Инструментальные стали и твердые сплавы
Инструментальные легированные стали по назначению де-лятся на три группы: для режущего инструмента, для штампов и для мерительного инструмента.
Стали для режущего инструмента должны обладать высокой твердостью и износостойкостью. Кроме того, они должны быть не очень хрупкими, чтобы режущий инструмент не выкрашивался.
Углеродистые инструментальные стали имеют достаточную твердость после закалки и низкого отпуска. Но прокаливаемость этих сталей относительно низкая. Для получения мартенсита их необходимо закаливать в воду. Однако это вызывает значительное коробление. Поэтому для режущего инструмента используют легированные стали, которые позволяют получить высокую твер-дость после закалки в масле и низкого отпуска в крупных изделиях.
Для изготовления режущего инструмента (резцов, сверл, метчиков, фрез, плашек и т. д.) применяют низколегированные стали X, 9ХС, ХГ и ШХ15. Эти стали содержат около 1% углерода и относительно мало недорогих и недефицитных легирующих примесей: хрома, кремния и марганца. Легированием стараются повысить прокаливаемость и твердость при высоких температурах. Твердость этих сталей в закаленном и отпущенном состоянии при комнатной температуре такая же, как у углеродистых сталей.
Сталь ШХ15 — шарикоподшипниковая. Все шарикоподшипниковые стали содержат около 1% углерода. Буква Ш в начале марки показывает основное назначение этой стали — шарикоподшипниковая. Цифра 15 после буквы X показывает, что сталь содержит около 1,5% хрома. Для шарикоподшипниковых сталей принято содержание хрома указывать в десятых долях процента, а не в целых процентах, как при стандартной маркировке всех легированных сталей. В структуре шарикоподшипниковых сталей должно быть как можно меньше неметаллических включений. В стандарте на шарикоподшипниковые стали указаны ограничения на количество и размеры неметаллических включений. Эти включения являются очагами разрушения в деталях, работающих на износ. В конструкционных сталях неметаллические включения, встречающиеся в обычных количествах, практически не сказываются на свойствах. Для режущего инструмента, так же как шариковых и роликовых подшипников, неметаллические включения весьма опасны: они являются очагами выкрашивания.
Высокой износостойкостью обладает режущий инструмент из быстрорежущих сталей Р18, Р9, Р9Ф5, Р9К5, Р10К5Ф5 и др. 188
В начале марки быстрорежущей стали принято писать буку Р. За ней следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в процентах обозначают цифрой, проставленной за буквой Ф, а кобальта — за буквой К. Например, сталь Р18К5Ф2 содержит 18% вольфрама, 5% кобальта и 2% ванадия.
Режущий инструмент из быстрорежущих сталей позволяет применять более высокие скорости резания и большие подачи, тем самым повышая производительность металлорежущих станков. Быстрорежущая сталь может длительно сохранять высокую твердость при температуре до 600° С. В литом состоянии она имеет строение, представленное на рис. 102, а. Темные участки на микрофотографии состоят из мелкодисперсного перлита — троостита. Участки, напоминающие по своему строению листья папоротника, — ледебурит. Быстрорежущие стали относят к ле-дебуритному или иначе карбидному классу. Ледебурит — непременная структурная составляющая белых чугунов. В быстрорежущих сталях ледебурит образуется из сложных железовольфра-мовых карбидов при относительно низком содержании углерода (0,8—0,9%). Быстрорежущие стали поддаются ковке, несмотря на наличие ледебурита.
Их применяют для режущего инструмента в кованом и термически обработанном состоянии. При нагреве под ковку троостит превращается в вязкий аустенит. В процессе ковки скелетообразные карбиды ледебурита дробятся. После закалки и многоступенчатого отпуска структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита, в котором находятся мелкораздробленные карбиды (рис. 102, б). Легирующие элементы сильно за-трудняют отпуск мартенсита. Он сохраняет высокую твердость и износостойкость до 500—550° С. Карбиды — также очень твердая и износостойкая структурная составляющая, не изменяющая своих свойств до весьма высоких температур. Поэтому быстрорежущие стали и обладают высокими режущими свойствами Режущий инструмент из быстрорежущей стали допускает ориентировочно в четыре раза большие скорости резания, чем инструмент из углеродистой стали.
Еще большую стойкость имеет инструмент из металлокерами-ческих твердых сплавов. Он обеспечивает скорости резания в семь-восемь раз большие, чем режущий инструмент из углеродистых сталей. Применение твердосплавного режущего инструмента позволяет обрабатывать такие сплавы, которые не поддаются обработке инструментом из углеродистых сталей, например жаро-прочные сплавы на никелевой основе типа нимоников.
Из металлокерамики изготавливают пластинки для напайки их на режущий инструмент из углеродистой стали. Металлокера-мические сплавы приготавливают из смеси порошков карбида вольфрама с кобальтом, смеси порошков карбидов вольфрама и титана с кобальтом или карбидов вольфрама, титана и тантала с кобальтом. Пластинки прессуют под давлением 150—200 Мн/м2 (15—20 кГ/мм2) и спекают в токе водорода при температуре 1450—1500° С. В процессе спекания кобальт частично сплавляется и в некоторой степени растворяет карбиды. Кобальт играет роль пластичной связки. Чем больше в твердом сплаве кобальта, тем лучше он переносит ударные нагрузки, но в то же время тем ниже его износостойкость.
Вольфрамокобальтовые твердые сплавы маркируют буквами ВК: от ВК2 до ВКЗО. Буквы ВК показывают, что сплав состоит из карбидов вольфрама и кобальта. Цифра указывает содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВК15 содержит 85% карбида вольфрама и 15% кобальта.
Вольфрамотитановые твердые сплавы маркируют буквами ТК: от Т5К12В до Т30К4. Например, сплав Т30К5 содержит 30% карбида титана, 4% кобальта, остальное карбид вольфрама. Буква В в конце марки сплава Т5К12В указывает, что пластинки из него имеют крупнозернистое строение, которое обеспечивает большую эксплуатационную прочность при некотором снижении износостойкости.
Стали для штампов можно разделить на две подгруппы: стали для штампов холодной штамповки и стали для штампов горячей штамповки. Сталь для штампов холодной штамповки должна обладать высокой твердостью и износостойкостью в холодном состоянии, достаточной вязкостью, чтобы не давать трещин и не выкрашиваться при ударах. Сталь должна хорошо прокаливаться.
Для мелких штампов холодной листовой штамповки применяют стали У10, У10А, У12 и У12А. Крупные штампы, требующие хо рошей прокаливаемости и малой деформации при закалке, делают из сталей X, 9ХС, ХВГ. Для штампов с ударной нагрузкой и тонкой рабочей кромкой применяют стали с меньшим содержанием углерода — 6ХС и 5ХНВС.
Сталь для штампов горячей штамповки не должна размягчаться и давать трещины при местном нагреве. Эти штампы изготовляются из сталей 5ХНВС, 5ХНМ и 4Х8ВС.
Стали для измерительного инструмента должны сохранять стабильные размеры, обладать высокой твердостью и износостойкостью при комнатной температуре. Для стабилизации структуры, а следовательно, и размеров измерительный инструмент подвергают старению. Для изготовления измерительного инструмента применяют стали X, ХГ и др.
Сплавы на основе алюминия
Алюминий (Al) - серебристо-белый металл. В природе встречается в виде минералов, преимущественно алюмосиликатов. Наиболее распространенными минералами являются боксит, алунит, нефлин, содержащие глинозем Al2O3.
Получают алюминий при электролизе глинозема, Алюминий — легкий, пластичный металл, хорошо поддающийся обработке давлением (ковка, прокатка, волочение), обладающий высокой тепло- и электропроводностью.
Плотность алюминия 2,7 г/см3, температура плавления 660°С, температура кипения 2500°С, термический коэффициент линейного расширения 24 x 10-6, предел прочности 5—6 кгс/мм2, твердость по Бринеллю 17 кгс/мм2 (при прокатке прочность и твердость возрастают). На воздухе алюминий покрывается тонкой окисной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминий обладает химической стойкостью к азотной и органическим кислотам, пищевым продуктам. Легко растворяется в щелочах.
Алюминий используют для получения различных сплавов и как лигатуру в сплавах на основе меди, титана, никеля, цинка, железа. Он применяется для раскисления стали перед литьем. Из сплавов на основе алюминия наиболее известны дюралюминий и магналий.
Дюралюминий имеет состав: алюминия 95%, меди 4%, марганца и магния по 0,5%. Достоинством сплава является его легкость, хорошие литейные свойства и прочность. Предпринимались попытки использовать дюралюминий для изготовления зубных протезов, однако они были оставлены из-за коррозионной неустойчивости сплава. Использование его в зубном протезировании в настоящее время не проводится. Из дюралюминия изготавливаются некоторые предметы оснастки зуботехнических лабораторий (кюветы, артикуляторы).
