КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ РЕМОНТНО-МЕХАНИЧЕСКИХ
РАБОТАХ
§ 1. МЕТАЛЛЫ
Черные металлы
Чугун. Сплавы железа, содержащие более 2% углерода (исключение
составляют некоторые специальные чугуны), называются чугунами. Они
делятся па серый, модифицированный серый, белый, ковкий,
антифрикционный, высокопрочный.
Серый чугун (ГОСТ 1412—79) наиболее распространен в машиностроении,
легко обрабатывается, опиливается, режется и обдирается, сравнительно
хрупок. Плохо переносит ударные нагрузки, не куется и не штампуется.
Сварка и пайка затруднительны. Термическая обработка применяется в
отдельных случаях. Закалка и отпуск повышают износоустойчивость серого
чугуна и улучшают его механические свойства. Отжиг после отливки снимает
внутренние напряжения, снижает склонность к образованию трещин, улучшает
обрабатываемость.
Основные марки и условия применения серого чугуна приведены в табл. Х.1.
Модифицированный серый чугун представляет собой малоуглеродистый и
низкокремнистый чугун с давкой 0,2—0,5 % ферросилиция. Этот чугун
обладает высокой износоустойчивостью и применяется для изготовления
деталей, работающих в тяжелых условиях на износ. Из него изготовляют
шестерни, звездочки, храповики, втулки и др. Для отличия
модифицированного чугуна от обычного серого в марке серого чугуна
добавляется буква М (например, МСЧ 18-36).
Белый чугун не обрабатывается резанием, он имеет большую твердость и
применяется в основном для получения ковкого чугуна путем отжига в
специальных печах. Из белого чугуна отливают валки, щеки для дробилок.
Высокопрочный чугун ВЧ (ГОСТ 7293—79) получается непосредственно в
отливке путем модифицирования серого чугуна специальными добавками или
отжигом отбеленного или белого чугуна. Из высокопрочного чугуна
изготовляют коленчатые валы, шатуны, поршни, шестерни и другие детали
машин. Первые две цифры в марке указывают предел прочности на разрыв
(кгс/мм2), а последние — удлинение (%).
Ковкий чугун КЧ (ГОСТ 1215—79) отличается меньшей
хрупкостью, обладает большими вязкостью и прочностью, хорошо
обрабатывается резанием, легко сваривается, лучше выдерживает ударные
нагрузки.
Основные марки ковкого чугуна и его применение приведены в табл. Х.2.
Антифрикционный чугун (ГОСТ 1585—79) отличается от чугуна других марок
хорошим сопротивлением износу и низким коэффициентом трения. Он
применяется для изготовления подшипников скольжения взамен бронзы. Марки
этого чугуна: АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2.
Антифрикционные чугуны марок АСЧ-3, АЧВ-2, АЧК-2 предназначены для
работы с сырым валом, остальные — с валом, термически обработанным.
Механические свойства серого, высокопрочного и ковкого чугунов приведены
в табл. Х.З.
Стали. Сплавы железа, содержание до 2%
углерода, называют сталями. Сталь обладает высокой механической
прочностью, пластичностью и твердостью, хорошо куется, штампуется, легко
обрабатывается всеми видами резания. Закалка стали повышает ее
прочность, твердость и износоустойчивость, но увеличивает хрупкость и
затрудняет или делает невозможной механическую обработку.
Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются.
Стали классифицируются по следующим признакам: способу получения,
химическому составу, структуре, качеству, условиям раскисления, способу
придания формы и размеров.
По способу получения различают стали: в жидком состоянии — мартеновскую
кислую и основную, бессемеровскую, электросталь— кислую и основную,
тигельную; в твердом состоянии— электролитическое железо.
По химическому составу стали бывают: углеродистые (низкоуглеродистые,
среднеуглеродистые, высокоуглеродистые); легированные (низколегированные
— легирующих элементов до 2,5%, среднелегированные — 2,5—10%,
высоколегированные — свыше 10%).
По качеству выпускаются стали: обыкновенного качества и качественные
(ГОСТ 4543—71).
По условиям раскисления стали делятся на:
спокойные—полностью раскисленные, содержащие минимальное количество
закиси железа; не склонны к старению, имеют концентрированную усадочную
раковину и хорошо свариваются;
кипящие—неполностью раскисленные, имеют пониженное содержание кремния и
повышенное количество закиси железа; хуже свариваются, имеют склонность
к старению и становятся хрупкими при более высокой температуре, чем
спокойные стали; преимущества кипящих сталей — малая стоимость и большая
пластичность; при маркировке обозначаются буквами кп;
полуспокойные—по свойствам занимают промежуточное положение между
спокойными н кипящими; при маркировке обозначаются буквами пс.
По способу придания формы и размеров различают сталь: литую (стальное
фасонное литье), кованую (поковки свободной ковки и штамповки), катаную
(прокат различного профиля: пруток, лента, лист, проволока и др.).
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) выплавляются в конверторных и
мартеновских печах. Эти стали хорошо обрабатываются резанием, рубятся,
опиливаются, куются, штампуются и являются наиболее дешевыми. Они
применяются, как правило, без термической обработки и используются в
качестве строительных материалов для конструкций, работающих при
невысоких напряжениях.
Стали обыкновенного качества делятся на три группы:
группа А— сталь, поставляемая но механическим
свойствам;
группа Б — сталь, поставляемая с гарантированным химическим составом;
группа В — сталь повышенного качества, поставляемая одновременно с
гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
В табл. Х.4 приведены наиболее распространенные марки стали группы А и
области ее применения. Эти стали могут быть кипящими (кп),
полуспокойными (пс) и спокойными (сп).
Сталь группы А изготовляется следующих марок: Ст О, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст
4, Ст 5, Ст 6. Буква А для этой группы не ставится. Для обозначения
полуспокойной стали с повышен-
ным содержанием марганца к обозначению марки стали
после номера ставят букву Г.
Стали группы Б могут подвергаться термической обработке. Они выпускаются
следующих марок: БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6.
Стали группы В — повышенного качества. Они применяются для ответственных
строительных конструкций и изделий в машиностроении, судостроении и др.
В их обозначении первой ставится буква В. Стали группы В поставляются
следующих марок: ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.
Качественные стали выплавляются в основном в мартеновских печах. К ним
предъявляются повышенные требования в отношении химического состава,
количества неметаллических включений и вредных примесей.
Качественные стали по применению делятся на три группы.
I. Конструкционные: работающие в обычных условиях, работающие в условиях
повышенных температур.
II. Инструментальные.
III. Стали для особого назначения (например, быстрорежущие).
Конструкционные и инструментальные стали бывают углеродистыми и
легированными.
Углеродистые конструкционные стали хорошо обрабатываются режущим
инструментом всех видов, куются и штампуются. Они применяются
преимущественно в термообработанном виде. Сталь с повышенным содержанием
марганца (с буквой Г) обладает более высокой прочностью (на 10—15 %) и
пониженным относительным удлинением (на 15—20 %) по сравнению со сталью
обычного состава.
В табл. Х.5 приведены основные марки углеродистой конструкционной стали
и области ее применения.
Углеродистые конструкционные стали маркируются двумя цифрами, которые
обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. В
обозначении углеродистых сталей, предназначенных для отливок, после
цифр, соответствующих содержанию углерода, ставится буква J1 — литейная,
например 25JI.
Применяются следующие марки углеродистых конструкционных сталей: 08, 10,
20, 25, 30, 40, 45, 50.
Для обозначения автоматных сталей (ГОСТ 1414—75) перед цифрами ставится
буква А, например А20. Автоматная сталь используется главным образом для
изготовления крепежных изделий на станках-автоматах.
Легированные конструкционные стали обрабатываются режущим инструментом
всех видов. Свариваемость сталей низкая. Они применяются преимущественно
в термообработанном виде. Термическая обработка их определяется
содержанием в них углерода.
В табл. Х.6 приведены наиболее употребляемые
легированные стали, их термообработка и применение.
Маркируются легированные стали следующим образом: первые две цифры
обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы,
расположенные справа, показывают наличие легирующего элемента в стали:
процентное содержание легирующего элемента обозначается цифрой, стоящей
за буквой (когда легирующего элемента меньше 1,5%, цифры не ставятся).
Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: С — кремний, X —
хром, Т — титан, Ф — ванадий, Б — ниобий, В —вольфрам, Г — марганец, Д —
медь, К—кобальт, М — молибден, Н — никель, Р — бор, Ц—цирконий, Ю —
алюминий,
К инструментальным сталям относятся углеродистые и легированные стали,
предназначенные для изготовления режущего, измерительного и штампового
инструмента. Эти стали имеют повышенное содержание углерода, что придает
им прочность и твердость.
Инструментальная углеродистая сталь применяется для изготовления
слесарного инструмента: зубил, бородков, обжимок, кернеров, шаберов,
отверток, а также сверл, разверток, метчиков и другого режущего
инструмента. Марки инструментальной углеродистой стали и область их
применения приведены в табл. Х.7.
Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, после которой
следует цифра, обозначающая содержание углерода в десятых долях
процента. Например, У12 — углеродистая инструментальная сталь,
содержащая 1,2% углерода. Инструментальная углеродистая сталь
поставляется в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного
сечений с размерами: диаметр или сторона квадрата от 5 до 180 мм,
расстояние между гранями шестигранника от 3 до 100 мм.
К инструментальным легированным сталям относится большая группа сталей,
содержащих хром и другие элементы. Эти стали используются для
изготовления режущего и измерительного инструмента, пробойников,
пуансонов, матриц и других деталей штампов. Для режущего и
измерительного инструментов применяют следующие легированные
инструментальные стали.
С неглубокой прокаливаемостыо:
7ХФ — пилы, зубила, пуансоны, изделия толщиной до 10 мм;
8ХФ — обрезные матрицы, пуансоны, керны;
11ХВ — метчики, режущий инструмент;
13Х — шаберы и лезвия;
ХВ4 — фрезы и резцы при небольшой скорости резания;
4ХВ2С, 6ХВ2С и 6ХВГ — резьбонакатные плашки, пуансоны, обжимные матрицы.
Быстрорежущая сталь используется для изготовления сложного режущего
инструмента: сверл, разверток, фрез, метчиков, а также резцов. ГОСТ
19265—73 предусматривает следующие марки стали: Р18, Р12, Р9, Р6М5,
Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9К10, Р9М4К8, Р10К5Ф5. Режущие
свойства сталей сохраняются при нагревании во время работы до 600 700
°С.
Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, а цифры, следующие за буквой,
соответствуют среднему содержанию вольфрама (%).
Эти стали поставляются в виде прутков круглого и квадратного сечений
диаметром или стороной квадрата от 8 до 100 мм; в виде полос размером от
3x20 до 25x80 мм; в виде прутков круглого сечения с повышенной отделкой
поверхности и точностью размеров (серебрянка) диаметром от 2 до 25 мм; в
виде пластинок различной формы и размеров для напайки на головку резца
(ГОСТ 2379—77).
В табл. Х.8 показано примерное назначение
быстрорежущих сталей.
Сортамент сталей. В табл. Х.9—Х.15 приведены размеры наиболее
употребительных профилей стального проката, а в табл. Х.16 —
механические свойства стальных бесшовных труб.
Проволока горячекатаная (катанка) по ГОСТ 14085—79 выпускается следующих
диаметров (в мм): 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 8; 9. Она изготовляется из сталей
марок Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, БСт 0, БСт 3.
Марка стали указывается в документе (сертификате), присланном с
металлом, кроме того, она обозначается клеймом на торце металла или на
привязанном к металлу ярлыке.
Условное обозначение марки стали часто наносят
несмываемой краской (табл. Х.17).
Определение марок сталей. Марку стали, не имеющей маркировки и
документов, определяют лабораторным способом. Точно определить марку
стали можно химическим путем, спектральным и металлографическим
анализами в лабораториях, которые имеются на машиностроительных заводах
и металлобазах. Для их выполнения требуется специальное оборудование. В
ремонтных мастерских широко распространен метод определения марки стали
по искре. Каждой марке (или их группе) соответствуют определенные цвет и
форма искр. Определение проводится на заточном станке или шлифовальном
круге (диаметр круга 300—350 мм, ширина 40—60 мм, зернистость 36 или 46,
частота вращения 2000 об/мин).
Желательно иметь набор эталонов (образцов) сталей
всех марок, применяемых в мастерской. Размеры эталона: диаметр 10—20 мм,
длина 150—200 мм. Перед определением марки стали по искре необходимо с
прутков, поковок или отливок снять окалину, так как она дает
неправильные результаты. Определение марки стали таким образом требует
большого опыта, и работа должна выполняться квалифицированными рабочими
или мастерами.
Определение марки стали по закаливаемости. Стали с низким содержанием
углерода (Ст 0, Ст 2, Ст 1, Ст 3, стали 10, 15, 20 и 25) не поддаются
закалке. Пробой на закалку можно грубо определить марку углеродистой
стали.
Определение марки стали по свариваемости кузнечным способом. Хорошо
сваривается мягкая сталь (10, 15, 20, 25, 30) и несколько хуже сталь
средней твердости (35, 40, 45), с трудом сваривается твердая сталь (50,
60), совсем не поддаются сварке высокоуглеродистая и некоторые
легированные и быстрорежущие стали.
Замена марок конструкционной стали. При отсутствии в мастерской стали
нужной марки ее заменяют сталью другой марки, близкой по механическим и
другим свойствам. При замене рекомендуется пользоваться табл. Х.18 и
Х.19, а также следует учитывать условия эксплуатации детали,
термообработку и др.
Термическая обработка. На практике применяются следующие виды
термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
При ото/сиге сталь нагревается до 760—900 °С в зависимости от марки,
затем выдерживается при этой температуре и медленно охлаждается в
большинстве случаев вместе с печью. Отжигом понижают твердость и
повышают пластичность и вязкость металла. Существует несколько
разновидностей отжига: полный отжиг, неполный, изотермический и др.
Нормализация заключается в нагреве изделия,
выдержке и и охлаждении на спокойном воздухе. При этом повышается
прочность и пластичность стали по сравнению с отожженной, а также
устраняются напряжения, возникающие при различных видах обработки,
сварке и литье.
При закалке сталь нагревается до определенной температуры, выдерживается
и быстро охлаждается в воде, масле или соляных ваннах. Закалка
применяется в случаях, когда требуются высокие твердость и прочность.
Чем больше углерода содержится в стали, тем она лучше закаливается, при
этом пластичность металла снижается. Нелегированные стали с содержанием
углерода меньше 0,25 % практически не закаливаются.
При необходимости получения высокой твердости поверхностного слоя с
сохранением вязкой сердцевины применяется поверхностная закалка. В этом
случае нагревается до закалочной температуры только поверхностный слой
детали, а затем сталь быстро охлаждается. Поверхность деталей при этом
нагревается токами высокой частоты или ацетиленово-кислородным пламенем.
Отпуском называется нагрев закаленной стали до температуры не выше 700
°С. Различают низкий, средний и высокий отпуски. При низком отпуске
деталь нагревается до 100— 250 °С, что дает уменьшение напряжения после
закалки без снижения твердости. Низкий отпуск применяется главным
образом для режущего и измерительного инструмента, а также после
поверхностной закалки, цементации и цианирования деталей.
Средний отпуск применяют при термообработке пружин и рессор, так как он
способствует повышению предела упругости. Сталь нагревается до 350—500
°С. Ударная вязкость после среднего отпуска невысокая, поэтому применять
его для деталей, работающих на удар, нельзя.
Высокий отпуск достигается при нагреве до 500—650 °С. Он применяется для
повышения вязкости стали. Прочность и
твердость деталей при этом снижаются, но остаются
более высокими, чем после отжига. Закалка стали с последующим высоким
отпуском называется улучшением.
В табл. Х.20 приведены цвета стали, по которым можно примерно определить
ее температуру.
Химико-термическая обработка деталей. Для получения на поверхности
деталей свойств, отличающихся от свойств сердцевины, применяют
химико-термическую обработку деталей. Наиболее распространены следующие
виды химикотермической обработки: цементация, азотирование и
цианирование.
Цементация заключается в насыщении поверхностного слоя детали углеродом
для повышения его прочности и твердости при сохранении вязкой сердцевины
детали. Цементации подвергают низкозернистые стали с содержанием
углерода 0,1—
0,3 %. Цементация может осуществляться с применением порошков
(карбюризаторов), а также в газовой или жидкой средах.
При порошковой цементации деталь помещают в ящик и засыпают
карбюризатором. Ящик обмазывают глиной и нагревают в печи до 920—960 °С.
Под влиянием высокой температуры порошок разлагается, и поверхностный
слой металла насыщается углеродом на глубину 0,8—1,5 мм (и более) в
зависимости от времени выдержки и температуры. Продолжительность
цементации составляет 8—15 ч.
При газовой цементации деталь нагревается в среде
газов, содержащих углерод. По сравнению с твердой цементацией газовая
происходит быстрее и при этом улучшается регулирование самого процесса.
Цементация в жидких средах производится сравнительно редко. После
цементации детали подвергают закалке и низкому отпуску.
Азотирование состоит в насыщении поверхностного слоя деталей азотом,
придающим твердость наружной поверхности. Этому виду обработки в
основном подвергаются детали из легированных сталей. Азотированный слой
обладает высокой износоустойчивостью и хорошо сопротивляется коррозии.
Детали азотируются в среде аммиака при температуре 500—600 °С. Глубина
слоя обычно достигает нескольких десятых долей миллиметра. Перед
азотированием проводится термическая обработка деталей заключающаяся в
улучшении или нормализации.
При цианировании происходит одновременное насыщение поверхности изделия
углеродом и азотом. Цианирование может проводиться в жидкой, газовой и
твердой средах. Этому виду обработки подвергаются детали, изготовленные
в основном из низко- и среднеуглеродистых сталей. Цианирование в жидкой
среде производится в расплавленных солях, содержащих циан, а газовое
цианирование осуществляется в газовой смеси, состоящей из цементующего
газа с добавлением 20— 30% аммиака. Газовое цианирование — более
производительное, чем газовая цементация.
В зависимости от температуры процесса различают среднетемпературное
цианирование (750—860 °С), при котором глубина слоя достигает 0,4 мм, и
высокотемпературное (900— 960 °С). После цианирования детали
подвергаются закалке с последующим низким отпуском.
Методы испытания металлов
Для определения механических свойств металлов их подвергают статическим,
динамическим и повторно-переменным нагрузкам. К статическим испытаниям
относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и др.
Наиболее распространено испытание на растяжение, при котором специальные
образцы растягиваются до разрушения. По диаграмме растяжения
определяются предел текучести, предел прочности при растяжении или
временное сопротивление разрыву, относительные, удлинение и сужение.
Пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором металл
деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки Рт.
Условным пределом текучести ат (в МПа) называется напряжение, при
котором после снятия нагрузки остается удлинение 0,2 %
Пределом прочности (МПа) при растяжении или
временным сопротивлением разрыву называется отношение наибольшей
нагрузки, предшествующей разрушению образца, к исходной площади F0 его
поперечного сечения
Относительное удлинение б — приращение длины образца, отнесенное к его
первоначальной длине.
Относительным сужением tp называется отношение уменьшения площади
поперечного сечения в месте разрыва к первоначальной площади сечения
образца
Испытание на твердость. Измерение твердости — быстрое и простое
испытание, позволяющее без разрушения детали судить о свойствах
испытываемого материала. Существуют три основных способа определения
твердости: по Бри-неллю, Роквеллу и Виккерсу.
Твердость по Бринеллю определяют на специальном приборе путем
вдавливания под определенной нагрузкой стального шарика в испытываемый
материал. По диаметру отпечатка из таблицы находят число твердости.
Число твердости по Бринеллю обозначают буквами НВ. При измерении
твердости необходимо, чтобы проверяемая поверхность была чистой и
плоской, толщина образца была больше глубины отпечатка не менее чем в 10
раз и центр отпечатка находился от края детали не менее, чем на два
диаметра.
В зависимости от материала диаметры отпечатка изменяются от 2,5 до 10
мм. Между диаметром шарика и прокладываемой нагрузкой для стали и чугуна
существует следующее соотношение:
Твердость по Роквеллу определяют путем вдавливания
стального шарика диаметром 1,587 мм с нагрузкой 1000 Н (шкала В) или
алмазного конуса с углом при вершине 120° с нагрузкой 1500 Н (шкала С)
или 600 Н (шкала А) в испытываемый материал. Испытание шариком
применяется для незакаленных сталей, чугунов и цветных металлов, а
твердые и закаленные металлы испытывают алмазным конусом. Числа
твердости по Роквеллу обозначаются по шкале В—HR В, по шкале С—IIRC и по
шкале А—HRA.
Твердость по Виккерсу HV измеряется путем вдавливания в образец
правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136°.
По Виккерсу испытывают материалы высокой твердости и тонкие твердые слои
(цементирование, азотирование и др.).
Сравнительная таблица чисел твердости приведена в табл. Х.21.
Динамические и повторно-переменные испытания. Динамические испытания
проводят при ударной нагрузке. Наиболее широко применяется испытание на
ударную вязкость, которое проводится на маятниковом копре.
Величина ударной вязкости представляет собой отношение работы А (Дж),
затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения образца
(в Дж/см2)
Испытания при повторно-неременных нагрузках проводят для определения
предела выносливости материалов. Детали, работающие при знакопеременных
нагрузках (валы, шатуны, пружины и др.), разрушаются при напряжениях,
значительно меньших, чем детали, работающие при нагрузках, направленных
в одну сторону. Это явление называется усталостью металлов, а
способность сопротивляться усталостному разрушению — выносливостью. При
усталостном разрушении излом имеет характерный вид, состоящий из двух
зон: гладкой (зона усталости) и кристаллической (зона остаточного
излома).
Сопротивление усталостности характеризуется пределом выносливости, т. е.
наибольшим напряжением, при котором образец выдерживает без разрушения
заданное число циклов (изменений нагрузки). Предел выносливости
определяется на образцах, подвергающихся знакопеременному нагружению до
разрушения.