Технологические свойства конструкционных материалов

Категория:
Пластмассы


Технологические свойства конструкционных материалов

В настоящем разделе не рассматриваются все вопросы, связанные с технологией обработки, так как они излагаются в учебнике по технологии материалов. В этом разделе дается главным образом анализ материаловедческих факторов, определяющих технологические свойства материалов.

Технологические свойства, или технологичность, характеризуют способность материала к различным видам обработки в процессе главным образом машиностроительного производства.

Под технологическими свойствами материалов подразумевают обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость, литейные свойства, а также обрабатываемость давлением, включающую способность обрабатываться при загибании, обжатии, отбортовке, сплющивании (для труб), навивании и скручивании (для проволоки), вытяжке в холодном состоянии и многих других способах, основанных на способности материала пластически деформироваться без разрушения. Обрабатываемость давлением особенно тесно связана с пластичностью материалов.

Обрабатываемостью резанием называется способность материала обрабатываться путем отделения стружки в результате воздействия режущего инструмента на металлообрабатывающих станках. Она оценивается скоростью резания, усилием резания и чистотой обработанной поверхности.

Результаты, полученные при испытаниях материалов на обрабатываемость резанием, принято сравнивать с результатами испытания нормализованной конструкционной автоматной стали марки А12 (с повышенным содержанием серы), имеющей состав: С = 0,08—0,16%; Мп = 0,60—0,90%; Si = 0,15—0,35%; S = 0,08—0,20%; Р = 0,07—0,15%. Эта сталь принимается за эталон.

В машиностроении, где механические цехи занимают ведущее место, очень важно, чтобы выбранная конструктором сталь легко подвергалась обработке режущим инструментом. Для этого она должна быть достаточно мягкой и одновременно достаточно хрупкой, т. е. она должна обладать так называемой «обработочной хрупкостью», обеспечивающей легкое отделение стружки.

Обрабатываемость стали резанием зависит от ее химического состава, микро- и макроструктуры, механических характеристик. Она неодинакова при различных способах обработки. В связи с этим в зависимости от способа обработки желательными являются те или. иные структуры и твердость материала. Для обточки на автоматах лучшими являются мягкие сфероидизирован-ные структуры, а для нарезания зубьев и протягивания — сравнительно твердые структуры пластинчатого перлита с разорванной сеткой феррита, поскольку они дают более чистую поверхность.

Термическая обработка для улучшения обрабатываемости стали устанавливается в зависимости от характера обработки резанием, экономичности и требуемого качества поверхности.

Различные элементы, содержащиеся в стали, по-разному влияют на обрабатываемость резанием.

Сера улучшает обрабатываемость, является важнейшей примесью в автоматных сталях и содержится в них в количестве от 0,08 до 0,20%. При достаточном содержании марганца сера в этих сталях находится в виде округлых включений тугоплавкого соединения сернистого марганца, придающего металлу некоторую хрупкость, а также оказывающего смазывающее действие, снижающего трение и повышающего качество поверхности при обработке. Для предотвращения красноломкости сернистые соединения удаляются с границ зерен посредством длительного отжига при 1100—1150 °С.

Фосфор добавляется в низкоуглеродистую автоматную сталь в количестве до 0,15%. Он снижает вязкость феррита, способствуя отделению стружки. Повышение содержания фосфора выше нормы приводит к увеличению твердости и хрупкости, но не улучшает обрабатываемости.

Бессемеровская и томасовская стали с большим содержанием серы и фосфора обрабатываются лучше, чем мартеновская и получаемая в электрических печах.

Свинец, добавляемый в количестве около 0,2%, на механические свойства стали заметного влияния не оказывает, но резко улучшает производительность механической обработки и качество поверхности. Свинец присутствует в структуре стали в виде мельчайших включений; он, как и сернистые включения, оказывает смазывающее действие.

Углерод придает наилучшую обрабатываемость стали при содержании его 0,10—0,15% (у бессемеровских сталей) или 0,20— —0,30% (у томасовских сталей).

При уменьшении содержания углерода повышается вязкость стали, при увеличении повышается твердость; в обоих случаях обрабатываемость ухудшается.

Алюминий и кремний, образуя твердые неметаллические включения А120з и Si02, способствуют быстрому затуплению инструмента.

Легирующие элементы Сг, Ni, Мп, Мо и др., увеличивая прочность и вязкость стали, ухудшают ее обрабатываемость резанием. При оь > 140 кГ/мм2 режущий инструмент, даже из быстрорежущих сталей оказывается неустойчивым и поэтому приходится использовать специальные твердые сплавы, устойчивые при нагреве режущей кромки инструмента до 1000 °С.

На обрабатываемость резанием значительное влияние оказывает структура материала.

Низкоуглеродистые легированные стали лучше всего обрабатываются в случае крупнозернистой микроструктуры типа вид-манштетовой, получаемой после нормализации с высокой температуры.

Среднеуглеродистые стали хорошо обрабатываются при наличии в структуре пластинчатого перлита и разорванной феррит-ной сетки. Такая структура в хромистой стали получается после нормализации, а в хромоникелевых — после сложного изотермического отжига.

Высокоуглеродистая, в частности шарикоподшипниковая сталь, приобретает удовлетворительную обрабатываемость только после отжига на зернистый перлит с равномерным расположением зернышек цементита.

Сравнительная обрабатываемость резанием различных сталей, выраженная в процентах, характеризуется следующими данными: эталонная сталь А12 — 100%, сталь 10 — 53%, сталь 20 — 63%, сталь 20Х — 51 % и стали 40Х и 40ХН — 32%.

Свариваемостью называется способность металлов в процессе совместной кристаллизации или взаимной диффузии давать соединения деталей с заданными свойствами. При сварке возможно образование грубозернистой структуры, снижение пластичности и вязкости и возникновение больших внутренних напряжений. Свариваемость металла оценивают обычно по склонности к растрескиванию и по изменению свойств. Если значения 8, ф, ан не выходят за пределы, установленные стандартами для данных марок, то сталь относится к хорошо свариваемой. Если свойства пластичности выходят за нижние пределы, установленные стандартами, но восстанавливаются термообработкой, то сталь считается обладающей средней свариваемостью. И, наконец, если свойства пластичности резко отличаются от нижнего значения допускаемых и не восстанавливаются после термообработки, то такая сталь считается плохо свариваемой.

Свариваемость некоторых сталей может быть оценена следующим образом: малоуглеродистая (до 0,25% С) и малолегированная (до 0,15% С) относятся к хорошо свариваемым; углеродистая (до 0,35% С) и большинство марок конструкционной легированной (до 0,25% С) стали обладают средней свариваемостью; легированные стали с большим содержанием углерода, типа ЗОХГСА, ЗОХМА, 35ХГСНА, свариваются удовлетворительно.

Однофазные стали, например ферритная высокохромистая и аустенитная хромоникелевая, при сварке склонны к сильному росту зерна в зонах термического влияния, особенно если перед сваркой материал был подвергнут холодной деформации. Для уменьшения склонности к росту зерна в эти стали должны вводиться добавки Nb, Ti, Та.

Литейные свойства оцениваются жидкотекучестью, т. е. способностью материала заполнять все полости формы. Жидкоте-кучесть в основном определяется наличием в сплавах эвтектики.

Под штампуемостью понимается способность материала принимать заданную форму при деформации в штампах. Различают штампуемость в горячем состоянии выше температуры рекристаллизации и штампуемость в холодном состоянии ниже температуры рекристаллизации. Наибольший интерес представ ляет штампуемость в холодном состоянии, используемая при штамповке изделий из листовой стали и других листовых материалов.

К категории штампуемых сталей относятся марки кипящей плавки 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойной плавки 08 пс, спокойной плавки 15, 25, 50, марганцовистая и некоторые другие. Глубокой штамповке подвергаются стали с минимальным количеством углерода (0,05—0,25%). Кремний и фосфор делают феррит стали более твердым и менее пластичным, чем ухудшают штампуемость.

Штампуемость листовых материалов в холодном состоянии сильно зависит от твердости и равномерности ее по листу. Наивыгоднейшая твердость стали для глубокой штамповки составляет не более 45—48 HRB.

Наибольшее влияние на штампуемость оказывает микроструктура; именно по ней судят о пригодности материала к глубокой штамповке, с помощью ее объясняют происхождение брака и принимают меры к его предупреждению и устранению.

Структура стали, обладающей хорошей штампуемостью, характеризуется равномерным мелким зерном феррита: 6—7 балл при толщине листа 2 мм. С увеличением толщины листа балл зерна уменьшается до 5-го. Более крупное зерно приводит к получению шероховатой поверхности («апельсиновая корка»). Мелкое зерно (выше 8 балла) вызывает интенсивный износ штампов из-за наличия в структуре мелкого перлита и в результате упругой отдачи. Разнозернистость приводит к неоднородности деформации и разрушению детали при штамповке.

Строение перлита также влияет на штампуемость стали. Наиболее выгодным для штамповки является зернистый перлит. Перлит пластинчатый штампуется удовлетворительно. Плохо штампуется тонкий перлит. Сплошные цепочки цементита по границам зерен также ухудшают штампуемость. Сталь для холодной штамповки выпускается металлургическими заводами в отожженном или нормализованном состоянии.

