плоскости между следом передней поверхности и следом плоскости, перпендикулярной к следу плоскости резания. Передний угол γ оказывает большое влияние на процесс резания. С
увеличением угла γ уменьшается деформация срезаемого слоя, так как инструмент
легче врезается в материал, снижаются сила резания и расход мощности. Одновременно улучшаются условия схода стружки, а качество обработанной поверхности
заготовки повышается. Чрезмерное увеличение угла γ приводит к снижению прочности главной режущей кромки, увеличению износа вследствие выкрашивания, ухудшению условий теплоотвода от режущей кромки.
При обработке деталей из хрупких и твердых материалов для повышения стойкости резца следует назначать меньшие значения угла у, иногда даже отрицательные. При обработке деталей из мягких и вязких материалов передний угол увеличивают.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Главный задний угол α измеряют в главной секущей плоскости между следом
плоскости резания и следом главной задней поверхности. Наличие угла α уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, что уменьшает износ инструмента по главной задней поверхности.
Вспомогательный задний угол α1 измеряют во вспомогательной секущей плоскости между следом вспомогательной задней поверхности и следом плоскости,
проходящей через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно к основной плоскости. Наличие угла α1 уменьшает трение между вспомогательной задней
поверхностью инструмента и обработанной поверхностью заготовки.
Главный угол в плане φ – угол между проекцией главной режущей кромки на
основную плоскость и направлением подачи – оказывает значительное влияние на
шероховатость обработанной поверхности. С уменьшением угла φ шероховатость
обработанной поверхности снижается. Одновременно увеличивается активная рабочая длина главной режущей кромки. Сила и температура резания, приходящиеся
на единицу длины кромки, уменьшаются, что снижает износ инструмента. С
уменьшением угла φ возрастает сила резания, направленная перпендикулярно к
оси заготовки и вызывающая ее повышенную деформацию. С уменьшением угла φ
возможно возникновение вибраций в процессе резания, снижающих качество обработанной поверхности.
Вспомогательный угол в плане φ1 – угол между проекцией вспомогательной
режущей кромки на основную плоскость и направлением, обратным движению подачи. С уменьшением угла φ1 шероховатость обработанной поверхности снижается,
увеличивается прочность вершины резца и снижается его износ.
Угол наклона главной режущей кромки λ измеряют в плоскости, проходящей
через главную режущую кромку резца перпендикулярно к основной плоскости,
между главной режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости. С увеличением угла λ качество обработанной поверхности ухудшается.
Углы γ, α, φ и φ1 могут изменяться вследствие погрешности установки резца
Если при обтачивании цилиндрической поверхности вершину резца установить
выше линии центров, то угол у увеличится, а угол а уменьшится, а при установке
вершины резца ниже линии центров станка – наоборот. Если ось резца будет неперпендикулярна к линии центров станка, то это вызовет изменение углов φ и φ1.
В процессе резания углы γ и α резца меняются. Это можно объяснить тем, что
меняется положение плоскости резания в пространстве [7]
вследствие вращения заготовки и поступательного движения резца, так как фактической поверхностью резания, к которой касательна плоскость резания, будет винтовая поверхность. При работе с большими подачами, а также при нарезании резьбы изменение углов γ и α будет существенным, что необходимо учитывать при изготовлении резцов. Углы γ и α в процессе резания могут оказаться переменными,
что имеет место при обработке сложных поверхностей типа кулачков, лопаток турбин и т. п.
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Физическая сущность процесса резания
Резание металлов – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и
заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений, например, деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно процесс резания можно представить
следующей схемой. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 74) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом
слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают нормальные
напряжения σу, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, – касательные напряжения τx. В точке приложения действующей силы значение τx наибольшее. По мере удаления от точки А τx уменьшается. Нормальные напряжения σу
вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, переходя
через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.
Рис. 74. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием
Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластической деформации, а рост ее – к сдвиговым деформациям, т. е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования ABC, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчива167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ются по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллов, т. е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.
Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости ОО,
которую называют плоскостью сдвига. Она располагается примерно под углом θ =
30° к направлению движения резца. Угол θ называют углом сдвига. Наличие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве
было установлено русскими учеными И.А. Тиме и К.А. Зворыкиным. Срезанный
слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Структуры металла зоны ABC и стружки резко отличаются от структуры основного металла. В зоне ABC расположены деформированные и разрушенные кристаллы, сильно измельченные и вытянутые в цепочки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем G направлением
плоскости 0101 которая е плоскостью сдвига составляет угол β (рис. 75).
Рис. 75. Схема процесса образования стружки
Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических
свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрии инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и
сталей средней твердости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому при резании
деталей из хрупких металлов угол β близок к нулю, а при резании деталей из пластичных металлов β доходит до 30°, что свидетельствует о сложном внутреннем
процессе деформирования кристаллов и формировании новой структуры. Знание
законов пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет повысить качество обработанных поверхностей деталей машин и их
надежность.
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При резании металлов образуется стружка сливная, скалывания или надлома.
Сливная стружка, появляющаяся при резании пластичных металлов, представляет
собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне ее
видны слабые пилообразные зазубрины. Стружка скалывания, образующаяся при
резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на внешней стороне – ярко выраженные зазубрины. Стружка надлома образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физикомеханических свойств металла обрабатываемой детали, режима резания, геометрии
режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих
веществ.
Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительному пластическому деформированию, одним из проявлений которого является ее усадка,
Усадка стружки состоит в том, что длина стружки оказывается меньше длины обработанной поверхности, а толщина – больше толщины срезанного слоя металла.
Ширина стружки практически остается без изменений. Усадка стружки характеризуется коэффициентом усадки. Чем пластичнее металл заготовки, тем больше
величина коэффициента К усадки стружки. Величина усадки стружки зависит от
физико-механическик свойств обрабатываемого металла, режима и условии резания, геометрии инструмента [7].
6. Силы резания
Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Направление вектора силы совпадает с вектором скорости резания v. Работа,
затрачиваемая на деформацию и разрушение материала заготовки (Pv), расходуется
на упругое и пластическое деформирование металла, его разрушение, преодоление
сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю
поверхность инструмента. В результате сопротивления металла деформированию
возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Это силы упругого (Ру1 и P у2) и пластического (Рп1 и Рп2) деформирования, векторы которых
направлены перпендикулярно к передней и главной задней поверхностям резца
(рис. 76, а). Наличие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения (Т1
и Т2), направленных по передней и главной задней поверхностям инструмента. Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания:
Считают, что точка приложения силы R находится на рабочей части главной
режущей кромки инструмента (рис. 76, б). Абсолютная величина, точка приложе169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния и направление равнодействующей силы резания R в процессе обработки переменны.
Рис. 76. Силы, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие
Это можно объяснить неоднородностью структуры металла заготовки, переменной
поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя
металла (наличие штамповочных и литейных уклонов и др.), изменением углов γ и
α в процессе резания. Для расчетов используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям координатным осям металлорежущего станка. Для токарно-винторезного
станка: ось х – линия центров станка, ось у – горизонтальная линия, перпендикулярная к линии центров станка, ось z – линия, перпендикулярная к плоскости хоу
(рис. 76, б).
Вертикальная составляющая силы резания Рг действует в плоскости резания в
направлении главного движения (по оси z). По силе Рг определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба
заготовки в плоскости xoz (рис. 77, а), изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 77, б), а также ведут динамический расчет механизмов коробки
скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Рy действует в плоскости
хоу перпендикулярно к оси заготовки. По силе Рy определяют величину упругого
отжатия резца от заготовки и величину деформации изгиба заготовки в плоскости
хоу (рис.77, а). Осевая составляющая силы резания Рх действует в плоскости хоу,
вдоль оси заготовки. По силе Рх рассчитывают механизм подачи станка, изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 77, б).
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 77. Силы, действующие на заготовку (а) и резец (б)
По величине деформации заготовки от сил Рг и Рy рассчитывают ожидаемую
точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы.
По величине суммарного изгибающего момента от сил Рг и Рх рассчитывают стержень резца на прочность. Равнодействующая сила резания, Н:
.
Силу Рг, Н, определяют по эмпирической формуле:
=
где
,
– коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала
обрабатываемой заготовки;
– коэффициент,
учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (углы резца, материал резца и
т.д.).
Значения коэффициентов
,
и показателей степеней
,
И
даны в справочниках для конкретных условий обработки.
Аналогичные формулы существуют для определения сил Ру и Рх. Условно считают, что для острого резца с γ = 15°, φ= 45°, λ= О при точении стали без охлажде171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния Рг : Ру : Рк = 1 : 0,45 : 0,35. Отношения Ру : Рг и Рх : Рг растут с увеличением износа резца, уменьшение угла φ увеличивает отношение Ру : Рг, а повышение подачи
приводит к росту отношения Рх : Рг. Знание величин и направлений сил Рг, Ру и Рх
необходимо для расчета элементов станка, приспособлений и режущего инструмента.
Крутящий момент на шпинделе станка, Н·м:
Изгибающий
(рис. 77, б):
момент,
действующий
на
стержень
резца,
Н·м
Упругое перемещение стержня резца и заготовки под действием силы Ру, мм:
,
где
– жесткость системы заготовка – приспособление – элемент станка, на ко-
тором закреплена заготовка;
– жесткость системы инструмент – приспособление – элемент станка, на котором закреплен инструмент.
Аналогичный расчет делают для определения горизонтального уП и вертикального zП упругих перемещений инструмента [7].
Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрической
поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность, кВт:
,
где п – частота вращения заготовки, об/мин.
Мощность электродвигателя станка
, кВт:
,
где η – КПД механизмов и передач станка.
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 5
Тема: Обработка на токарных станках

Вопросы
1. Характеристика метода точения.
2. Токарные резцы.
3. Приспособления для закрепления заготовок на токарных станках.
4. Обработка заготовок на токарно-винторезных станках.
1. Характеристика метода точения
Технологический метод формообразования поверхностей заготовок точением
характеризуется двумя движениями: вращательным движением заготовки (скорость
резания) и поступательным движением режущего инструмента – резца (движение
подачи). Движение подачи осуществляется параллельно оси вращения заготовки
(продольная подача), перпендикулярно к оси вращения заготовки (поперечная подача), под углом к оси вращения заготовки (наклонная подача).
Разновидности точения: обтачивание – обработка наружных поверхностей;
растачивание – обработка внутренних поверхностей; подрезание – обработка плоских (торцовых) поверхностей; резка – разделение заготовки на части или отрезка
готовой детали от заготовки – пруткового проката.
На вертикальных полуавтоматах, автоматах и токарно-карусельных станках заготовки имеют вертикальную ось вращения, на токарных станках других типов –
горизонтальную. На токарных станках выполняют черновую, получистовую и чистовую обработку поверхностей заготовок [7].
2. Токарные резцы
По технологическому назначению различают резцы (рис. 78, а): проходные 1–3
для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей; подрезные 4 для обтачивания плоских торцовых поверхностей; расточные 5 и 6 для растачивания сквозных и глухих отверстий; отрезные 7 для разрезания заготовок; резьбовые для нарезания наружных 8 и внутренних резьб; фасонные круглые 9 и призматические 10 для обтачивания фасонных поверхностей; прорезные для обтачивания кольцевых канавок и др.
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 78. Токарные резцы
По характеру обработки различают резцы черновые, получистовые и чистовые.
По форме рабочей части резцы (рис. 78, а) делят на прямые 1, отогнутые 2, оттянутые 7. По направлению подачи резцы подразделяют на правые и левые (рис. 78, б).
Правые работают с подачей справа налево, левые – слева направо. По способу изготовления различают резцы целые, с приваренной встык рабочей частью, с приваренной или припаянной пластинкой инструментального материала, со сменными
пластинками режущего материала.
Для высокопроизводительного точения с большими подачами используют резцы с дополнительной режущей кромкой (рис. 78, в). Длина В дополнительной режущей кромки составляет l, lsnp. Резец устанавливают на станке так, чтобы режущая кромка была параллельна линии центров станка.
В промышленности применяют резцы с многогранными неперетачиваемыми
твердосплавными пластинками (рис. 78, г). Когда одна из режущих кромок выходит
из строя вследствие затупления, открепляют механический прижим пластинки и
устанавливают в рабочее положение следующую кромку.
3. Приспособления
для закрепления заготовок на токарных станках
Характер установки и закрепления заготовки, обрабатываемой на токарном
станке, зависит от типа станка, вида обрабатываемой поверхности, характеристики
заготовки (отношение длины заготовки к диаметру), требуемой точности обработки.
На токарно-винторезных станках для закрепления заготовок используют трехкулачковые самоцентрирующие патроны (рис. 79, а). На корпусе 1 патрона распо174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ложены три радиальных паза, по которым перемещаются кулачки 2. Патроны применяют для закрепления заготовок при отношении их длины к диаметру l/d <4.
При отношении l/d = 4...10 заготовку устанавливают в центрах. Для установки
заготовки в центрах ее необходимо зацентровать, т. е.
Рис. 79. Приспособления для закрепления заготовок на токарных станках
сделать центровые отверстия с торцов вала. Центровые отверстия делают специальными центровочными сверлами. Центры бывают упорные (рис. 79, б), срезанные (рис. 79, в), шариковые (рис. 79, г). Срезанные центры применяют при подрезании торцов заготовки, когда подрезной резец должен дойти до оси вращения заготовки. Шариковые центры используют при обтачивании конических поверхностей заготовки способом сдвига задней бабки в поперечном направлении, а обратные центры (рис. 79, д) – при обработке заготовок небольших диаметров. Вращающиеся центры (рис. 79, е) применяют при резании с большими сечениями срезаемого слоя металла, когда возникают большие силы резания, или при обработке на
больших скоростях резания.
При установке заготовки в центрах для передачи на нее крутящего момента от
шпинделя станка используют поводковый патрон (рис. 79, ж) и хомутик
(рис. 79, з). Поводковый патрон представляет собой корпус, навинчиваемый на
шпиндель станка. На торце патрона запрессован цилиндрический палец, передающий момент на хомутик, который закрепляют на заготовке болтом.
При отношении l/d > 10 для уменьшения деформации заготовки от сил резания
применяют люнеты. Подвижный открытый люнет (рис. 79, и) устанавливают на
продольном суппорте станка, неподвижный закрытый люнет (рис. 79, к) закрепля175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ют на станине. Силы резания воспринимают опоры люнетов, что повышает точность обработки.
Для установки заготовок типа втулок, колец и стаканов применяют конические
оправки (рис. 79, л), когда заготовка удерживается на оправке силой трения на сопряженных поверхностях; цанговые оправки (рис. 79, м) с разжимными упругими
элементами – цангами; упругие оправки с гидропластмассой, гофрированными
втулками (рис. 79, н). На токарно-револьверных станках, полуавтоматах и автоматах для закрепления заготовок – прутков используют цанговые патроны [7].
4. Обработка заготовок на токарно-винторезных станках
Токарно-винторезный станок состоит из следующих узлов (рис. 80). Станина 2
с призматическими направляющими служит для монтажа узлов станка и закреплена
на тумбах. В передней тумбе 1 смонтирован электродвигатель главного привода
станка, в задней тумбе 12 – бак для смазочно-охлаждающей «жидкости и насосная
станция.
В передней бабке 6 смонтированы коробка скоростей станка и шпиндель. Механизмы и передачи коробки скоростей позволяют получать разные частоты вращения шпинделя. На шпинделе закрепляют зажимные приспособления для передачи крутящего момента обрабатываемой заготовке. На лицевой стороне передней
бабки установлена панель управления 5 механизмами коробки скоростей.
Рис. 80. Схема токарно-винторезного станка
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коробку подач 3 крепят к лицевой стороне станины. В коробке смонтированы
механизмы и передачи, позволяющие получать разные скорости движения суппортов. С левой торцовой стороны станины установлена коробка 4 сменных зубчатых
колес, необходимых для наладки станка на нарезание резьбы
Продольный суппорт 7 перемещается по направляющим станины и обеспечивает продольную подачу резцу. По направляющим продольного суппорта перпендикулярно к оси вращения заготовки перемещается поперечная каретка, на которой
смонтирован верхний суппорт 9. Поперечная каретка обеспечивает поперечную
подачу резцу. Верхний поворотный суппорт можно устанавливать под любым углом к оси вращения заготовки, что необходимо при обработке конических поверхностей заготовок.
На верхнем суппорте смонтирован четырехпозиционный поворотный резцедержатель 8, в котором можно одновременно закреплять четыре резца. К продольному суппорту крепят фартук 10. В фартуке смонтированы механизмы и передачи,
преобразующие вращательное движение ходового валика или ходового винта в поступательные движения суппортов. Задняя бабка 11 установлена с правой стороны
станины и перемещается по ее направляющим. В пиноли задней бабки устанавливают задний центр или инструмент для обработки отверстий (сверла, зенкеры, развертки).
Корпус задней бабки смещается относительно основания в поперечном направлении, что необходимо при обтачивании наружных конических поверхностей.
Для предохранения работающего от травм сходящей стружкой на станке устанавливают специальный защитный экран.
Обтачивание наружных цилиндрических поверхностей выполняют прямыми, отогнутыми или упорными проходными резцами с продольной подачей
(рис. 81, а); гладкие валы, – при установке заготовки на центрах. Вначале обтачивают один конец заготовки, а затем ее поворачивают на 180° и обтачивают остальную часть.
Ступенчатые валы обтачивают по схемам деления припуска на части (рис. 81,
б) или деления длины заготовки на части (рис. 81, в). В первом случае обрабатывают заготовки с меньшей глубиной резания, однако общий путь резца получается
большим и резко возрастает То. Во втором случае припуск с каждой ступени срезается сразу за счет обработки заготовки с большой глубиной резания. При этом То
уменьшается, но требуется большая мощность привода станка.
Нежесткие валы рекомендуется обрабатывать упорными, проходными резцами,
с главным углом в плане φ == 90°. При обработке заготовок валов такими резцами
радиальная составляющая силы резания Ру = 0, что снижает деформацию заготовок.
Подрезание торцов заготовки выполняют перед обтачиванием наружных поверхностей. Торцы подрезают подрезными резцами с поперечной подачей к центру
(рис. 81, г) или от центра заготовки. При подрезании от центра к периферии поверхность торца получается менее шероховатой.
Обтачивание скруглений между ступенями валов (рис. 81, д) выполняют
проходными резцами с закруглением между режущими кромками по соответст177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вующему радиусу с продольной подачей или специальными резцами с поперечной
подачей.
Рис. 81. Схемы обработки заготовок на токарно-винторезном станке
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Протачивание канавок (рис. 81, е) выполняют с поперечной подачей прорезными резцами, у которых длина главной режущей кромки равна ширине протачиваемой канавки. Широкие канавки протачивают теми же резцами сначала с поперечной, а затем с продольной подачей.
Сверление, зенкерование и развертывание отверстий выполняют соответствующими инструментами, закрепляемыми в пиноли задней бабки. На рис. 81, ж
показана схема сверления в заготовке цилиндрического отверстия.
Растачивание внутренних цилиндрических поверхностей выполняют расточными резцами, закрепленными в резцедержателе станка, G продольной подачей.
Гладкие сквозные отверстия растачивают проходными резцами (рис. 81, з); ступенчатые и глухие – упорными расточными резцами (рис. 81, и).
Отрезку обработанных деталей выполняют отрезными резцами с поперечной
подачей. При отрезке детали резцом с прямой главной режущей кромкой
(рис. 81, к) разрушается образующаяся шейка и приходится дополнительно подрезать торец готовой детали. При отрезке детали резцом с наклонной режущей кромкой (рис. 81, л) торец получается чистым.
Обтачивание наружных конических поверхностей заготовок осуществляют
на токарно-винторезных станках одним из следующих способов.
1. Широкими токарными резцами (рис. 82, а). Обтачивают короткие конические поверхности с длиной образующей до 30 мм токарными проходными резцами,
у которых главный угол в плане равен половине угла при вершине обтачиваемой
конической поверхности. Обтачивают с поперечной или продольной подачей. Способ используют при снятии фасок с обработанных цилиндрических поверхностей.
2. Поворотом каретки верхнего суппорта (рис. 82, б). При обработке конических поверхностей каретку верхнего суппорта повертывают на угол, равный половине угла при вершине обрабатываемого конуса. Обрабатывают с ручной подачей
верхнего суппорта под углом к линии центров станка (sH). Обтачивают конические
поверхности, длина образующей которых не превышает величины хода каретки
верхнего суппорта. Угол конуса обтачиваемой поверхности любой.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 82. Схемы обтачивания наружных конических поверхностей
на токарно-винторезном станке
3. Смещением корпуса задней бабки в поперечном направлении (рис. 82, в).
При обтачивании конических поверхностей этим способом корпус задней бабки
смещают относительно ее основания в направлении, перпендикулярном к линии
центров станка. Обрабатываемую заготовку устанавливают на шариковые центры.
При этом ось вращения заготовки располагается под углом к линии центров станка,
а образующая конической поверхности – параллельно линии центров станка. Обтачивают с продольной подачей резца длинные конические поверхности с небольшим
углом конуса при вершине (2α ≤ 8°).
4. С помощью конусной линейки (рис. 82, г). Корпус 3 конусной линейки закрепляют на кронштейнах на станине станка. На корпусе 5 имеется призматическая направляющая линейка 2, которую по шкале устанавливают под углом к
линии центров станка. По направляющей перемещается ползун 1, связанный через
рычат с кареткой поперечного суппорта 4. Гайку ходового винта поперечной подачи отсоединяют от каретки суппорта. Коническую поверхность обтачивают с продольной подачей. Скорость продольной подачи складывается со скоростью поперечной подачи, получаемой кареткой поперечного суппорта от ползуна, скользящего по направляющей линейке. Сложение двух движений обеспечивает перемещение
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
резца под углом к линии центров станка. Обтачивают длинные конические поверхности с углом при вершине конуса до 30–40°.
Рис. 83. Схемы обтачивания фасонных поверхностей:
1 – продольный суппорт; 2 – поперечный суппорт; 3 – копир
Обтачивание внутренних конических поверхностей выполняют широким
резцом, поворотом каретки верхнего суппорта, с конусной линейкой. Часто внутренние конические поверхности обрабатывают специальными коническими зенкерами.
Обтачивание фасонных поверхностей заготовок с длиной образующей до 40
мм выполняют токарными фасонными резцами. По конструкции фасонные резцы
делят на стержневые, круглые, призматические и тангенциальные. Фасонные поверхности этими резцами обтачивают только с поперечной подачей sП.
Фасонные поверхности на токарно-винторезных станках, как правило, обтачивают стержневыми резцами; резцами остальных видов обтачивают фасонные поверхности на токарных полуавтоматах и автоматах.