Магналий — сплав, состоящий из 70% алюминия и 30% магния. По свойствам очень близок к дюралюминию. Применяется в стоматологии в тех же случаях, что и дюралюминий.
Сплавы на основе алюминия характеризуются небольшой плотностью 2,5 г/см3, сравнительно высокой прочностью на разрыв
15—22 кгс/мм2, относительным удлинением 0,5—2% и твердостью по Бринеллю 50—90 кгс/мм2.
Высокая тепло- и электропроводность способствуют применению алюминиевых сплавов для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, а также разных деталей электроаппаратуры.
Детали из алюминиевых сплавов, подвергающиеся атмосферному влиянию в течение длительного времени, образуют на поверхности окисную пленку, предохраняющую деталь от коррозии.
Алюминиевые сплавы способны сохранять свои металлические свойства в условиях низкой температуры, поэтому они широко применяются для изготовления изделий, подвергающихся действию низкой температуры.
Особенно часто применяют сплавы группы алюминий — кремний: АЛ2, АЛ4, АЛ4В, АЛ9, АЛ9В, которые обладают высокими литейными свойствами. Кремний придает жидкотекучесть, пластичность при высоких температурах и уменьшает усадку. Из сплава АЛ2, содержащего 10—13% кремния, изготовляют подавляющее большинство алюминиевых отливок, не требующих термической обработки. Недостаком сплава является образование пористости и усадочных раковин и плохая обрабатываемость режущим инструментом.
Из сплавов АЛ4, АЛ4В изготовляют особо сложные тонкостенные герметичные отливки. Для повышения твердости и антикоррозионных свойств эти отливки подвергают термообработке (искусственному старению) в течение 8 ч при температуре 175° С.
Сплавы группы алюминий — магний обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Особенно прочным является сплав АЛ13. Однако получение отливок из алюминиево-магниевых сплавов требует применения сложной технологии. Сплавы с содержанием магния более 8% во избежание самовоспламенения плавят с применением флюсов. Существенным недостатком алюминиево-магниевых сплавов является пониженная жидкотекучесть и пластичность и повышенная усадка при высоких температурах.
Из сплавов на основе группы алюминий — кремний — медь наибольшее распространение получили АЛ3 и АЛ10В. Присадка меди повышает механические свойства, но понижает его устойчивость против коррозии и ухудшает литейные свойства.
Сплав группы алюминий — цинк АЛ11 имеет пониженную антикоррозионную устойчивость и является самозакаливающимся. Однако цинк повышает жидкотекучесть и уменьшает прилипание сплава к пресс-форме.
Общим недостатком алюминиевых сплавов является их склонность прилипать к поверхности оформляющей полости и к стержням. Прилипание наблюдается в местах наибольшего разогрева рабочей полости пресс-формы.
Уменьшает прилипание сплавов примесь железа. Допускается содержание железа не более 1,5%, так как увеличение его понижает механические и антикоррозионные свойства.
Химический состав алюминиевых сплавов установлен ГОСТ 2685—63.
Кристаллизация алюминиевых сплавов, особенно сплава АЛ2, сопровождается образованием концентрированных усадочных раковин. Учитывая то, что в условиях литья под давлением питание отливки затруднено, в конструкциях деталей, отливаемых из этих сплавов, не следует допускать значительных местных утолщений.
Сплавы на основе алюминия: область применения.
Сплавы на основе алюминия получили невероятно широкое распространение в самых разных отраслях промышленности. Алюминиевые сплавы с добавлением различных элементов, позволяют добиваться необходимых структурных и механических свойств металла, что делает его идеальным материалом для производства самых разных изделий.
К примеру, из алюминиевых сплавов категорий АД и АД-1 производят витражи, межкомнатные и офисные перегородки, трубопроводы, оконные рамы. Такие оконные и балконные рамы, к слову, за последние несколько лет получили довольно широкое распространение за счет свой низкой стоимости и хорошим эксплуатационным свойствам, во многом не уступающим пластиковым профилям для рам. Также алюминиевые сплавы данной категории широко используются в ювелирной промышленности (для изготовления бижутерии, корпусов для часов и т.д.), а также в судостроении.