Контрольная работа по "Материаловедению и технологии конструкционных металлов"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ

РАБОТА

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И 

ТЕХНОЛОГИЯ  КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

ВАРИАНТ 1

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ЗАДАНИЕ 1

 

Условие.

Выбрать сталь для  изготовления фрез высокой стойкости, режущая кромка которых нагревается  при эксплуатации до температуры ≈ 600 ºС. Указать марку стали, химический состав и роль легирующих элементов, назначить режим термической обработки. Описать превращения, совершающиеся в стали на различных этапах термической обработки. Привести окончательную структуру и твердость стали.

 

Решение.

1. Фреза – это режущий инструмент с несколькими режущими лезвиями (зубьями), предназначенный для фрезерования. Фрезы являются самым распространенным видом режущего инструмента. Они делятся на цилиндрические, дисковые, концевые, угловые, прорезные и др. Несмотря на большое разнообразие фрез, схема их работы соответствует цилиндрическому (рис. 1, а) или торцевому (рис. 1, б) фрезерованию.

Рис. 1. Виды фрезерования.

 

При цилиндрическом фрезеровании обработка  производится зубьями, лежащими на цилиндрической поверхности фрезы, ось которой параллельна обрабатываемой поверхности, а при торцевом - зубьями, расположенными на боковой поверхности фрезы, ось которой перпендикулярна к обрабатываемой поверхности.

Для процесса фрезерования характерны следующие особенности:

• каждый зуб фрезы во время работы описывает относительно детали циклоиду. Поэтому стружка срезается в виде запятой, а толщина ее изменяется от нуля до максимума на выходе зуба из контакта с заготовкой;
• каждый зуб работает с перерывами, периодически врезаясь в деталь. Это обстоятельство имеет как положительную, так и отрицательную стороны. Положительным является то, что зуб, находясь вне зоны контакта с заготовкой, как бы «отдыхает», то есть охлаждается, а отрицательным - врезание зуба в деталь происходит с ударом.

2. Указанные особенности во многом определяют требования к стали для изготовления заданных фрез.

Во-первых, сталь должна относиться к классу инструментальных сталей.

Во-вторых, сталь должен обладать твердостью, превосходящей твердость обрабатываемого материала, высокой прочностью и износостойкостью.

В-третьих, сталь должна сохранять режущие свойства при высоких температурах (в данном случае – до температуры ≈ 600 ºС).

Так как в условии задачи однозначно требуется подобрать сталь (не твердый сплав), то выбор материала для изготовления заданной фрезы ограничен тремя группами инструментальных сталей: углеродистыми, легированными и быстрорежущими.

Углеродистые инструментальные стали (например, У8) для этой цели не подходят. Они обладают достаточно высокой прочностью и твердостью, но теряют эти качества при нагреве до 180…200 °С. Поэтому они применяются только для изготовления ручного инструмента, не испытывающего в процессе эксплуатации серьезных нагрузок и разогрева рабочей кромки, - напильников, ножовочных полотен, стамесок и др.

Легированные инструментальные стали (например, ХВГ) для заданной цели также не подходят. Они имеют более высокую, но недостаточную для заданной фрезы теплостойкость (до 350…400 °С). Кроме того, их применение для машинных режущих инструментов оправдано только при небольших скоростях резания. Их применяют, в основном, для осевого инструмента – сверл, разверток, метчиков и др.

Быстрорежущие инструментальные стали, в отличие от углеродистых и легированных, за счет значительного  легирования вольфрамом и молибденом обладает гораздо большим сопротивлением износу и более высокой теплостойкостью (до 600 °С и выше). Поэтому для изготовления заданных фрез выбираем быстрорежущую сталь. 

Быстрорежущие стали  делятся на стали нормальной производительности, способные работать при скоростях  резания до 60 м/мин, и стали повышенной производительности (до 100 м/мин). Для фрезерования, в основном, характерны скорости до 60 м/мин, поэтому для изготовления фрезы выбираем одну из быстрорежущих сталей нормальной производительности – Р18, Р12, Р9, Р18М, Р6М5, Р18Ф2. Обратившись к справочным таблицам, окончательно выбираем сталь Р18, применяемую для изготовления резцов, сверл, фрез, долбяков и других инструментов для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С.