Стержневые резцы закрепляют в резцедержателе токарного станка (рис. 83, а),
а круглые (рис. 83, б), призматические (рис. 83, в) и тангенциальные (рис. 83, г), – в
специальных державках. В отличие от стержневых, круглых и призматических тангенциальные резцы устанавливают ниже линии центров станка так, чтобы каждая
точка режущей кромки резца при поперечной подаче проходила касательно к соответствующей точке фасонной поверхности обрабатываемой заготовки. Резец, проходя под заготовкой, обрабатывает фасонную поверхность до требуемого размера,
т. е. напроход.
Круглые, призматические и тангенциальные резцы выдерживают значительно
большее число переточек, чем стержневые, при сохранении формы и размеров режущей кромки.
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Длинные фасонные поверхности обрабатывают проходными резцами с продольной подачей с помощью фасонного копира, устанавливаемого вместо конусной
линейки (рис. 83, д).
В серийном производстве для обработки фасонных поверхностей на токарных
станках используют специальный гидрокопировальный суппорт вместо поперечного суппорта. Проходной резец имеет snp от продольного суппорта станка и sго от
подвижной каретки гидросуппорта. Наклонную подачу суппорт получает от копира
и следящего устройства гидросуппорта. Сумма sp движений обеспечивает движение
резца по сложной траектории (рис. 83, е).
Нарезание резьбы на токарно-винторезных станках выполняют резцами, метчиками и плашками. Форма режущих кромок резцов определяется профилем и размерами поперечного сечения нарезаемых резьб. Резец устанавливают на станке по
шаблону. Резьбу (рис. 83, а) нарезают с продольной подачей резца snp. При нарезании резьбы продольный суппорт получает поступательное движение от ходового
винта и раздвижной маточной гайки, смонтированной в фартуке станка. Это необходимо для того, чтобы резец получал равномерное поступательное движение, что
обеспечивает постоянство шага нарезаемой резьбы.
Рис. 84. Схема нарезания однозаходной и многозаходной резьбы
на токарно-винторезном станке
При наладке токарно-винторезного станка на нарезание резьбы заданного шага
необходимо рассчитать числа зубьев сменных зубчатых колес гитары. За каждый оборот заготовки резец должен перемещаться вдоль ее оси на величину шага
нарезаемой резьбы. Уравнение кинематического баланса движений имеет вид:
,
где
– передаточное отношение реверсивной передачи коробки подач;
редаточное отношение сменных зубчатых колес гитары;
шение передач коробки подач;
– передаточное отно-
– шаг резьбы ходового винта.
182
– пе-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На токарно-винторезных станках нарезают метрические, дюймовые, модульные и специальные резьбы. Нарезание многозаходных резьб на токарновинторезном станке требует точного углового деления обрабатываемой заготовки
при переходе от одной нитки нарезаемой резьбы к другой.
Многозаходные резьбы нарезают следующими способами: поворотом заготовки на угол при использовании поводкового патрона с прорезями, в которые входит
отогнутый конец хомутика, при повороте заготовки на угол винторезную цепь разрывают (выключают маточную гайку); с использованием градуированного патрона,
который позволяет одну часть патрона вместе с заготовкой повернуть относительно
другой части на требуемый угол (рис. 84, б); смещением резца на шаг резьбы с помощью ходового винта верхнего суппорта; с использованием нескольких резцов со
смещением их относительно друг друга в осевом направлении на величину шага
нарезаемой резьбы [7].
ЛЕКЦИЯ 6
Тема: Обработка на сверлильных станках

Вопросы
1. Характеристика метода сверления.
2. Режим резания. Силы резания.
3. Режущий инструмент.
4. Приспособления для закрепления заготовок на сверлильных станках.
5. Обработка заготовок на вертикально-сверлильных станках.
1. Характеристика метода сверления
Сверление – распространенный метод получения отверстий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия в целях увеличения их размеров,
повышения точности и снижения шероховатости поверхности.
Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента
вокруг оси – главного движения и поступательного его движения вдоль оси – движения подачи. Оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.
Процесс резания при сверлении протекает в более сложных условиях, чем при
точении. В процессе резания затруднены отвод стружки и подвод охлаждающей
жидкости к режущим кромкам инструмента. При отводе стружки происходит трение ее о поверхность канавок сверла и сверла о поверхность отверстия. В результате повышаются деформация стружки и тепловыделение. На увеличение деформации стружки влияет изменение скорости резания вдоль режущей кромки от максимального значения на периферии сверла до нулевого значения у центра [6].
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Режим резания. Силы резания
Режим резания (рис. 85). За скорость резания (м/мин) при сверлении принимают окружную скорость точки режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла:
v = π D n/1000,
где D – наружный диаметр сверла, мм; п – частота вращения сверла, об/мин.
Подача sB (мм/об) равна осевому перемещению сверла за один оборот.
За глубину резания t (мм) при сверлении отверстий в сплошном материале принимают половину диаметра сверла:
t = D/2,
(14)
а при рассверливании t = (D – d)/2, где d – диаметр обрабатываемого отверстия,
мм.
Силы резания. В процессе резания сверло испытывает сопротивление со стороны обрабатываемого материала. Равнодействующую сил сопротивления, приложенную в некоторой точке А режущей кромки, можно разложить на три составляющие силы Рx, Рy, и Рz, (рис. 85).
Рис. 85. Схемы сверления (а), рассверливания (б) и силы, действующие на сверло
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составляющая Рх направлена вдоль оси сверла. В этом же направлении действует сила РП на поперечную режущую кромку. Суммарная всех указанных сил,
действующих на сверло вдоль оси х, называется осевой силой. Радиальные силы Ру,
равные по величине, но направленные противоположно, взаимно уравновешиваются.
В расчетах для определения осевой силы Ро (Н) и крутящего момента Мк (Н·м)
используют эмпирические формулы:
где Ср и См – постоянные коэффициенты, характеризующие обрабатываемый материал и условия резания; хр, ур, хм, ум – показатели степеней; Kр п Км – поправочные
коэффициенты на измененные условия резания. Коэффициенты и показатели степеней приведены в справочниках.
Осевая сила и крутящий момент являются исходными для расчета сверла и узлов станка на прочность, а также для определения эффективной мощности. Эффективная мощность (кВт), затрачиваемая на резание при сверлении [6],
3. Режущий инструмент
Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенкерами, развертками и метчиками.
Сверла по конструкции и назначению подразделяют на спиральные, центровочные и специальные. Наиболее распространенный для сверления и рассверливания инструмент – спиральное сверло (рис. 86, а), состоящее из рабочей части 6,
шейки 2, хвостовика 4 и лапки 3.
В рабочей части 6 различают режущую / и направляющую 5 части с винтовыми
канавками. Шейка 2 соединяет рабочую часть сверла с хвостовиком. Хвостовик 4
необходим для установки сверла в шпинделе станка. Лапка 3 служит упором при
выбивании сверла из отверстия шпинделя.
Элементы рабочей части и геометрические параметры спирального сверла показаны на рис. 86, б. Сверло имеет две главные режущие кромки 11, образованные
пересечением передних 10 и задних 7 поверхностей и выполняющие основную работу резания; поперечную режущую кромку 12 (перемычку) и две вспомогательные
режущие кромки 9. На цилиндрической части сверла вдоль винтовой канавки расположены две узкие ленточки 8, обеспечивающие направление сверла при резании.
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 86. Части, элементы и углы спирального сверла
Геометрические параметры сверла определяют условия его работы. Передний
угол γ измеряют в главной секущей плоскости //–//, перпендикулярной к главной
режущей кромке. Задний угол α измеряют в плоскости /– /, параллельной оси сверла. Передний и задний углы в различных точках главной режущей кромки различны. У наружной поверхности сверла угол у наибольший, а угол α наименьший;
ближе к оси – наоборот. Угол при вершине сверла 2φ измеряют между главными
режущими кромками; его значение различно в зависимости от обрабатываемого
материала. Угол наклона поперечной режущей кромки ψ измеряют между проекциями главной и поперечной режущих кромок на плоскость, перпендикулярную к
оси сверла. Угол наклона винтовой канавки ω измеряют по наружному диаметру. С
увеличением угла ω увеличивается передний угол γ; при этом облегчается процесс
резания и улучшается выход стружки. Рекомендуемые геометрические параметры
сверла приведены в справочной литературе [6].
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зенкерами (рис. 87) обрабатывают отверстия в литых или штампованных заготовках, а также предварительно просверленные отверстия. В отличие от сверл зенкеры снабжены тремя или четырьмя главными режущими кромками и не имеют
поперечной кромки. Режущая часть 1 выполняет основную работу резания. Калибрующая часть 5 служит для направления зенкера в отверстии и обеспечивает необходимую точность и шероховатость поверхности (2 – шейка, 3 – лапка, 4 – хвостовик, 6 – рабочая часть).
По виду обрабатываемых отверстий зенкеры делят на цилиндрические (рис. 87,
а), конические (рис. 87, б) и торцовые (рис. 87, в). Зенкеры бывают цельные с коническим хвостовиком (рис. 87, а, б) и насадные (рис. 87, в).
Рис. 87. Инструменты для обработки отверстий на сверлильных станках:
а-в – зенкеры; г-е – развертки; ж – метчик
Развертками окончательно обрабатывают отверстия. По форме обрабатываемого отверстия различают цилиндрические (рис. 87, г) и конические (рис. 87, д)
развертки. Развертки имеют 6–12 главных режущих кромок, расположенных на режущей части 7 с направляющим конусом. Калибрующая часть 8 направляет развертку в отверстии и обеспечивает необходимую точность и шероховатость поверхности.
По конструкции крепления развертки делят на хвостовые и насадные. На рис.
87, е показана машинная насадная развертка с механическим креплением режущих
пластинок в ее корпусе.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метчики применяют для нарезания внутренних резьб. Метчик (рис. 87, ж)
представляет собой винт с прорезанными прямыми или винтовыми канавками, образующими режущие кромки. Рабочая часть метчика имеет режущую 9 и калибрующую 10 части. Профиль резьбы метчика должен соответствовать профилю нарезаемой резьбы. Метчик закрепляют в специальном патроне [6].
4. Приспособления для закрепления заготовок
на сверлильных станках
При обработке на сверлильных станках применяют различные приспособления
для установки и закрепления заготовок на столах станков (рис. 88).
Рис. 88. Приспособления для закрепления заготовок
на сверлильных станках
Заготовки закрепляют прижимными планками (рис. 88, а) или в машинных
тисках. При обработке отверстий, оси которых параллельны или расположены под
углом к установочной плоскости, используют угольники (рис. 88, б).
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заготовки, имеющие цилиндрические части, закрепляют в трех- или четырехкулачковых патронах, которые крепят на столе станка. При сверлении отверстий в
цилиндрических заготовках их устанавливают на призме и закрепляют струбциной
(рис. 88, в). Для сверления нескольких точно расположенных отверстий в заготовках, обрабатываемых большими партиями, широко используют специальные приспособления – кондукторы (рис. 88, г). Они имеют направляющие втулки 2, обеспечивающие определенное положение режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки 1, закрепляемой в кондукторе.
Необходимость в разметке при использовании кондукторов отпадает. Режущий
инструмент в шпинделе сверлильного станка закрепляют с помощью вспомогательного инструмента: переходных втулок, сверлильных патронов и оправок [6].
Рис. 89. Схемы закрепления инструмента в шпинделе станка
Режущие инструменты с коническим хвостовиком закрепляют непосредственно в шпинделе сверлильного станка (рис. 89, а). Если размер конуса
хвостовика инструмента меньше размера конического отверстия шпинделя, то
применяют переходные конические втулки (рис. 89, б). Инструменты с цилиндрическим хвостовиком закрепляют в двух-, трехкулачковых или цанговых патронах.
Закрепление режущего инструмента в цанговом патроне показано на рис. 89, в. На
резьбовую часть корпуса патрона 1 навинчена втулка 2, в которой находится раз189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
резная цанга 3. Цилиндрический хвостовик инструмента 4 вставляют в отверстие
цанги и закрепляют вращением втулки 2.
5. Обработка заготовок на вертикально-сверлильных станках
На рис. 90 дан общий вид вертикально-сверлильного станка. На фундаментной
плите 1 смонтирована колонна 2. В верхней части колонны расположена коробка
скоростей 6, через которую шпинделю с режущим инструментом сообщают главное вращательное движение. Движение подачи (поступательное вертикальное) инструмент получает через коробку подач 5, расположенную в кронштейне 4. Заготовку устанавливают на столе 3. Стол и кронштейн имеют установочные перемещения по вертикальным направляющим колонны 2. Совмещение оси вращения инструмента с заданной осью отверстия достигается перемещением заготовки.
Рис. 90. Вертикально-сверлильный станок
На сверлильных станках выполняют сверление, рассверливание, зенкерование,
развертывание, цекование, зенкование, нарезание резьбы и обработку сложных отверстий.
Для одновременной обработки нескольких отверстий применяют многошпиндельные вертикально-сверлильные станки. Шпиндели на этих станках устанавливают в сверлильной головке в зависимости от расположения отверстий в
заготовке [6].
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 91. Работы, выполняемые на сверлильных станках:
а – сверление; б – рассверливание; в – зенкерование; г – растачивание; д – зенкование; е – развертывание; ж – проглаживание (развальцовывание); з – нарезание
внутренней резьбы; и – подрезка торцов; к – вырезка дисков; л – проточка внутренних канавок
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для ручного сверления при помощи трещотки изготовляются спиральные
сверла с четырехгранным суживающимся хвостовиком, имеющие диаметр от 9,5 до
40 мм. Спиральные сверла делают из инструментальной углеродистой стали У10А
и У12А или из легированных инструментальных сталей 9ХС, Р9 и Р18.
При сверлении чугунов и других твердых металлов получили некоторое применение спиральные сверла, оснащенные пластинками твердых сплавов (из сплавов
ВК8, Т5К12В и Т15К6).
При подготовке к сверлению следует обращать особое внимание на правильность заточки сверла. В зависимости от обрабатываемого материала наилучшие
условия резания обеспечиваются при определенном значении угла при вершине
сверла (2). При сверлении различных материалов этот угол (угол между режущими кромками) должен находиться в пределах, приведенных в таблице 5.
Таблица 5
Значения углов при вершине сверла
Обрабатываемый материал
Эбонит, мрамор и другие хрупкие материалы
Магниевые сплавы
Сталь и чугун средней твердости
Закаленная сталь
Латунь, бронза, сплавы алюминия
Марганцовистая сталь
Значение угла, 2φ, град.
80…90
110…120
115…118
125
130…140
136…150
Сверла нужно затачивать своевременно, не доводя их режущие кромки до полного затупления. Как правило, заточка сверл должна быть централизованной. Однако в условиях ремонтного, мелкосерийного и единичного производства часто
приходится самим выполнять эту работу. Поэтому необходимо хорошо знать правила заточки и уметь заточить сверло на специальных заточных станках, пользуясь
приспособлениями к обычному заточному станку, или вручную [6].
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 7
Тема: Обработка на фрезерных станках

Вопросы
1. Характеристика метода фрезерования.
2. Режим резания. Силы резания.
3. Типы фрез.
4. Приспособления для обработки заготовок на фрезерных станках.
5. Обработка заготовок на горизонтально- и вертикально- фрезерных станках.
1. Характеристика метода фрезерования
Фрезерование – один из высокопроизводительных и распространенных методов обработки поверхностей заготовок многолезвийным режущим инструментом
– фрезой.
Технологический метод формообразования поверхностей фрезерованием характеризуется главным вращательным движением инструмента и обычно поступательным движением подачи. Подачей может быть и вращательное движение заготовки вокруг оси вращающегося стола или барабана (карусельно-фрезерные и барабанно-фрезерные станки) [7].
На фрезерных станках обрабатывают горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и пазы различного профиля. Особенность процесса фрезерования – прерывистость резания каждым зубом фрезы.
Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой и выполняет работу резания только на
некоторой части оборота, а затем продолжает движение, не касаясь заготовки, до
следующего врезания.
На рис. 92 показаны схемы фрезерования плоскости цилиндрической (а) и торцовой (б) фрезами. При цилиндрическом фрезеровании плоскостей работу выполняют зубья, расположенные на цилиндрической поверхности фрезы. При торцовом
фрезеровании плоскостей в работе участвуют зубья, расположенные на цилиндрической и торцовой поверхностях фрезы.
Цилиндрическое и торцовое фрезерование в зависимости от направления
вращения фрезы и направления подачи заготовки можно осуществлять двумя
способами: 1) против подачи (встречное фрезерование), когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы (рис. 92, в); 2) по подаче
(попутное фрезерование), когда направления подачи и вращения фрезы совпадают (рис. 92, г).
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 92. Схемы фрезерования цилиндрической (а) и торцовой (б) фрезами,
против подачи (в) и по подаче (г): заготовка; 2 – фреза
При фрезеровании против подачи нагрузка на зуб фрезы возрастает от нуля до
максимума, при этом сила, действующая на заготовку, стремится оторвать ее от
стола, что приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Преимуществом фрезерования против подачи является работа зубьев
фрезы «из-под корки», т. е. фреза подходит к твердому поверхностному слою снизу
и отрывает стружку при подходе к точке В. Недостатком является наличие начального скольжения зуба по наклепанной поверхности, образованной предыдущим
зубом, что вызывает повышенный износ фрезы.
При фрезеровании по подаче зуб фрезы сразу начинает срезать слой максимальной толщины и подвергается максимальной нагрузке. Это исключает начальное проскальзывание зуба, уменьшает износ фрезы и шероховатость обработанной
поверхности. Сила, действующая на заготовку, прижимает ее к столу станка, что
уменьшает вибрации [7].
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Режим резания. Силы резания
Режим резания. К режиму резания при фрезеровании относят скорость резания v, подачу s, глубину резания t, ширину фрезерования В.
Скорость резания, т. е. окружная скорость вращения фрезы, м/мин,
v = π D n/1000,
(15)
где D – диаметр фрезы, мм; п – частота вращения фрезы, об/мин.
Подача – величина перемещения обрабатываемой заготовки в минуту (sM,
мм/мин) за время углового поворота фрезы на один зуб (sz, мм/зуб) или за время
одного оборота фрезы (s0, мм/об).
Эти подачи связаны между собой зависимостями:
sM = son = sz z n,
(16)
где z – число зубьев фрезы.
Глубина резания t (мм) и ширина фрезерования В (мм) показаны на рис. 93.
Силы резания. В процессе фрезерования каждый зуб фрезы преодолевает силу
сопротивления металла резанию. Фреза должна преодолеть суммарные силы резания, которые складываются из сил, действующих на зубья, находящиеся в контакте
с заготовкой. При фрезеровании цилиндрической фрезой с прямыми зубьями равнодействующую сил резания R, приложенную к фрезе в некоторой точке А, можно
разложить на окружную составляющую силу Р, касательную к траектории движения точки режущей кромки, и радиальную составляющую силу Ру, направленную
по радиусу. Силу R можно также разложить на горизонтальную РH и вертикальную
Pv составляющие (рис. 93, а). У фрез с винтовыми зубьями в осевом направлении
действует еще осевая сила Ро (рис. 93, б). Чем больше угол наклона винтовых канавок ω, тем больше сила Ро. При больших значениях силы Ро применяют две фрезы с
разными направлениями наклона зубьев. В этом случае осевые силы направлены в
разные стороны и взаимно уравновешиваются.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 93. Силы резания при работе цилиндрической фрезой
По окружной составляющей силе Р определяют эффективную мощность Ne и
производят расчет механизма коробки скоростей на прочность. Радиальная составляющая сила Ру действует на опоры шпинделя станка и изгибает оправку, на которой крепят фрезу. Горизонтальная составляющая сила РH действует на механизм
подачи станка и элементы крепления заготовки; осевая сила Ро – на подшипники
шпинделя станка и механизм поперечной подачи стола; вертикальная составляющая сила Pv – на механизм вертикальной подачи стола. В зависимости от способа
фрезерования (против подачи или по подаче) направление и величина сил изменяются.
Сила резания, Н
Р=
где Ср – коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и условия обработки.
Коэффициент Ср и показатели степеней хр, yp, qp приведены в справочниках
[7].
Эффективная мощность, кВт
Ne = Р V/(60-102).
196
(17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Типы фрез
Фреза – это лезвийный инструмент, предназначенный для обработки поверхностей с вращательным главным движением резания инструмента и хотя бы одним
движением подачи, направление которого совпадает с осью вращения. Различают
фрезы для цилиндрического фрезерования, при котором ось фрезы параллельна обрабатываемой поверхности, и для торцового фрезерования, при котором ось фрезы
нормальна обрабатываемой поверхности [6].
На рисунке 94 показаны конструкции фрез для цилиндрического фрезерования.
Цилиндрические цельные фрезы (рис. 94, а) выпускают с мелким и с крупным
зубом. Основные размеры фрез, мм: наружный диаметр D = 40; 50; 63; 80; 100;
диаметр посадочного отверстия d = 16; 22; 27; 32; 40; длина фрезы L = 40; 50; 63;
80; 100; 125; 160.
Угол наклона зубьев выполняют  = 40°, передний угол в нормальном сечении
к режущей кромке  = 15°, а задний угол в плоскости, перпендикулярной оси фрезы
 = 16°.
Фрезы цилиндрические, оснащенные пластинами из твердого сплава 3 (рис. 94,
б), выпускают с основными размерами, мм: D = 63; 80; 100; 125; d = 27; 32; 40; 50;
L = 45; 70; 96; 100. Угол наклона зубьев равен  = 24, 30, 36°. Передний и задний
углы в нормальном сечении к главной режущей кромке равны:  = – 5°;  = 18°.
Дисковые фрезы бывают быстрорежущими трехсторонними (ГОСТ 55–78)
диаметром 50–100 мм и быстрорежущими трехсторонними с разнонаправленными
зубьями (ГОСТ 9474–73) диаметром 63–125 мм.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 94. Конструкции фрез для цилиндрического фрезерования: а – цилиндрических цельных, б – цилиндрических с твердосплавными пластинами, в – дисковых
трехсторонних, г – прорезных и отрезных
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рисунке 94, в показана конструкция дисковой трехсторонней фрезы со
вставными ножами, оснащенными твердым сплавом (ГОСТ 5348–69) с основными
размерами, мм: D = 100...315; d = 27...60; B =14…40. Число зубьев у фрез равно z =
8...20; передний угол  = 5; задний угол на периферии  = 12°; задний угол на торце т = 8°.
