Учебное пособие: Основы проектирования и конструирования
Б е р и л л и е в а я бронза обладает высокой упругостью, износоустойчивостью и твердостью. Бронза марки БрБ2 употребляется для изготовления пружин, износоустойчивых деталей и т. д.
Бронзы маркируются следующим образом: Бр – бронза, последующие буквы обозначают легирующие элементы, цифры - процентный состав олова и других элементов. Например, марка БрОЦС-5-5—5 обозначает, что в бронзе содержится 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное медь.
С и л у м и н - сплав алюминия с кремнием, обладает хорошими литейными свойствами и широко применяется для всевозможных отливок. По сравнению с алюминием имеет лучшие механические свойства и повышенную плотность. Основные марки силумина: АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ9.
Д ю р а л ю м и н - сплав алюминия с медью, магнием и марганцем, Медь и магний при термической обработке увеличивают прочность сплава, а марганец - твердость и коррозионную стойкость. Дюралюмин подвергают терми-ческой обработке для повышения его механических свойств, которые при этом приближаются к свойствам среднеуглеродистой стали. Особенно распространен этот сплав в авиационной промышленности. Основные марки дюралю-мина: Д1, Д6, Д16, Д18.
М а г н и е в ы е сплавы - сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем и другими элементами. Литейные свойства магниевых сплавов ниже алюминиевых, однако благодаря своей малой плотности они часто применяются в авиастроении, радиопромышленности и т. д. Прочность магниевых сплавов может быть повышена путем термической обработки. Основные марки магниевых сплавов: МЛ4, МЛ5.
Твердые сплавы. Твердые сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки металлов с высокими скоростями резания (от 100 до 1200 м/мин и более). Твердые сплавы получают спеканием порошков вольфрама, титана, кобальта и угля при температуре 1500—1550°С. Пластинки из твердого сплава обладают твердостью НRА87 - 90, малой теплопроводностью и низким коэффициентом расширения при нагреве.
Твердые сплавы вольфрамовой группы предназначены для обработки хрупких материалов, например чугуна, бронзы и других металлов. Сплавы этой группы обозначаются буквой В: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК11 и др. (2 -11% кобальта и остальное - карбиды вольфрама). В настоящее время находят широкое применение твердые сплавы с более мелкозернистой структурой - ВКЗМ, ВК6М, ВК8М. Твердые сплавы вольфрамо-титановой группы применяются для обработки стали и обозначаются буквой Т - Т15К10, Т15К6, Т14К8, Т15К6Т, ТЗОК4, Т60К6 и др. (5 - 60% карбидов титана, 6 - 10% кобальта, остальное - карбиды вольфрама).
Введение карбида тантала в твердые сплавы увеличивает сопротивление к трещинообразованию при резких сменах температуры, и прерывистом резании, повышает стойкость и позволяет применять скорости резания в 1,5 - 2 раза выше, чем при использовании инструментов и обычных сплавов. К титано-тантало-вольфрамовой группе относятся марки сплавов ТТ7К12, ТТ7К15, Т5К12В и др.
Минералокерамические твердые сплавы обладают твердостью НRА 92 - 93 и сохраняют режущие свойства при температуре до 1200°С. Этот инструментальный материал не содержит таких дефицитных и дорогостоящих материалов, как вольфрам, кобальт и титан. Его основой является спеченная окись алюминия. Из минералокерамики изготовляют пластинки двух марок: ТВ-48 (термокорунд) и ЦМ-332 (микромит), которые также применяются при различных видах обработки, где используется инструмент с механическим креплением пластинок.
7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали
Термическая обработка стали. Термической обработкой называется процесс нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с той или иной скоростью. В результате такого процесса не изменяется химический состав металла, но меняются его структура и механические свойства.
Структуру металла (его строение) можно определи по излому. На поверхности излома видно большое количество зерен, связанных между собой. Каждое такое зерно состоит из мельчайших частиц - атомов, которые, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку.
В металлах чаще всего встречаются три типа расположения атомов: атомы располагаются в углах и в центре куба, образуя кубическую объемно-центрированную решетку (рис. 7.1,а); атомы располагаются по углам куба и в середине каждой его грани, образуя кубическую гранецентрированную решетку (рис. 7.1,б); атомы располагаются в углах и в центре на шестигранных основаниях призмы и три атома внутри ее, образуя гексагональную решетку (рис. 7.1,в).
Процесс перестройки атомов одного вида пространственной решетки в другой при определенных температурных условиях называют аллотропическим превращением. Аллотропические формы, в которых кристаллизуется металл, называют модификациями и обозначают a, b, g, d и т. д.
Атомы меняют свое расположение, в зависимости от температуры нагрева. При нагреве железа до температуры 910°С атомы располагаются в виде куба, образуя кристаллическую решетку a-железа; восемь атомов расположены по углам решетки и один - в центре ее (рис. 7.1.а). Если нагревать железо выше 910°С, кристаллическая решетка с перегруппиро-ванными атомами превращается в куб с четырнадцатью атомами и образует решетку g -железа (рис.7.1,б).