3. Быстрорежущая сталь  Р18 содержит в своем составе:

• углерод – 0,73…0,83 %;
• вольфрам – 17…18,5 %;
• хром – 3,8…4,4 %;
• ванадий – 1…1,4 %;
• молибден – до 1 %.

Вольфрам образует в  стали очень твердые соединения - карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость стали. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Хром повышает прокаливаемость, способствует получению высокой  и равномерной твердости стали.

Ванадий повышает твердость и прочность, измельчает зерно, увеличивает плотность стали.

Молибден увеличивает  красностойкость, упругость, предел прочности  на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при  высоких температурах.

Механические характеристики незакаленной стали Р18:

• σ_в = 840 МПа;
• σ_т = 510 МПа;
• δ = 8 %.

Термическая обработка быстрорежущей стали Р18 состоит из закалки и отпуска. Оптимальная температура закалки для изделий толщиной более 15 мм – 1280 °С. Быстрорежущая сталь медленно прогревается, высокий нагрев приводит к обезуглероживанию и образованию трещин, поэтому изделия из быстрорежущей стали медленно нагревают для закалки до температуры 820…850 °С. Окончательный нагрев до 1280 °С лучше всего производить в соляных ваннах, что позволяет избежать обезуглероживания стали. Выдержка при температуре закалки измеряется долями минуты. Непосредственно закалка производится путем быстрого охлаждения стали в масле, расплавленных солях или щелочах. Быстрорежущая сталь после закалки обязательно должна быть подвергнута многократному отпуску. Оптимальная температура отпуска для стали Р18 – 580 °С.

Судя по содержанию углерода (0,73…0,83 %), сталь Р18 является эвтектоидной. Поэтому в исходном незакаленном состоянии при комнатной температуре она состоит исключительно из перлита. При нагреве до 727 °С происходит мгновенное превращение перлита в аустенит, и поэтому при температуре закалки (1280 °С) сталь состоит исключительно из аустенита. В результате быстрого охлаждения при закалке аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный раствор углерода в α-железе. Последующий после закалки отпуск заключается в нагреве стали до температуры не выше 727 °С, чтобы мартенсит не превращался обратно в аустенит, и медленном охлаждении на воздухе. Структурных превращений при отпуске не происходит, и цель отпуска заключается в получении более равновесной структуры и достижении необходимой твердости стали: HRC 62…65. Структура стали после отпуска – мартенсит отпуска.

n 

ЗАДАНИЕ 2

 

Условие.

Выбрать марку сплава для изготовления станин мощных станков, ковочных прессов и т.п. Привести химический состав, структуру, механические и технологические свойства сплава. Какой металлургический прием применяется для повышения механических свойств сплавов этой группы? В чем его суть?

 

Решение.

1. Станина служит главным образом для монтажа всех основных частей станка или пресса. Она должна на протяжении длительного времени обеспечивать правильное взаимное положение и перемещение частей станка при всех предусмотренных режимах работы. Станины станков должны быть прочными, металлоемкими, технологичными и должны иметь достаточно низкую стоимость. Но важнейшим требованием, предъявляемым к станинам, является требование неизменности их формы. Этого достигают правильным выбором материала станины и технологии ее изготовления.

Станины подразделяют на горизонтальные и вертикальные. Форма  станины определяется многими факторами, в частности, видом направляющих (горизонтальные, вертикальные, наклонные), необходимостью установки на ней соответствующих неподвижных и подвижных частей, различных по размерам и массе, размещением внутри станины механизмов, осуществляющих смазывание и охлаждение, отвод стружки и т.д. Станина должна быть удобной для быстрого проведения ремонтных работ.

На рис. 2 показаны основные профили горизонтальных станин, применяемые:

• при необходимости отвода вниз стружки и охлаждающей жидкости; такой профиль обладает повышенной жесткостью по сравнению с жесткостью станин, имеющих замкнутый профиль (рис. 2, а);
• при отсутствии необходимости отвода стружки вниз (рис. 2, б);
• при необходимости использования станины как резервуара для масла и при необходимости значительного места для расположения механизмов привода (рис. 2, в);
• в тяжелых, в частности многосуппортных, станках (рис. 2, г).

Рис. 2. Основные профили горизонтальных станин.

 

На рис. 3 в качестве примера показана станина обрабатывающего центра.

 

Рис. 3. Станина обрабатывающего центра.

 

2. Станина является базовым элементом станка, несущим всю тяжесть монтируемых на него узлов и агрегатов и воспринимающим все нагрузки и колебания, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому основными требованиями к материалу станин являются высокий предел прочности и высокая способность к гашению разнообразных колебаний. Основным методом изготовления станин станков и прессов является литье в песчаные формы. Поэтому преобладающим материалом для изготовления литых станин является серый чугун, хорошо работающий на сжатие, обладающий высокой демпфирующей способностью и хорошими литейными свойствами.

Серый чугун выпускается нескольких марок (от СЧ25 до СЧ45), различающихся пределом прочности. Так как в условии заданы станины мощных станков и прессов, следует выбрать для их изготовления серый чугун СЧ45 с максимальным пределом прочности.

3. Серый чугун СЧ45 содержит в  своем составе 2,5…2,7 % углерода  и имеет следующие механические характеристики:

• σ_в = 450 МПа;
• твердость НВ 229…289.

Серый чугун марки СЧ45 имеет структуру перлита с мелкими пластинчатыми включениями графита. Включения мелкораздробленного графита придают чугуну хорошие механические свойства: он одновременно имеет повышенную твердость и износоустойчивость, обусловленную перлитной структурой металлической основы.

Технологические свойства серого чугуна СЧ45 – хорошая жидкотекучесть, хорошая  обрабатываемость резанием, ограниченная свариваемость.

4. Для улучшения механических  характеристик серых чугунов  применяют термическую обработку. Одной из особенностей термической обработки чугуна в отличие от стали и цветных сплавов является более строгая необходимость учета структуры и физико-механических свойств материала в исходном состоянии. При термической обработке чугунные детали необходимо нагревать и охлаждать с такой скоростью, которая гарантировала бы от образования наружных и внутренних трещин и деформаций. В изделиях большого сечения и сложной конфигурации, к числу которых относятся станины станков и прессов, особенно рекомендуется пониженная скорость нагрева и охлаждения. Опасной является повышенная скорость нагрева и охлаждения в температурной области упругого состояния. Для чугуна этот интервал находится в области температур от комнатной до 500 °С. В области более высоких температур, когда имеют место пластические деформации, скорость нагрева и охлаждения может быть увеличена. Следует также учитывать, что малая скорость нагрева способствует графитизации цементита. Поэтому допустимые скорости нагрева и охлаждения устанавливаются обычно опытным путем в зависимости от состава и структуры чугуна, сечения и конфигурации изделий и имеющегося оборудования для нагрева и охлаждения изделий.

Продолжительность выдержки чугунных изделий должна определяться с учетом диффузионных процессов и структурных превращений, происходящих в чугуне в области высоких температур. Продолжительность выдержки чугунных изделий после достижения заданной температуры должна быть возможно минимальной, достаточной для протекания превращений; излишняя выдержка ведет к разложению перлита и ухудшению механических свойств.

При низкотемпературном отжиге отливок из серого чугуна (его иногда называют старением) и стабилизирующем отжиге (эта наиболее распространенная операция для чугунных отливок) производится снижение или полное снятие остаточных напряжений. Анализ режимов термической обработки, применяемых на практике, показывает, что скорость нагрева при низкотемпературном отжиге колеблется от 30 до 180 °С/ч. При этом, чем крупнее и сложнее отливки, тем скорость нагрева должна быть ниже. Для большинства корпусных деталей скорость нагрева принимается в пределах 100…150 °С/ч. Чем выше температура нагрева при низкотемпературном отжиге, тем полнее снимаются остаточные напряжения. Особенно этот процесс интенсифицируется при температурах более 500 °С. Следует отметить, что с повышением прочности чугуна для достижения одинакового эффекта, температуру нагрева и выдержки увеличивают.