Фрезы прорезные (шлицевые) и отрезные (рис. 94, г) выпускают по ГОСТ
2679–73 с мелким и крупным зубьями. Основные размеры фрез, мм: D = 20...315; d
= 4...40; В= 0.2...0.6. Вспомогательный угол плане равен 1 = 5...1 0.
Фрезы для торцового фрезерования представлены на рисунке 95.
Концевые фрезы (рис. 95, а) выпускают по ГОСТ 18372–73Е двух типов: цельные и с приваренным стальным хвостовиком. Основные размеры, мм: D = 3...12; L
= 28...103; l = 8...53. Угол наклона зубьев равен  = 30...40».
Фрезы концевые обдирочные с затылованными зубьями и коническим хвостовиком выпускают двух исполнений: без торцовых зубьев (рисунок 95, б) и с торцовыми зубьями. Основные размеры фрез, мм: D = 25...80; d = 23,5...60; L = 150...435;
l = 50...224.
Торцовые фрезы могут быть цельными (рис. 95, в) и сборными. Цельные фрезы
торцовые насадные (ГОСТ 9304–69) выпускаются с мелкими и крупными зубьями.
Основные размеры, мм: D = 40... 100; d = 16.. .32; L = 32...50. Угол наклона
зубьев у фрез равен  = 25...40°.
Торцовые насадные сборные фрезы выпускаются со вставными ножами, оснащенными твердосплавными пластинами (ГОСТ 24359–80) диаметром 100–630 мм.
В настоящее время широко применяются фрезы с механическим креплением
пластин СМТ прихватом сверху. Фрезы этих конструкций выпускаются по ГОСТ
26595–85 с диаметром D = 100...630 мм (рис. 95, г), а также по нормалям инструментальных заводов [6].
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 95. Конструкции фрез для торцового фрезерования: а – концевых цельных, б – концевых обдирочных, в – торцовых цельных насадных, г – торцовых
с механическим креплением твердосплавных пластин
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, концевые фрезы могут быть: с цилиндрическим хвостовиком из
быстрорежущей стали (ГОСТ 17025–71); фрезы концевые с цилиндрическим, коническим и резьбовым хвостовиком, оснащенные твердосплавными коронками
(ГОСТ 20533–75...20535–75); фрезы концевые, оснащенные винтовыми твердосплавными пластинами (ГОСТ 20536–75...20538–75); фрезы шпоночные, оснащенные пластинами из твердого сплава (ГОСТ 6396–78).
4. Приспособления для обработки заготовок
на фрезерных станках
Для закрепления заготовок на фрезерных станках применяют универсальные и
специальные приспособления. К универсальным приспособлениям относятся прихваты, угольники, призмы, машинные тиски.
При обработке большого числа одинаковых заготовок изготовляют специальные приспособления, пригодные только для установки и закрепления этих заготовок на данном станке. Важной принадлежностью фрезерных станков являются делительные головки, которые служат для периодического поворота заготовок на
требуемый угол и для непрерывного их вращения при фрезеровании винтовых канавок.
Наиболее распространены универсальные лимбовые делительные головки,
Делительная головка (рис. 96, а, б) состоит из корпуса 1, делительного лимба 5,
Рис. 96. Универсальная делительная головка
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поворотного барабана 2 и шпинделя 4 с центром. В корпусе на шпинделе жестко
закреплено червячное зубчатое колесо (обычно с числом зубьев 40), находящееся в
зацеплении с однозаходным червяком. Вращение шпинделю сообщают рукояткой
6. Поворот рукоятки 6 и соответственно заготовки на требуемый угол осуществляется с помощью лимба 5. Для удобства отсчета используют раздвижной сектор 7. На шпинделе 4 закреплен лимб 3 для непосредственного деления заготовки
на части.
Универсальные делительные головки позволяют осуществлять деление непосредственным, простым и дифференциальным способами.
При непосредственном способе деления червяк выводят из зацепления с червячным колесом и поворачивают заготовку вращением лимба 3.
При простом способе деление производят при закрепленном лимбе 5. Шпиндель с заготовкой поворачивают вращением рукоятки через включенную червячную передачу [6].
5. Обработка заготовок на горизонтальнои вертикально-фрезерных станках
Горизонтально-фрезерные станки (рис. 97). В станине 1 станка размещена коробка скоростей 2. По вертикальным направляющим станины перемещается консоль 7. Заготовка, устанавливаемая па столе 4 в тисках или приспособлении, получает подачу в трех направлениях: продольном (перемещение стола по направляющим салазок 6), поперечном (перемещение салазок по направляющим консоли) и
вертикальном (перемещение консоли по направляющим станины). Главным движением является вращение шпинделя. Коробка подач 8 размещена в консоли. Хобот 3
служит для закрепления подвески 5, поддерживающей конец фрезерной оправки.
Горизонтально-фрезерные станки, имеющие поворотную плиту, которая позволяет поворачивать рабочий стол в горизонтальной плоскости и устанавливать
его на требуемый угол, называют универсальными [7].
Вертикально-фрезерные станки (рис. 98). Основные узлы станка: станина 1,
поворотная шпиндельная головка 3 со шпинделем 4, стол 5, салазки 6, консоль 7,
коробка скоростей 2 и коробка подач 8. Главным является вращательное движение
шпинделя. Заготовка, установленная на столе, может получать подачу в трех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном [7].
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 97. Горизонтально-фрезерный станок
Рис. 98. Вертикально-фрезерный станок
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 8
Тема: Протягивание и долбление

Вопросы
1. Протягивание.
2. Долбление.
1. Протягивание
Протягивание – одна из эффективных операций обработки материалов резанием, выполняемая режущим инструментом-протяжкой, обеспечивающая получение
изделий высокой точности (до 6 квалитета) и шероховатость обработанной поверхности до Rа = 0,32 мкм.
Протяжка – многозубый инструмент с рядом последовательно выступающих
друг над другом зубьев в направлении, перпендикулярном скорости главного движения резания. С помощью протяжек можно обрабатывать внутренние и наружные
поверхности различной формы. При протягивании движение подачи отсутствует, а
главное движение резания может быть поступательным или вращательным [6].
Разновидностью протяжек являются прошивки, которые по конструкции принципиально не отличаются от протяжек, но в отличие от последних работают не на
растяжение, а на сжатие.
По сравнению с другими способами механической обработки протягивание
имеет ряд преимуществ:
1) одновременное участие в работе нескольких зубьев обеспечивает большую
величину минутной подачи в процессе протягивания. При этом, несмотря на низкую скорость рабочего движения V – 2...12 м/мин (по чугуну твердосплавные протяжки имеют V = 40...50 м/мин), относительная скорость снятия припуска получается выше, чем у других инструментов, что определяет высокую производительность процесса протягивания;
2) точность обработки не ниже 7 квалитета;
3) высокое качество обрабатываемых поверхностей – Rа – 0,92 мкм и в отдельных случаях – Rа = 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73;
4) значительная стойкость протяжек;
5) устранение брака;
6) возможность использования рабочих низкой квалификации;
7) сокращение расходов на эксплуатацию инструмента.
Высокая стоимость инструмента и его сложность определяют и область применения протяжек – массовое и крупносерийное производство. Однако применение
протяжек дает значительный эффект на предприятиях с мелкосерийным и даже
единичным производством, если размеры и формы обрабатываемых поверхностей
нормализованы, а также в случаях, когда протягивание – единственно возможный
или наиболее экономичный способ обработки [6].
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Типы и область применения протяжек
По назначению протяжки подразделяются на две группы: для обработки внутренних поверхностей (отверстий) и наружных поверхностей.
1. Протяжки для обработки внутренних поверхностей бывают:
- круглые – для обработки круглых отверстий:
- шлицевые – для обработки шлицевых отверстий с любым типом шлицев;
- шпоночные – для обработки шпоночных пазов и пазов вообще;
- гранные – для многогранных отверстий;
- протяжки для обработки винтовых канавок.
2. Протяжки для обработки наружных поверхностей различного профиля.
За последние годы получили распространение протяжки для обработки зубчатых колес, протягивания цилиндрических поверхностей валов, наружных шлицев
разного профиля на валах, канавок в форме ласточкина хвоста, Т-образных пазов,
елочных профилей и др.
По конструктивному исполнению протяжки могут быть цельными и сборными (составными).
По направлению лезвий относительно скорости главного движения резания
различают протяжки с кольцевыми и винтовыми зубьями (протяжки для внутреннего протягивания) или с прямыми и наклонными зубьями (протяжки для наружного протягивания, плоские и шпоночные).
По материалу режущей части различают протяжки из инструментальной стали, быстрорежущей стали, твердых сплавов.
По применяемой схеме срезания припуска различают протяжки с профильной (или обыкновенной), прогрессивной
(или групповой) и генераторной (или ступенчатой) схемами резания.
По числу протяжек в комплекте различают протяжки однопроходные и многопроходные (комплектные).
Основные конструктивные элементы и геометрические параметры
протяжек для обработки внутренних поверхностей
Несмотря на многообразие протяжек для обработки внутренних поверхностей
их разновидности имеют те же конструктивные и геометрические параметры, что и
протяжки для обработки цилиндрических отверстий (рис. 99).
Хвостовик D, служит для закрепления протяжки в патроне протяжного станка.
Формы и размеры хвостовиков протяжек нормализованы: ГОСТ 4044-70 – хвостовики круглые для протяжек, ГОСТ 4043-70 – хвостовики плоские для протяжек.
Передняя направляющая часть протяжки (или просто: передняя направляющая) предназначена для установки обрабатываемой детали на протяжке перед протягиванием. Она обеспечивает плавный, без перекосов, переход детали на режущую часть протяжки:
l4  L детали.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 99. Конструктивные элементы протяжки:
l1, – хвостовик; l2, – шейка; l3 – переходной конус; l4 – передняя
направляющая часть; l5 – режущая часть; l6 – калибрующая
часть; l7 – задняя направляющая; l8 – опорная цапфа
Номинальные размеры диаметров передней направляющей и предварительно
подготовленного отверстия одинаковы, а зазор обеспечивается выбором посадок.
Диаметр D4 выполняется по посадке H7/f7. Шейка 2 и переходной конус 3 связывают хвостовик с передней направляющей. На шейку обычно наносят маркировку
протяжки. D1 = D1 – (0,3...1,0) мм; l3 = 10...25 мм в зависимости от размеров протяжки [6].
Режущая часть протяжки снабжается большим количеством зубьев и производит всю работу по срезанию припуска. Профили режущих кромок и поперечные
размеры зубьев режущей части постепенно изменяются: первый зуб соответствует
размерам предварительного отверстия, последний – форме и размерам готового отверстия. Промежуточные режущие зубья последовательно увеличиваются в размерах, благодаря чему при протягивании осуществляется срезание зубьями припуска
без движения подачи.
Калибрующая часть протяжки также имеет зубья, но в меньшем количестве,
их размеры и форма одинаковы и соответствуют форме и размерам готового отверстия. Поэтому калибрующая часть гарантирует получение размеров готового отверстия и пополняет режущие зубья, выходящие из строя от износа, при переточках
(первый калибрующий зуб становится последним режущим и т. д.).
Задняя направляющая препятствует перекосу детали на протяжке и повреждению обработанной поверхности детали в момент выхода из отверстия последних
калибрующих зубьев; ее диаметр образует с диаметром обработанного отверстия
сопряжение типа посадки H7/f7.
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Опорная цапфа выполняется только на тяжелых и длинных протяжках и служит для их поддержания с помощью люнета.
Геометрические параметры зубьев протяжки и размеры среза покажем на примере шпоночной протяжки (рис. 100). Размеры зубьев протяжки характеризуются
следующими величинами:
t – осевой шаг (измеряется параллельно оси протяжки);
h0 – глубина стружечной канавки;
g – ширина задней поверхности;
r – радиус закругления дна стружечной канавки;
b – ширина зуба (ширина среза);
 и  – передний и задний углы;
1 – вспомогательный угол (угол поднутрения) выполняется на зубьях шпоночных и шлицевых протяжек.
Величины углов  зависят от обрабатываемого материала и типа протяжки и
изменяются в пределах  = 5...20°. Меньшее значение у следует выбирать для обработки чугуна; для углеродистых и малолегированных сталей принимается  = 20°.
Рис. 100. Геометрические параметры зубьев протяжки
и размеры среза при протягивании
У протяжек с односторонним расположением зубьев и свободным направлением в отверстии у не делают больше 15° во избежание «подхватывания» протяжки
обрабатываемым материалом.
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
У протяжек задний угол а для точных отверстий обычно выбирают в пределах
2...30 с целью сохранения размера зубьев. Для других типов протяжек принимают
протяжки круглые и гранные для отверстий Н7-Н9 –  = 2...30; для отверстий грубее Н9  = 3...40; для шпоночных и пазовых с односторонним расположением зубьев  = 3...70, а для наружных протяжек  = 10°.
Размеры срезаемого каждым зубом слоя определяются следующими параметрами: Sz – подача на зуб, b – ширина среза, L – длина протягивания.
Разность размеров соседних зубьев протяжки по высоте называется подъемом
протяжки на зуб Sz ; эта величина и определяет толщину среза а: а – Sz.
Для протяжек с односторонними зубьями (плоские, шпоночные) подъем на зуб
равен
h = hi. -hi-1 = Sz,
(18)
для симметричного расположения зубьев относительно оси протяжки (круглые,
шлицевые, квадратные):
d = di. – di-1 = 2 Sz.
(19)
Разность между размерами последнего и первого зубьев протяжки называется
суммарным подъемом протяжки [6]:
d = dn -dz.
h = hn – hz,9
(20)
3. Долбление
Зуборезные долбяки предназначены для обработки цилиндрических прямозубых, косозубых и шевронных зубчатых колес методом огибания, косозубые и шевронные колеса нарезаются косозубыми долбяками.
В процессе резания (рис. 101) долбяк совершает прямолинейное (или винтовое
– для косозубых) возвратно-поступательное движение резания. Подача осуществляется путем относительного вращения долбяка и заготовки вокруг их осей. Кроме
главного движения и круговой подачи, долбяк имеет радиальную подачу при врезании в заготовку и отводится от заготовки при каждом обратном ходе (вверх) для
устранения трения задних поверхностей о заготовку.
Долбяки являются наиболее универсальным зуборезным инструментом для нарезания цилиндрических колес. Ими можно нарезать любое цилиндрическое колесо
с наружным и внутренним зацеплением, но преимущественное применение долбяки находят в следующих случаях:
1) при нарезании зубьев блочных колес и колес с буртиками;
2) для обработки колес с внутренним зацеплением;
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 101. Схема зубодолбления
3) для нарезания шевронных колес без канавки для выхода инструмента;
4) для нарезания точных зубчатых реек методом деления;
5) для нарезания мелкомодульных колес с модулем т < 1,5.
Примеряемые в металлообработке долбяки регламентированы ГОСТ 9323-79
(долбяки зуборезные чистовые), ГОСТ 10059-80 (долбяки зуборезные чистовые
мелкомодульные) и ГОСТ 6762-79 (долбяки зуборезные чистовые для шлицевых
соединений с эвольвентным профилем). Долбяки по ГОСТ 9323-79 изготавливаются с модулями т = 1...12 мм, по ГОСТ 10059-80 – т – 0,1...0,9 (делительные диаметры dд = 12, 16, 25, 40, 63 мм).
Габаритные размеры долбяков определяются числом зубьев и диаметром делительной окружности. Номинальный диаметр зависит от модели станка. По ГОСТ
9323-79 в зависимости от типа долбяков их минимальные делительные диаметры
равны 25, 38, 50, 80, 100, 125, 160 и 200 мм. Для долбяков крупных модулей dд =
360 мм. Каждый диаметр охватывает определенный диапазон модулей, фактические делительные диаметры отличаются от нормальных, так как dд = тzи, где zu –
целое число. Число зубьев долбяков по ГОСТ 9322-79 zu = 9... 100, а по ГОСТ
10059-80 zu = 20...320.
Число зубьев у долбяков надо выбирать четным для упрощения технологии изготовления и удобства контроля.
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Долбяки изготавливаются трех классов точности: АА – для нарезания колес 6-й
степени точности, А – 7-й степени точности и В – 8-й степени точности.
Отверстие долбяков изготавливается с допуском по диаметру 0,005 мм, неперпендикулярность оси отверстия к внешней опорной плоскости на расстоянии 30 мм
от оси долбяка для долбяков разных классов точности допускается от 0,0025 до
0,005 мм.
В металлообработке применяют следующие типы долбяков:
1) дисковые – для нарезания обычных цилиндрических колес (рис. 102, а);
2) чашечные – для нарезания прямозубых колес в упор (рис. 102, б);
3) втулочные (рис. 102, в) и хвостовые (рис. 102, г) – для колес внутреннего зацепления и мелкомодульных;
4) косозубые – для косозубых колес;
5) косозубые парные – для шевронных колес.
Рис. 102. Типы зуборезных долбяков
Долбяк для цилиндрических зубчатых прямозубых колес может быть образован из цилиндрической прямозубой шестерни путем придания ей углов, необходимых для резания: переднего , заднего  и боковых задних углов 6.
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для получения задних углов на вершине и боковых сторонах толщина зуба
долбяка (рис. 103) по мере удаления влево от плоскости ВВ (передней поверхности)
должна уменьшаться, т. е. зубья образуются на долбяке путем смещения исходного
контура и в любом сечении, перпендикулярном оси, имеют величину смещения X =
 т. Полученный таким образом из прямозубой шестерни долбяк можно считать
корригированным прямозубым колесом с переменным смещением [6].
Особенности конструкции долбяка
Сечение долбяка плоскостью СС, в котором смещение исходного контура X =
m = О, т. е. толщина зуба Sди по делительной окружности равна т/2, называется
исходным сечением, а расстояние исходного сечения от переднего торца долбяка
(плоскость ВВ) – исходным расстоянием (а).
Рис. 103. Параметры зуба долбяка
Смещения исходного контура, увеличивающие толщину зуба долбяка против
нормальной, равной т/2, и располагающиеся справа от плоскости СС, считаются
положительными. Если смещения уменьшают толщину зуба долбяка (влево от
плоскости СС), то они считаются отрицательными. Получим в сечении ВВ:
в сечении DD [6]:
Sди = т/2 + 2 т tg аи,
Sди = т/2 – 2 т tg аи,
211
(21)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 9
Тема: Обработка на шлифовальных станках

Вопросы
1. Характеристика метода шлифования.
2. Режим резания. Силы резания.
3. Основные схемы шлифования.
4. Абразивные инструменты.
5. Обработка заготовок на круглошлифовальных станках.
1. Характеристика метода шлифования
Шлифованием называют процесс обработки заготовок резанием с помощью
абразивных кругов. Абразивные зерна расположены в круге беспорядочно и удерживаются связующим материалом. При вращательном движении круга в зоне его
контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа
тонких стружек (до 100 000 000 в мин). Шлифовальные круги срезают стружки на
очень больших скоростях – от 30 м/с и выше. Процесс резания каждым зерном
осуществляется почти мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой
совокупность микроследов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Часть
зерен ориентирована так, что резать не может. Такие зерна производят работу трения по поверхности резания [7].
Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку существенное силовое
воздействие. Происходит поверхностное пластическое деформирование материала,
искажение его кристаллической решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиги
одного слоя атомов относительно другого. Вследствие упругопластического деформирования материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот эффект
оказывается менее ощутимым, чем при обработке металлическим инструментом.
Тепловое и силовое воздействие на обработанную поверхность приводит к
структурным превращениям, изменениям физико-механических свойств поверхностных слоев обрабатываемого материала. Так, образуется дефектный поверхностный слой детали. Для уменьшения теплового воздействия процесс шлифования
производят при обильной подаче смазочно-охлаждающих жидкостей.
Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей шлифование является одним
из наиболее распространенных методов формообразования. С развитием малоотходной технологии доля обработки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразивным – увеличиваться [7].
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Режим резания. Силы резания
Для формообразования любой поверхности методом шлифования необходимо
вращательное движение круга и относительное перемещение по одной из координатных осей (рис. 104). Перемещения вдоль осей могут быть заменены вращательным движением вокруг оси.
Рис. 104. Элементы резания при шлифовании
Основные элементы режима резания – скорость резания, подача и глубина резания. Для рационального ведения процесса шлифования необходимо выбирать их
оптимальные значения.
Скорость резания (м/с) равна окружной скорости точки на периферии шлифовального круга:
vк = π DK nK /( 1000-60),
где пк – частота вращения круга, об/мин; DK – наружный диаметр шлифовального
круга, мм.
Подачами являются перемещения заготовки или инструмента вдоль или вокруг
координатных осей. Выражения и размерности подач определяются схемами шлифования. Глубина резания t (мм) определяется толщиной слоя материала, срезаемого за один проход.
Оптимальные режимы резания выбирают по справочным данным.
Для расчета элементов шлифовальных станков, конструирования приспособлений для работы на них и оценки точности обработки необходимо знать силы резания. Силу резания Р, возникающую при шлифовании в зоне контакта круга и заготовки, для удобства расчетов разлагают по координатным осям на три составляющие (рис. 105): тангенциальную Рг, радиальную Ру и осевую Рх.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 105. Сила резания при шлифовании
Составляющую Ру используют в расчетах точности обработки, Рх – необходима
для проектирования механизмов подач шлифовальных станков, Рг используют для
определения мощности электродвигателя шлифовального круга.
Силы находят по справочным данным в зависимости от конкретных условий
шлифования или по эмпирическим формулам. Для составляющей силы резания Рг
(Н) используют формулы вида
Коэффициент СРг и показатели степени а, b и с также обусловлены условиями
шлифования; vзаг – sKp.
Радиальная составляющая силы резания
Ру = k Рz,
(22)
где k – коэффициент (k > 1).
Мощность электродвигателя, приводящего во вращение шлифовальный круг,
кВт,
мощность электродвигателя, приводящего во вращение заготовку, кВт,
где η1 и η2 – соответственно КПД кинематических цепей передачи вращения кругу
и заготовке [7].
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Основные схемы шлифования
Формы деталей современных машин представляют собой сочетание наружных
и внутренних плоских, круговых цилиндрических и круговых конических поверхностей. Другие поверхности встречаются реже. В соответствии с формами деталей
машин наиболее распространены схемы шлифования, приведенные на рис. 106.
Рис. 106. Основные схемы шлифования
Для всех технологических способов шлифовальной обработки главным движением резания vк (м/с) является вращение круга. При плоском шлифовании возвратно-поступательное перемещение заготовки является продольной подачей sпp
(м/мин) (рис. 106, а). Для обработки поверхности на всю ширину b заготовка или
круг должны перемещаться с поперечной подачей sn (мм/дв. ход). Это движение
происходит прерывисто (периодически) при крайних положениях заготовки в конце продольного хода.