Технологические особенности некоторых материалов

Жаропрочные материалы. Одним из важных технологических свойств жаропрочных материалов является способность к горячей обработке давлением. По сравнению с обычными конструкционными сталями они имеют высокую температуру и узкий температурный интервал деформации. Так, например, если интервал температур горячей обработки давлением обычных сталей составляет 300°, то для жаропрочных он равен всего лишь 100— 150°. При обработке жаропрочных сталей и сплавов ниже 1050° возникает опасность перехода температуры рекристаллизации, упрочнения и растрескивания материала при деформации. Повышение температуры более 1140—1210° может привести к частичному оплавлению сплава и явлению так называемого пережога.

Детали сложной формы из труднообрабатываемых сплавов в последнее время изготовляются методом точного литья по выплавляемым моделям. Для защиты от окисления расплавленного металла применяются вакуумные печи и печи с нейтральной средой.

Одним из рациональных способов сварки жаростойких материалов является аргоно-дуговая сварка, обеспечивающая механические свойства сварного шва, близкие к характеристикам основного материала.

Силумины. Модифицированный солями натрия силумин при 800—830 °С разливают в формы и для подавления выделения газов и образования пористости в процессе охлаждения помещают в специальные контейнеры, так называемые автоклавы, где силумин кристаллизуется под давлением воздуха 5—6 ати.

Структура литых силуминов характеризуется рядом особенностей, обусловливающих замедленную диффузию в твердом растворе при термической обработке. К ним относятся, в частности, грубозернистость фаз упрочнителей, наличие межкристал-литных пленок, содержащих шлаки и другие загрязнения, и т. д. Поэтому силумины обрабатывают термически при высоких температурах и длительных выдержках, обеспечивающих возможно более полное растворение второй фазы.

Магниевые сплавы. Технологические особенности магниевых сплавов объясняются высокой химической активностью основного металла. При плавке и разливке во избежание обогащения сплава кислородом и азотом, а также для предупреждения возгорания применяются покровные флюсы, в состав которых входит 60% хлористого магния, 35% хлористого калия и 5% фтористого магния. Находясь над расплавленным металлом, флюсы защищают его от воздействия окружающего воздуха.

С этими же целями в формовочные земли добавляют серный цвет и борную кислоту и припыливают струю металла при его разливке серным цветом.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, однако тонкая стружка и шлифовочная пыль взрывоопасны, если они не удаляются с помощью надежной вентиляции.

Титановые сплавы. Изготовление деталей из титана и его сплавов осуществляется посредством обычных методов обработки, широко применяемых при получении изделий из сталей, алюминиевых и других сплавов. Титановые сплавы подвергаются горячей обработке давлением, обработке резанием, сварке, пайке и т. д., причем эти методы применимы к титану почти так же свободно, как и к другим металлическим материалам. По способности обрабатываться давлением и резанием титан во многом аналогичен аустенитной нержавеющей стали.

Вместе с тем титану и его сплавам свойственны некоторые технологические особенности, связанные с природой самого металла, высокой активностью его при взаимодействии с другими элементами, значительным изменением свойств в результате этого взаимодействия и с другими качествами титана.

Трудности изготовления титановых отливок связаны с высокой химической активностью титана в расплавленном состоянии и возможностью загрязнения его различными примесями, снижающими пластичность и вязкость металла. Эти трудности преодолеваются путем использования нейтральной атмосферы или вакуума в зоне плавки и изыскания инертных материалов для тиглей и литейных форм.

При горячей обработке давлением происходит насыщение титановых сплавов с поверхности кислородом и азотом, вызывающее образование хрупкого газонасыщенного слоя. С целью уменьшения газонасыщения при ковке и горячей штамповке может применяться индукционный нагрев, уменьшающий время пребывания материала при высокой температуре. Для уменьшения насыщения водородом при нагреве титана в мазутных и пламенных печах атмосфера этих печей должна быть слегка окислительной, т. е. содержать некоторый избыток воздуха.

При сварке титана защите от загрязнения кислородом и азотом подлежит не только расплавленный металл, но и все сильно нагретые участки, в том числе и противоположная сторона шва.

Припои, применяемые при пайке титана, не должны содержать компонентов, образующих с ним. хрупкие химические соединения, снижающие пластичность и прочность паяного шва.

Затруднения, возникающие при обработке титана резанием, связаны с высокой химической активностью его, низкой теплопроводностью, низким модулем упругости и способностью титана образовывать вязкую ненавивающуюся стружку. Большое количество тепла, выделяющееся при резании титана, и низкая теплопроводность его вызывают сильный разогрев в зоне резания и способствуют взаимодействию титана с материалом инструмента, приводящему к приварке и налипанию обрабатываемого металла к рабочей поверхности резца. Удовлетворительное резание титана в производственных условиях осуществляется твердосплавными резцами со специальной геометрией при небольших скоростях резания и значительных подачах инструмента.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум