Контрольная работа по материаловедению. Котрольная работа по Материаловедению. Выбор инструментальных сталей
 Скачать 65.98 Kb.
|
 Факультет промышленных технологий Кафедра «Техническое управление качеством» Дисциплина «Материаловедение» РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА на тему: «Выбор инструментальных сталей» Вариант №20 Выполнил: студент группы Руководитель: Работа защищена с оценкой __________ Пенза, 2021 Задание №3. Материал зубчатых колес выбирают в зависимости от назначения и условий эксплуатации последних, передаваемых ими нагрузок, скоростей вращения и т.п. При выборе марки стали необходимо учитывать следующие требования: низкую стоимость материала, хорошую обрабатываемость резанием, минимальное коробление при закалке и три основных эксплуатационных показателя – высокую прочность, долговечность работы и повышенную стойкость к износу. Для большинства зубчатых передач комбайнов, тракторов, автомобилей и других сельскохозяйственных машин, передающих большие нагрузки, лимитирующими факторами являются: прочность зубьев – сопротивление на изгиб, стойкость поверхности профиля зубьев против усталостного разрушения (питтинга) и изнашивание зубьев. Может лимитировать один из указанных факторов, но тогда все три фактора имеют почти одинаковые значения. Для производства зубчатых колес наиболее широко применяют следующие стали: углеродистые – 40, 50, 45; хромистые – 20Х, 35Х, 40Х, 50Х; хромоникелевые – 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН; хромомарганцевые – 18ХГ, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ; хромомолибденовые – 20ХМ, 30ХМ. Кроме того, литые стальные колеса изготовляют из углеродистой стали 40Л, 50Л, а зубчатые колеса малонагруженных передач сельскохозяйственных машин из чугуна СЧ18. При малых нагрузках зубчатые колеса также могут изготовляться из текстолита, капрона и других неметаллических материалов. Известно, что для повышения прочности и износостойкости в стали добавляют один или несколько легирующих элементов. Хром является одним из наиболее универсальных и широко применяемых легирующих элементов. Хром усиливает действие углерода, повышает твердость, стойкость к износу и прокаливаемость при термической обработке. Никель увеличивает ударную прочность, предел упругости и прочность стали на разрыв. Прочная и вязкая поверхность никелевых сталей обеспечивает высокую стойкость к усталости и износу. Никелевые стали хорошо подвергаются цементации, никель уменьшает деформацию и обеспечивает хорошие свойства сердцевины. Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости. Молибден увеличивает прокаливаемость сталей при температурах отпуска. Легированные стали с содержанием хрома, никеля, молибдена, марганца применяют для изготовления высоконагруженных зубчатых колес. Наилучшие свойства в готовом зубчатом колесе получаются после цементации. Содержание углерода в цементируемых сталях обычно колеблется от 0,15 до 0,25 %. Стали с низким содержанием углерода дают максимальную вязкость зубьев, а с высоким содержанием углерода – максимальную прочность сердцевины. Глубина цементованного слоя зубчатых колес составляет 1…2 мм. Хромоникелевые, хромомарганцевые и хромомолибденовые стали широко используют при изготовлении зубчатых колес автомобилей. Задание №4. Материалы, применяемые для изготовления фрез, должны обладать следующими свойствами: высокой твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала, высокой износостойкостью и теплостойкостью, высокой механической прочностью. Для изготовле- ния режущих инструментов и, в частности, фрез применяют углеродистые легированные инструментальные стали, быстрорежущие инструментальные стали, твердые сплавы, минерало-керамику, сверхтвердые материалы, синтетические и естественные алмазы. Для изготовления режущего инструмента применяют инструментальные углерод-истые стали следующих марок: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 (буква У указывает на то, что сталь углеродистая, а цифры показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента). Инструментальные стали повышенного качества, имеющие минимальное количество вредных примесей, отмечают буквой А: У10А, У8А и т. д. Углеродистая инструментальная сталь обладает низкими режущими свойствами. Режущие инструменты, изготовленные из такой стали, позволяют вести обработку при температуре в зоне резания до 200—250 °С и при скоростях резания в пределах 10— 15 м/мин. Легированная инструментальная сталь по химическому составу отличается от углеродистой инструментальной стали лишь наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия. Чаще всего для изготовления прорезных, фасонных и концевых фрез малых диаметров применяют следующие марки стали: ХГ, ХВ5, 9ХС и ХВГ. Легированная инструментальная сталь обладает более высокими режущими свойствами, чем углеродистая инструментальная сталь (температура в зоне резания 300—350 °С, скорость резания 20— 25 м/мин). Быстрорежущая инструментальная стальв отличие от углеродистой и легированной инструментальной стали обладает большим сопротивлением износу и большой теплостойкостью. Она обладает красностойкостью, т. е. не теряет своих свойств при температуре красного каления (550—600 °С) В СССР установлены единые условные обозначения (из букв и цифр) химического состава стали. Первые две цифры показывают среднее содержание углерода, буквами обозначают легированные элементы (В — вольфрам, Ф — ванадий, К — кобальт, М — молибден и т. д.), а цифрами справа от буквы — их среднее содержание (в процентах). Буквой Р обозначают быстрорежущую сталь. В настоящее время наибольшее применение для изготовления всех видов цежущего инстру-. мента при обработке обычных конструкционных материалов применяются следующие марки стали: Р6М5, Р6МЗ и Р12. В последнее время УкрНИИспецсталь разработал новую марку быстрорежущей стали 11АРЗМЗФ2 с пониженным содержанием вольфрама (1,1% углерода, азот, ванадий, молибден). Для обработки высокопрочных нержавею-щих сталей и сплавов в условиях повышенного j разогрева режущих кромок, а также для обработки сталей и сплавов повышенной твердости и вязкости при работе с ударами применяют I следующие марки стали: Р18КФ2, Р10К5ФЗ, Р9К5, Р6М5К5, Р12Ф2К8МЗ, Р9М4К8 и др. Эти марки часто применяются также для изготовления зуборезного инструмента. Твердые сплавы допускают работу со скоростями резания, превышающими в 5— 10 раз скорости обработки быстрорежущими I инструментальными сталями, и не теряют режущих свойств при температуре до 80 °С и выше. Металлокерамические твердые сплавы I состоят из карбидов вольфрама, титана или тантала и кобальта, связывающего эти вещества. Различают вольфрамо-кобальтовые металлокерамические сплавы (ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК5Н, ВК10, ВК10М, ВК15М, ВК8, ВК6-ОМ, ВК8-ОМ, ВКЮ-ОМ, ВК15-ОМ и др.) и титаново-вольфрамо-кобальтовые (Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4, Т60К6 и др.). Цифры после букв указывают процентное содержание в сплаве кобальта и титана. Например, сплав Т14К8 состоит из 14% карбида титана, 8% кобальта и 78% карбида вольфрама. Выпускают трехкарбидные твердые сплавы, состоящие из кобальта (связки) и карбидов вольфрама, титана, тантала. Эти сплавы характеризуются высокой прочностью. Твердый сплав марки ТТ7К12 допускает работу в 1,5—2 раза большими подачами на зуб, чем сплав Т5К10. Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок стандартных форм и размеров. Вольфрамо-кобальтовые сплавы применяют для обработки хрупких материалов: чугуна, бронзы, закаленной стали, пластмасс, фарфора и т. п. Твердые сплавы титано-вольфрамовой группы предназначены главным образом для обработки сталей. Сплав ТТ20К9 специально предназначен для фрезерования стали (например, для фрезерования глубоких пазов). Он отличается повышенным сопротивлением тепловым и механическим циклическим нагрузкам. Наиболее прочными сплавами при черновой обработке стали являются сплавы марок ТТ7К12 и Т5К12Б. С уменьшением размеров зерен карбидов вольфрама износостойкость и твердость сплава увеличиваются. Эту закономерность используют при создании сплавов различного назначения с требуемыми свойствами. Первыми мелкозернистыми сплавами были сплавы марок ВКЗМ и ВК6М. В последнее время разработаны твердые сплавы с особо мелкозернистой (ОМ) структурой — ВК6-ОМ, ВКЮ-ОМ и ВК15-ОМ. Стойкость твердосплавного инструмента повышается при нанесении на его поверхность изностойких слоев (5—15 мкм) карбидов (титана, ниобия), боридов, нитридов и др. Минерал о керамическ ие спла-в ы приготовляют на основе окиси алюминия А/203 (корунда) путем тонкого размола, прессования и спекания. Выпускают их, как и твердые сплавы, в виде пластинок стандартных форм и размеров. В настоящее время промышленное применение имеют две марки минеральной керамики: ЦМ-332 и ВЗ. Минеральная керамика марки ВЗ обладает большей (в 1,5—2 раза) прочностью по сравнению с керамикой марки ЦМ-332. В состав керамики марки ВЗ помимо окиси алюминия входят сложные карбиды тугоплавких металлов. Минералокерамические пластинки обладают большей теплостойкостью и износостойкостью, чем некоторые твердые сплавы. Однако они имеют пониженную по сравнению с твердыми сплавами прочность и повышенную хрупкость. Минералокерамика находит применение при чистовом и тонком фрезеровании торцовыми фрезами (головками) с неперетачиваемыми пластинками. Сверхтвердые материалы (СТМ) являются поликристаллическим образованием на основе кубического нитрида бора. В эту группу входят композит 01 (эльбор-Р), композит 05 и композит 10 (гексанит-Р), ПТНБ (поликристалл твердого нитрида бора), «зубр», «бел-бор» и др. Сверхтвердые материалы значительно превосходят минеральную керамику и твердые сплавы по термоусталостной прочности. Эль-бор-Р, гексанит-Р, ПТНБ и др. применяют для оснащения резцов, фрез, а также при изготовлении абразивного инструмента для заточки металлического (лезвийного) инструмента. Сверхтвердые материалы для металлического инструмента выпускаются в виде цилиндрических вставок диаметром от 4 до 8 мм и длиной от 4 до 8 мм. Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора химически инертны к черным металлам, а материалы на основе углерода (алмазы) к ним химически активны. Это различие и определяет область их применения: сверхтвердые материалы применяются для обработки сталей, чугу-нов, ряда труднообрабатываемых сплавов; поликристаллические алмазы — для обработки цветных металлов, титановых сплавов, стеклопластиков и др. Для обработки сверхтвердых материалов можно применять только алмазы, которые превосходят их по твердости. Синтетические алмазы (типа «карбонадо» и «баллас») выпускаются в виде порошков и кристаллов. Из синтетических алмазных порошков изготовляют алмазно-абразивные инструменты. Круги из синтетических алмазов успешно применяются при заточке и доводке твердосплавных режущих инструментов (в том числе и фрез), а также для шлифования и доводки драгоценных камней, в том числе и самого алмаза. Алмазные резцы и фрезы применяют в основном в качестве чистового (отделочного) инструмента при резании цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов. Задание №5. Подшипники скольжения и прочие конструкционные детали, которые работают в условиях повышенного трения, все чаще изготавливают из различных композиционных неметаллических материалов. Это позволяет эффективно управлять показателями надежности и долговечности изделий. Очевидно, что для различных условий эксплуатации, к которым относятся рабочие температуры, нагрузки, количество оборотов вала и т.п., рационально использовать различные материалы, даже разные классы материалов. К примеру, довольно широкая линейка полимерных материалов для подшипников позволяет использовать их в различных условиях эксплуатации. Подшипники скольжения из полимеров обладают меньшим весом и стоимостью, нежели металлические, устойчивы к коррозии и воздействию агрессивных сред, и из-за низкого коэффициента трения эффективно используются при высоких нагрузках и малых скоростях вращения. Как правило, подшипники из полимеров используются в автомобилестроении, обработке материалов, машиностроении и прочих отраслях. Такие детали могут быть как самосмазывающимися, так и работающими в условиях принудительной подачи смазки, что увеличивает срок их эксплуатации. Конструктивно материалы, из которых изготавливают подшипники скольжения, состоят из базового полимера, который обеспечивает хорошие механические свойства и износостойкость. Различные волокна добавляются для создания композитной структуры и, соответственно, для увеличения прочности и несущей способности подшипника. Трение в узле уменьшается путем добавления твердых смазок, которые обеспечивают хорошее скольжение. В настоящее время каждый производитель полимерных материалов для подшипников, старается предложить широкий выбор композиций, пригодных для различных условий использования, и соответственно, минимизирующих стоимость изделия. Так, в линейке твердых полимерных материалов EP Series от компании GGB присутствуют материалы, имеющие различные составы, что и обуславливает различия их эксплуатационных характеристик. Некоторые из материалов, входящих в эту серию, представлены ниже. Как правило, подшипники скольжения из таких материалов изготавливаются методом литья. Марка: EP44™ Производитель: GGB. Состав: PPS + PTFE + карбоновые волокна. Условия эксплуатации: смазка, вода, технологические жидкости, сухое трение. Максимальная скорость скольжения при сухом трении: 1 м/с. Коэффициент трения: 0,16-0,26. Максимальная температура: +240 °С. Минимальная температура: -40 °С. Максимальная статическая нагрузка: 60 МПа. Максимальная динамическая нагрузка: 40 МПа. Твердость: >450 HV. Микроструктура образца представлена на рисунке 1.  Рисунок 1Очевидно, что усиление изделий различными волокнами значительно повышает их эксплуатационные характеристики, поэтому следующим классом являются волоконно-полимерные материалы. Их получают способом формирования изделия путем намотки армирующих волокон. При всем многообразии подшипников скольжения, изготовленных на основе неметаллических материалов, правильный выбор конкретного материала зависит, прежде всего, от конкретных условий эксплуатации изделия. Сфера конструирования неметаллических деталей, работающих в узлах трения, в настоящее время является динамически развивающейся – в ней лишь обозначены основные тренды, однако нет традиционных, устоявшихся решений. Следовательно, приобретают большое значение исследовательские разработки, на которых специализируется наша компания. Используя все многообразие уже известных решений, мы можем создать конечный продукт, который подойдет для довольно специфических условий работы подшипника. А индивидуальный подход, как известно, является основополагающим для долговечности и надежности работы. |