Периодически происходит и подача sB на глубину резания. Это перемещение
осуществляется также в крайних положениях заготовки, но в конце поперечного
хода.
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При круглом шлифовании (рис. 106, б) продольная подача происходит за счет
возвратно-поступательного перемещения заготовки. Подача Sпp (мм/об, заг) соответствует осевому перемещению заготовки за один ее оборот. Вращение заготовки
является круговой подачей Sкр (м/мин).
Подача Sп (мм/дв. ход или мм/ход) на глубину резания для приведенной схемы
обработки происходит при крайних положениях заготовки. Движения, осуществляемые при внутреннем шлифовании, показаны на рис. 106, в.
В автоматизированных шлифовальных станках цикл работы станка включает
периодический вывод круга из зоны шлифования, его автоматическую правку и
перемещение круга к изделию на величину снятого при правке слоя абразива. Предусматривают также автоматическую установку заготовок в зажимные устройства
и удаление готовых деталей [7].
4. Абразивные инструменты
Абразивные инструменты различают по геометрической форме и размерам, роду и сорту абразивного материала, зернистости или размерам абразивных зерен,
связке или виду связующего вещества, твердости, структуре или строению круга.
Зерна абразивных инструментов представляют собой искусственные или природные минералы и кристаллы. Абразивные материалы отличаются высокой твердостью, которая определяется по минералогической шкале. Зерна абразивов разделяют по крупности на группы и номера. Основная характеристика номера зернистости – количество и крупность его основной фракции. При изготовлении инструмента зерна скрепляются друг с другом с помощью цементирующего вещества –
связки. Наиболее широко применяют инструменты, изготовленные на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке.
Керамическую связку приготовляют из глины, полевого шпата, кварца и других веществ путем их тонкого измельчения и смешения в определенных пропорциях. Бакелитовая связка состоит в основном из искусственной смолы – бакелита.
Вулканитовая связка представляет собой искусственный каучук, подвергнутый
вулканизации для превращения его в прочный, твердый эбонит. Под твердостью
абразивного инструмента понимается способность связки сопротивляться вырыванию абразивных зерен с рабочей поверхности инструмента под действием внешних
сил.
Для шлифования заготовок из твердых сплавов и высокотвердых материалов
успешно применяют алмазные круги. Алмазный круг состоит из корпуса и алмазоносного слоя. Корпус изготовляют из алюминия, пластмасс или стали. Толщина
алмазоносного слоя у большинства кругов составляет 1,5–3 мм.
На шлифовальные круги наносят условные обозначения, называемые маркировкой. Маркировка необходима для правильного выбора инструмента при проведении конкретной работы. Условные обозначения располагают в определенной последовательности: абразивный материал и его марка, номер зернистости, степень
твердости, номер структуры, вид связки.
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Износ и правка шлифовальных кругов
В процессе шлифования режущие свойства кругов изменяются: абразивные
зерна изнашиваются, затупляются, частично раскалываются, поры между зернами
заполняются шлифовальными отходами. Возрастает сила резания. Поверхность
круга вследствие неравномерного износа теряет свою первоначальную форму, и
точность обработки снижается.
Правильному выбору связки придается весьма большое значение. Если связка
слабо удерживает зерна, то они будут удаляться с круга раньше, чем затупятся.
Произойдет «осыпание» круга. При чрезмерно прочном удержании зерна сильно
затупляются, а на рабочей поверхности круга появляется характерный блеск. Произойдет «засаливание» круга. В том и другом случаях качество шлифуемой поверхности снижается.
Для восстановления режущих свойств абразивные инструменты подвергают
правке. Чаще всего правку производят алмазом при обильном охлаждении. Алмаз,
укрепленный в специальной державке, перемещается вручную или автоматически с
подачей Snp относительно вращающегося круга. Толщина удаляемого слоя шлифовального круга обычно не превышает 0,01–0,03 мм. Время непрерывной работы
инструмента между двумя правками характеризует период его стойкости. В зависимости от требований к качеству обработки и режимов резания стойкость инструмента ориентировочно составляет 5–40 мин.
Испытания и балансировка шлифовальных кругов
Перед установкой на шпиндель станка круги подвергают контролю. На кругах диаметром более 150 мм должна быть обозначена максимально допустимая
окружная скорость. Каждый круг предварительно испытывают на специальных
станках при вращении со скоростью, в 1,5 раза превышающей указанную в маркировке.
Если в процессе шлифования по ряду причин масса круга распределена неравномерно относительно оси вращения, возникает вибрация частей станка, на
обработанной поверхности появляется характерная волнистость Шлифование на
станке становится опасным, так как круг начинает работать с ударами и может
разорваться.
Круги должны быть отбалансированы. Процесс балансировки предусматривает
устранение неуравновешенности массы круга относительно оси шпинделя станка.
Круг вместе с закрепляющими его фланцами монтируют на балансировочной
оправке и устанавливают на опорах так, чтобы он мог свободно поворачиваться
относительно оси вращения. При статической неуравновешенности круг, поворачиваясь, устанавливается тяжелой частью вниз. В процессе балансировки неуравновешенность устраняется перемещением специальных грузиков, расположенных на
фланцах либо в специальных устройствах.
Наилучшие результаты дает балансировка в динамическом режиме при вращении шпинделя станка с установленным кругом.
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Обработка заготовок на круглошлифовальных станках
Конструкции круглошлифовальных станков и их компоновка подчиняются основным схемам шлифования. Круглошлифовальный станок состоит из следующих
основных узлов (рис. 107): станины 1, стола 2, передней бабки 3 с коробкой скоростей, шлифовальной бабки 4, задней бабки 5, привода стола 6. Эти станки разделяют на простые, универсальные и врезные. На универсальных станках каждую
из бабок можно повернуть на определенный угол вокруг вертикальной оси и закрепить для последующей работы. Простые станки снабжены неповоротными бабками. У врезных станков отсутствует продольная подача стола, а процесс шлифования ведется по всей длине заготовки широким абразивным кругом с поперечной
подачей.
Рис. 107. Круглошлифовальный станок
Возвратно-поступательное перемещение стола для продольной подачи производится с помощью гидроцилиндра и поршня. Круговую подачу sKp заготовки
обеспечивает специальный электродвигатель. Шлифовальный круг вращается с помощью клиноременной передачи, когда круг износится и диаметр его уменьшится,
используют другую пару шкивов и скорость резания увеличится.
Наибольшее распространение получили методы шлифования на центрах. Для
повышения точности обработки центры устанавливают неподвижно. Круговая подача заготовки обеспечивается за счет поводкового устройства. Возможно консольное закрепление заготовок в кулачковых патронах.
Круглое шлифование цилиндрических поверхностей может быть выполнено по
одной из четырех схем (рис. 108).
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 108. Схемы обработки на круглошлифовальных станках
При шлифовании с продольной подачей (рис. 108, а) заготовка вращается
равномерно (sKp) и совершает возвратно-поступательные движения (snp).
В конце каждого хода заготовки шлифовальный круг автоматически перемещается на SП и при следующем ходе срезается новый слой металла определенной глубины, пока не будет достигнут необходимый размер детали.
Скорость vK вращательного движения круга обеспечивает скорость резания.
Производительный способ обработки – врезное шлифование (рис. 108, б)
применяют при обработке жестких заготовок в тех случаях, когда ширина шлифуемого участка может быть перекрыта шириной шлифовального круга. Круг
перемещается с постоянной подачей SП (м/об. заг) до достижения необходимого
размера детали. Этот же метод используют при шлифовании фасонных поверхностей и кольцевых канавок. Шлифовальный круг заправляют в соответствии с формой поверхности или канавки.
Глубинным шлифованием (рис. 108, в) за один проход снимают слой материала на всю необходимую глубину. На шлифовальном круге формируют конический участок длиной 8–12 мм. В ходе шлифования конический участок удаляет основную часть срезаемого слоя, а цилиндрический участок зачищает обработанную поверхность. Поперечная подача отсутствует.
Шлифование уступами (рис. 108, г) – это сочетание методов, представленных на рис. 108, а, б. Процесс шлифования состоит из двух этапов. На первом
этапе шлифуют врезанием с подачей SП, передвигая периодически стол на
0,8–0,9 ширины круга (показано; штриховой линией). На втором этапе делают
219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
несколько ходов с продольной подачей Sllp для зачистки поверхности при
выключенной' подаче SП.
Во многих случаях на деталях необходимо обеспечить правильное взаимное
расположение цилиндрических и плоских (торцовых) поверхностей. Для выполнения этого условия шлифовальный круг заправляют по схеме на рис. 108, д и
поворачивают на определенный угол. Шлифуют коническими участками круга.
Цилиндрическую поверхность шлифуют аналогично схеме на рис. 109, а, с периодической подачей SП на глубину резания. Обработка торцовой поверхности
детали заканчивается чаще всего с подачей вручную при плавном подводе заготовки к кругу.
Наружные конические поверхности шлифуют по двум основным схемам.
При обработке заготовок на центрах (рис. 109, а) верхнюю часть стола поворачивают вместе с центрами на угол α так, что положение образующей конической поверхности совпадает с направлением продольной подачи Snp. Далее
шлифуют по аналогии с обработкой цилиндрических поверхностей.
При консольном закреплении заготовок (рис. 109, б) на угол α (половина угла конуса) поворачивается передняя бабка [7].
Рис. 109. Схемы шлифования конических поверхностей
220
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 10
Тема: Методы отделочной обработки поверхностей

Вопросы
1. Отделочная обработка со снятием стружки.
2. Отделка поверхностей чистовыми резцами и шлифовальными кругами.
3. Полирование заготовок.
4. Абразивно-жидкостная отделка.
5. Притирка поверхностей.
6. Хонингование.
7. Суперфиниш.
1. Отделочная обработка со снятием стружки
Дальнейшее развитие машиностроения связано с увеличением нагрузок на детали машин, увеличением скоростей движения, уменьшением массы конструкций.
Выполнить эти требования можно при достижении особых качеств поверхностных
слоев деталей. Однако это не всегда может быть обеспечено описанными методами.
Поэтому требуется дополнительная отделочная обработка для повышения точности, уменьшения шероховатости поверхностей или для придания им особого вида,
что важно для эстетических или санитарно-гигиенических целей.
Велика роль отделочной обработки в повышении надежности работы деталей
машин. Для отдельных методов обработки характерны малые силы резания, небольшие толщины срезаемых слоев материала, незначительное тепловыделение.
Поэтому заготовки деформируются незначительно. Все эти технологические особенности способствуют дальнейшему развитию и широкому применению методов
отделочной обработки. В дальнейшем будет снижаться доля обработки резанием со
снятием большого количества стружки и повышаться доля отделочных методов
обработки [7].
2. Отделка поверхностей чистовыми резцами
и шлифовальными кругами
Тонким обтачиванием иногда заменяют шлифование. Процесс осуществляется
при высоких скоростях резания, малых глубинах и подачах. Находят применение
токарные резцы с широкими режущими лезвиями, которые располагают строго параллельно оси обрабатываемой заготовки. Подача на оборот заготовки составляет
не более 0,8 ширины лезвия, а глубина резания – не более 0,5 мм. Это приводит к
уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности.
Обтачивание алмазными резцами применяют для заготовок из цветных метал-'
лов и сплавов, пластмасс и других неметаллических материалов. Обладая очень
221
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокой стойкостью, алмазные резцы способны долгое время работать без подналадки, обеспечивать высокую точность. Тонкое обтачивание требует применения
быстроходных станков высокой жесткости и точности, а также качественной предварительной обработки заготовок. По аналогии с тонким обтачиванием используют
тонкое строгание. Находит применение тонкое фрезерование.
Тонким растачиванием заменяют шлифование особенно в тех случаях, когда
заготовки из вязких цветных сплавов либо стали, выполнены тонкостенными. Тонкое растачивание целесообразно при точной обработке глухих отверстий или тогда,
когда по условиям работы детали не допускается внедрение абразивных зерен в
поры обработанной поверхности.
Тонкое шлифование производят мягким, мелкозернистым кругом при больших
скоростях резания (vк >40 м/с) и весьма малой глубине резания. Шлифование сопровождается обильной подачей охлаждающей жидкости, Особую роль играет жесткость станков, способных обеспечить безвибрационную работу.
Для тонкого шлифования характерен процесс «выхаживания». По окончании
обработки, например, вала подача на глубину резания выключается, а продольная
подача не выключается. Процесс обработки тем не менее продолжается за счет упругих сил, возникших в станке и заготовке [7].
3. Полирование заготовок
Полированием уменьшают шероховатость поверхности. Этим методом получают зеркальный блеск на ответственных частях деталей (дорожки качения подшипников), либо на деталях, применяемых для декоративных целей (облицовочные
части автомобилей) Для этого используют полировальные пасты или абразивные
зерна, смешанные со смазочным материалом. Эти материалы наносят на быстровращающиеся эластичные (например, фетровые1» круги или колеблющиеся щетки.
Хорошие результаты дает полирование быстродвижущимися бесконечными абразивными лентами (шкурками).
В зоне полирования одновременно протекают следующие основные процессы:
тонкое резание, пластическое деформирование поверхностного слоя, химические
реакции – воздействие на металл химически активных веществ, находящихся в полировальном материале. При полировании абразивной шкуркой положительную
роль играет подвижность ее режущих зерен. Эта особенность шкурок приводит к
тому что зернами в процессе обработки не могут наноситься микроследы, существенно различные по глубине.
В качестве абразивного материала применяют порошки из электрокорунда и
оксиды железа при полировании стали, карбида кремния и оксиды железа при полировании чугуна, оксиды хрома и наждака при полировании алюминия и сплавов
меди. Порошок смешивают со смазочным материалом, который состоит из смеси
воска, сала, парафина и керосина. Полировальные круги изготовляют из войлока,
фетра, кожи, капрона, спрессованной ткани и других материалов [7].
222
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 110. Схемы полирования
Процесс полирования проводят на больших скоростях (до 50 м/с). Заготовка
поджимается к кругу усилием Р (рис. 110, а) и совершает движения подачи sup и sKp
в соответствии с профилем обрабатываемой поверхности. Полирование лентами
(рис. 110, б) имеет ряд преимуществ. Эластичная лента может огибать всю шлифуемую поверхность. Поэтому движения подачи могут отсутствовать.
Главное движение при полировании иногда совершает и заготовка 3 (рис. 110,
в), имеющая, например, форму кольца с фасонной внутренней поверхностью. Абразивная лента 1 поджимается полировальником 2 к обрабатываемой поверхности и
периодически перемещается (движение snp).
Полирование возможно в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Заготовки, закрепленные на конвейере, непрерывно перемещаются относительно
круга или ленты. Съем деталей происходит на ходу конвейера.
В процессе полирования не удается исправлять погрешности формы, а также
местные дефекты предыдущей обработки [7].
4. Абразивно-жидкостная отделка
Отделка объемно-криволинейных, фасонных поверхностей обычными методами вызывает большие технологические трудности. Метод абразивно-жидкостной
отделки позволяет решить задачу сравнительно просто.
На обрабатываемую поверхность, имеющую следы предшествующей обработки, подают струи антикоррозионной жидкости со взвешенными частицами абразивного порошка (рис. 111, а). Водно-абразивная суспензия перемещается под давлением с большой скоростью. Частицы абразива ударяются о поверхность заготовки и сглаживают микронеровности.
223
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интенсивность съема обрабатываемого материала регулируют зернистостью
порошка, давлением струи и углом β. Изменяя скорость полета и размер свободных
абразивных зерен, можно увеличить или уменьшить степень пластической деформации и шероховатость поверхности.
Жидкостная пленка, покрывающая обрабатываемую поверхность, играет очень
важную роль. Абразивные зерна, попадающие на микровыступы, легко преодолевают ее сопротивление и удаляют металл. Те же зерна, которые попадают на впадины, встречают большее сопротивление жидкости и съем материала замедляется,
поэтому шероховатость поверхности уменьшается.
В качестве абразива часто применяют электрокорунд. В суспензии содержится
30–35 % абразива (по массе).
На рис. 111, б показана схема жидкостного полирования. Обрабатываемая заготовка 3 сложного профиля перемещается (v1, snp) в камере 4 так, что все ее участки подвергаются полированию. Абразивная суспензия 1, помещенная в баке 2, подается насосом 6 в рабочую камеру через твердосплавное сопло 5. Отработанная
суспензия падает обратно в бак 2 и может быть использована многократно. Наибольший съем металла получается при угле β = 45°.
Рис. 111. Схема сглаживания микронеровностей
при абразивно-жидкостной отделке (а) и установка (б)
224
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод жидкостного полирования особенно успешно применяют при обработке
фасонных внутренних поверхностей. В этом случае сопло вводится в полость заготовки, которая совершает вращательные и поступательные перемещения в зависимости от профиля полируемой поверхности [7].
5. Притирка поверхностей
Поверхности деталей машин, обработанные на металлорежущих станках, всегда имеют отклонения от правильных геометрических форм и заданных размеров.
Эти отклонения могут быть устранены притиркой (доводкой). Этим методом достигаются наивысшая точность и наименьшая шероховатость поверхности.
Процесс осуществляется с помощью притиров соответствующей геометрической формы. На притир наносят притирочную пасту или мелкий абразивный порошок со связующей жидкостью. Материал притиров должен быть, как правило, мягче обрабатываемого материала. Паста или порошок внедряются в поверхность притира и удерживаются ею, но так, что при относительном движении каждое абразивное зерно может снимать весьма малую стружку. Поэтому притир можно рассматривать как очень точный абразивный инструмент.
Притир или заготовка должна совершать разнонаправленные движения. Наилучшие результаты дает процесс, в ходе которого траектории движения каждого
зерна не повторяются. Микронеровности сглаживаются за счет совокупного химико-механического воздействия на поверхность заготовки.
Толщина жидкостного слоя между притиром и заготовкой должна быть меньше высоты выступающих из притира режущих зерен и определяется вязкостью связующей жидкости. Если эта толщина оказывается больше высоты выступающих
зерен, то процесс притирки прекратится, так как зерна не будут соприкасаться с обрабатываемой поверхностью.
В качестве абразива для притирочной смеси используют порошок электрокорунда, карбидов кремния и бора, оксиды хрома и железа и др. Притирочные пасты
состоят из абразивных порошков и химически активных веществ, например олеиновой и стеариновой кислот, играющих одновременно роль связующего материала.
Материалами притиров являются серый чугун, бронза, красная медь, дерево, В
качестве связующей жидкости используют машинное масло, керосин, стеарин, вазелин.
Схема притирки наружной цилиндрической поверхности приведена на
рис. 112, а, Притир 1 представляет собой втулку с прорезями, которые необходимы
для полного его прилегания под действием сил Р к обрабатываемой заготовке 2 по
мере ее обработки. Притиру сообщают возвратно-поступательное движение v2 и
одновременно возвратно-вращательное движение v1. Возможно также равномерное
вращательное движение заготовок 2 с наложением движения v2. Аналогичные движения осуществляются при притирке отверстий (рис. 112, б), однако притир дол225
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жен равномерно разжиматься действием сил Р. Приведенные схемы осуществляются вручную и на металлорежущих станках.
Рис. 112. Схемы притирки поверхностей
Плоские поверхности притирают также вручную или на специальных доводочных станках (рис. 112, в). Заготовки 4 располагаются между двумя чугунными дисками 3 в окнах сепаратора 5. Диски-притиры имеют плоские торцовые поверхности
и вращаются в противоположных направлениях с разными частотами вращения.
Сепаратор относительно дисков расположен эксцентрично на величину е. Поэтому
при вращении дисков притираемые детали совершают сложные движения со
скольжением, и металл снимается одновременно с их параллельных торцов [7].
226
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Хонингование
Хонингование применяют для получения поверхностей высокой точности и
малой шероховатости, а также для создания специфического микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки. Такой профиль необходим для удержания смазочного материала при работе машины (например, двигателя внутреннего сгорания) на поверхности ее деталей.
Поверхность неподвижной заготовки обрабатывают мелкозернистыми абразивными брусками, которые закрепляют в хонинговальной головке (хоне). Бруски
вращаются и одновременно перемещаются возвратно-поступательно вдоль оси
обрабатываемого цилиндрического отверстия высотой h (рис. 113, а). Соотношение
скоростей v1 : v2 указанных движений составляет 1,5–10 и определяет условия резания.
Рис. 113. Схема хонингования отверстий
Схема обработки по сравнению с внутренним шлифованием имеет преимущества: отсутствует упругий отжим инструмента, реже наблюдается вибрация, резание происходит более плавно.
При сочетании движений на обрабатываемой поверхности появляется сетка
микроскопических винтовых царапин – следов перемещения абразивных зерен.
Угол θ пересечения этих следов зависит от соотношения скоростей. На рис. 113,6
приведена развертка внутренней цилиндрической поверхности заготовки и схема
образования сетки.
227
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Крайние нижнее 1 и верхнее 2 положения абразивных брусков устанавливают
так, что создается перебег п. Он необходим для того, чтобы образующие отверстия
получались прямолинейными даже при неравномерном износе брусков. Совершая
вращательное движение, абразивные бруски при каждом двойном ходе начинают
резание с новых положений 3 хона с учетом смещения t по углу. Поэтому исключается наложение траекторий абразивных зерен.
Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью, так
как могут раздвигаться в радиальных направлениях механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами. Давление брусков должно контролироваться.
Хонингованием исправляют погрешности формы от предыдущей обработки в
виде отклонений от круглости, цилиндричности и т. п., если общая толщина снимаемого слоя не превышает 0,01–0,2 мм. Погрешности расположения оси отверстия (например, отклонение от прямолинейности) этим методом не исправляются,
так как режущий инструмент самоустанавливается по отверстию.
Различают предварительное и чистовое хонингование. Предварительное хонингование используют для исправления погрешностей предыдущей обработки, а
чистовое – для получения малой шероховатости поверхности.
Хонинговальные бруски изготовляют из электрокорунда или карбида кремния,
как правило, на керамической связке. Для чистового хонингования хорошие результаты дают бруски на бакелитовой связке. Все шире применяют алмазное хонингование, преимущества которого состоят в эффективном исправлении погрешностей
геометрической формы обрабатываемых отверстий и увеличении стойкости брусков.
Бруски закрепляются в державках хона приклеиванием ацетоно-целлулоидным
клеем или жидким стеклом. Конструкции головок предусматривают расположение
в них механизма радиального перемещения державок с брусками.
Число брусков в хонинговальной головке должно быть кратно трем, поэтому в
головке всегда найдутся три бруска, которые будут обрабатывать реальную поверхность отверстия, имеющего погрешности формы от предыдущей обработки и
превращать ее в поверхность, близкую к круговому цилиндру.