В сталях превращение a-железа в - g -железо протекает при температуре более низкой (723°С), чем в чистом железе. Если нагретый металл медленно охлаждать, то перестройка кристаллической решетки происходит в обратном порядке.
Свойства металла зависят от расположения атомов в кристаллической решетке. Железо в отожженной стали находится в форме a-железа и называется ферритом. Углерод же с железом связан химически, и такая структура называется цементитом (карбид железа). Феррит вязок, а цементит обладает большой, твердостью и хрупкостью. Структура, при которой зерна цементита равномерно расположены в феррите, называется перлитом. Твердый раствор углерода в железе, образующийся при высокой температуре, называется аустенитом. Структура закаленной стали, полученная при быстром охлаждении, называется мартенситом; такая сталь обладает высокой твердостью и хрупкостью.
Термическая обработка бывает нескольких разновидностей: отжиг, нормализация, закалка и отпуск, поверхностная закалка, обработка холодом.
Отжиг применяется в основном для снижения твердости, чтобы облегчить механическую обработку и снять в стали внутренние напряжения. Температура нагрева при отжиге зависит от содержания в стали углерода. Сталь с содержанием углерода более 0,8% нагревают до температуры 750 - 760°С, для стали с меньшим содержанием углерода температуру постепенно повышают до 930—950°С. После нагрева металл медленно охлаждают в печи. В отожженном состоянии сталь приобретает перлитную структуру.
Нормализация предназначается для улучшения структуры стали, снятия внутренних напряжений и обеспечения лучших условий обработки резанием. Она отличается от отжига тем, что охлаждение производится не в печи, а на воздухе.
После нормализации сталь приобретает также перлитную, но более мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали при этом выше, чем после отжига.
Закалка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или на воздухе. Закалка применяется в сочетании с отпуском для повышения твердости, прочности и износоустойчивости стали.
Углеродистые и легированные стали под .закалку нагреваются в электрических печах или в соляных ваннах. В результате закалки сталь получает мелкозернистую структуру, в которой преобладает мартенсит - самая твердая и хрупкая структура.
При быстром охлаждении во время закалки в металле возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать трещины, коробление и хрупкость. Эти дефекты устраняют последующим отпуском.
Отпуск заключается в нагреве стали до температуры, значительно более низкой, чем при закалке, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые и легированные стали нагревают до температуры 150 - 250°С, а быстрорежущие подвергаются трехкратному отпуску при температуре 550 - 580°С. Охлаждение осуществляется на воздухе.
Поверхностная закалка представляет собой нагрев до определенной температуры (температуры закалки) поверхностного слоя стального изделия с последующим быстрым охлаждением. При этом можно получить высокую твердость в относительно тонком слое (от 0,3 до 10 мм) рабочих поверхностей изделия без изменения структуры и твердости внутренней массы металла этого изделия. Такое свойство особенно ценно для напряженно работающих деталей (коленчатые валы двигателей, зубчатые колеса и др.),' которым необходима большая твердость трущихся рабочих частей и упругая (нехрупкая) основная масса металла изделия.
Поверхностная закалка осуществляется на специальных высокочастотных установках с помощью индукторов, через которые пропускают токи высокой частоты (ТВЧ). Высокочастотная поверхностная закалка обеспечивает хорошее качество металла, поэтому широко применяется в промышленности.
Обработка холодом заключается в повышении твердости и износоустойчивости стали в результате перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит.
Эта обработка производится на специальных установках, обеспечивающих температуру ниже нуля.
Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка применяется для изменения химического состава и свойств поверхностной твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости. Достигается это внедрением (диффузией) определенных элементов из внешней среды в поверхностный слой металла.
К химико-термической обработке стали относятся: цементация, азотирование, цианирование, алитирование.
Цементация - насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве до температуры 880—950°С с последующей закалкой. Цель ее - получение высокой твердости и износоустойчивости поверхности детали. Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,1 - 0,25%. При насыщении количество углерода может быть доведено до 1 - 1,25%. Цементацию деталей обычно производят после их механической обработки с оставлением припуска на окончательную шлифовку.
Азотирование - поверхностное насыщение стали азотом при нагреве до температуры 500—700°С в аммиаке. Азотированию подвергают главным образом детали, изготовленные из сталей, содержащих алюминий, хром и молибден, для повышения твердости, износоустойчивости поверхностного слоя и коррозионной стойкости.
Цианирование - совместное насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом при температуре 530—550°С. Оно может выполняться в жидкой, твердой и газообразной средах. Цианирование применяют для повышения стойкости спиральных сверл и других быстрорежущих инструментов и деталей сложной конфигурации.
Алитирование - поверхностное насыщение стали алюминием, диффузией его сред, содержащих алюминий. При этом сталь приобретает высокую окалиностойкость (при температурах до 800—850°С). Применяется алитирование для топливных баков газогенераторных машин, чехлов термопар, разливочных ковшей и т. д.
