Классификация алюминиевых сплавов. По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые

По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и спеченные.

Деформируемые сплавы имеют высокую технологическую пластичность, поэтому используются для изготовления деталей способами холодной и горячей пластической деформации (прокаткой, ковкой, прессованием, экструдированием, штамповкой, волочением и т.д.).

Пластическая деформация этих сплавов не только средство изменения или придания формы, ее используют также и для упрочнения алюминиевых сплавов.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся сплавы Al-Cu-Mg-Mn; Al-Zn-Mg-Cu, это дуралюмины (Д1, Д16, Д18, Д19 и др.), авиали (АВ, АД31, АДЗ3 и др.), высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96), магналии сплавы алюминия с магнием.

В продовольственном машиностроении алюминиевые сплавы идут на цистерны, различные емкости, детали холодильных агрегатов. Из деформируемых сплавов АД, АД1, Д16, АМц др. В продовольственном машиностроении изготавливают различные сварные конструкции технологического оборудования. Хорошими свойствами обладает алюминиево-марганцовистый сплав АМц и алюминиево-магниевые сплавы АМг и АМгЗ (магналии). Они имеют хорошую пластичность, хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью и не требуют для упрочнения термической обработки.

 

Литейные алюминиевые сплавы

Предназначены для изготовления деталей методами фасонного литья (в земляные или металлические формы, под давлением и т.д.), имеют хорошие литейные свойства высокую жидкотекучесть, малую склонность к образованию горячих трещин, малую усадку.

Широкое распространение для изготовления литых деталей получили силумины - сплавы алюминия с кремнием (ГОСТ 1589-89). Силумины обладают малой удельной массой хорошими литейными свойствами, коррозионной стойкостью.

Свойства ряда силуминов представлены в таблице

Таблица 2 - Состав и свойства силуминов

 

Марка сплава Содержание Si, % sв, МПа НВ, МПа d, %
АК7 6…8 200…230 500…570 2…4
АК9 8…10,5 170…290 2…4
АК12 10…13 160…190 2…6

 

В продовольственном машиностроении силумины используются для изготовления корпусов насосов, работающих в контакте с пищевыми продуктами.

Для фасонного литья применяют также сплавы на основе Аl-Сu-Mg, Аl-Сu, Al-Zn-Mg. Магналии также относятся к алюминиевым литейным сплавам, они содержат 4...13 % Mg.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают брикетированием, спеканием и деформированием порошков алюминия и легирующих элементов или порошков стандартных алюминиевых сплавов. К таким сплавам относятся САС1 (25...30% Si, 5...7% Ni, остальное Al). Их применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при 20...200°С, где необходимо сочетание низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

Для деталей, работающих при высоких температурах (до 500°С), применяют спеченные алюминиевые порошки (CAП1...САП4) сплав алюминия с его окисью (Аl2O3).

 

Медь

Медь – тяжелый металл (плотность 8,94 г/см3), полиморфных превращений не имеет, температура плавления 1084ºС. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь (ГОСТ 850-78) маркируется: М00 (99,99 % Сu), М1, М2, М3 и М4(99 % Сu).

Механические свойства меди относительно низки. В отожженном состоянии медь весьма пластична ( d=50%; j =75%; а, s0,2=70 МПа).

В деформированном состоянии пластичность меди понижается, но прочность повышается: d=1…3 %, j =35%; s0,2=380 МПа, НВ 120, sв= 500 МПа. В качестве конструкционного материала медь находит ограниченное применение. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе (марок М3, М4).

 

Медные сплавы

Различают две группы медных сплавов:

  • латуни - сплавы меди с цинком с добавками небольшого количества других элементов;
  • бронзы - сплавы меди с другими элементами, среди которых цинк и никель не являются основными.

Легирующие элементы в медных сплавах принято обозначать следующими буквами: А – алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К – кремний, Кд – кадмий, Мц – марганец, Мг – магний, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф - фосфор.

Латуни Если в латуни цинка менее 39 %, то она отличается мягкостью и пластичностью (имеет однофазную структуру).

Латунь, содержащая 40...45% Zn имеет двухфазную структуру - она более твердая и хрупкая. Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая 30% цинка. При содержании цинка свыше 45% латунь теряет прочность и пластичность. Из таких сплавов детали машин не изготавливают. Латуни, содержащие до 10% цинка, называют томпаками, содержащие 10...20% цинка – полутомпаками.

Различают латуни простые (двойные), состоящие только из меди и цинка, и сложные (легированные), содержащие, кроме меди и цинка, другие элементы.

Простые латуни обозначают буквой Л и двузначными цифрами, показывающими содержание меди в процентах (остальное цинк): Л99, Л85, Л80, Л70, Л68, Л62.

По технологическому признаку латуни разделяют на деформируемые и литейные.

В сложных (специальных) деформируемых латунях за буквой Л следуют (в порядке убывания) буквенное обозначение основных легирующих, элементов и цифры, показывающие содержание меди и этих элементов.

Например, латунь ЛС59-1 содержит 59% меди, 1% свинца и 40% цинка.

Свинцовые латуни обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются резанием, их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой или резанием. Например, латунь ЛЖС58-1-1 содержит 58% меди, 1% железа, 1% свинца, остальное - цинк.

Оловянистые латуни (например, ЛО70-1 содержит 70% меди, 1% олова, остальное - цинк) обладают высоким сопротивлением коррозии; никелевые (например, ЛН 65-5 содержат 5% меди, 5% никеля, остальное - цинк) обладают высокой прочностью, высокими антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Применяют эту латунь вместо бронзы при изготовлении вкладышей подшипников скольжения и др.

Деформируемые латуни выпускают в виде горяче- и холоднокатаных протянутых и прессованных изделий (проволока, полосы, листы, ленты, трубы, прутки и др.) в мягком (отожженном) полутвердом (степень обжатия 10...30 %), твердом (30..50%) и особо твердом (более 60%)состоянии.

Литейные латуни. Согласно ГОСТ 17711-80 существует десять марок литейных латуней. Литейные латуни в виде чушек (ГОСТ 1020-77) содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами.

Обозначение: после буквы «Л» идет буквенное обозначение легирующего элемента с цифрой, указывающей его содержание в сплаве; содержание меди не указывается. Например, ЛЦ23А6Ж3Мц2, содержит 23% цинка, 6% алюминия, 3% железа, 2% марганца.

Бронзы. Бронзы по сравнению с латунями обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью. По содержанию легирующих элементов различают оловянистые и безоловянные бронзы, по технологическому признаку - деформируемые и литейные (ГОСТ 493-79).

Оловянные бронзы - сплавы меди, содержащие до 14% олова, обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами.

Бронзы, содержащие до 14% олова, - однофазные, состоят из твердого раствора олова в меди (a-фаза). При содержании более 14% (до 22%) олова бронза становится двухфазной (b-фаза).

Деформируемые бронзы маркируют следующим образом. На первом месте буквы Бр - бронза, затем следуют буквенные обозначения элементов, входящих в ее состав, и цифры, указывающие среднее содержание элементов в процентах, содержание меди не указывается. Например, БрОФ6,5-0,15 содержит 6,5% олова, 0,15% фосфора, остальное медь.

Бронзы, содержащие до 5...6% олова, обладают хорошей пластичностью (БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25; БрОЦ4-3; БрОЦС4-4-2,5). Из этих бронз изделия изготавливают ковкой, штамповкой и прокаткой. Бронзы с более высоким содержанием олова являются литейными. Маркируются следующим образом: БрО10Ц2 - олова 10%, цинка 2%; Бр08Н4Ц2 - олова 8%, никеля 4%, цинка 2%; БрО3Ц12С5 - олова 3%, цинка 12%, свинца 5%.

Из-за высокой стоимости оловянистые бронзы применяют только для наиболее ответственных деталей. В машиностроении и ремонтном производстве чаще используют более дешевые бронзы, не содержащие олова.

Алюминиевые бронзы - сплавы меди с 4...11,5% алюминия, содержат также железо, никель, марганец. По сопротивлению коррозии они в 12 раз устойчивее оловянных и в 2-3 раза - нержавеющих морозостойких сталей. Широко применяются бронзы БрА5, БрА7, БрАМц9-2, БрАЖМц10-3-1,5 (пружины, мембраны, сильфоны и др.).

Свинцовистые бронзы содержат 27...63% свинца (БрС30, БрС60Н2), имеют высокие антифрикционные свойства.

Свинцовистые бронзы пригодны для вкладышей подшипников, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. Широко применяется бронза БрС30, теплопроводность которой в четыре раза больше теплопроводности оловянных бронз.

Из-за невысоких механических свойств двойные свинцовистые бронзы применяют для втулок и подшипников в виде тонкого слоя на стальной основе.

Бериллиевые бронзы - (содержат 1,5...2,5% бериллия) обладают уникальным сочетанием физико-химических и коррозионных свойств; оптимальными свойствами обладают сплавы с 2% Ве.

Бериллиевые бронзы из-за дороговизны и дефицитности бериллия используют не очень широко. Бронзы БрБ2, БрБНТ1,7 и БрБНТ1,9 используют лишь в ответственных случаях для изготовления пружин, мембран, пружинных контактов, а также в электронной технике.

Кремнистые бронзы также часто используют для изготовления пружин, пружинных контактов. Бронзы БрКН1-3, БрКМЦ 3-1 обладают высокими упругими, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Титан

Использование титана и его сплавов объясняется редким сочетанием высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и значительной прочности при высоких температурах.

Температура плавления титана 1668ºС, плотность 4,5 г/см3, очень чистый титан обладает высокой пластичностью, но вследствие своей высокой химической активности легко взаимодействует с кислородом, азотом и углеродом.

В промышленности применяют титан марок ВТ1, ВТ2 и выплавляют широкую гамму титановых сплавов. Большинство их легировано алюминием, что приводит к повышению удельной прочности, жаропрочности.

В пищевой промышленности, если есть опасность контакта с солью при температурах 200...250°С, сплавы не используют, т.к. они склонны к солевой коррозии (из-за присутствия алюминия).

Недостатком титановых сплавов является их высокая склонность к росту зерна, препятствующая сварке. Титановые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Из деформируемых наиболее распространен сплав ВТ (легированный 5% Al). В горячем состоянии он хорошо куется, прокатывается, штампуется, сваривается. К этой группе относятся сплавы, легированные марганцем: ОТ4-0 (1% Аl, 15% Мn), ВТ4 (4% Аl, 1,5% Мn ) и сложнолегированные ВТ18, ВТ20 (6,5% Al, 2% Zr, 1% Мо, 1%). Сплавы ВТ18, ВТ20 жаропрочны, могут работать до 500... 600ºС, хорошо свариваются. К этой же группе относится сплав АТ3.

Из числа литейных сплавов в промышленности получили распространение BT1Л, ВТ5Л, ВТ3Л, BT14Л. По составу они совпадают с деформируемыми сплавами. Литейные сплавы обладают более высокой прочностью, но меньшей ударной вязкостью по сравнению с деформируемыми, поэтому практически не применяются в условиях циклических нагрузок.

Сплавы титана используют во многих отраслях техники, предпочтительно в тех случаях, когда требуется высокая коррозионная стойкость, по которой они значительно превосходят нержавеющие стали. Их применяют для изготовления криогенного оборудования и в холодильной промышленности, в медицинской промышленности (оборудование, протезы).

В пищевой, мясоперерабатывающей, рыбной и других областях промышленности они применяются для наиболее ответственных деталей и узлов аппаратов, которые работают в условиях коррозионного контакта с пищевыми средами, кислотами. Широкое применение этих сплавов ограничивается их высокой стоимостью.

Магний и его сплавы

Магний относится к числу самых легких металлов, используемых в промышленности. Его плотность 1,47 г/см3, он в 1,6 раза легче алюминия и в 4,5 раза легче железа.

Магниевые сплавы, несмотря на сложность их производства, получили широкое применение в ряде отраслей техники. Они легки, поглощают вибрацию, что и определяет их использование в авиации, ракетной технике и транспорте. Наиболее распространёнными магниевыми сплавами являются сплавы с алюминием и цинком. Эти элементы обеспечивают высокую прочность даже при температуре 150…200ºС.

Магниевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые (МА) и литейные (МЛ).

Наибольшее применение из литейных получили сплавы марок МЛ5 и МЛ6 (картеры двигателей, коробки передач, маслопомпы и т.д.).

Деформируемые магниевые сплавы вследствие высокой удельной прочности нашли широкое применение в авиастроении, ракетной технике, электротехнике и радиотехнике.

 

Задание студенту: ознакомиться с основными положениями данной работы, ГОСТами на цветные металлы и сплавы и записать их в виде письменного отчета.

 

Содержание отчета

  • письменный отчет должен включать определение «что такое цветные металлы и сплавы», какие металлы и сплавы к ним относятся;
  • записать виды алюминиевых, медных, титановых и магниевых сплавов, их маркировку, свойства и применение;
  • записать общие принципы маркировки цветных сплавов.

 

Объём требований

1. Каковы свойства чистого алюминия и область его применения?

  1. Как классифицируются алюминиевые сплавы?
  2. Укажите марки, состав, свойства и область применения литейных и деформируемых алюминиевых сплавов.
  3. Каковы свойства чистой меди?
  4. Как классифицируются медные сплавы?
  5. Что такое латуни? Укажите их виды, свойства, маркировку, применение.
  6. Что такое бронзы? Какие бывают бронзы? Свойства бронз, их маркировка, применение.
  7. Укажите свойства и применение титана.
  8. Укажите марки, состав, свойства и область применения титановых сплавов.
  9. Укажите марки, состав, свойства и область применения магниевых сплавов.

 

Литература

1. Конструкционные материалы. Справочник / Под общ. ред. Арзамасова Б.Н. М.: Машиностроение, 1990.

2. Онищенко В.И., Мурашкин С.У., Коваленко С.А. Технология металлов и конструкционные материалы. М.: Агропромиздат, 1991.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.

 

Лабораторная работа № 8

 

АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Цель работы: ознакомиться с антифрикционными материалами (АФМ), их классификацией, химическим составом, структурой, свойствами, маркировкой и применением.

Оснащение рабочего места

  1. Микроскопы металлографические МИМ-7.
  2. Наборы микрошлифов антифрикционных сплавов (АФС).
  3. Альбомы фотографий микроструктур АФС.
  4. Плакаты: «Металлы в тракторном двигателе», «Микроструктура и свойства цветных металлов и сплавов», «Антифрикционные сплавы и подшипники», «Подшипниковые сплавы», «Пластмассы».

 

Задание студенту

1. Ознакомиться с назначением АФМ и предъявляемыми к ним требованиями.

  1. Изучить классификацию и маркировку АФС.
  2. Рассмотреть под микроскопом набор шлифов АФС.
  3. Составить письменный отчет.
  4. Ответить на контрольные вопросы.

 

Основные положения

Антифрикционные материалы (АФМ) – материалы, обладающие низким коэффициентом. АФМ используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников скольжения, широко применяемых в машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям и ударным нагрузкам, бесшумности работы.

Главное назначение подшипников скольжения в любом узле трения – снижать потери мощности на трение и предохранять дорогостоящие валы и цапфы от износа. При выборе АФМ учитывают условия трения, характер и величину действующей нагрузки и возможных деформаций, способ подводки смазки, возможность загрязнения и очистки смазки.

К АФМ предъявляются следующие требования:

  • минимальный коэффициент трения;
  • хорошая прирабатываемость к поверхности контрдетали и способность поглощать посторонние твёрдые частицы во избежание на ней задиров;
  • достаточная статическая и динамическая прочность при рабочих температурах;
  • высокая теплопроводность;
  • невысокий коэффициент линейного расширения;
  • способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушен;
  • достаточная, но невысокая прочность, чтобы не изнашивалась сопрягаемая деталь;
  • высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах;
  • соответствующая температура плавления;
  • технологичность (обрабатываемость резанием, давлением, способность к литью).

 

Материалов, отвечающих одновременно всем этим требованиям, нет.

Различают четыре группы АФМ: металлические, композиционные, неметаллические и минералы.

Металлические антифрикционные сплавы (АФС)

К этой группе относятся сплавы на основе цветных металлов и железа.

Вышеуказанным требованиям удовлетворяют сплавы с неоднородной структурой. Первыми использовались сплавы с мягкой основой и твёрдыми включениями – баббиты (названы в честь разработавшего их в 1839 г. английского инженера Баббита).

 

Рисунок 1 – Строение подшипника скольжения

 

Мягкая пластичная основа баббитов, легко прирабатываясь к валу, быстро истирается, образуя сеть микроканалов, по которым циркулирует смазка и уносятся вредные продукты износа. Вал при вращении опирается на твёрдые включения, обеспечивающие износостойкость баббитов.

В дальнейшем были разработаны сплавы, у которых основа тверже включений (например, свинцовистая бронза), и сплавы, однородные по твёрдости (на основе серебра).

Баббиты

Это мягкие (до 30 НВ) легкоплавкие (tпл = 240 - 320ºС) сплавы на основе олова или свинца. Обозначают их буквой Б, справа от которой ставятся цифры, показывающие процент олова или букв, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав.

 

Таблица 1 - Химический состав баббитов (ГОСТ 1320-74)

 

Сплав Содержание элементов, %
Sn Sb Cu Pb Cd Др. элементы
Б88 Основа 7,3 7,8 2,5 3,5 _ 0,8 0,12 0,15 - 0,12 Ni
Б83 Основа 5,5 6,5 _ _  
Б16 1,5 2,0 Основа _  
БН 1,5 2,0 Основа 0,1 0,7 0,1 - 0,5 Ni 0,5 - 0,9 Al
БС6 5,5 6,5 5,5 6,5 0,1 0,3 Основа 0,1 0,7  

 

Обозначение баббитов носит условный характер и не показывает полностью их химический состав.

Рисунок 2 - Микроструктура оловянных баббитов

 

Пластичная основа этих сплавов – твёрдый раствор сурьмы (Sb) и меди (Cu) в олове (Sn), а твёрдые включения – соединения SnSb и Cu3Sn.

Оловянные баббиты (Б88, Б83) имеют наилучшие антифрикционные свойства, высокую теплопроводность и коррозионную стойкость, не склонны к хрупкому разрушению, хорошо прирабатываются к валу. Но из-за высокого содержания дорогостоящего олова их применяют только для ответственных подшипников тяжелонагруженной техники: авиационных двигателей, турбин крупных судовых дизелей, турбонасосов и др.

В свинцовых баббитах (Б16, БН, БС6) большая часть олова заменена свинцом, мягкая основа у них - это твёрдый раствор сурьмы (Sb) и олова (Sn) в свинце (Pb), а твёрдые включения представляет собой - соединения – SnSb и Cu3Sn. Эти баббиты дешевле оловянных, но имеют более высокий коэффициент трения, менее износо- и коррозионностойки и не выдерживают высокое удельное давление. Применяются для средненагруженных подшипников в автомобильных и тракторных двигателях, подъемных машинах, металлорежущих станках, вентиляторах и т.д.

Особую группу составляют самые дешевые баббиты - свинцово-кальциевые, химических состав их некоторых марок приведен в табл. 2 (ГОСТ1209-90).

 

Таблица 2 – Баббиты свинцово-кальциевые.

 

Сплав Содержание элементов, %
Pb Ca Na Sn Mg Al
БКА Основа 0,95 - 1,15 0,7 - 0,9 - - 0,5 - 0,2
БК2   0,3 - 0,55 0,2 - 0,4 1,5 - 2,1 0,06 - 0,11  

 

Мягкая составляющая данных баббитов – твёрдый раствор натрия (Na) и кальция (Ca) в свинце, твёрдые включения - кристаллы Pb3Ca. Натрий и другие элементы, вводимые в сплав, повышают твёрдость основы. Основным потребителем кальциевых баббитов является железнодорожный транспорт, т.к. температура их старения (упрочнения) равна 50…70ºС, что соответствует рабочей температуре буксовых подшипников вагонов (< 80ºС).

Все баббиты, имея небольшую прочность (60…120 МПа) и высокую стоимость, применяются только как тонкое покрытие (< 1 мм) рабочей поверхности прочного стального, чугунного или бронзового корпуса подшипника.

Высокие эксплуатационные свойства и значительную экономию цветных металлов обеспечивают отечественные триметаллические подшипники, состоящие из стальной основы, промежуточного пористого медно-никелевого или металлокерамического слоя баббита, заполняющего поры промежуточного слоя и образующего рабочий поверхностный слой толщиной < 0,1 мм. Триметаллы широко применяются в автомобилестроении.

 

Бронзы

Одни из лучших АФС – бронзы (сплавы на основе меди, легированные оловом, цинком, фосфором, никелем, алюминием, бериллием и др.). Химический состав некоторых марок приведен в табл. 3.

 

Таблица 3 - Бронзы для антифрикционных деталей

 

ГОСТ, марка Состав, % (Cu - остальное)
Sn Pb Zn Al Fe Др. элементы
ГОСТ 17-74(олов.деф.) Бр. ОФ 6,5-0,15 Бр. ОЦС 4-4-4   6,0-7,0 3,0-5,0 3,5-4,5 3,0-5,0     (0,1 – 0,25) Р
ГОСТ 18175-78 (безолов. Деф.) Бр. АЖН 10-4-4 Бр. Б2       9,5-11   3,5-5,5     3,5-5,5 0,2-0,5   (1,8-2,1) Ве
ГОСТ 13-79 (олов. лит.) Бр. 04Ц4С17 БР. 03Ц7С5Н1   3,5-5 2,5-4   14-20 3-6   2-6 6-9,5       0,5-2  
ГОСТ 13-79 (безолов. лит) Бр. А10Ж3Мц2 Бр. С30       27-33     9-11   2-4   (1-2) Mn

 

Подшипниковые бронзы по сравнению с баббитами имеют более высокую прочность, выносливость и теплопроводность, поэтому они работают при больших удельных давлениях, значительных ударных нагрузках, повышенных температурах. Область применения: узлы трения авиационных двигателей, тяжелонагруженных дорожных машин и станочного оборудования, скользящих соединений теплопередаточной техники, мощных турбин и электродвигателей и т.д. Например, бронза БрС30 выдерживает при высоких скоростях удельное давление до 250…300 кгс/мм2, её теплопроводность в шесть раз выше, чем у баббитов; механические свойства сохраняются при нагреве до 200ºС.

 

Рисунок 3 - Микроструктура бронзы БрС30

 

Свинец и медь нерастворимы друг в друге ни в жидком, ни в твёрдом состоянии, поэтому после затвердевания сплав состоит из кристаллов нетвёрдой меди и еще более мягких включений свинца. Равномерное вкрапление свинца в меди обеспечивает высокие антифрикционные свойства сплава. Недостатки таких бронз:

- низкая прирабатываемость (вынуждает изготавливать валы с высокой степенью точности);

- неспособность поглощать инородные твёрдые частицы (требуется тщательная очистка масла);

- недостаточная коррозионная стойкость (нужно в масло вводить противоокислительные присадки);

- склонность к ликвации по удельному весу (необходимо перед заливкой сплавы хорошо перемешивать, а после заливки быстро охлаждать).

И всё-таки, бронза БрС30 является наилучшим подшипниковым сплавом для мощных дизельных двигателей. Бронзы используются для изготовления монометаллических втулок и вкладышей подшипников скольжения, и часто их наплавляют тонким слоем на стальную основу. Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании.

В качестве заменителей бронз для опор трения приборов, рольгангов, транспортёров используют другие сплавы на основе меди – латуни. По антифрикционным свойствам они уступают бронзам, применяются при малых скоростях скольжения (до 2 м/с) и невысоких нагрузках. Химический состав некоторых марок антифрикционных латуней приведен в табл. 4.

Таблица 4 – Химический состав антифрикционных латуней

 

ГОСТ, марка Состав, % (Zn - остальное)
Cu Mn Pb Fe Al Sn Др. элем.
ГОСТ 15527-70 ЛН 65-5 ЛЖМц59-1-1   64-67 57-60     0,5-0,8     -     0,6-1,2     0,1-0,4     0,3-0,7 (5-6,5) Ni
ГОСТ 17711-93 ЛЦ 14 К363 ЛЦ38А 1Ж1 ЛЦ38Мц2С2   77-81 58-61 57-60   - - 1,5-2,5   2,4-4,5 - 1,5-2,5   - 0,8-1,5 -   - 0,8-1,5 -   - 0,2-0,7 -   2,5-4,5 Si - -

 

Ещё в 1911 г. немецкий инженер Гирен предложил антифрикционные сплавы на основе цинка – менее дорогие и дефицитные, чем баббиты и бронзы. Химический состав цинковых АФС приведен в табл. 5.

 

Таблица 5 – Химический состав цинковых АФС

 

ГОСТ, марка Состав, % (Zn-остальное)
Al Cu Mg
ГОСТ 21437-75 ЦАМ 9-1,5 ЦАМ 10-5   9-11 9-12   1-2 4,0-5,5   0,03-0,86 0,03-0,06

 

Цинковые сплавы технологичны при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических подшипников скольжения. Антифрикционные свойства у них высоки, прочность достаточна, но пластичность невысока, и при температуре в рабочей зоне выше 120ºС они размягчаются и налипают на вал. Их применяют в узлах трения металлорежущих станков, подъёмных механизмов, прессов, работающих без ударных нагрузок при температуре ниже 100ºС.

Применение алюминиевых сплавов для изготовления подшипников скольжения их преимуществами перед баббитами и бронзами: более высокой усталостной прочностью, меньшей плотностью, лучшей коррозионной стойкостью в масляных средах. Кроме того, алюминиевые сплавы имеют низкий коэффициент трения, высокие теплопроводность и износостойкость. Основными легирующими компонентами этих сплавов являются олово, медь, никель, кремний.

 

Таблица 6 – Химический состав некоторых марок алюминиевых антифрикционных сплавов

 

ГОСТ, марка Состав, % (Al)
Sn Cu Ni Si Mg Fe Sb
ГОСТ 14113-78 АН 2,5 АСМ Алькусин АО 20-1   - - - 17-23   - - 7,5-9,5 0,7-1,2   2,7-3,3 - - -   - - 1,5-2,5 -   - 0,3-0,7 - -   - - - < 0,12   - 3,5-6,5 - -

 

Алюминиевые сплавы широко применяются для изготовления монометаллических и биметаллических подшипников тракторных и автомобильных двигателей, транспортного и общего машиностроения. Но по технологичности они уступают баббитам: нужно учитывать их высокий коэффициент линейного расширения при выборе зазоров для сборки; высокая твёрдость сплавов требует обработки цапф и вкладыша повышенной чистоты, а шейка сопрягаемого вала должна быть твёрдой, иначе в узле возможен ускоренный износ.

Сплавы на основе железа

Стали в качестве АФС используют в очень легких условиях работы при небольшом давлении и малой скорости скольжения. Имея высокие относительно цветных сплавов твёрдость и температуру плавления, стали плохо прирабатываются, схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют или медистые стали с малым содержанием углерода или графитизированные стали с включениями свободного графита.

 

Таблица 7 – Химический состав некоторых марок антифрикционных сталей

 

Сталь Состав, % (остальное железо)
Cu Al C Si Mn S P
Медистая Графитизированная - 2,5 - 0,1 1,5-1,7 - 0,7-1,0 - 0,15-0,4 - 0,025 - 0,03

Чугуны для изготовления подшипников скольжения используют чаще, чем стали. Они могут работать при значительном давлении, но малой скорости скольжения (до 5 м/с). Недостатки чугунов: плохая прирабатываемость, не выдерживают ударной нагрузки и обычно требуют постоянной смазки.

По ГОСТ 1585-85 эти чугуны маркируют тремя буквами и цифрой:

АЧС-1, АЧС-2, АЧС-6; АЧВ-1, АЧВ-2; АЧК-1, АЧК-2.

Значение буквы: «А» - антифрикционный, «Ч» - чугун, «С» - серый, «В» - тип чугуна - высокопрочный, «К» - ковкий.

Цифра показывает порядковый номер марки чугуна в ГОСТе.

ГОСТ 1558-85 регламентирует химический состав и микроструктуру чугуна. Все антифрикционные чугуны содержат повышенное количество графита, который сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, чем дополнительно снижает коэффициент трения. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях с.–х. машин, несложной бытовой техники (ручные мясорубки, миксеры и т.д.).

Композиционные АФМ

Композиционный материал – композит-материал, получаемый объединением разнородных веществ в монолитную структуру.

Композиты получают методом прогрессивной малоотходной технологии – порошковой металлургией (способ разработан профессором Петербургского горного института А.Г.Соболевским в 1827 г.). Порошковые АФМ часто называют металлокерамическими из-за внешнего сходства технологий порошковой металлургии и керамического производства. Эти материалы создаются (прессуются под высоким давлением до 7000 кг/см2, затем спекаются при температуре 850…11000С) на основе порошков железа, меди, алюминия, бронзы, чугунов, коррозионно-стойких сталей, серебра, молибдена с добавками графита, сульфидов серы, свинца, стекловолокна, пластмасс, выполняющими роль твёрдой смазки. Композиционный состав порошковых подшипников подбирается в зависимости от условий их эксплуатации. Пористость в их структуре регулируется в широких пределах (до 35%). Спрессованный порошок является твёрдой составляющей, а поры – выполняют роль мягкой составляющей структуры. Поры готовых подшипников пропитывают маслом, фторопластом, тефлоном или другим смазочным материалом - получаются самосмазывающиеся подшипники.

Во время работы по мере нагревания смазочное вещество, удерживаемое в порах материала капиллярными силами, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника смазочное вещество частично всасывается обратно в поры. Например, эффект самосмазываемости в пропитанных маслом пористых подшипниках без подвода смазки извне может сохраняться в течение 3000 – 5000 часов. Это снижает опасность выхода из строя узлов трения из-за недостаточной смазки. Кроме самосмазываемости порошковые АФМ имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость, легко прирабатываются, выдерживают значительную нагрузку, повышают срок службы подшипников от 1,5 до 10 раз, позволяют экономить дефицитные цветные металлы.

Железографит марок ЖГр1 (около 1% графита) выдерживает нагрузку до 1500 МПа при рабочей температуре до 200ºС в неагрессивной среде.

Бронзографит БРОГр10-2 (около 88% меди, 10% олова, 2% графита) может работать во влажной и слабоагрессивной среде при нагрузке до 500 МПа и рабочей температуре до 250ºС.

Материал ЖГр3ЦС4 (около 3% графита, 4% сернистого цинка) работает в условиях трения без смазки или с ограниченной смазкой при повышенных скоростях, нагрузках и температурах.

Высоколегированный железографит ЖГр3М15 (примерно 3% графита, 15% молибдена) применяется в режиме самосмазывания на воздухе при температуре до 400ºС. Для работы в условиях вакуума при высокой нагрузке и в коррозионных средах используют железографит с добавками (5 – 10%) стеклопорошка.

Сульфидированные и сульфоборированные АФМ на основе порошков коррозионностойких сталей (14Х17Н2, 10Х23Н18, 08Х18Н19) характеризуется высокой коррозионной стойкостью, прочностью и жаропрочностью, поэтому применяются для подшипников, работающих в воде, агрессивных жидких и газовых средах, в условиях сгорания топлива при повышенных температурах.

Металлопластмассовые АФМ – это высокопористый металлический каркас из железа, бронзы или коррозионностойкой стали, пропитанный фторпластом или др. пластмассой. Сочетая повышенные антифрикционные свойства пластмасс со свойствами металлов, получают материалы, работающие без смазки при температурах от 300ºС до –200ºС, с удельной нагрузкой до 150 МПа в вакууме, в воде, в агрессивных, жидких и газовых средах, бензине, в радиационноопасных зонах. Подшипники скольжения из металлофторопластового материала применяют с большим экономическим эффектом в авиации, машиностроении для легкой, пищевой, фармацевтической промышленности, для животноводства и кормопроизводства, в автомобилестроении, электротехнической промышленности, в погружных двигателях насосов для добычи нефти, в станкостроении, в сельхозмашиностроении (зерноуборочные комбайны). Для подшипников, работающих в условиях высокого вакуума и космоса, используют композиции на основе серебра и меди, например: 70% Ag, 20% тефлона, 10% WS2 ; 60% Cu, 30% тефлона, 10% WS2 .

Ограничивают применение порошковых АФМ их недостаточная пластичность и ударная вязкость.

Неметаллические АФМ

К этой группе относятся пластмассы, углеграфиты, композиционные материалы на неметаллической основе, резины, древесина.

Пластмассы – материалы, изготовленные на основе полимеров, продуктов химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Состав их разный: простые пластмассы – это полимеры без добавок, сложные – это смеси полимеров со специальными добавками от 40 до 70% по массе (наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и др.). Пластмассы делятся на две принципиально отличные группы: термопласты и реактопласты.

Свойства термопластов обратимо изменяются при многократном нагреве и охлаждении).

В реактопластах при изменении температуры нарушаются пространственные связи их молекул, и свойства не сохраняются.

В качестве АФМ применяются пластмассы обеих групп благодаря следующим достоинствам:

- достаточная износостойкость;

- невысокий коэффициент трения в определенном диапазоне скоростей и нагрузок;

- хорошая прирабатываемость;

- коррозионная стойкость к наиболее распространенным агрессивным средам;

- способность некоторых пластмасс к самосмазыванию при низких температурах (до – 200ºС), когда масла и пластичные смазочные материалы не применяются;

- малая плотность (в пять – восемь раз меньше плотности стали, меди, свинца);

- бесшумность в работе;

- немагнитность.

Использование пластмасс экономит цветные металлы и сплавы и снижает эксплуатационные расходы. В зависимости от условий эксплуатации пластмассы могут работать при смазывании минеральными маслами, эмульсиями, водой, пластичными смазочными материалами, а некоторые из них – без смазывания.

Ограничивают применение пластмасс отрицательные их качества: низкая теплопроводность; значительное тепловое расширение; невысокая теплостойкость; старение (деструкция); ползучесть даже при нормальной температуре.

Термопласты как АФМ имеют преимущества перед реактопластами, т.к. последние при нагреве до 250ºС и выше разлагаются и обугливаются, повреждая узел трения.

Из термопластов для подшипников скольжения используют винипласт, полиамиды (капрон, нейлон), фторпласт-4 и др.

Винипласт и полиэтилен применяются в малонагруженных неответственных узлах, т.к. неработоспособны при ударных нагрузках и имеют очень низкие теплопроводность и теплостойкость.

Полиамиды в виде монолитных подшипников применяют тоже в малонагруженных узлах (ленточные транспортёры для пищевых продуктов, подвижные конвейеры и др.). Помещая полиамидную втулку внутри тонкостенной стальной, получают подшипник с достаточной прочностью и хорошей охлаждаемостью. Их устанавливают в шпинделях токарных, фрезерных, шлифовальных станков, в с.-х. машинах, в опорах гребных валов на малых судах, в подшипниках, смазываемых бензином, керосином и другими перекачиваемыми жидкостями.

Фторопласт–4 имеет очень высокие антифрикционные свойства, необычайно химически стоек в интервале температур от –200º до +260ºС (даже «царская водка» не растворяет) но ввиду высокой стоимости и трудоемкой технологии получения и переработки в монолитном виде применяется только в химической промышленности и для тяжелой землеройной техники горнодобывающей промышленности Сибири и Крайнего Севера. Чаще его используют для пропитки пористых подшипников и как компонент антифрикционных композиций, например Ф4Г2М7 (21% графита, 7% дисульфида молибдена, Ф–4 - остальное), Ф4К20 (20% кокса), Ф4Г20М5С10 (20% графита, 5% дисульфида молибдена, 10% рубленого стекловолокна) и др.

Из реактопластов используют разные текстолиты, волокнит, гетинакс, древеснослоистые пластики и др. Они хорошо гасят вибрации, стойки к ударным нагрузкам, коррозионностойки, недорогие, а главное - имеют высокую прочность на сжатие. Поэтому применяются при тяжелых условиях работы узлов трения: для прокатных станов, дробилок, подъемных кранов, железнодорожных подвижных составов. Для узлов сухого трения, работающих в условиях радиационного облучения при температуре от –200º до +300ºС, подобраны многокомпонентные системы из специально синтезированных и известных полимеров. Это АМАН, ЭСТЕРАН, ТЕСАН, ВИЛАН. Они при малой частоте вращения выдерживают нагрузку до 200 кгс/мм2, а при малой нагрузке могут работать с частотой вращения до 16000 об/мин.

Композиции на основе эпоксидных смол с добавками графита, алюминиевой пудры, стеклоткани, чугунной стружки, свинцового порошка, дисульфида молибдена или вольфрама применяют для подшипников мощных компрессоров, циркуляционных насосов, работающих без смазки. Долговечность этих подшипников в пять-восемь раз выше, чем бронзовых (выдерживают до миллиона рабочих циклов).

 

Углеграфитовые материалы

Для узлов трения, работающих в газовых и жидких агрессивных средах в диапазоне температур от –200 до +2000ºС со смазкой и без смазки, широко используются углеграфитовые АФМ.

Графит – полимерный материал кристаллического пластинчатого строения, одна из аллотропических разновидностей углерода. Графит бывает природным и искусственным. Графит по сравнению с другими неметаллическими АФМ обладает высокой тепло- и электропроводностью, термической стойкостью в нейтральных и восстановленных газовых средах (до 3000ºС), химической стойкостью в кислотах, щелочах, растворах солей, органических растворах; свойство самосмазываемости сохраняет от –100 до +600ºС, поэтому его часто используют в химической промышленности. Графитовые АФМ пористые, их получают из нефтяного или пекового кокса, сажи, антрацита с добавками природного графита в разных соотношениях. Но у подшипников, изготовленных из чистого графитового порошка, невысокая несущая способность – до 15 кгс/мм2. При скорости скольжения до 1 м/с они плохо сопротивляются ударным и вибрационным нагрузкам. Поэтому графит обычно наполняют стекловолокном, пропитывают антифрикционными сплавами, металлами, полимерами. В результате получаются уникальные материалы, сочетающие присущие графиту высокие антифрикционные свойства, особенно при трении в воде, с достаточной прочностью, высокими упругими и теплофизическими свойствами, водо- и химстойкостью.

Стоит отметить графитопласты – графит, пропитанный эпоксидными или фенольными смолами (АМС-1, АТМ-2, АФ-3Т и др.).

Графитопласты могут работать без смазки и в условиях сухого жаркого климата и влажных тропиков; в условиях запыленности при повышенных температурах; в холодной, горячей и морской воде; в моющих растворах, в сточных водах предприятий. Их применяют в узлах трения, где нет высоких нагрузок и скоростей, но есть нестабильный режим работы с частыми остановками; где нежелательна смазка. Это и бытовая техника: магнитофоны, электробритвы, вентиляторы, стиральные машины; и промышленное оборудование: насосы для перекачивания керосина и жидкого кислорода, турбинные аэраторы сточных вод, барокамеры, рисо- и хлопкоуборочная техника, транспортеры цементных заводов и т.д.

К АФМ на основе углерода относятся углеситалл, силицированный графит, углеграфитовые материалы с различными пропитками. Основное преимущество первых двух материалов – очень высокая износостойкость по сравнению с другими АФМ (выше в 10…100 раз). Основным их потребителем является химическое производство, т.к. они стойки почти в любой агрессивной среде. Углеситалл получают на основе стеклокристаллических материалов и углеродных волокон. Силицированный графит получают пропиткой графита жидким кремнием, в результате чего образуется основа из карбида кремния с включениями кремния и графита. Для работы в гидроабразивном потоке применяют боросилицированный графит, твердость которого ещё выше. Углерод (графит, кокс, углеродные и графитовые волокна и ткани) широко используется как компонент композиционных АФМ на основе металлов и полимеров.

 

Резины

При смазке узлов трения водой в качестве АФМ часто используют резины.

Резина – продукт специальной обработки (горячей или холодной вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками (до 15). Добавки: ускорители вулканизации, наполнители, противостарители, смягчители, красители и т.п. - при определённых процентных соотношениях улучшают эластичность, морозостойкость и т.д. Другими сдовами, определяют свойства резины. Как конструкционный материал резину отличают высокие эластичность, износостойкость, сопротивление разрыву, газоводонепроницаемость, химическая стойкость, малая плотность.

По назначению резины делятся на несколько групп, одна из которых – антифрикционные резины. Резиновые подшипники в основном работают только при смазке водой и достаточной её прокачке, выдерживают окружную скорость до 20…25 м/с; в паре со сталью, бронзой, латунью имеют высокие антифрикционные свойства. К поверхности некоторых резин прививают фторуглеродные молекулы, что придает им антифрикционные и антиадгезионные свойства при трении без смазки – это специальные скользкие резины.

Податливая резина легко приспосабливается к неточностям геометрической формы сопрягаемой детали и сборки узла без нарушения в зоне нагружения непрерывности смазочного слоя, что особенно важно для узлов трения больших размеров (например, на валах роторов гидротурбин стоят резиновые вкладыши диаметром до 4 м).

Абразивные частицы существенно не влияют на резиновые подшипники, они вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия и выносятся с водой по смазочным канавкам. При наличии песка, ила или грязи в смазывающей и охлаждающей подшипник воде вкладыш изготавливают с большим количеством канавок и подбирают резину с наивысшей износостойкостью. Кроме того, резина хорошо амортизирует ударные нагрузки и гасит вибрации.

К недостаткам резин относятся низкая теплопроводность и склонность к различным видам старения (световое, озонное, тепловое, радиационное и др.).

Резиновые вкладыши устанавливают в узлах трения морских и речных судов, в центробежных песковых насосах, артезианских насосах, гидравлических турбинах, турбобурах и т.п.

Древесина

Древесина – природный полимерный материал растительного происхождения. Достоинства её как конструкционного материала: малый объемный вес, достаточно высокая удельная прочность и упругость, хорошая сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам, малый коэффициент линейного расширения, стойкость к ряду кислот, солей и масел. Она легко обрабатывается резанием и склеивается. Древесина в качестве АФМ применяется при невысоких скоростях скольжения и средних нагрузках. В основном это твёрдые породы – дуб, бук, бакаут, самшит, содержащие естественные смолистые вещества (до 30%), обладающие смазочным действием. Такие подшипники хорошо работают как в условиях сухого трения при высокой запыленности (абразивный износ) и слабой агрессивности среды, так и в пресной и морской воде, которая и охлаждает и смазывает подшипник. Это узлы трения лесопосадочных машин, кукурузо- и силосоуборочных комбайнов, жаток, ленточных, подвесных и винтовых конвейеров в литейных цехах, на химкомбинатах, на железобетонных заводах, предприятиях по добыче и обогащению полезных ископаемых и т.п. В последние годы ценные породы древесины все чаще заменяет самосмазывающаяся прессованная древесина – ДП. Её получают горячим прессованием менее ценных пород (например, березы), затем в её естественную капиллярно-пористую структуру вводят смазочное вещество, например, масла И45, МС20 и др.

Подшипники из ДП изготавливают диаметром до 450 мм, они выдерживают высокие ударные нагрузки, имеют вдвое меньший износ, чем бронзовые, а стоимость их в восемь-десять раз меньше бронзовых. Для устранения недостатков, присущих древесине (склонность к загниванию, отсутствие огнестойкости, гигроскопичность), её пропитывают соединениями металлов, растворами солей, полимерами, лаками и др.

Древесная крошка и шпон используются в качестве наполнителей АФМ на основе полимеров.

Минералы

Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяются для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор прецизионных приборов (часов, гироскопов, тахометров и др.). Главное достоинство таких опор – низкий и стабильный момент трения. Низкое трение достигается малыми размерами опор и минимальным коэффициентом трения из-за слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных благодаря высокой твёрдости выдерживать громадные контактные давления.

Содержание письменного отчета

1. Указать назначение АФМ, условия их работы.

  1. Описать требования, предъявляемые к АФМ.
  2. Дать краткую характеристику изучаемых АФМ, указать применение.
  3. Зарисовать структуру некоторых АФС (по указанию преподавателя).
  4. Сделать выводы о связи между составом, структурой, свойствами, применением АФМ.

Контрольные вопросы

1. Назовите назначение АФМ.

2. Перечислите требования, предъявляемые к АФМ (не менее шести).

3. Укажите факторы, влияющие на выбор АФМ для конкретного узла трения.

4. Назовите группы АФМ.

5. Назовите АФС на медной основе, их состав, свойства, применение.

6. Что такое баббиты? Назовите их химсостав, свойства, применение.

7. Назовите АФС на основе алюминия, их преимущества, недостатки, применение.

8. Назовите цинковые АФС, их состав, свойства, применение.

9. Какие сплавы на основе железа применяют для подшипников скольжения? Их свойства и применение.

10. Назовите композиционные АФМ, их химический состав, способ получения, свойства, применение.

11. Назовите неметаллические АФМ.

12. Назовите пластмассы для подшипников скольжения: виды, свойства, преимущества и недостатки, применение.

13. Углеграфитовые АФМ: виды, свойства, применение.

14. Что такое антифрикционная резина? Назовите её свойства, преимущества и недостатки, применение.

15. Расскажите об использовании древесины для подшипников скольжения, её достоинства и недостатки.

16. Назовите АФМ для миниатюрных опор скольжения, их достоинства.

 

Литература

 

1. Конструкционные материалы. Справочник под общей ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990, с. 171-189.

  1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990, с. 418-428.
  2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1989, с. 158-168.
  3. Кондратьев Е.Т. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Колос, 1992, с. 156-158.
  4. Онищенко В.И., Мурашкин С.У., Коваленко С.А. Технология металлов и конструкционные материалы. М.: Агропромиздат, 1991, с.129-130, с.403-406.

Лабораторная работа № 9

 

ЗАКАЛКА

 

Это один из видов термической обработки. Как и любой процесс термообработки, она состоит из последовательности операций: нагрев до температуры закалки (tзак) – выдержка при tзак – быстрое охлаждение со скоростью большей или равной критической, т.е. uохл ³ uкр.

Цель закалки стали – получить очень твердую, износостойкую структуру, которая называется «мартенсит» (пересыщенный твердый раствор углерода и других элементов в Feα). Для этого необходимо точно и строго выполнять перечисленные выше операции.

Рассмотрим последовательно каждую из них.

Нагрев стали для закалки (рис.1).

 

Рисунок 1 – Структура закаленной стали в зависимости от температуры закалки

 

По температуре нагрева различают два вида закалки: полную (tзак = Ас3 + 50ºС) и неполную (tзак = Ас1 + 50ºС).

Запомните:

· наилучшие результаты закалки получаются, если стали с содержанием углерода С < 0,8% закаливать полной, а стали с содержанием углерода С > 0,8% - неполной закалкой.

· стали с содержанием углерода С < 0,3% нет смысла закаливать, так как мала твёрдость после закалки.

Необходимая температура нагрева назначается согласно линиям диаграммы (по критическим температурам (точкам) Ас1 и Ас3.

 

Таблица 1 - Температура (ºС) критических точек некоторых марок конструкционной и инструментальной стали

 

Марка стали Ас1 нагрев Аr1 охлаждение Ас3 нагрев Аr3 охлаждение Марка стали Ас1 нагрев Аr1 охлаждение Ас3 нагрев Аr3 охлаждение
65Г 40Х
40ХН У8    
У10     У12    

Время нагрева для закалки зависит от метода нагрева, размеров и формы детали, марки стали, многих других факторов и может составлять от одной секунде до нескольких часов. Для электрических печей с нагревательными элементами в виде спирали или стержней ориентировочное время для закалки углеродистых сталей 1 мин на 1 мм толщины наибольшего сечения, для легированных - 2 мин плюс 25% этого времени для углеродистых сталей и 33% для легированных.

 

Таблица 2 - Нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах для углеродистых сталей (форма изделия круг)

 

Температура нагрева, ºС Продолжительность нагрева
600-650 700-750 750-840 850-900 1,5 1,0 0,8 0,4

 

Скорость охлаждения при закалке должна быть больше или равна критической, т.е. uохл ³ uкр. Критическая скорость охлаждения для каждой стали имеет своё конкретное значение, но необходимое условие закалки uохл > uкр легко выполняется для целых групп сталей при охлаждении их в одном охладителе.

Таблица 3 - Скорость охлаждения стали в различных средах

 

Характеристика закаливающей среды Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита
Вода при 18ºС 10% NaOH в воде при 18ºC Минеральное машинное масло Воздух спокойный

ЗАПОМНИТЕ! Как правило, углеродистые стали при закалке охлаждают в воде, легированные – в жидком индустриальном (машинном) масле или в специальных закалочных минеральных маслах.

 

Определение критической скорости закалки

Закалка происходит только при охлаждении со скоростью uохл ³ uкр.

uкр – минимальная скорость охлаждения, при которой ужé образуется структура «мартенсит», т.е. происходит закалка. Величина uкр (см. рис. 5) зависит от химического состава стали; её можно определить расчётом по формуле

 

, (1)

 

где tзак – температура закалки;

tmin – температура минимальной устойчивости аустенита;

tmin – время минимальной устойчивости аустенита.

 

Все данные для расчета берём с рис. 1, 2, 3, 4, 5 (tзак можно выбрать по рис. 1 или табл. 1. После определения uкр для закаливания сталей выбираем охлаждающую среду для них по табл. 3.

Задание студенту

1. Выбрать режим закалки (tзакºС, время нагрева и выдержки в печи) для образцов из разных марок сталей, используя рис. 1, табл. 1 и 2, таблицу критических точек для сталей.

2. Измерить твёрдость образцов до закалки в единицах HRB и перевести их в единицы НВ.

3. Загрузить образцы в нагретые печи. Следить за температурой и временем нахождения образцов в печах.

4. Определить uкр для закаливаемых сталей и выбрать охлаждающие среды, которые должны обеспечить закалку данных сталей (см. табл. 3).

5. Ознакомиться по плакату или пособию со скоростями охлаждения, которые обеспечивают самые распространённые охлаждающие среды, назначить охлаждающие среды для образцов, предположить ожидаемый результат.

6. Охладить образцы в назначенных охлаждающих средах, измерить их твёрдость в единицах HRC и перевести в единицы НВ, оценить полученный результат, сравнить его с ожидаемым. Сделать вывод.

7. Для образцов из стали 45 построить график в координатах «твёрдость HRC – скорость охлаждения град/с», сделать вывод по данному графику.

8. Для образцов из разных марок стали и максимальной твёрдости, достигнутой при их закалке, построить график в координатах «твёрдость HRC – содержание углерода в стали в %», сделать вывод о закаливаемости сталей.

9. Сравнить и объяснить результаты полной и неполной закалки стали 45. Сделать выводы (см. рис. 6).

10. Рассмотреть в металлографический микроскоп и зарисовать микроструктуру сталей после закалки, определить и оценить каждую из них (см. рис. 6 и плакат «Полная и неполная закалка стали»).

Содержание письменного отчета

1. Записать цель работы, суть и цель закалки.

2. Заполнить исходные данные и результаты проведения закалки по форме, приведенной в табл. 4.

3. Выполнить пункты 6, 7, 8, 9 и 10 задания.

4. Нарисовать графики зависимости твёрдости закалённой стали от скорости охлаждения HRC = f (Vохл) и содержания углерода HRC = f (% C).

5. Записать выводы по работе и по полученным результатам.

 

Контрольные вопросы

1. Что называется термообработкой (ТО)?

2. Перечислить порядок операций ТО.

3. Что необходимо помнить при выполнении операций ТО?

4. Что называется закалкой?

5. Цель закалки и как она достигается?

6. Как назначают (задают) температуру нагрева при закалке?

7. Как выбирают температуру нагрева при закалке?

8. В каких случаях необходимо применять полную, в каких неполную закалку?

9. Как определяют (назначают) время нагрева и выдержки детали в печи при закалке?

10. Как назначают (выбирают) охлаждающую среду при закалке?

11. Перечислите основные правила закалки.

12. Какие выводы следуют из проведённой лабораторной работы?

 

Литература

1. Арзамасов Б.Н. и др. Металловедение. М.: Машиностроение, 1986.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1987.

3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1979.

4. Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: 1990.