Хонингование проводят при обильном охлаждении зоны резания смазочноохлаждающими жидкостями – керосином, смесью керосина (80–90%) и веретенного масла (10–20%), а также водно-мыльными эмульсиями.
Наибольшее распространение хонингование получило в автотракторной и
авиационной промышленности [7].
7. Суперфиниш
Суперфинишем в основном уменьшают шероховатость поверхности, оставшуюся от предыдущей обработки. При этом изменяются глубина и вид микронеровностей, обрабатываемые поверхности получают сетчатый рельеф. Поверхность
228
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
становится чрезвычайно гладкой, что обеспечивает более благоприятные условия
взаимодействия трущихся поверхностей.
Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанавливаемыми в специальной головке. Для суперфиниша характерно колебательное движение брусков
наряду с движением заготовки. Процесс резания происходит при давлении брусков
(0,5-3) 105 Па и в присутствии смазочного материала малой вязкости.
Схема обработки наружной цилиндрической поверхности приведена на
рис. 114, а. Плотная сетка микронеровностей создается сочетанием трех движений:
вращательного sKp заготовки, возвратно-поступательного snp и колебательного брусков со скоростью v. Амплитуда колебаний брусков составляет 1,5–6 мм, а частота
400–1200 колебаний в минуту. Движение v ускоряет процесс съема металла и
улучшает однородность поверхности. Бруски, будучи подпружиненными, самоустанавливаются по обрабатываемой поверхности. Соотношение скоростей sKp : v в
начале обработки должно составлять 2–4, а в конце 8–16. Процесс характеризуется
сравнительно малыми скоростями резания (5–7 м/мин).
Рис. 114. Схемы отделки суперфинишированием
Важную роль играет смазочно-охлаждающая жидкость. Масляная пленка покрывает обрабатываемую поверхность, но наиболее крупные микровыступы
(рис. 114, б) прорывают ее и в первую очередь срезаются абразивом. Давление брусков на выступы оказывается большим. По мере дальнейшей обработки давление
снижается, так как все большее число выступов прорывает масляную пленку. Наконец, наступает такой момент (рис. 114, в), когда давление бруска не может разорвать пленку, она становится сплошной. Создаются условия для жидкостного трения. Процесс отделки автоматически прекращается. В качестве жидкости используют смесь керосина (80–90%) с веретенным или турбинным маслом (20–10%).
При обработке сталей лучших результатов достигают при применении брусков
из электрокорунда, при обработке чугуна и цветных металлов – из карбида кремния. В большинстве случаев применяют бруски на керамической и бакелитовых
связках. Большое влияние на ход процесса оказывает твердость брусков.
229
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Алмазные бруски увеличивают не только производительность обработки, но и
стойкость инструмента в 80–100 раз. Алмазные бруски работают на тех же режимах, что и абразивные, но с давлением, большим на 30–50%.
Размеры и форма абразивных брусков определяются размерами и конфигурацией обрабатываемой заготовки. Чаще всего для суперфиниша используют два
бруска, а при обработке крупных деталей – три или четыре.
Обычно суперфиниширование не устраняет погрешности формы, полуденные
на предшествующей обработке (волнистость, конусность, овальность и др.), но
усовершенствование процесса позволяет снимать увеличенные слои металла, использовать особые режимы обработки. В этом случае погрешности предыдущей
обработки значительно уменьшаются [7].
ЛЕКЦИЯ 11
Тема: Термомеханическая и механическая сварка

Вопросы
1. Контактная сварка.
2. Холодная сварка.
3. Ультразвуковая сварка.
4. Сварка взрывом.
5. Диффузионная сварка.
1. Контактная сварка
Контактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом
места соединения без оплавления или с оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов – пластическая деформация, в ходе
которой формируется сварное соединение.
Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного
контакта (рис. 115). Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля – Ленца:
где
– количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж;
– полное
электросопротивление сварочного контура, Ом; I – сварочный ток, А; t – время
протекания тока, с.
230
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полное электросопротивление сварочного контура R состоит из электросопротивлений выступающих концов L свариваемых заготовок Rзаг, сварочного контакта
Rк и электросопротивления между электродами и заготовками Rэп, т. е.
.
Электросопротивление Rк имеет наибольшее значение, так как из-за неровностей поверхности стыка даже после тщательной обработки заготовки соприкасаются только в отдельных точках (рис. 116). В связи с этим действительное сечение
металла, через которое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверхности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В
результате в точках контакта металл нагревается до термопластического состояния
или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются
новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.
Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную и
шовную.
По роду тока различают сварку переменным током, главным образом однофазным частотой 50 Гц; импульсом постоянного тока, когда первичная обмотка сварочного трансформатора подключается к выпрямительной установке, вследствие
индуктивности трансформатора ток в первичной обмотке постепенно возрастает и
во вторичной обмотке индуктируется нарастающий импульс сварочного тока; аккумулированной энергией.
Рис. 115. Схема контактной сварки
231
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стыковая сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки
свариваются по всей поверхности соприкосновения. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины. Зажим один установлен на подвижной плите,
перемещающейся в направляющих, зажим второй укреплен на неподвижной плите.
Сварочный трансформатор соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети
через включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под
действием усилия Р, развиваемого механизмом осадки.
Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления и последующей осадкой – сваркой оплавлением. Для правильного формирования сварного соединения необходимо, чтобы процесс протекал в
определенной последовательности. Совместное графическое изображение тока и
давления, изменяющихся в процессе сварки, называют циклограммой сварки.
Рис. 116. Физический контакт
Механизмы давления служат для сжатия заготовок между электродами машины, они могут иметь рычажно-педальный, электромеханический или пневматический привод давления.
Машины для стыковой сварки выпускают мощностью 5– 500 кВ·А. Стыковые
машины мощностью до 25 кВ·А применяют для сварки сопротивлением черных и
цветных металлов; мощностью 25–250 кВ·А – для сварки сопротивлением и оплавлением черных металлов; мощностью 150–500 кВ·А – для автоматической сварки
оплавлением с подогревом.
Машины для точечной сварки выпускают мощностью 0,1 – 250 кВ·А. Точечные машины мощностью 0,1–25 кВ·А применяют для сварки заготовок толщиной
0,1–2 мм из черных и цветных металлов; мощностью 50–100 кВ·А с пневматическим или электромеханическим приводом давления – для автоматической сварки в
массовом производстве; мощностью 75–250 кВ·А с пневматическим приводом давления и электронными прерывателями тока – для сварки заготовок толщиной от 2
мм и выше. Эти машины могут быть использованы также для рельефной сварки.
232
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Машины для шовной сварки по конструктивному оформлению близки к машинам для точечной сварки и отличаются от них формой электродов, выполненных в
виде роликов. Шовные машины выпускают мощностью 25–200 кВ·А. В зависимости от способа шовной сварки (непрерывное или прерывистое включение тока) их
снабжают механическими или электронными прерывателями тока.
2. Холодная сварка
Холодную сварку выполняют без нагрева при нормальных и пониженных температурах. Физическая сущность процесса заключается в сближении свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними. Такое
сближение достигается приложением больших удельных усилий в месте соединения. В результате происходит совместная пластическая деформация. Большое усилие сжатия обеспечивает разрушение пленки оксидов на свариваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла. При холодной сварке свариваемые поверхности очищают от адсорбированных жировых пленок.
Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения. На
рис. 117, а представлена схема холодной точечной сварки. Свариваемые заготовки
1 с тщательно зачищенной поверхностью 2 в месте соединения помещают между
пуансонами 4, имеющими выступы 5. При сжатии пуансонов усилием Р выступы 5
вдавливаются в металл до тех пор, пока поверхности 3 пуансонов не упрутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма сваренной точки зависит от
формы выступа в пуансоне (рис. 117, 6). Для холодной шовной сварки применяют
специальные ролики. Непрерывное соединение может быть получено путем сдавливания одновременно по всей длине соединения или путем прокатывания ролика.
Швы, образующие замкнутый контур небольшой длины в виде кольца, прямоугольника и т. п., получают контурной сваркой. На рис. 117, в дана схема сварки
полых деталей по контуру. Пуансоны 6 и 7 строго центрируют с помощью
корпуса 8.
Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2–15 мм. Удельные усилия, зависящие от состава и толщины свариваемого материала, в среднем
составляют 150–1000 МПа.
Холодной сваркой в основном сваривают однородные или неоднородные металлы и сплавы, обладающие высокой пластичностью при нормальной температуре. В недостаточно пластичных металлах при больших деформациях могут образоваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются очень большие удельные усилия, которые практически трудно осуществить.
233
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 117. Схема холодной сварки
Хорошо свариваются сплавы алюминия, кадмия, свинца, меди, никеля, золота,
серебра, цинка и тому подобные металлы и сплавы. К преимуществом этого способа относятся малый расход энергии, незначительное изменение свойства металла,
высокая производительность, возможность автоматизации.
3. Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка относится к процессам, в которых используют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. Силы трения возникают
в результате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой
частоты используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов под действием переменного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, поэтому
для увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний и для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев сужающейся формы.
При ультразвуковой сварке (рис. 118) свариваемые заготовки 5 размещают на
опоре 6. Наконечник 4 рабочего инструмента 3 соединен с магнитострикционным
преобразователем 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, представляющих собой вместе с рабочим инструментом волновод. Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки.
234
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 118. Схема ультразвуковой сварки
Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного
размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется.
При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на
свариваемые материалы обеспечивает минимальное изменение их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а при сварке алюминия 200–300 °С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.
Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соединения внахлестку, а также соединения по замкнутому контуру. При сварке по контуру, например, по кольцу, в волновод вставляют конический штифт, имеющий форму
трубки. При равномерном поджатии заготовок к свариваемому штифту получают
герметичное соединение по всему контуру (рис. 119). Ультразвуковой сваркой можно сваривать заготовки толщиной до 1 мм и ультратонкие заготовки толщиной до
0,001 мм, а также приваривать тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной
толщины. Снижение требований к качеству свариваемых поверхностей позволяет
сваривать плакированные и оксидированные поверхности и металлические изделия, покрытые различными изоляционными пленками. Этим способом можно сваривать металлы в однородных и разнородных сочетаниях, например алюминий с
медью, медь со сталью и т. п. Ультразвуковым способом сваривают и пластмассы,
235
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
однако в отличие от сварки металлов к заготовкам подводятся поперечные ультразвуковые колебания.
Рис. 119. Ультразвуковая сварка по контуру:
1- волновод; 2 – сменный полый штифт; 3 – сменный прижимной штифт;
2- 4 – прижимная опора; 5 – свариваемое изделие.
Ультразвуковую сварку применяют в приборостроении, радиоэлектронике,
авиационной промышленности и других отраслях [7].
4. Сварка взрывом
Сварку взрывом можно отнести к видам сварки с оплавлением при кратковременном нагреве на воздухе, так как на отдельных участках наблюдаются зоны металла, нагретые до оплавления. Однако на других участках температура может
быть невысока, и здесь процесс приближается к холодной сварке.
Большинство технологических схем сварки основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва (рис. 120). Соединяемые поверхности двух
заготовок 4 и 3, в частности пластин, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом а друг к другу на расстоянии hо. На заготовку 3 укладывают взрывчатое вещество 2 толщиной H, а со стороны, находящейся над вер236
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шиной угла, устанавливают детонатор 1. Сваривают на жесткой опоре. Давление,
возникающее при взрыве, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине.
Детонация взрывчатого вещества с выделением газов и теплоты происходит с
большой скоростью (несколько тысяч метров в секунду).
В месте соударения метаемой пластины с основанием образуется угол γ. который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении из вершины
угла выдуваются тонкие поверхностные слои, оксидные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин вызывает течение металла в их поверхностных слоях. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил взаимодействия, и
происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки
взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для
протекания диффузионных процессов, сварные соединения не образуют промежуточных соединений между разнородными металлами и сплавами.
Рис. 120. Схема сварки взрывом
237
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов. Разрушение при испытании происходит на некотором расстоянии от плоскости соединения по наименее прочному металлу. Это объясняется
упрочнением тонких слоев металла, прилегающих к соединенным поверхностям,
при их пластической деформации.
Параметры сварки взрывом: скорость детонации О, нормальная скорость Vн метаемой пластины при соударении с основанием и угол у их встречи при соударении. Скорость детонации, определяемая типом взрывчатого вещества и толщиной
его слоя, должна обеспечивать образование направленной (кумулятивной) струи
без возникновения опасных для металла ударных волн.
Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакирования поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с
особыми физическими и химическими свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и
ковкой.
5. Диффузионная сварка
При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в
твердом состоянии. Температура нагрева при сварке несколько выше или ниже
температуры рекристаллизации более легкоплавкового материала. Диффузионную
сварку в большинстве случаев выполняют в вакууме, однако она возможна в атмосфере инертных защитных газов. Свариваемые заготовки 3 (рис. 121) устанавливают внутри охлаждаемой металлической камеры 2, в которой создается вакуум
133(10-3-10-5) Па, и нагревают с помощью вольфрамового или молибденового нагревателя или индуктора ТВЧ 4 (5 – к вакуумному насосу; 6 – к высокочастотному
генератору). Может быть использован также и электронный луч, позволяющий нагревать заготовки с еще более высокими скоростями, чем при использовании ТВЧ.
Электронный луч применяют для нагрева тугоплавких металлов и сплавов. После
того как достигнута требуемая температура, к заготовкам прикладывают с помощью механического 1, гидравлического или пневматического устройства небольшое сжимающее давление (1–20 МПа) в течение 5–20 мин. Такая длительная выдержка увеличивает площадь контакта между предварительно очищенными свариваемыми поверхностями заготовок. Время нагрева определяется родом свариваемого металла, размерами и конфигурациями заготовок.
Для получения качественного соединения нагрев заготовок по всему сечению
должен быть равномерным, а их поверхности очищены от оксидов и загрязнений.
При нагреве в вакууме тончайшие адсорбированные и масляные пленки испаряются и не препятствуют образованию соединения.
Преимуществом диффузионной сварки в вакууме является отсутствие припоев,
электродов и флюсов. Металлы и сплавы можно соединять в однородных и разнородных сочетаниях, независимо от их твердости и взаимного смачивания, и полу238
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чать прочные соединения без изменения физико-механических свойств. После
сварки не требуется механической обработки для удаления шлака, грата или окалины.
Рис. 121. Схема диффузионной сварки в вакууме
Диффузионную сварку применяют в космической технике и радиоэлектронике,
в самолетостроении, в приборостроении, в пищевой промышленности и других отраслях. Этот способ используют для сварки деталей и узлов вакуумных приборов,
высокотемпературных нагревателей, при производстве инструмента и т. д.
Установки для диффузионной сварки выпускают для единичного производства
с обычным ручным управлением и для серийного поточно-массового производства
с полуавтоматическим или автоматическим программным управлением [7].
239
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛЕКЦИЯ 12
Тема: Металлорежущие станки

Вопросы
1. Классификация металлорежущих станков.
2. Кинематика станков.
3. Кинематические схемы металлорежущих станков.
4. Автоматы и полуавтоматы.
К современным машинам и приборам предъявляются высокие требования по
технико-эксплуатационным характеристикам, точности и надежности работы. Эти
показатели обеспечиваются высокой точностью размеров и качеством обработанных поверхностей деталей машин и приборов. Поэтому, несмотря на большие достижения технологии производства высококачественных заготовок, роль обработки
резанием и значение металлорежущих станков в машиностроении непрерывно повышаются.
Современные металлорежущие станки – это разнообразные и совершенные рабочие машины, использующие механические, электрические и гидравлические методы осуществления движений и управления рабочим циклом, решающие самые
сложные технологические задачи.
Станкостроение развивается как в количественном, так и качественном отношении. Непрерывно повышаются точность, производительность, мощность, быстроходность и надежность работы станков. Улучшаются эксплуатационные характеристики, расширяются технологические возможности, совершенствуются архитектурные формы станков. Успешное развитие станкостроения обеспечивает перевооружение всех отраслей нашей промышленности высокопроизводительными и высококачественными станками, многие из которых отвечают требованиям мировых
стандартов [7].
1. Классификация металлорежущих станков
В основу классификации металлорежущих станков, принятой в нашей стране,
положен технологический метод обработки заготовок. Классификацию по технологическому методу обработки проводят в соответствии с такими признаками, как
вид режущего инструмента, характер обрабатываемых поверхностей и схема обработки. Станки делят на токарные, сверлильные, шлифовальные, полировальные и
доводочные, зубообрабатывающие, фрезерные, строгальные, разрезные, протяжные, резьбообрабатывающие и т. д.
Классификация по комплексу признаков наиболее полно отражается в общегосударственной Единой системе условных обозначений станков. Она построена по
десятичной системе; все металлорежущие станки разделены на десять групп, группа – на десять типов, а тип – на десять типоразмеров. В группу объединены станки
по общности технологического метода обработки или близкие по назначению (на240
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пример, сверлильные и расточные). Типы станков характеризуют такие признаки,
как назначение, степень универсальности, число главных рабочих органов, конструктивные особенности. Внутри типа станки различают по техническим характеристикам.
В соответствии с этой классификацией каждому станку присваивают определенный шифр. Первая цифра шифра определяет группу станков, вторая тип, третья
(иногда третья и четвертая) показывает условный размер станка. Буква на втором
или третьем месте позволяет различать станки одного типоразмера, но с разными
техническими характеристиками. Буква в конце шифра указывает на различные
модификации станков одной базовой модели. Например, шифром 2Н135 обозначают вертикально-сверлильный станок (группа 2, тип 1), модернизированный (Н), с
наибольшим условным диаметром сверления 35 мм (35).
Различают станки универсальные, широкого применения, специализированные
и специальные. На универсальных станках выполняют самые разнообразные работы, используя заготовки многих наименований. Примерами таких станков могут
быть токарно-винторезные, горизонтально-фрезерные консольные и др. Станки
широкого назначения предназначены для выполнения определенных работ на заготовках многих наименований (многорезцовые, токарно-отрезные станки). Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров (например, станки для обработки коленчатых валов). Специальные станки выполняют определенный вид работ на одной определенной заготовке.
По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы и станки с программным управлением. По числу главных рабочих органов станки делят на одношпиндельные, многошпиндельные, односуппортные, многосуппортные. При классификации по конструктивным признакам выделяются существенные конструктивные особенности (например, вертикальные и
горизонтальные токарные полуавтоматы). В классификации по точности установлены пять классов станков: Н – нормальной, П – повышенной, В – высокой, А –
особо высокой точности и С – особо точные станки [7].
2. Кинематика станков
Приводом станка называют совокупность механизмов, передающих движение
от источника движения (электродвигателя) к рабочим органам станка (шпинделю,
суппорту, столу). В металлорежущих станках применяют индивидуальный привод,
т. е. каждый станок приводится в движение от одного электродвигателя либо от
нескольких. В последнем случае различают приводы главного движения, подачи и
вспомогательных движений.
Для передачи движения от электродвигателя к ведущему валу рабочего узла
используют ременную, цепную или зубчатую передачи. Часто электродвигатель
крепят непосредственно к станине или корпусу узла станка к заранее предусмотренному конструкцией месту – фланцевый электродвигатель. Движение от электро241
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двигателя передается в этом случае через зубчатую или червячную передачу. Иногда в станках применяют встроенные электродвигатели. В этом случае ротор электродвигателя одновременно служит шпинделем станка.
Приводы станков бывают со ступенчатым и бесступенчатым регулированием
частоты вращения шпинделя и величины подач. Приводы со ступенчатым регулированием выполняют в виде зубчатых коробок передач, обеспечивающих получение определенного ряда значений частоты вращения или подач. Системы бесступенчатого регулирования позволяют получать частоту вращения шпинделя и величины подач в определенных пределах, что обеспечивает возможность работы на
расчетном режиме резания.
Передачей называют механизм, передающий движение от одного элемента к
другому (с вала на вал) или преобразующий одно движение в другое (вращательное
в поступательное). В передаче элемент, передающий движение, называют ведущим,
а элемент, получающий движение, – ведомым. Каждая передача характеризуется
передаточным отношением.
Передаточным отношением называют число, показывающее, во сколько раз
частота вращения ведомого элемента меньше или больше частоты вращения ведущего элемента:
,
где i – передаточное отношение передачи;
вала, об/мин;
(
(п2) – частота вращения ведомого
) – частота вращения ведущего вала, об/мин.
Ременная передача (рис. 122, а) осуществляется плоскими, клиновыми или
круглыми ремнями через шкивы, закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение передачи
,
где
и
– диаметры шкивов ведущего и ведомого валов, мм;
– коэффици-
ент, учитывающий проскальзывание ремня относительно поверхностей шкивов
( = 0,96-7-0,99).
Цепная передача (рис. 122, б) осуществляется роликовой или бесшумной цепью, соединяющей звездочки, закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение передачи
i=
где
и
,
– числа зубьев ведущей и ведомой звездочек.
242
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зубчатая передача (рис. 122, в, г) состоит из цилиндрических или конических
зубчатых колес. Передаточное отношение зубчатой передачи
i=
,
где
и
– числа зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес.
Червячная передача (рис. 122, д) состоит из червяка (винта) и червячного зубчатого колеса и предназначена для резкого снижения частоты вращения ведомого
вала, если ведущим является червяк. Если резьба червяка имеет k заходов, а число
зубьев червячного колеса равно z, то передаточное отношение передачи
i=
.
Реечная передача (рис. 122, е) преобразует вращательное движение реечного
зубчатого колеса или червяка в поступательное движение зубчатой рейки. Если реечное зубчатое колесо имеет z зубьев, а модуль реечного колеса и рейки равен т,
мм, то за п оборотов реечного колеса рейка перемещается на величину S, мм:
S = nπmz.
(23)
Винтовая передача (рис. 122, ж) состоит из винта и гайки и служит для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки. Если
шаг резьбы винта равен t, мм, число заходов резьбы равной, то за п оборотов ходового винта гайка переместится в осевом направлении на величину S, мм:
S = ntk.
(24)
В таблице 6 даны условные обозначения основных передач и механизмов, предусмотренные ГОСТом.
Для ступенчатого изменения скорости движения используют двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные электродвигатели или различные механизмы на основе зубчатых передач. Движение с вала I (рис. 122, з), который вращается с постоянной частотой, передается на вал II с помощью двух пар зубчатых колес
и
.
243
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 122. Передачи и механизмы
Включают одну из этих передач с помощью электромагнитных фрикционных
односторонних муфт А и Б. Передаточные отношения передач различны, поэтому
вал II имеет две частоты вращения. Такие механизмы используют в станках с программным управлением. «Конус» зубчатых колес с накидным зубчатым колесом
(рис. 122, и) применяют в универсальных станках. Зубчатые колеса z1, z2, z3, z4, z5
жестко закреплены на валу I. Движение на вал II передается зубчатым колесом zH,
свободно сидящим на промежуточном валу, и зубчатым колесом zc, которое перемещается на валу II на шпонке. Механизм обеспечивает пять передач с разными
передаточными отношениями
,
,
,
,
. Вал II
имеет пять значений частоты вращения.
244
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6
Условные обозначения основных передач
и механизмов металлорежущих станков
245
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Механизмы для бесступенчатого изменения скорости бывают электрические,
гидравлические и механические. В станках широко используют системы электромашинного усиления, системы генератор – двигатель, гидравлические двигатели и
различные механические устройства, например вариаторы. В вариаторе (рис. 122,
к) шкивы 1 и 2, имеющие криволинейную образующую, закреплены соответственно на ведущем I и ведомом II валах. Оси роликов 3, прижатых к поверхностям
шкивов, устанавливают под различными углами к оси валов. Этим обеспечивают
плавное изменение частоты вращения ведомого вала.
Реверсирование – изменение направления вращения всего привода – производят переключением фаз асинхронного электродвигателя или полярности электродвигателя постоянного тока. Реверсирование гидравлических механизмов осуществляется гидрораспределителями. В механизмах с зубчатыми колесами (рис. 122, л,
м) для реверсирования переключают кулачковую муфту А вправо или влево.
Для получения прерывистого движения в многошпиндельных станкахавтоматах применяют мальтийский крест (рис. 122, н). Непрерывное вращательное
движение водила 1, закрепленного на ведущем валу, через палец 2 преобразуется в
прерывистое вращательное движение мальтийского креста 3. Поворот осуществляется до тех пор, пока палец не выйдет из зацепления с пазом мальтийского креста.
Если мальтийский крест имеет z пазов, то передаточное отношение механизма i =
1/z [7].
3. Кинематические схемы металлорежущих станков
Под кинематической схемой металлорежущего станка понимают условное изображение всех механизмов и передач, которые передают движение от привода к
исполнительным органам станка.
Кинематическая цепь главного движения. Привод главного движения станка модели 1А616 (рис. 123) состоит из коробки скоростей, смонтированной в передней тумбе, и механизма перебора, смонтированного вместе со шпинделем в передней бабке.
Движение с вала I электродвигателя (N = 4,5 кВт; п = = 1440 об/мин) передается
на вал II через клиноременную передачу с диаметрами шкивов 135–168 мм; на вал
III – через зубчатые передачи 41–26, 39–31, 14–55. Вал III имеет три частоты вращения.
С вала III на вал IV движение передается через зубчатые передачи 14–44, 19–
38, 26–32, 31–25. Вал IV имеет 12 частот вращения. Скорости переключаются блоками Б1, Б2, Б3 и зубчатым колесом z = 55, сидящими на валах на скользящих
шпонках.
246
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 123. Кинематическая схема токарно-винторезного станка модели 1А616
247
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С вала IV движение клиноременной передачей с диаметрами шкивов 174–174
мм передается полому валу V, а далее через зубчатые передачи 34–68 и 20–80 – на
шпиндель VII. Переключением муфты М1 влево вращение вала V передается шпинделю VII. Шпиндель станка имеет 24 частоты вращения (11–2240 об/мин).
Частота вращения шпинделя, об/мин,
,
где
– частота вращения электродвигателя, об/мин;
ношения клиноременных передач;
скоростей;
– передаточные от-
– передаточное отношение передач коробки
– передаточное отношение механизма перебора;
– коэффициент
проскальзывания ремня относительно поверхности шкивов ременной передачи.
Например, наименьшая частота вращения шпинделя
.
Кинематическая цепь подачи. Цепь движения подачи суппортов станка начинается с вала VII (шпинделя). Движение с вала VII на вал X передается через реверсивный механизм зубчатыми передачами 34–44–22–34 или 34–44–44–34. Переключение колеса z = 34 на скользящей шпонке реверсирует направление движения
подач суппортов. С вала X движение передается на ведущий вал XII коробки подач
через передачи 30–66–36.
Включением муфт М2 и М3 и переключением блоков Б5, Б6, Б7, и Б8 коробки подач движение с вала XII передается через соответствующие зубчатые передачи на
ходовой валик XXI станка. Механизм коробки подач обеспечивает 48 частот вращения ходового валика. Однако вследствие близкого совпадения ряда частот вращения практически коробка подач обеспечивает только 22 частоты вращения ходового валика и, следовательно, 22 продольные или поперечные подачи [7].
С ходового валика XXI движение передается на вал XXII фартука станка червячной передачей 2–35. Включением муфты М6 движение передается с вала XXII
через зубчатые передачи 31–53 и 27–53 на вал XXIV, на котором жестко закреплено
реечное зубчатое колесо z = 14. Реечное колесо, вращаясь, катится по зубчатой
рейке, привернутой к станине станка, обеспечивая продольную подачу суппорта.
Включением муфты М5 движение передается с вала XXII через передачи 50–35 и
47–13 на ходовой винт XXVII поперечной подачи.
Кинематическая цепь нарезания резьбы. При нарезании резьб с шагом до 6
мм движение в коробку подач передается от шпинделя. Резьбы с более крупным
шагом нарезают при включенном переборе с использованием звена увеличения шага. Для этого блок Б4 смещают вправо, пока зубчатое колесо z = 44 не войдет в зацепление с колесом z = 34, закрепленным на валу V. В этом случае движение в ко248
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
робку подач передается от вала V; с вала X на вал XII коробки подач – через блоки
С1 и С2 сменных зубчатых колес.
При нарезании дюймовых резьб кулачковую муфту Мг выключают. Колесо
z = 51 зацеплено с колесом z = 30 вала XII, а колесо z = 39 вала XV введено в зацепление с колесом z = 39 блока 22–39, свободно сидящим на валу XIV. При нарезании
метрических и модульных резьб включают муфту Мг, колесо z = 51 выводят из зацепления, а колесо z = 39 перемещают по валу XV вправо до зацепления с колесом
z = 39, жестко закрепленным на валу XIV. Суппорт станка при нарезании резьб получает движение от коробки подач через кулачковую муфту М4, промежуточный
валик XVIII и ходовой винт XX [7].
4. Автоматы и полуавтоматы
Автоматами называют станки, на которых после их наладки и включения все
основные и вспомогательные движения осуществляются без участия оператора.
Автоматы работают по периодически повторяющемуся циклу. В цикл входит установка и закрепление обрабатываемой заготовки на станке, обработка ее поверхностей, съем обработанной детали, подача и закрепление следующей заготовки
Полуавтоматы отличаются от автоматов тем, что снятие детали и установку заготовки на станке, а также включение станка осуществляет оператор. Цикл обработки заготовки – автоматический. Автоматы и полуавтоматы целесообразно применять в серийном и массовом производствах.
В работу автоматов заложены определенные принципы обработки заготовок:
одинарный – в обработке каждой заготовки участвует только один режущий инструмент; параллельный – в обработке каждой заготовки участвуют несколько инструментов, работающих одновременно; последовательный – в обработке каждой заготовки участвуют несколько инструментов, вступающих в работу последовательно один за другим; параллельно-последовательный – в обработке каждой заготовки участвуют несколько групп инструментов, причем инструменты одной группы работают параллельно, а инструменты нескольких групп – последовательно;
ротационный – в обработке каждой заготовки участвует один инструмент или
группа инструментов при одновременном ротационном (вращательном) движении
заготовок и инструментов; непрерывный – в обработке каждой заготовки участвует
один инструмент или несколько инструментов при непрерывной подаче заготовок.
По виду обрабатываемых заготовок различают автоматы для изготовления деталей из бунта проволоки, из пруткового материала (прутковые) и из штучных заготовок (магазинные).
По числу шпинделей различают одношпиндельные и многошпиндельные автоматы и полуавтоматы; по расположению осей вращения – горизонтально- и вертикально-шпиндельные.
Циклом работы автоматов и полуавтоматов управляют распределительные валы, на которых установлены дисковые или барабанные кулачки, управляющие работой механизмов.
249
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Совершенствование органов управления станков, автоматов и полуавтоматов
привело к созданию станков с программным управлением.
Металлорежущие станки с системами ЧПУ (числового программного управления) применяют как для выполнения простых операций (сверление отверстий, обтачивание валов), так и для обработки сложных фасонных деталей. Системы ЧПУ
обеспечивают высокий уровень автоматизации станков, включая автоматическую
смену режущих инструментов и заготовок, изменение режимов резания, получение
размеров поверхностей деталей. Станки с ЧПУ имеют большую производительность, чем универсальные станки. Станки с ЧПУ, изготовляемые на базе серийных,
имеют коробку скоростей с передвижными зубчатыми блоками или оснащены бесступенчатым приводом главного движения.
На рис. 124 показана кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с
ЧПУ модели 6Р13ФЗ. Механизм главного движения станка представляет собой
обычную коробку скоростей, в которой 18 частот вращений шпинделя получают
переключением двух тройных и одного двойного блока (19–22–16; 37–46–26 и 82–
19). Источником движения служит электродвигатель Мг (N = 7,5 кВт, п – 1450
об/мин). Диапазон частот вращения шпинделя 40–2000 об/мин.
Механизм подачи станка обеспечивает перемещение заготовки, установленной
на столе, в двух взаимно перпендикулярных направлениях – продольном и поперечном. Шпиндель станка вместе с ползуном перемещается в вертикальной плоскости. Эти три движения осуществляются от трех исполнительных механизмов. Каждый из них состоит из электродвигателя (М2, M3, M4), который управляет гидродвигателем (Г2, Г3, Г4). Гидродвигатели приводят в движение рабочие органы станка
(стол и ползун) через зубчатые колеса и шариковые винтовые пары (2, 3, 4). Каждому импульсу, поступающему от системы ЧПУ, соответствует перемещение ползуна со шпинделем или стола на 0,01 мм. Скорость подачи 20–600 мм/мин [7].
Консоль станка со столом и салазками имеет установочное вертикальное
перемещение от гидродвигателя Г1 через пару конических колес 18/72 и винтовую пару 1.
Программа работы станка задается с помощью чисел в закодированном виде.
250
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 124. Кинематическая схема фрезерного станка 6Р13Ф3
251
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНО‐ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
Тема: Проектирование технологического процесса поковки
!
Цель работы: ознакомиться с методикой разработки технологии и составлением технологических карт на изготовление поковки.
Теоретические сведения. Свободной ковкой изготовляют в условиях индивидуального и мелкосерийного производства поковки массой примерно от 150 г до
300...350 т. Свободную ковку проводят на гидравлических прессах (тяжелые поковки), паровоздушных молотах (средние поковки массой 8...750 кг) и на пневматических молотах (мелкие поковки). Исходными заготовками для свободной ковки
служат прокат, блюмсы и в некоторых случаях слитки.
Разработка технологического процесса свободной ковки состоит из следующих
этапов:
1. Проектирование поковки.
2. Расчет размеров и массы заготовки для поковки.
3. Назначение кузнечных переходов.
4. Выбор оборудования.
5. Определение режимов нагрева и охлаждения.
6. Назначение термообработки для поковки.
Проектирование поковки. Чертеж поковки разрабатывают по чертежу детали. Размеры поковки по сравнению с размерами готовой детали увеличивают на
величину припуска. Для упрощения формы поковки по отдельным поверхностям
(получение которых ковкой невозможно или затруднительно) дают местное увеличение припуска, называемое напуском. На все размеры поковки назначают допуски.
Припуски и допуски на поковки из углеродистой легированной стали, изготовляемой свободной ковкой на молотах, регламентированы ГОСТ 7829–70, а на прессах – ГОСТ 7062–54.
В таблице 7 приведена выдержка из ГОСТ 7829–70 по припускам и допускам
для гладких поковок круглого, квадратного и прямоугольного сечений.
252
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 7
Припуски (на две стороны) и допуски на гладкие поковки
Длина детали, мм
До 50
До 250
Св. 250 до 500
Св. 500 до 800
Св. 800 до 1200
Св. 5000 до 6000
5±2
6±2
7±2
8±2
-
Припуски и допуски деталей при диаметре D
или размере сечения, В×Н, мм
Св. 50
Св. 70
Св. 980
Св. 160
до 70
до 90
до 120
до 200
6±2
7±2
8±3
7±2
8±2
9±3
11±3
8±2
9±3
10±3
12±3
9±3
10±3
11±3
13±4
19±5
Св. 300
до 360
14±4
15±4
16±4
22±6
Для поковок круглого и квадратного сечений с уступами предусмотрены дополнительные припуски (на несоосность) величиной 3. ..10 мм при разности диаметров (размеров) наибольшего и рассматриваемого сечений 0. . .40 мм и свыше
180 мм. На общую длину поковки припуски и допуски берут по таблице и увеличивают в 2,5 раза.
Расчет размеров и массы заготовки. Массу исходной заготовки С3 при ковке из
проката определяют по формуле
где
– масса поковки, кг;
– масса отходов на обсечки и угар, кг.
Если поковку обрабатывают резанием, то подсчет массы металла проводят по
номинальным размерам поковки без учета допусков. Если поковка механически не
обрабатывается, то подсчет массы металла поковки проводят с учетом максимальных значений допусков, то есть по максимальным размерам поковки.
Массу поковки подсчитывают по формуле
где
– объем металла поковки, см3;
– плотность, равная для стали 7,85 г/см3
(7,85-Ю-3 кг/м3).
Массу отходов на обсечки и угар берут обычно в процентах от массы поковки.
Ее значение составляет 1,5... 25% (глухие фланцы – 1,5%, зубчатые колеса – 8. . .10,
сварные кольца, втулки, обечайки – 3. . .5, гладкие валы, бруски – 5.. .7, валы и вилки с уступами, болты – 7.. .10, гаечные ключи, шатуны – 15.. .18, рычаги сложные,
кривошипы – 18… 25%).
253
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Площадь поперечного сечения исходной заготовки определяют, исходя из
площади поперечного сечения детали, характера обработки и степени уковки. Если
основной операцией при ковке является вытяжка, то площадь поперечного сечения
исходной заготовки Р3 находят так:
где
– площадь поперечного сечения поковки, см2; К – степень уковки,
равная для проката 1,3. ..1,5, для слитка – 1,5. ..2.
Для операции осадки высота исходной заготовки должна быть менее трех ее
диаметров.
Длина исходной заготовки , см, можно определить из формулы
– объем отходов, см3; – объем заготовки, см3.
Для облегчения расчетов объемы сложных деталей разбивают на объемы элементарных фигур.
где
Таблица 8
Температурные интервалы ковки
конструкционных углеродистых и легированных сталей
Марки стали
10, 15
20, 25, 30, 35
40-60, 15Г – 60Г
40ХС, 25ХГС, 25ХГСА
20Х, 30Х, 50Х, 30ХА
Интервал температур ковки, ºС
1280…750
1250…800
1200…800
1150…830
1200…800
Назначение кузнечных переходов. При разработке технологии ковки необходимо стремиться к наименьшему числу переходов, к минимуму отходов металла и
получению детали с высокими механическими свойствами. Для создания высоких
механических свойств поковки важное значение имеет устранение в ней дендритной (древовидной) структуры, получаемой в отливках, то есть раздробление ее до
мелкозернистого строения. Поэтому при ковке ряда деталей (шестерни, валы, оси,
инструмент и др.) для раздробления дендритной структуры применяют многократное обжатие поковки в продольном и поперечном направлениях.
254
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве примера расчленения кузнечной операции на переходы приведен
технологический процесс ковки болта (табл. 9).
Таблица 9
Схема ковки болта
Выбор оборудования. Оборудование выбирают по массе падающих частей ковочных молотов в зависимости от размеров заготовки и операции свободной ковки
(табл. 10).
Определение режима нагрева и охлаждения. Для нагрева поковок применяют
пламенные и электрические (сопротивления и индукционные) печи.
Максимально допустимая температура нагрева tн° перед свободной ковкой для
углеродистых сталей примерно на 150 °С ниже линии солидуса АЕ на диаграмме
железо – цементит (рис. 12).
Температура конца горячей обработки t°к для углеродистых сталей устанавливается на 50. ..70 °С выше линии 05К (рис. 12).
В таблице 8 приведены температурные интервалы ковки для ряда марок конструкционных углеродистых и легированных сталей.
255
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 10
Данные для выбора массы падающих частей ковочных молотов
Масса падающих частей молота,
кг
100
200
300
400
500
Максимальное сечение заготовки – сторона квадрата
или диаметр исходной заготовки, мм
осадка
вытяжка
50
70
85
100
115
Масса падающих частей молота, кг
90
120
140
160
180
750
1000
2000
3000
5000
Максимальное сечение
заготовки – сторона квадрата или диаметр исходной заготовки, мм
осадка
вытяжка
135
160
225
270
350
200
230
280
330
400
По окончании ковки при температуре более высокой, чем рекомендуемые, и
последующем медленном охлаждении поковки из заэвтектоидной стали (с содержанием углерода более 0,8%) получают грубую цементитную сетку, а из легированной – карбидную сетку. Такие стали хрупки и плохо поддаются исправлению
термической обработкой [5].
Нагревать заготовку следует равномерно во избежание резкого перепада температур в наружных и внутренних ее слоях, что может привести к образованию
трещин. Нагрев до температур 800.. , 850 °С ведут медленно, а затем быстрее. Время нагревания заготовок т, ч, в пламенных печах определяют по формуле профессора Доброхотова:
,
где
– диаметр круглой или сторона квадратной заготовки, м; К – коэффициент,
равный 10 для конструкционной углеродистой и низколегированной сталей и 20
для высоколегированной и высокоуглеродистой сталей.
В формулу времени нагрева вводят также поправочные коэффициенты, зависящие от длины заготовки
и ее диаметра
. Например, при
, при
, при
.
Охлаждение поковок после ковки должно быть равномерным и не очень быстрым, иначе возможно образование трещин.
Нельзя ставить поковки на чугунные плиты, а также оставлять на сквозняке.
Поковки охлаждают (в зависимости от марки стали и размеров) на воздухе, в ящиках или колодцах на воздухе или в засыпке сухим песком вместе с печью [5].
256
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поковки мало- и среднеуглеродистых, некоторых легированных сталей (15Х–
45Х, 25Н, ЗОХ) охлаждают на воздухе. Поковки размером до 100 мм из высокоуглеродистых сталей (У7–У10) и некоторых легированных сталей охлаждают на воздухе, при размерах 100. . .200 мм – в штабелях на воздухе, при размерах 200. . .300
мм – в колодце на воздухе.
Термообработка поковок применяется для устранения в них крупнозернистого
строения, наклепа, внутренних напряжений и подготовки их к механической обработке. Для этой цели поковки в ряде случаев подвергают отжигу или нормализации
[5].
Порядок составления технологической карты.
1. По чертежу детали (вал, зубчатое колесо и др.) разработать чертеж поковки.
2. Рассчитать размеры и массу заготовки для поковки.
3. Назначить кузнечные переходы.
4. Выбрать оборудование.
5. Определить режим нагрева и охлаждения. При необходимости определить термообработку.
Содержание отчета. В отчет необходимо включить заполненную технологическую карту кузнечной обработки и расчет.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
Тема: Изучение оборудования для электродуговой сварки
!
Цель работы: изучить оборудование для дуговой сварки и приобрести навыки
его настройки на оптимальный режим по качеству сварного шва.
Теоретические сведения. При дуговой электросварке применяют следующие
источники питания дуги: сварочные генераторы постоянного тока, сварочные выпрямители и сварочные трансформаторы. Все источники сварочного тока должны
обеспечивать возможность короткого замыкания, надежность зажигания и горения
дуги, регулирование силы тока. При сварке на постоянном токе дуга отличается
устойчивостью, возможна сварка высоколегированных сталей, цветных металлов и
сплавов, сталей малых толщин. На рисунке 125 показана принципиальная электрическая схема распространенного сварочного преобразователя постоянного тока ПС500. Такие преобразователи имеют две обмотки – намагничивающую (возбуждения) Фн и размагничивающую Фр, включенную в сварочную цепь. При сварке размагничивающая обмотка создает магнитный поток, обратный потоку, создаваемому
намагничивающей обмоткой, и поэтому результирующий магнитный поток уменьшается. С уменьшением сопротивления сварочной электрической цепи (при
уменьшении длины дуги) отношение напряжения к сопротивлению остается практически неизменным. Таким образом, сила тока при колебаниях длины дуги и ко257
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ротких замыканиях (замыкание дуги, переход капли металла с электрода в шов)
практически изменяется мало.
Силу сварочного тока регулируют реостатом R, включенным в цепь намагничивающей обмотки (обмотки возбуждения). Силу сварочного тока регулируют
(грубо) секционированием размагничивающей обмотки. В таблице 11 приведены
технические данные однопостовых сварочных преобразователей.
Питание сварочной дуги постоянным током возможно от сварочных выпрямителей, которые собраны из полупроводников (селеновых или кремниевых диодов).
В таблице 12 приведены технические данные однопостовых сварочных выпрямителей.
Сварочные трансформаторы ТД-303 и ТД-504 (номинальные сварочные токи
300 и 500 А) имеют одинаковое устройство и отличаются размерами и мощностью
(табл. 13). Они относятся к сварочным трансформаторам с увеличенным магнитным рассеиванием. На рисунке 126 приведена принципиальная схема сварочного
трансформатора ТД-303. На сердечнике 1 внизу размещены неподвижные катушки
2 с первичной обмоткой, вверху – подвижные катушки 3 со вторичной обмоткой.
Первичная обмотка включена в силовую сеть, а вторичная – в сварочную цепь. Силу сварочного тока регулируют изменением расстояния h между первичной и вторичной обмотками.
Рис. 125. Электрическая схема сварочного преобразователя ПС-500
258
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При увеличении расстояния h магнитный поток рассеивается, то есть не полностью идет по стержню 1, э. д. с. самоиндукции и индуктивное сопротивление увеличиваются и соответственно уменьшается ток в сварочной цепи. С увеличением
сварочного тока (например, при замыкании) магнитный поток рассеивания возрастает и во вторичной обмотке трансформатора увеличиваются э. д. с. самоиндукции
и индуктивное сопротивление, что создает резкое падение напряжения (крутопадающую внешнюю характеристику источника питания).
Для сварки конструкционных сталей применяют электроды, изготовленные из проволоки длиной от 225 до 450 мм и диаметром от 1,6 до 12 мм (ГОСТ 94–75). Наиболее
часто используют электроды длиной 350, 400 и 450 мм и диаметром 3, 4 и 5 мм.
Рис. 126. Схема сварочного трансформатора ТД-303 (ТД-504)
1 – стержень сердечника; 2 – первичная обмотка; 3 – вторичная обмотка.