Коррозия металлов и защитные покрытия. Коррозией называется процесс разрушения металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с окружающей внешней средой. В деталях и сооружениях под действием коррозии происходит постепенное разрушение поверхности, образование раковин, а также полное изменение металла, например, тонкие листы металла могут целиком превратиться в ржавчину.
Потери металла от коррозии довольно велики и наносят ущерб хозяйству. В обычных условиях коррозия развивается под действием воды и кислорода. Известно несколько видов коррозии, основными из них (по разрушительному действию) являются химическая и электрохимическая.
Химическая коррозия является результатом воздействия на металл агрессивной среды, не проводящей электрический ток. Такой средой могут быть газы или некоторые органические вещества, например масла. На поверхности металла образуются химические соединения, чаще всего пленки окислов.
Электрохимическая коррозия возникает при соприкосновении металла с жидкостью, проводящей электрический ток и называемой электролитом. Такими жидкостями могут быть кислоты, щелочи, растворы солей, почвенная вода и пр.
Чтобы предохранить металл от коррозии, применяют следующие основные способы его защиты: металлические покрытия; неметаллические покрытия; химические покрытия.
Металлические покрытия. На защищаемый от коррозии металл наносят тонкий слой другого металла, обладающего большой антикоррозионной стойкостью. Нанесение металлических покрытий производится следующими способами: горячим, гальваническим, металлизацией (распылением) и др.
При горячем способе покрытие образуется в результате погружения деталей в ванну с расплавленным металлом. Этим способом производится цинкование (покрытие цинком), лужение (оловом), свинцевание (покрытие свинцом), алитирование (алюминием).
Гальванический способ заключается в том, что на поверхность изделий, погруженных в ванну с электролитом, под действием электрического тока осаждается тонкий слой металла. Гальванические покрытия образуются при электролизе раствора солей таких металлов, как цинк, олово, свинец, никель, хром и др.
Преимущество этого способа перед другими в том, что он допускает нанесение любого металла на изделия с требуемой толщиной слоя защитного покрытия (от 0,005 до 0,030 мм) без нагрева изделия. Распространены следующие гальванические покрытия: хромирование, никелирование, цинкование и др.
Металлизация (распыление) заключается в нанесении тонкого слоя' расплавленного металла на изделие специальным аппаратом металлизатором.
Неметаллические покрытия. Для защиты от коррозии изделия покрывают лаками, красками, эмалями и смазкой. Назначение этих покрытий - изоляция металла от воздействия внешней среды.
Лакокрасочные покрытия составляют около 65 - 70% от всех антикоррозионных покрытий. Недостаток этих покрытий - их малая механическая прочность и обгорание при высоких температурах.
Химические покрытия на поверхности изделий образуют защитные неметаллические пленки, чаще всего окисные. Такие покрытия образуются в результате обработки паром и др.
При оксидировании изделия погружают в растворы азотнокислых солей при температуре около 140°С.
Обработку паром готовых инструментов или деталей машин применяют для увеличения коррозионной стойкости и уменьшения износа рабочих поверхностей инструментов и деталей в процессе их работы. Паром обрабатывают детали и инструменты после термической и окончательной механической обработки, включая заточку и доводку. Стальные изделия при нагреве до 400 - 600°С под действием паров воды подвергаются активному окислению с образованием на поверхности характерной окисной пленки
При этом происходит дополнительный отпуск - снимаются напряжения, полученные на предыдущих операциях. Окисная пленка играет роль твердого и смазывающего вещества и способствует увеличению износостойкости и коррозионной устойчивости деталей.
7.6. Неметаллические материалы
Наряду с металлами во всех отраслях промышленности большое распространение получили неметаллические материалы. К ним относятся пластические массы, резина, химикаты, формовочные, текстильные, древесные, лакокрасочные и другие материалы. Особо следует отметить пластмассы, с каждым годом все шире внедряемые в промышленность.
Пластмассы. Пластмассы представляют собой материалы, основой которых служат природные или синтетические соединения, способные при нагревании или под давлением формоваться и устойчиво сохранять приданную им форму. В состав пластмасс входят различные наполнители (древесная мука, ткань, бумага, стеклянное волокно, хлопковые очесы и др.), повышающие прочность, связующие веществ, (естественные и искусственные смолы, фенолоформальдегидные смолы), красители, пластификаторы, повышающие пластичность и эластичность, а также ряд других вспомогательных веществ.
Большинство изделий из пластмасс изготовляется горячим прессованием в металлических пресс-формах или литьем под давлением. Поэтому они не нуждаются в последующей механической обработке. Из пластмасс (слоистых), выпускаемых в виде прутков и листового материала, изделия изготовляют механической обработкой.
Изделия из пластмасс имеют малую плотность, достаточную прочность, высокие антикоррозионные и электроизоляционные свойства; они значительно дешевле металлических изделий.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
