Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цим посібником та поданою нижче навчальною літе­ратурою.

2. Описати:

а) за якими ознаками класифікують леговані сталі;

б) як маркуються леговані сталі;

в) особливості ТО легованих сталей порівняно із вуглецевими;

г) суть і причини виникнення явищ відпускної крихкості І і ІІ роду.

Література

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. С. 291 – 303.

2. Металловедение и технология металлов /Под ред. Ю.П. Солнцева. – М.: Металлургия, 1988.  С. 177 – 183.

3. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк. 1991. – С. 285 – 296.

Завдання й методичні вказівки

Роботу доцільно виконувати на зразках сталей 35Х, 40Х або 40ХН у вигляді шайб діаметром 12…15 мм і висотою 20…25 мм.

1. На одному або двох зразках виміряти твердість у вихідному стані.

2. Зразки нагріти в печі до температури 840…860°С і після потрібної витримки (25…30 хв.) загартувати в маслі, після чого виміряти їхню твердість і отримані результати записати в табл. 20.1.

Таблиця 19.1

Режим термобробки	Твердість, HRC	Мікроструктура
Вихідний стан Гартування Відпускання при температурі, °С 200 300 400 500 600

3. Загартовані зразки відпустити при температурах 200. 300. 400, 500 і 600°С, після чого виміряти їхню твердість, а також зробити висновки щодо їхньої мікроструктури і результати записати в таблицю 19.1.

4. Побудувати графік залежності твердості загартованих зразків від температури відпускання. Зробити висновок.

Контрольні запитання

1. Поясніть які сталі називають конструкційними. Схарактеризуйте принципи вибору матеріалу для виготовлення конструкцій чи деталей, виходячи з умов експлуатації.

2. Поясніть як класифікують і маркують леговані конструкційні сталі.

3. Поясніть які особливості ТО легованих сталей порівняно з вуглецевими. Як впливає термічна обробка на мікроструктуру і властивості легованих сталей?

4. Поясніть в чому суть і природа явищ відпускної крихкості І-го і II-го роду?

Лабораторна робота № 20. Вибір матеріалу для виготовлення металорізальних інструментів та їхня термічна обробка

Мета:  1. Навчитися вибирати матеріал для виготовлення різних інструментів та розробляти технологічні процеси їх термічної обробки.

2. Навчитися проводити термічну обробку різних інструментів.

Короткі теоретичні відомості

Для виготовлення робочої частини ріжучих інструментів застосовують пять груп інструментальних матеріалів: інструментальні вуглецеві і леговані сталі, швидкорізальні сталі, тверді сплави, мінералокераміку і надтверді матеріали. Із них виготовляють інструменти чотирьох типів: 1) ріжучі; 2) вимірювальні; 3) штампи холодного деформування; 4) штампи гарячого деформування.

Номенклатура і умови роботи інструментів кожного типу відрізняються великою різноманітністю. Тільки ріжучих інструментів існує більше тисячі типорозмірів.

У процесі роботи інструменти, особливо ріжучі і штампові, перебувають під дією високих контактних тисків на робочу частину, що викликає її спрацювання. У більшості випадків контактна поверхня інструмента розігрівається до декількох сотень градусів. У звязку з цим інструментальні матеріали повинні мати певні фізико-механічні і технологічні властивості, з яких головними є твердість, міцність і пластичність, теплостійкість і теплопровідність, опір налипанню матеріалу, що обробляється, зносостійкість, а також загартовуваність і прогартовуваність (для інструментальних сталей), стійкість проти перегрівання і окислення, зварюваність або здатність до з’єднання паянням, схильність до утворення тріщин при паянні і здатність шліфуватися.

Від вказаних властивостей цих матеріалів залежать такі важливі технологічні показники, як продуктивність обробки різанням, стійкість і надійність інструменту тощо.

Практично не існує таких матеріалів, які б одночасно мали високі твердість, міцність, теплові характеристики тощо

Щоб правильно вибрати інструментальний матеріал для конкретних умов обробки або правильно використати той, що є, при відсутності можливості такого вибору, потрібно знати вплив властивостей на процес різання.

Твердіть. Щоб проникнути в поверхневий шар оброблюваної заготовки, матеріал ріжучих лез робочих частин інструментів повинен мати твердість значно більшу за твердість оброблюваного матеріалу. Чим більша твердість інструмента, тим більша його стійкість і швидкість різання. Зі збільшенням твердості підвищується опір інструмента механічному зношуванні і більш тривалий час зберігається гострою ріжуча частина інструмента.

Твердість інструментальних матеріалів може бути природною, тобто властивою цьому матеріалу при його утворенні, а може бути одержана спеціальною обробкою. Так, інструментальні сталі поставляються із заводів у відпаленому стані, і в цьому стані вони порівняно легко піддаються обробці різанням. Після виготовлення інструменти піддаються термічній обробці, шліфуванню і заточуванню. Унаслідок термообробки значно підвищуються твердість і міцність інструментальних сталей. При твердості термооброблених інструментів, виготовлених із інструментальних сталей в межах HRC 63…64, досягається найбільш стійка їхня робота і найменша їхня спрацьовуваність. При меншій твердості зростає спрацьовуваність лез інструментів.

Однак не для всіх інструментів і умов обробки доцільно вибирати інструментальний матеріал з найбільшою твердістю, оскільки з її підвищенням збільшується крихкість і схильність до утворення тріщин при паянні і заточуванні, погіршується здатність шліфуватися. У зв'язку з цим при виборі інструментального матеріалу потрібно враховувати не тільки твердість, але і інші його властивості.

Тверді сплави, мінералокераміка і синтетичні інструментальні матеріали, що використовують для виготовлення ріжучих частин інструментів, мають високу природну твердість, яка значно переважає твердість термооброблених інструментальних сталей.

Конструкційні метали і сплави, що мають твердість HRC 30…35, задовільно обробляються інструментами, виготовленими із інструментальних сталей, термооброблених до твердості HRC 63…64, тобто при співвідношенні їхньої твердості, рівної приблизно двом. Конструкційні метали і сплави оброблені до HRC 45…55, можуть бути оброблені твердими сплавами. Синтетичні інструментальні матеріали завдяки своїй твердості здатні обробляти загартовані сталі.

Міцність. У процесі різання на інструмент діють сили, що піддають його стискуванню, згинанню, скручуванню та іншим видам деформації. Під дією цих сил у матеріалі робочої частини виникають великі напруження. Щоб ці напруження не призвели до руйнування робочої частини, інструментальні матеріали повинні бути достатньо міцними. Поняття міцності має двояке значення: міцність різальних елементів, що перебувають у зоні різання і піддаються впливу стружки, що сходить, та тепловій дії, а також міцність не ріжучих елементів інструмента. У першому випадку міцність характеризує такі ріжучі властивості інструмента, як опір крихкому і пластичному руйнуванню різальної частини; у другому – жорсткість, вібростійкість і надійність інструмента в цілому.

З усіх інструментальних матеріалів найкраще поєднання характеристик міцності мають інструментальні сталі. Відношення між їхніми границями міцності на згин і розтяг рівне 1,3…1,6, а відношення між границями міцності на стискування і розтягування – 1,6…2,0. Завдяки цьому робоча частина інструментів, виготовлених із інструментальних сталей, успішно витримує складний характер навантаження і може працювати на стискання, кручення, згинання і розтягування.

Далі в порядку спадання характеристик міцності розміщуються: тверді сплави, мінералокераміка, синтетичні інструментальні матеріали й алмаз. Усі ці матеріали достатньо добре витримують навантаження. Однак їхнім істотним недоліком є низьке значення міцності на згин. Границя ж міцності на розтягування цих матеріалів настільки мала, що взагалі не дозволяє проводити обробку різанням. Якщо в процесі роботи в них виникають розтягуючі напруження. При використанні цієї групи матеріалів потрібно за рахунок відповідної геометрії робочої частини добиватися щоб у процесі різання в них виникали тільки стискувальні напруження.

Теплостійкість. Механічні властивості інструментального матеріалу змінюються під дією температури різання. У процесі різання леза різальних інструментів нагріваються, причому найбільша температура досягається на контактних поверхнях лез. Нагрівання до температури нижче деякого його критичного значення, різного для різних інструментальних матеріалів, не впливає на їхній структурний стан, а отже, і на твердість, і на міцність. Після нагрівання до цієї температури і охолодження інструментальні матеріали не змінюють своїх властивостей. Зі збільшенням температури вище критичного значення в інструментальних матеріалах відбуваються структурні зміни, у результаті чого твердість і міцність матеріалу зменшуються і досягають таких значень, коли інструмент швидко починає зношуватися і втрачає свої різальні властивості. Температура, до якої інструментальний матеріал зберігає свою різальну здатність, називається теплостійкістю. У раніше розроблених стандартах на інструментальні і швидкорізальні сталі застосовувався термін «червоностійкість», що ідентичний з терміном «теплостійкість».

В основі терміну «червоностійкість» лежить фізична властивість металів у нагрітому до 600 ⁰С стані випромінювати темно-червоний колір. За своєю суттю термін «червоностійкість» характеризує здатність сталі зберігати при нагріванні високі твердість, міцність та зносостійкість, набуті під час термообробки.

Ураховуючи, що температура різального леза значною мірою залежить від швидкості різання (підвищується зі збільшенням останньої), матеріали, що мають більшу теплостійкість, навіть при різній твердості можуть працювати з більш високими швидкостями різання й обробляти більш тверді матеріали.

Теплопровідність. Збільшити працездатність різального інструмента можна не тільки за рахунок підвищення теплостійкості інструментального матеріалу, але і завдяки покращенню умов відведення тепла, що виділяється в процесі різання на лезі інструмента і викликає його нагрівання до високих температур. Чим більша кількість теплоти відводиться від леза в глибину маси інструмента, тим нижча температура на його контактних поверхнях. Крім того, матеріали з більшою теплопровідністю менш схильні до утворення тріщин при заточуванні і паянні.

Теплопровідність інструментальних матеріалів залежить від їхнього хімічного складу і температури нагрівання. Наприклад, теплопровідність інструментальних швидкорізальних сталей підвищується зі збільшенням температури до 650…750С і зменшується при нагріванні вище цих температур. Присутність у сталі таких легувальних елементів, як вольфрам і ванадій, знижує теплопровідні властивості інструментальних сталей, а легованих титаном, молібденом і кобальтом навпаки, помітно підвищує. Це ж стосується і твердих сплавів, до складу яких уходить карбід титану. Вони більш теплопровідні, ніж тверді сплави, що містять тільки карбід вольфраму.

Адгезійна стійкість. Це стійкість проти налипання оброблюваного матеріалу на ріжучий край інструмента. Низька адгезійна стійкість інструментального матеріалу призводить до збільшення інтенсивності зношування інструмента, особливо при високих температурах і тисках у зоні різання.

Зносостійкість – це властивість інструментального матеріалу чинити опір механічному, тепловому і хімічному впливу оброблюваного матеріалу в процесі різання. Взаємодія інструмента з оброблюваним матеріалом відбувається в умовах рухомого контакту. При цьому обидва тіла, що утворюють пару, що треться, взаємно зношують одна одну. Матеріал кожного із взаємодіючих тіл має: а) властивість стирати матеріал, з яким він взаємодіє; б) зносостійкість, що виражає здатність матеріалу чинити опір стихаючій дії матеріалу контр тіла.

Практичний інтерес при вивченні процесів різання викликає зношування лез інструментів. Зношування лез інструментів відбувається протягом усього періоду їхнього рухомого контакту з оброблюваним матеріалом. У результаті цього процесу леза втрачають деяку частину своєї маси і на них чітко видно сліди зношування у вигляді форми робочих поверхонь.

Найважливішими факторами, що впливають на зносостійкість, є розглянуті вище властивості – твердість, теплостійкість, теплопровідність, адгезійна стійкість.

При виборі інструментального матеріалу потрібно прагнути до оптимального значення його зносостійкості з урахуванням хімічного складу і міцності оброблюваного матеріалу, характеру операції і конструкції інструмента, жорсткості обладнання, можливості змащувально-охолоджувальних рідин тощо.

Режим термічної обробки інструмента визначається його хімічним складом, а також залежить від розмірів і конфігурації. При виборі режиму термічної обробки інструментів користуються здебільшого загальними підходами. Але при цьому кожен конкретний інструмент має свої особливості, які потрібно враховувати. Так, наприклад, при термічній обробці досить часто доводиться гартувати слюсарні інструменти з самовідпусканням. При звичайному відпусканні, коли вся деталь нагрівається до однакової температури, вона, пройшовши гартування і відпускання при однакових умовах, має у всіх точках однакові твердість і в’язкість. Для ударного інструменту (зубила, керни, молотки тощо) такий розподіл твердості недоцільний. Інструмент буде мати високу стійкість до спрацювання тоді, коли твердість поступово і рівномірно знижується від робочої (різальної) частини до центра і до хвостової (кріпильної) частини інструмента. Такий розподіл твердості може бути досягнутий, якщо відпускати інструмент за кольорами мінливості, однак у цьому разідоводиться задовольнятися менш точним контролем температури відпускання.

Поява кольорів мінливості при відпусканні в інтервалі 200…300°С пояснюється тим, що при цих, температурах на чистій (полірованій, шліфованій) металевій поверхні появляються тонкі шари окислів. Колір шару окислу залежить від його товщини, уже за короткий час перебування сталі при 220°С вона покривається шаром товщиною 0,04 мкм. Цей шар надає поверхні сталі світло-жовтого кольору. Дані про зміну кольору поверхні залежно від товщини шару і температури подані в табл. 20.1.

В умовах навчальних майстерень гартування з самовідпусканням здійснюють так. В охолоджувальній рідині змочують (переміщуючи інструмент вверх вниз, щоб не утворилося чіткої межі між загартованою і незагартованою частинами, оскільки це може призвести до утворення тріщин) лише робочу частину інструменту (зубила, кернери, шабери тощо). Після того, як вона почорніє, інструмент виймають. Відпускання здійснюється за рахунок внутрішнього тепла, яке збереглося при неповному охолодженні виробу. Для контролю за температурою користуються кольорами мінливості. Для цього кінець робочої частини швидко зачищають напилком, шматком абразивного круга або шліфувальним папером і при потрібному кольорі мінливості (що свідчить про певну температуру) інструмент занурюють в охолоджувач до повного охолодження.

Таблиця 20.1

Колір мінливості	Температура, °С	Товщина шару, мкм
Солом’яно-жовтий	220-240	0,045
Оранжевий	240-260	0,050
Червоно-фіолетовий	260-280	0,065
Синій	280-300	0,070

Кольори мінливості чергуються від світло-жовтого до сірого. Практично кожен слюсарний інструмент гартується остаточно при таких кольорах мінливості:

Таблиця 20.2

Шабери	t = 220 °С	Світло-жовтий
Різці, свердла	t =240 °С	Солом’яно-жовтий
Плашки, калібри	t =255 °С	Коричнево-жовтий
Мітчики	t =265 °С	Червоно-коричневий
Ніжки циркуля	t =275 °С	Пурпурно-червоний
Зубила, бородки, кернери, викрутки	t =285 °С	Фіолетовий
Підтримки, натяжки, чеканки, гладилки	t =295 °С	Волошково-синій
Зубила по м’якій сталі	t =315 °С	Світло-синій
Пружини спіральні і плоскі	t =330 °С	Сірий

Термообробка зубила. Слюсарне зубило призначене для рубання металу, тобто належить до інструментів ударної дії. Воно працює в умовах ударних навантажень, а тому повинно мати достатньо високу в’язкість і, крім того, високу твердість і міцність. Для виготовлення зубил використовують вуглецеву інструментальну сталь марки У7А. Ця сталь може забезпечити вказані вище властивості і є порівняно дешевим матеріалом.

Оскільки мета термічної обробки зубила – одержати високу твердість і достатньо високу в’язкість, тому потрібно проводити зміцнюючу термообробку, тобто гартування з наступним відпусканням. Для гартування робочу частину зубила (лезо) на довжині 15…30 мм нагрівають в печі або соляній ванні до 760…780?С, при чому стежать за тим, щоб не було різкого переходу між розжареною і темною частинами зубила, оскільки інакше можуть виникнути тріщини. Після потрібної витримки нагрітий кінець зубила опускають вертикально у воду на 15…20 мм та переміщують вверх і вниз, щоб не утворилося різкої межі між загартованими і незагартованими частинами. Коли нагріта частина зубила потемніє, його виймають і спостерігають за зміною кольору (за кольором можна приблизно визначити температуру загартованої частини зубила).

Для відпускання виріб другий раз не нагрівають, а використовують тепло, що віддається незагартованим кінцем зубила. Відпускання проводиться при температурі 200…250°C до появи світло-солом’яного кольору. Після появи на кінці зубила потрібного кольору його остаточно охолоджують у воді. Якщо зубило призначене для рубання кольорових металів, його відпускають до синього кольору. Твердість леза зубила повинна бути HRC 53…56. Щоб головка зубила не розбивалась від ударів, її твердість повинна бути HRC 32…40. Гартування головки проводять так само, як і леза, але відпускання застосовують середнє при 400…450°C до появи сірого кольору.

Термообробка молотка. Молоток виготовляють із сталі У7. Перед гартуванням його нагрівають до температури 760…780°C. Після закінчення нагрівання молоток занурюють вузьким кінцем у воду і витримують в ній до припинення кипіння. Потім у воду опускають бойок. Коли вода перестає кипіти, тоді весь молоток до повного охолодження опускається у воду. Відпускання не проводять.

Результати гартування перевіряють спрощеним методом. Для цього ударяють молотком три рази по незагартованій сталі У10. При цьому на робочих частинах молотка не повинно бути заглибин, тріщин. Якість гартування перевіряють також за твердістю  твердість обох кінців молотка на довжині не менше 15 мм повинна бути HRC 49-56.

Термообробка викрутки. Викрутку виготовляють із сталі У7, У8, 50, 60. Для гартування робочу частину на довжині 10…20 мм нагрівають до температури 780…800°C і потім вертикально занурюють у воду на 5…6 мм. Відпускання проводять при температурі 300…400°C до появи фіолетового кольору. Твердість леза викрутки HRC 46…52.

Термообробка покрівельних ножиців. Ножиці виготовляють із сталі У8. Їхня термічна обробка складається із гартування і відпускання. Для гартування ножиці нагрівають до температури 780…800°C, потім їх занурюють вертикально у воду, швидко виймають і переносять у муфельну піч або масляну ванну для відпускання. Температура відпускання 220°C (світло-жовтий колір). Остаточно ножиці після відпускання краще охолоджувати в маслі. Гартування і відпускання обох половинок ножиців виконують одночасно, щоб отримати однакову твердість.

Термообробка гайкового ключа. Гайкові ключі виготовляють із сталі 40, 50. Губки нагрівають для гартування до температури 850…900°C, а потім охолоджують у воді. Відпускання проводять середнє при температурі 450°C до появи синього кольору. Твердість губок HRC 40…45.