Согласно ГОСТ 9466–75 условное обозначение электродов для сварки и наплавки представляют собой длинную дробь, например:
Э46-МР-3-4,0-УД2
Е431(3)-РБ23
259
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В числителе записаны: Э46 – тип электрода; МР-3 – его марка; 4,0 – диаметр,
мм; УД2: У – название электрода (для сварки конструкционных сталей с <600
МПа), Д – толщина покрытия (толстое), 2 – группа электрода по качеству изготовления.
В знаменателе записаны; буква «Е» (электрод); 43 1 (3) – группа индексов, характеризующая металл шва; РБ23; РБ – вид покрытия, 2 – допустимые пространственные положения при сварке (кроме вертикального, сверху вниз), 3 – требования к
электропитанию дуги (переменный и постоянный ток, обратная полярность).
Важным параметром электродуговой сварки является сила сварочного тока.
При недостаточной силе сварочного тока шов получается тонким с непроварами,
при избыточной силе сварочного тока возникают подрезы, прожоги, ухудшается
структура металла. В данной работе сила сварочного тока Iсв для ручной электродуговой сварки стали в нижнем положении ориентировочно определяется по формуле
академика К.К. Хренова IСВ= (20 +6dЭ)dЭ, где dЭ – диаметр металлического
электрода, мм.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с техникой безопасности при электродуговой сварке.
2. Изучить оборудование, приборы, и приспособления для дуговой сварки.
3. Приобрести практические навыки зажигания и поддержания дуги с различными положениями сварного шва при сварке стыкового соединения пластин из
стали.
4. Определить влияние силы сварочного тока на качество шва при сварке стали
различной толщины в такой последовательности:
а) определить ориентировочно силу сварочного тока для сварки стальных
пластин электродом диаметром dЭ = 3 мм;
б) очистить металлической щеткой пластины из стали Ст. 3 толщиной 1, 3 и
6 мм и собрать под прихватку;
в) прихватить и сварить пластины толщиной 1,3 и 6 мм в один проход (режим,
см. пункт а);
г) удалить со швов шлак (после полного остывания) и визуально оценить
качество швов, полученных на пластинах различной толщины, замерить ширину шва;
д) сломать по шву сваренные пластины, замерить высоту усиления и глубину провара шва;
е) визуально оценить по ширине шва и излому его качество.
Содержание отчета. В отчет необходимо включить: схему сварочного поста;
схему сварочного преобразователя ПС-500; схему сварочного трансформатора ТД303 (ТД-504); расчеты диаметра электрода и силы сварочного тока. В выводах указать, как влияет сила сварочного тока на качество шва в зависимости от толщины
свариваемых пластин.
260
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 11
Таблица 12
261
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 13
262
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Тема: Изучение оборудования для газовой сварки
!
Цель работы: изучить оборудование и аппаратуру для газовой сварки; научиться выбирать соответствующий наконечник горелки, обеспечивающий оптимальный расход ацетилена.
Теоретические сведения. Газовую сварку наиболее часто производят ацетиленокислородным пламенем. Ацетилен получают непосредственно на месте сварки в
специальных ацетиленовых генераторах или поставляют в баллонах под давлением.
Баллоны с ацетиленом окрашивают в белый цвет. В случае использования баллонов
с кислородом или ацетиленом для снижения и поддержания постоянного давления
применяют специальные редукторы.
Генератор АНВ-1,25-75 (рис. 126) работает по принципу «вода на карбид» в
сочетании с системой ее вытеснения. Корпус 14 разделен перегородкой 13 на две
части. В верхней части расположен водосборник 16, в нижней – газосборник 12.
Обе части соединены циркуляционной трубой 9, через которую вода попадает в
нижнюю часть или, наоборот, вытесняется в верхнюю при работе генератора. В
нижней части газосборника вварена реторта 8. Перед работой генератор заливают
водой до шайбы 3, устанавливают корзину 6 с карбидом кальция в реторту и закрывают ее крышкой 7. При открывании крана 4 вода через трубу 5 поступает в реторту 8, заполняет ее, смачивает карбид кальция, и в результате реакции образуется
ацетилен. Ацетилен по трубе 5 поступает в газосборник 12, а затем через осушитель 2, водяной затвор 10 и шланг 1 – в горелку. Подача воды прекращается, как
только ее уровень опускается ниже крана 4. Для замедления нарастания давления в
генераторе часть воды из реторты 8 вытесняется ацетиленом через трубу 11 в вытеснитель 15. По мере расходования ацетилена давление снижается, и вода, поднимаясь до уровня крана 4, вновь поступает в реторту 8 и возобновляется образование
ацетилена. Так, в зависимости от расхода ацетилена из генератора автоматически
регулируется процесс образования ацетилена [5].
263
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 126. Схема ацетиленового генератора АНВ-1,25-75
Для предохранения генератора от проникновения в него пламени (обратный
удар) применяют водяные затворы. На рисунке 127 представлена схема жидкостного водяного затвора низкого давления. Затвор состоит из корпуса 1, водоналивной
трубы 7, газоподводящей трубы 4 и воронки 5. При нормальной работе затвора
(рис. 127, справа) ацетилен через кран поступает в газо-подводящую трубу 4, через
отверстие 11 – в корпус 1, заполненный водой по кран 9, и, пройдя через воду, сетку 2 и ниппель 8, проходит в шланг к горелке или резаку. Диаметр диска 10 больше
264
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диаметра водоналивной трубы, что предохраняет выход ацетилена через нее в атмосферу [5].
Рис. 127. Схема водяного затвора:
справа – водяной затвор при нормальной работе;
слева – водяной затвор при обратном ударе
При обратном ударе (рис. 127, слева) газы пламени вытесняют воду из корпуса
затвора в газоподводящую трубу и водоналивную воронку. При этом пламя отсекается от проникновения в генератор и его газы, пройдя воду, водоналивную трубу и
воронку, охлаждаются и через сетку 6 выходят в атмосферу.
Кислород хранят в баллонах, окрашенных в голубой цвет, вместимостью 40 л
под давлением 15МПа. При таком давлении баллон содержит 6 м3 кислорода. На
баллоне должна быть надпись «Кислород». Кислородные баллоны маслоопасны.
При попадании масла на вентили баллонов может быть взрыв.
Для получения постоянного рабочего давления кислорода или ацетилена, содержащихся в баллонах, высокое давление снимают посредством редуктора (рис.
265
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
128). При завертывании винта 7 пружина 6 давит на мембрану 5, штифт 8, клапан 3
и пружину 2, отверстие 9 открывается и кислород из баллона, поступая в камеру
высокого давления 1, переходит в камеру низкого давления 4 и затем в горелку.
С увеличением расхода кислорода давление в камере низкого давления снижается и
мембрана под действием пружины 6 приоткрывает больше клапан 3. Кислород поступает в камеру в большем количестве и рабочее давление восстанавливается. С
уменьшением расхода кислорода редуктор работает в обратном порядке [5].
Рис. 128. Схема кислородного редуктора
Сжигание газа происходит в сварочных горелках. Наиболее распространены
инжекторные горелки (рис. 129), работающие на ацетилене низкого давления. Кислород под давлением через вентиль 1 по каналу 2 поступает в инжектор 6. При
выходе кислорода из инжектора с большой скоростью в смесителе наконечника 3
создается разрежение и ацетилен, поступающий через вентиль 7 от баллона или
генератора, под меньшим давлением всасывается через каналы 5 в смесительную
камеру, где с кислородом образует горючую смесь. Горючая смесь проходит через
наконечник 3 в мундштук 4 и при выходе из него зажигается. Во избежание горения смеси внутри наконечника (обратный: удар) скорость истечения газовой смеси
должна быть больше скорости ее горения (распространения пламени).
Горелка комплектуется сменными наконечниками 3 (разных номеров), каждый
из которых обеспечивает определенный расход ацетилена и, следовательно, определенную тепловую мощность пламени.
Сварочные горелки подразделяются по мощности пламени на горелки микромощности (ГС-1), малой мощности (Г2-04), средней мощности (Г3-03) и большой
мощности (ГС-4).
266
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 129. Схема инжекторной горелки для газовой сварки
1 – кислородный вентиль; 2 – кислородный канал; 3 – сменный наконечник;
4 – мундштук; 5 – ацетиленовые каналы сменного наконечника; 6 – инжектор;
7 – ацетиленовый вентиль
В таблице 14 приведены основные параметры наиболее употребительных инжекторных горелок [5].
Тепловая мощность пламени Р, л/ч,– количество горючего газа, сжигаемого в
единицу времени. От тепловой мощности пламени зависят производительность работы сварщика и качество свариваемого шва. Практикой установлено, что необходимая тепловая мощность пламени при сварке низкоуглеродистой стали зависит от
толщины свариваемых деталей и определяется по формуле:
P = AS,
(25)
где А – удельная мощность, л/ч -мм (для углеродистых сталей равна 100, для чугуна
– 80... 100, для меди – 150 и для алюминия – 75); S – толщина свариваемого металла, мм.
Диаметр присадочной проволоки при газовой сварке правым способом d=(0,5
S+2) мм, а при левом способе d = (0,5 S+1) мм.
При сварке изделий толщиной свыше 20 мм берут присадочную проволоку
диаметром не более 10. . .12 мм.
Промышленность выпускает сварочную проволоку диаметром (мм) 0,3; 0,5;
0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,6; 2; 2,5; 3;
267
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14
Параметры горелок Г2-04, Г3-03
Наименование
параметров
Толщина свариваемой низкоуглеродистой стали, мм
Расход кислорода,
л/ч
Расход ацетилена,
л/ч
Давления на входе в
горелку кислорода,
кПа (кгс/см2)
Давления на входе в
горелку ацетилена,
кПа (кгс/см2)
1
0,5…1,5
Параметры наконечников горелок (№)
2
3
1,0…2,5
2,5…4
4
4…7
50…125
120…240
230…430
400…700
55…135
130…260
250…440
430…750
100…400
(1…4,0)
150…400
(1,5…4,0)
200…400
(2,0…4,0)
200…400
(2,0…4,0)
Не ниже 1 (0,01)
Продолжение таблицы 14
Наименование
параметров
Толщина свариваемой низкоуглеродистой стали, мм
Расход кислорода,
л/ч
Расход ацетилена, л/ч
Давления на входе в
горелку кислорода,
кПа (кгс/см2)
Давления на входе в
горелку ацетилена,
кПа (кгс/см2)
Параметры наконечников горелок (№)
5
6
7
7…11
10…18
17…30
60…1100
1030…1750
1700…2800
740…1200
200…400
(2,0…4,0)
1150…1950
200…400
(2,0…4,0)
1900…3100
200…400
(2,0…4,0)
Не ниже 10 (0,1)
268
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с техникой безопасности при
газовой сварке.
2. Приобрести практические навыки по газовой сварке стыкового соединения
пластин из стали марки Ст. 3, зажиганию горелки и наложению сварного шва.
3. Для определения влияния мощности пламени на качество шва при сварке
стали разной толщины необходимо:
а) определить мощность пламени, номер наконечника и диаметр присадочной
проволоки для свариваемых пластин толщиной 3 мм;
б) очистить металлической щеткой пластины из стали марки Ст. 3 толщиной 1,
3 и 6 мм и собрать под прихватку;
в) попарно прихватить и сварить пластины толщиной 1, 3 и 6 мм в один проход
левым способом (режим, см. пункт а);
г) оценить качество швов (визуально), полученных на пластинах различной
толщины, и замерить ширину шва;
д) сломать по шву сваренные пластины, замерить высоту усиления шва и
глубину провара;
е) оценить (визуально) по ширине шва и излому его качество.
Содержание отчета. В отчет необходимо включить: схемы газосварочного поста, водяного затвора, газового редуктора, инжекторной горелки; расчет мощности
пламени и его влияние на качество шва в зависимости от толщины свариваемых
пластин [5].
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
Тема: Определение режимов
и технологических коэффициентов дуговой сварки
!
Цель работы: рассчитать оптимальный режим дуговой сварки; настроить оборудование на этот режим; экспериментально проверить правильность выбора
режима определением технологических коэффициентов дуговой сварки.
Теоретические сведения. Выбор режима сварки. Качество сварного соединения зависит от правильности выбора режима сварки.
В понятие режима сварки входят диаметр электрода, сила сварочного тока,
напряжение, скорость сварки.
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла и типа
сварного соединения. С одной стороны, диаметр электрода должен быть по возможности наибольшим, чтобы обеспечить максимальную производительность
сварки, с другой – применение слишком большого диаметра электрода, особенно
при малой толщине металла, может привести к пережогу металла. Диаметр электрода определяют по эмпирической формуле
269
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d=S/2+1,
(26)
где d – диаметр электрода, мм; S – толщина свариваемого металла, мм.
При толщине металла свыше 20 мм диаметр электрода будет не более 8.. .10
мм.
Сила сварочного тока 1СВ, А, определяет качество и производительность работ.
Эта величина зависит от толщины свариваемого металла S, диаметра электрода d,
коэффициента теплопроводности %, типа сварного соединения (стыковое, тавровое, угловое и т. д.), скорости сварки, положения сварного шва в пространстве
(нижнее, верхнее, потолочное) [5].
Практически силу сварочного тока определяют по формуле
где К – коэффициент плотности тока, А/мм.
Для обычной ручной электродуговой сварки коэффициент плотности тока К,
А/мм, равен:
для металлических электродов
40.. .50
для угольных
«
5.. .8
для графитовых
«
18. ..20
С увеличением теплопроводности металла, которая в основном зависит от химического состава, сила сварочного тока увеличивается. Например, теплопроводность железа λ Fe = 40. ..50 ккал/(м·ч·°С), а алюминия λ Аl = 150. ..170 ккал/( м·ч· °С),
и поэтому при сварке алюминия необходимо увеличение сварочного тока
При сварке легированных сталей, обладающих пониженной теплопроводностью из-за содержания в них легирующих элементов (Ni, Cr, W, Мп, V), возникает
опасность образования высоких термических напряжений, могущих привести к образованию в детали трещин. Поэтому при сварке легированных сталей применяется
так называемый мягкий режим:
где
– сила сварочного тока для легированных сталей, А;
сила сварочного тока для углеродистых сталей, А.
При сварке на переменном токе из-за отсутствия достаточной ионизации и охлаждения межэлектродного пространства при перемене полярности требуется повышенный сварочный ток:
270
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
– сила сварочного тока при сварке на переменном токе, А;
– сила сварочного тока при сварке на постоянном токе, А.
Окончательно силу сварочного тока устанавливают с учетом соотношений
толщины металла S и диаметра электрода d. При толщине металла S>3d силу сварочного тока увеличивают на 10. ..15%, а при S<1,5d уменьшают на 10. ..15%.
Сварку вертикальных и потолочных швов ведут при силе тока на 10.. .15% меньшей, чем при сварке нижних швов. Повышение скорости сварки дает возможность
без снижения качества сварных соединений повысить силу сварочного тока.
Силу сварочного тока при ручной электродуговой сварке стали можно также
определить по приближенной формуле академика К. К. Хренова.
Напряжение сварки Uc, В, определяют в зависимости от длины дуги Lд по формуле
где
– падение напряжения в аноднокатодных пятнах, которое не зависит от
длины дуги, равно 10. ..12 В;
– падение напряжения, отнесенное к 1 мм длины
дуги, равное 2.. .3 В на 1 мм.
Длина дуги зависит от диаметра электрода; ее определяют по формуле
.
Скорость сварки vCB, м/ч, определяют по формуле
,
где
– коэффициент наплавки, г/(А·ч). Для качественных электродов
= 10...12
г/(А·ч), для стабилизирующих
= 8г/(А·ч); В – масса наплавленного металла на 1
м длины, г/м.
По коэффициенту наплавки
и времени горения дуги t, ч, количество наплавленного металла QH, г, рассчитывают по формуле
.
Расход электрической энергии, Р, кВт·ч, определяют по формуле
271
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
– коэффициент полезного действия источника питания (для трансформатора
при
= 100...450 А равен 0,8...0,85; для генератора – 0,3. ..0,4);
– мощность
холостого хода источника питания дуги (для трансформатора равна 0,2...0,4 кВ·А;
для генератора – 2...3 кВ·А); T – общее время работы источника питания, ч (рабочее
и холостое).
В среднем расход электрической энергии на 1 кг наплавленного металла при
ручной электродуговой сварке на переменном токе составляет 3,5...4,4 кВт·ч, на постоянном токе – 7...8 кВт·ч.
Определение технологических коэффициентов при электродуговой cварке.
Технологические коэффициенты при электродуговой сварке характеризуют экономическую эффективность сварки и правильность ее режима. К технологическим
коэффициентам относятся:
– коэффициент наплавки;
– коэффициент расплавления;
– коэффициент потерь. Коэффициенты
,
,
рассчитывают
по формулам и по данным опыта.
Коэффициент наплавки
, г/(А·ч), характеризует технологическое качество
применяемых электродов; его определяют по формуле
,
где
– масса наплавленного металла, которую определяют взвешиванием до и
после наплавки, г; t – время горения дуги, ч;
Для широкого применения электродов
Коэффициент расплавления
- рабочий сварочный ток, А.
=5. .. 13 г/(А·ч).
, г/(А·ч), учитывает разбрызгивание металла
при электродуговой сварке и вычисляется по формуле
,
где
– количество расплавленного металла, которое определяют взвешиванием
электрода до и после наплавки, г.
Коэффициент
, не должен значительно превышать коэффициент
, так
как это будет указывать на нерационально выбранный электрический режим сварки. Чем больше разница между Кр и
, тем больше потери металла. Считается
нормальным, если К Р = (1,2... 1,3) Кн.
272
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент потерь
рассчитывают по формуле
Порядок выполнения работы
1. Для заданного листового материала (марка стали, толщина) рассчитать оптимальные режимы сварки (d,
, U,
) на переменном и постоянном токе. Рассчитать расход электрической энергии.
2. Взвесить электрод и пластину на весах с точностью ±0,5 г.
3. Настроить аппаратуру на необходимый режим.
4. Наплавить валик (шов) на пластину (за один проход необходимо расплавить
не менее ¾ длины электрода) и записать значения тока (по показаниям амперметра)
и времени сварки (по показаниям секундомера).
5. Взвесить последовательно на весах остаток электрода и пластину с наплавленным валиком. Рассчитать количество расплавленного и наплавленного металла.
6. Определить технологические коэффициенты
,
,
7. Проверить правильность выбора режима сварки.
Содержание отчета. В отчет необходимо включить: расчет оптимального
режима сварки на переменном и постоянном токе; расчеты по определению технологических коэффициентов
,
,и
, протокол опытных данных. В выводах
оценить правильность выбранного режима сварки и настройки аппаратуры [5].
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
Тема: Токарные резцы
!
Цель работы: изучить конструкции и геометрические параметры токарных резцов; практически ознакомиться со средствами и техникой измерения геометрических параметров токарных резцов.
Теоретические сведения. Токарные резцы подразделяют по назначению, материалу рабочей части, форме головки и направлению подачи, конструкции, сечению тела резца (стержня) и т. д.
По назначению различают резцы проходные, подрезные, отрезные, расточные,
галтельные, фасонные и резьбовые. На рисунке 130 показаны наиболее часто применяемые типы токарных резцов [5].
Проходные резцы применяют для наружного точения: черновые (рис. 130, а, б)
и чистовые (рис. 130, в, г, д). Проходной упорный резец (рис. 130, е) имеет главный
273
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
угол в плане φ = 90°; он работает с продольной подачей и одновременно подрезает
торец.
Подрезные резцы (рис. 130, ж) применяют в основном для подрезания торцов;
они работают с поперечной подачей.
Отрезные резцы (рис. 130, з) применяют для отрезания заготовок и точения
канавок. Отрезной резец имеет одну главную и две вспомогательные режущие
кромки. Для уменьшения трения вспомогательные задние поверхности затачивают
под углами 1,5 – 2°.
Расточные резцы применяют для растачивания отверстий, предварительно
просверленных или полученных в процессе штамповки или отливки. Расточные
резцы используют для растачивания сквозных отверстий (рис. 130, и) и глухих отверстий (рис. 130, к). Резцы для растачивания глухих отверстий имеют главный
угол в плане φ ≥ 90°, а для растачивания сквозных отверстий φ = 45–60°.
Галтельные резцы применяют для точения закруглений (галтелей).
В качестве материала рабочей части токарных резцов используют быстрорежущие стали, твердые сплавы и минералокерамику. Углеродистые и легированные
инструментальные стали для изготовления токарных резцов применяют редко.
По форме головки и направлению подачи проходные резцы подразделяют на
правые и левые. У правых резцов (рис. 130, а, б) главная режущая кромка расположена с левой стороны, и они работают подачей справа налево (от задней бабки к
передней).. У левых резцов главная режущая кромка расположена справа, и работают они в обратном направлении, т. е. от передней бабки к задней.
Резцы могут иметь головки, отогнутые (рис. 130, б) вправо или влево, изогнутые вверх или вниз и оттянутые (рис. 130, з).
274
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 130. Основные разновидности токарных резцов
275
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По сечению стержня различают резцы прямоугольные, квадратные и круглые.
По конструкции резцы могут быть цельные (головка и тело сделаны из одного
материала), с приваренной встык головкой (например, головка из быстрорежущей
стали, а державка резца из малоуглеродистой стали), с припаянной пластинкой
(твердого сплава или быстрорежущей стали) и резцы с механическим креплением
режущих пластинок [5].
При определении углов резца пользуются понятиями основной плоскости и
плоскости резания. Основной плоскостью называют плоскость, параллельную продольной и поперечной подачам. Для токарного резца основной плоскостью служит
нижняя опорная поверхность резца. Плоскость резания – плоскость, касательная к
поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку резца.
Углы резца рассматриваются в главной 1 (сечение ББ) и вспомогательной секущих плоскостях 2 (сечение АА), в плане (рис. 131).
Главная секущая плоскость резца – плоскость, перпендикулярная проекции
главной режущей кромки на основную плоскость 3.
В главной секущей плоскости рассматриваются следующие углы: а) главный
задний угол α – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания 7; б) угол заострения β – угол между передней и главной задней поверхностью
резца; в) передний угол γ – угол между передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания 7 и проведенной через главную режущую кромку. Сумма углов α+β+γ = 90°.
276
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 131. Углы токарного резца: 1 – след главной секущей плоскости; 2 – след
вспомогательной секущей плоскости; 3 – основная плоскость; 4 – обрабатываемая
поверхность; 5 – поверхность резания; 6 – обработанная поверхность; 7 – плоскость резания.
Сумма углов α и β называется углом резания и обозначается δ. Таким образом,
углом резания называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью
резания. Условно считается, что угол γ может быть положительным и отрицательным. Отрицательный передний угол (-γ) имеет место при угле резания δ > 90°; в
этом случае также выдерживается алгебраическое равенство α+β+γ=90°.
Кроме главной секущей плоскости, имеется вспомогательная секущая плоскость 2 (сечение АА), которая проводится перпендикулярно проекции главной режущей кромки на основную плоскость 3. В этой плоскости обычно рассматривается только один вспомогательный задний угол α1 равный по величине главному заднему углу α.
При рассмотрении сверху (в плане) проходного резца, установленного на суппорте токарного станка, видны следующие углы резца (рис. 131).
Главный угол в плане φ – угол между проекцией на основную плоскость главной режущей кромки резца и направлением продольной подачи.
277
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вспомогательный угол в плане φ1 – угол между проекцией на основную плоскость вспомогательной режущей кромки и направлением подачи.
Угол при вершине ε – угол между проекциями режущих кромок на основную
плоскость.
Сумма углов φ + φ1+ε=180°.
Угол наклона главной режущей кромки λ – угол между главной режущей кромкой и плоскостью, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости (рис. 132). Этот угол измеряется в плоскости, проходящей через главную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости. Угол λ, считается положительным, когда вершина резца является низшей точкой режущей кромки; отрицательным, если вершина резца является высшей точкой режущей кромки; равным
нулю, когда главная режущая кромка параллельна основной плоскости [5].
Углы режущей части резца влияют на процесс резания. Задние углы α и α1
уменьшают трение между задними поверхностями инструмента и поверхностью
обрабатываемой заготовки, что снижает силы резания и уменьшает износ резца;
однако чрезмерное увеличение заднего угла приводит к ослаблению режущей
кромки резца. Рекомендуется при обработке стальных и чугунных деталей задние
углы выполнять в пределах 6. . .12°.
Рис. 132. Угол наклона режущей кромки резца
С увеличением переднего угла γ уменьшается работа резания и повышается
класс шероховатости обработанной поверхности. При обработке мягких сталей γ =
8. . . 20°, а при обработке весьма твердых сталей делают даже отрицательный угол,
т. е. γ = – (5. . .10°).
Главный угол в плане φ определяет соотношение между радиальной и осевой
силами резания. При обработке деталей малой жесткости угол φ берут близким или
равным 90°, так как в этом случае радиальная сила, вызывающая изгиб детали, минимальна. В зависимости от условий работы принимают φ = 10. . .90°. Наиболее
распространенное значение угла φ резца в плане при обработке на универсальных
токарных станках равно 45°.
Вспомогательный угол в плане φ1 = 0. . .45°, наиболее распространен φ1 = 12. .
.15°.
278
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Угол наклона главной режущей кромки λ определяет направление схода стружки. При положительном λ стружка имеет направление на обработанную поверхность, при отрицательном λ – на обрабатываемую поверхность. Угол λ часто принимают равным 0°. При чистовой обработке принимать угол λ положительным не
рекомендуется, так как сходящая стружка может увеличить шероховатость обработанной поверхности.
Порядок выполнения работы.
1. Вычертить схему обработки детали изучаемым резцом. На схеме следует
указать обрабатываемую и обработанную поверхности, поверхность резания, главную режущую кромку, переднюю и главную заднюю поверхности, указать стрелками направление главного движения (заготовки) и движения подачи (резца).
2. Измерить измерительной линейкой или штангенциркулем основные размеры резца (длину резца L, длину его головки l1, длину тела (стержня) l2, сечение тела
резца В × Н, высоту h, см (рис. 130, л).
3. Измерить радиусомером радиус закругления вершины резца.
4. Измерить углы резца, используя универсальный угломер, настольный угломер, универсальный угломер ЛМТ.
Универсальным угломером замерить углы в плане: главный φ и вспомогательный φ1. Измерительную линейку угломера b приложить к боковой стороне стержня
резца, измерительную линейку а подвести к главной режущей кромке и на шкале
угломера получить значение угла φ (рис. 133).
Рис. 133. Измерение главного угла в плане универсальным угломером
Аналогично измерить вспомогательный угол в плане φ1. Подсчитать угол при
вершине по формуле ε = 180 – (φ + φ1).
Настольным угломером измерить передние и задние углы (главные и вспомогательные) и угол наклона главной режущей кромки. Для измерения главных – переднего и заднего – углов измеритель с линейкой а и b (рис. 134, 6) визуально уста279
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
новить в главной секущей плоскости (перпендикулярно проекции главной режущей
кромки на основную плоскость). При измерении заднего главного угла а измерительную линейку а прижать к главной задней поверхности резца (рис. 134) и на
шкале угломера С прочитать значение угла α. При измерении главного переднего
угла γ измерительную линейку b совместить с главной передней поверхностью резца и на шкале С прочитать значение угла γ (рис. 135). Вспомогательные углы (α1 и
γ1) измерить аналогично. В этом случае измеритель установить во вспомогательной
секущей плоскости.
Рис. 134. Схема измерения главного заднего угла на настольном угломере
При измерении угла наклона главной режущей кромки λ линейку b измерителя
совместить с главной режущей кромкой (рис. 136) и на шкале С прочитать значение
угла.
Угол резания δ и угол заострения.β определить соответственно по формулам
δ = 90°- γ и β = 90°- (α + γ).
Рис. 135. Схема измерения главного переднего угла
на настольном угломере
280
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 136. Схема измерения угла наклона главной режущей кромки
Универсальным угломером (ЛМТ), показанным на рисунке 137, измерить передний γ и задний α углы, главный и вспомогательный в плане φ и φ1 угол наклона
главной режущей кромки λ.. Угломер ЛМТ состоит из массивного основания 1 с
вертикальной стойкой 2, на которой размещено шкальное устройство, включающее
три блока и три шкалы с измерительными линейками (ножами) 4. Шкальное устройство (после ослабления фиксатора 5) можно перемещать по высоте, поворачивать вокруг оси стойки 2, закреплять в любом положении фиксатором 5. Измерительные ножи шкальных устройств совмещают с поверхностями (или режущими
кромками) и фиксируют в требуемом положении винтами. Верхняя поверхность
основания тщательно обработана и служит для установки измеряемых резцов. На
нем размещена направляющая планка 7, которая может перемещаться поперек плиты по пазам 6.
Одна шкала угломера служит для измерения заднего и переднего углов α и γ,
вторая – угла наклона главной режущей кромки λ, третья – главного и вспомогательного углов в плане φ и φ1.
Измерить углы α, γ и λ, для чего блок 4 установить в рабочее положение и зафиксировать (шкальные устройства для измерения углов α, γ и λ располагают со
стороны резца).
Измерить углы φ и φ1, для чего блок 4 повернуть на 180° и закрепить фиксатором 5 (шкальное устройство для измерения углов φ и φ1 располагают в этом случае
со стороны резца). При измерении углов φ (или φ1) резец прижать к направляющей
планке 7 (рисунок 137, б), а измерительный нож совместить с главной режущей
кромкой (или вспомогательной режущей кромкой) и считать значение измеренного
угла φ (или φ1) [5].
281
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 137. Измерение углов резца универсальным угломером ЛТМ
а – измерение углов α и γ; б – измерение углов φ и φ1; в – измерение угла λ
Измерение углов α и γ показано на рисунке 137, а, угла λ – на рисунке 137, в,
углов φ и φ1 – на рисунке 133.
5. Вычертить эскиз резца в двух проекциях с необходимым количеством сечений и видов и указать основные размеры и углы заточки [5].
Содержание отчета. В отчет необходимо включить: характеристику резца (наименование, марка материала режущей части); эскиз резца; результаты измерений
основных размеров и углов.
282
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТЕСТЫ
для фронтального контроля по лабораторным работам
по Материаловедению
Лабораторная работа 1
Определение твердости металлов
1. Что называется твердостью металла?
а) свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, не получающего при этом остаточной деформации;
б) деформация металла во времени под действием напряжения, постоянного по величине;
в) напряжение, при котором металл получает заметную остаточную деформацию;
г) образование углубления на заготовке за счет внедрения кузнечного инструмента на неполную толщину.
2. В чем заключается метод Бринелля?
а) вдавливание под нагрузкой стального закаленного шарика диаметром
10 мм;
б) вдавливание под нагрузкой стального закаленного шарика диаметром
1,59 мм;
в) вдавливание под нагрузкой алмазного конуса с углом при вершине 120˚;
г) на шлифованную поверхность накладывают подготовленную фотобумагу.
3. В чем заключается метод Роквелла?
а) вдавливание под нагрузкой стального закаленного шарика диаметром
10 мм;
б) вдавливание под нагрузкой стального закаленного шарика диаметром
1,59 мм;
в) вдавливание под нагрузкой алмазного конуса с углом при вершине
120˚;
г) на шлифованную поверхность накладывают подготовленную фотобумагу.
283
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Какая нагрузка соответствует методу Бринелля?
а) 1,5 кН;
б) 15 кН;
в) 1 кН;
г) 30 кН.
5. Какая нагрузка соответствует методу Роквелла?
а) 1,5 кН;
б) 15 кН;
в) 1 кН;
г) 30 кН.
6. Что относится к недостаткам метода Бринелля?
а) не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой
(чугуны серые, ковкие и высокопрочные);
б) невозможность определить твердость цветных сплавов;
в) невозможность испытаний металлов имеющих твердость более 450 НВ
или толщину менее 2 мм;
г) невозможность испытаний металлов имеющих твердость более 450 НВ
или толщину более 2 мм.
7. Для чего используется шкала А при измерении твердости методом Роквелла?
а)
б)
в)
г)
для измерений твердости незакаленных сталей;
для измерений твердости закаленных сталей;
для измерений твердости сталей после ХТО;
для измерений твердости цветных металлов и сплавов.
8. Для чего используется шкала С при измерении твердости методом Роквелла?
а)
б)
в)
г)
для измерений твердости незакаленных сталей;
для измерений твердости закаленных сталей;
для измерений твердости сталей после ХТО;
для измерений твердости цветных металлов и сплавов.
9. Для чего используется шкала В при измерении твердости методом Роквелла?
а)
б)
в)
г)
для измерений твердости незакаленных сталей;
для измерений твердости закаленных сталей;
для измерений твердости сталей после ХТО;
для измерений твердости цветных металлов и сплавов.
284
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. Какие преимущества имеет метод Роквелла?
а) простота, высокая производительность, возможность определить твердость у образца толщиной более 2 мм;
б) простота, высокая производительность, возможность определить твердость у образца толщиной не менее 0,8 мм;
в) простота, высокая производительность, возможность определить твердость у образца толщиной менее 2 мм;
г) обеспечение качественной поверхности после испытаний, возможность
определить твердость у образца, как низкой, так и высокой твердости.
Лабораторная работа 2
Макроструктурный анализ металлов и сплавов
1. Назовите методы макроструктурного анализа?
а) метод разломов и метод Бринелля;
б) метод изломов и метод макрошлифов;
в) метод макрошлифов и метод Роквелла;
г) метод разломов и метод Баумана.
2. Для чего проводится макроструктурный анализ?
а) определения химического состава;
б) определения химических свойств;
в) определения величины поперечного сечения;
г) определения структуры, характера предшествующей обработки и т.д.
3. Какое увеличение применяется при макроанализе?
а) 100-кратное;
б) 1000-кратное;
в) 300-кратное;
г) 30-кратное.
4. Что такое волокнистость?
а) расстояние между серединами двух волокон;
б) толщина волокон;
в) длина одного волокна;
г) рельефная поверхность в виде тонких волокон.
5. Как проводится метод макрошлифов?
а) шлифованную поверхность образца травят соответствующим реактивом;
б) образец ломают и изучают место излома;
285
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в) на шлифованную поверхность накладывают подготовленную фотобумагу;
г) шлифованный образец рассматривают через микроскоп.
6. Как изменяется твердость материала с увеличением блеска места излома?
а) уменьшается;
б) остается постоянной;
в) увеличивается;
г) исчезает.
7. Что нужно учитывать при определении прочностных свойств образца?
а) направление волокон, величину зерен, наличие дефектов и т.д.;
б) толщину волокон, расстояние между ними и т.д.;
в) длину волокон и глубину травления;
г) концентрацию реактива, способ изготовления и т.д.
8. Какая концентрация раствора серной кислоты должна быть для смачивания
фотобумаги при использовании метода Баумана?
а) 50%;
б) 0,5%;
в) 0,05%;
г) 5%.
9. Укажите время выдерживания смоченной фотобумаги на образце при использовании метода Баумана?
а) 5…10 мин;
б) 2…3 мин;
в) 10…15 мин;
г) 20…30 мин.
10. Для чего предназначен метода Баумана?
а) определения структуры, характера предшествующей обработки и т.д.;
б) определения химического состава;
в) определения ликвации серы;
г) измерения глубины травления.
286
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 3
Микроструктурный анализ металлов и сплавов
1. Для чего предназначен микроструктурный анализ металлов и сплавов?
д) определения характера структуры, предшествующей обработки и т.д.;
е) изучения внутреннего строения на оптическом микроскопе при увеличении от 50 до 1500 раз;
ж) изучения внутреннего строения на электронном микроскопе при увеличении порядка 5000…20 000 раз;
з) определения химического состава.
2. Порядок проведения микроанализа?
а) изготовление шлифа, изучение под микроскопом шлифа до травления и
после;
б) отрезка, торцовка, шлифование и полирование;
в) образец ломают и изучают место излома;
г) на шлифованную поверхность накладывают подготовленную фотобумагу.
3. Для чего предназначено изучение полированной поверхности шлифа под
микроскопом?
а) определения химического состава;
б) определения ликвации серы;
в) измерения глубины травления;
г) определения качества его изготовления.
5. Как осуществляется выявление структуры металлической основы шлифа?
а)
б)
в)
г)
изучением под микроскопом;
травлением реактивом;
образец ломают и изучают место излома;
на шлифованную поверхность накладывают подготовленную фотобумагу.
6. Какой реактив чаще применяют для травления шлифа из черных металлов?
а) 25%-ный водный раствор гипосульфита;
б) 5%-ный водный раствор серной кислоты;
в) 10%-ный водный раствор щелочи;
287
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
г) 2…5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.
7. Укажите время выдерживания шлифа в реактиве?
а) 2…3 мин;
б) 2…3 с;
в) 7…10 мин;
г) 3…15 с.
8. Что способствует более быстрому растворению различных примесей в металлах под действием реактивов?
а) образование микроскопических гальванических пар из двухфазных
структурных составляющих;
б) образование микроскопических гальванических пар из однофазных
структурных составляющих;
в) образование твердых растворов;
г) образование испарения частиц в воздух.
8. Чем объясняется наличие светлых и темных участков структуры?
а) различная глубина травления;
б) разная степень отражения света;
в) наличием кристаллической решетки у металла;
г) дифракцией света.
10. Что такое анизотропия металла?
а)
б)
в)
г)
одинаковые свойства зерен;
различные свойства зерен;
различные сечения зерен в плоскости шлифа;
одинаковые сечения зерен в плоскости шлифа.
11. Существует ли прямая связь между структурой и свойствами металлов и
сплавов?
а)
б)
в)
г)
нет;
да;
отчасти;
иногда.
288
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 5
Микроструктура углеродистой стали и чугуна
1. Какую структуру имеет эвтектоидная сталь?
а) феррит;
б) перлит;
в) цементит;
г) ледебурит.
2. Какую структуру имеет заэвтектоидная сталь?
а) перлит и феррит;
б) феррит и цементит;
в) перлит и цементит;
г) перлит и ледебурит.
3. Какую структуру имеет эвтектический чугун?
а) феррит;
б) перлит;
в) цементит;
г) ледебурит.
4. Какую структуру имеет заэвтектический чугун?
а) перлит, ледебурит и вторичный цементит;
б) ледебурит;
в) ледебурит и цементит;
г) перлит и ледебурит.
5. Что такое белый чугун?
а) чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде графита;
б) чугун, в котором углерод находится в связанном состоянии в виде цементита;
в) чугун, в котором углерод находится в связанном состоянии в виде ледебурита;
г) чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде угля.
6. Что такое серый чугун?
а) чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде графита;
б) чугун, в котором углерод находится в связанном состоянии в виде цементита;
в) чугун, в котором углерод находится в связанном состоянии в виде ледебурита;
г) чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде угля.
289
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Какую структуру имеет доэвтектический чугун?
а) перлит, ледебурит и вторичный цементит;
б) ледебурит;
в) ледебурит и цементит;
г) перлит и ледебурит.
8. Какую форму графита имеет серый чугун?
а) пластинчатую;
б) хлопьевидную;
в) шаровидную;
г) глобулярную.
9. Какую форму графита имеет ковкий чугун?
а) пластинчатую;
б) хлопьевидную;
в) шаровидную;
г) глобулярную.
10. Какие вещества используют в качестве модификаторов для серого чугуна?
а)
б)
в)
г)
ферросилиций, магний;
силикокальций и магний;
ферросилиций, магний и алюминий;
ферросилиций, силикокальций и алюминий.
Лабораторная работа 7
Термическая обработка углеродистых сталей
1. Какие виды термообработки Вы знаете?
а) обжиг, нормализация, закалка и отпуск;
б) нагревание, охлаждение, закалка и отпуск;
в) отжиг, нормализация, закалка и отпуск;
г) отжиг, нормализация, закалка и выпуск.
2. Какую цель преследует отжиг?
а) повышение твердости и снятие внутренних напряжений;
б) снижение твердости и повышение внутренних напряжений;
в) снижение пластичности и снятие внутренних напряжений;
г) снижение твердости и снятие внутренних напряжений.
3. Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе?
а) феррит;
б) перлит;
в) цементит;
г) мартенсит.
290
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Какова температура нагрева при среднем отпуске?
а) 400±50 °C;
б) 600±50 °C;
в) 800±50 °C;
г) 500±50 °C.
5. Чему равна твердость при низком отпуске?
а) 400-450 НВ;
б) 450-500 НВ;
в) 500-600 НВ;
г) 650-700 НВ.
6. Какая структура образуется при среднем отпуске?
а) сорбит;
б) мартенсит;
в) троостит;
г) аустенит.
7. Какому отпуску подвергаются детали, испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки: полуоси, шатуны?
а) низкому;
б) среднему;
в) высокому;
г) полусреднему.
8. Что такое улучшение?
а) отжиг + закалка;
б) отжиг + нормализация;
в) закалка + нормализация;
г) закалка + высокий отпуск.
9. Какой вид термообработки дает наибольшую твердость?
а) отжиг;
б) нормализация;
в) закалка;
г) отпуск.
10. Какой вид термообработки дает наибольшую пластичность и наименьшую
твердость?
а)
б)
в)
г)
отжиг;
нормализация;
закалка;
отпуск.
291
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТЕСТЫ
для фронтального контроля по лабораторным работам
по Технологии конструкционных материалов
Лабораторная работа 2
Изучение оборудования для электродуговой сварки
1. Какие источники питания применяются при дуговой сварке?
д) ацетиленовый генератор;
е) генератор переменного тока;
ж) генератор постоянного тока;
з) сварочный трансформатор.
2. Какие материалы можно сваривать на постоянном токе?
а) низкоуглеродистые стали;
б) высоколегированные стали;
в) низколегированные стали;
г) цветные сплавы и металлы.
3. Чем регулируют силу сварочного тока?
а) трансформатором;
б) генератором;
в) реостатом;
г) выпрямителем.
4. Какие сварочные трансформаторы применяются для дуговой сварки?
а) ПД-305У2;
б) ТД-506У2;
в) ВД-201У3;
г) ГД-304У3.
5. Что происходит с увеличением сварочного тока с индуктивным сопротивлением во вторичной обмотке трансформатора?
а) увеличивается;
б) не изменяется;
292
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в) уменьшается;
г) уменьшается, но незначительно.
6. Каким диаметром электродов наиболее чаще пользуются при сварке конструкционных сталей?
д) 1,6; 2,5 мм;
е) 10 и 12 мм;
ж) 2; 6 и 8 мм;
з) 3; 4 и 5 мм.
7. Какой шов получается при недостаточной силе сварочного тока?
д) ухудшается структура металла;
е) возникают подрезы;
ж) возникают прожоги;
з) тонкий с непроварами.
8. Какой шов получается при избыточной силе сварочного тока?
д) тонкий с непроварами;
е) возникают прожоги;
ж) ухудшается структура металла;
з) возникают подрезы.
9. Что означает буква «Д» в условном обозначении электрода?
д) толщина покрытия (толстое);
е) тип электрода;
ж) марка электрода;
з) название электрода.
10. Как изменяется сила тока при колебаниях дуги и коротких замыканиях?
д) увеличивается;
е) уменьшается;
ж) изменяется мало;
з) исчезает.
293
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Материаловедение и технология металлов: учебник для студентов машинно-строительных специальных вузов / Г.П. Фетисов, М.Т. Карпман, В.М.
Матюнин и др.; под ред. Г.П. Фетисова. – Москва: Высшая школа, 2002. –
638 с.
2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / под ред. В.С. Чередниченко. –
4-е изд., стер. – Москва: Омега-Л, 2008. – 752 с.: ил., табл.
3. Материаловедение: учебник для вузов / О.В. Травин, Н.Т. Травина. – Москва: Металлургия, 1989. – 384 с.
4. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи / Ю.А.
Геллер, А.Г. Рахштадт. – Москва: Металлургия, 1983. – 384 с.
5. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению / под общ. ред. проф. С.С. Некрасова. – Москва: Колос, 1991. – 287 с.
6. Режущий инструмент: учебное пособие / А.А. Рыжкин [и др.]. – Ростов на
Дону: Феникс, 2009. – 405 с. – (Высшее образование).
7. Технология конструкционных материалов: учебник для машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др. – Москва: Машиностроение, 1985. – 448 с.
294
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Станислав Николаевич Шуханов
Федор Ламажапович Гатапов
Александр Викторович Кузьмин
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
В авторской редакции
Компьютерная верстка
Т.А. Олоевой
Свидетельство о государственной аккредитации
№ 1289 от 23 декабря 2011 г.
Подписано в печать 6.11.13. Формат 70х108 1/16.
Уч.-изд. л. 20,48. Усл. печ. л. 34,41. Тираж 1000. Заказ 629.
Цена договорная
Издательство Бурятского госуниверситета
670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а
riobsu@gmail.com
Отпечатано в типографии издательства
Бурятского государственного университета
670000, г. Улан-Удэ, ул. Сухэ-Батора, 3а
295
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
296
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
968
Размер файла
6 477 Кб
Теги
9776, технология, конструкционных, материалы, материаловедению
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа