Стали с повышенной обрабатываемостью резанием

Обработка резанием – основной способ изготовления боль­шинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость оценива­ется несколькими показателями, главный из которых – интен­сивность изнашивания режущего инструмента. К дополнительным показателям относят чистоту поверхности резания, форму струж­ки и легкость ее отвода.

Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического состава. Допу­стимая скорость резания снижается с увеличением твёрдости и прочности стали. Затруднительна обработка и слишком пластич­ных сталей вследствие образования сплошной, трудно ломающей­ся стружки; при этом на режущей кромке инструмента из-за на­липания металла возникает нарост, в результате чего поверхность получается шероховатой, с задирами.

Особенно плохой обрабатываемостью отличаются аустенитные стали, которые кроме высокой пластичности и вязкости имеют пониженную теплопроводность. Выделяющаяся при их обработке теплота концентрируется в зоне резания, снижая стойкость инст­румента.

Повышения обрабатываемости резанием достигают техноло­гическими и металлургическими приемами. К технологическим относят термическую обработку и наклёп. Заготовки среднеуглеродистых сталей подвергают нормализации, так как она форми­рует наиболее благоприятную с точки зрения обрабатываемос­ти структуру, состоящую из феррита и пластинчатого перлита. Обрабатываемость низкоуглеродистых сталей повышают холод­ной пластической деформацией, которая, снижая пластичность сталей, способствует получению сыпучей, легко отделяющейся стружки.

Более эффективны металлургические приемы, предусматрива­ющие введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметаллических вклю­чений; свинца, создающего собственные включения; фосфора, изменяющего свойства металлической основы. Легко обрабатывае­мые стали с такими легирующими добавками получили название автоматных.

Автоматные стали (ГОСТ 1414–75) применяют для обработ­ки на станках-автоматах и для горячей обработки давлением с дальнейшей обработкой резанием. Автоматные стали классифи­цируют по химическому составу, видам обработки, назначению и состоянию материала.

По химическому составу стали подразделяют на шесть групп: углеродистые сернистые (А11, А12, А20, А30, А35, А40Г), угле­родистые со свинцом (АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2), сернисто-селенистые (А35Е, А45Е), сернисто-селенистые с хромом (А40ХЕ), легированные свинецсодержащие (АС12ХМ, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ), кальцийсодержащие (АЦ20–АЦ60, АЦ35Х–АЦ45Х, АЦ35Г–АЦ45Г, АЦ35Г2–АЦ45Г2, АЦ30ХМ, АЦ12ХН3, АЦ20ХН3).

По видам обработки сталь делят на горячекатаную, калибро­ванную, круглую со специальной отделкой поверхности – сереб­рянку.

В зависимости от назначения горячекатаную сталь подразделя­ют на следующие подгруппы: для горячей обработки давлением; для механической обработки резанием; для холодного волочения.

По состоянию материала различают стали без термической обработки, термически обработанные (Т), нагартованные (Н) – калиброванные в серебрянку.

Применение автоматных сталей позволяет в 1,5–2 раза сни­зить расход инструмента или на 22¸30 % сократить машинное время обработки, уменьшив износ инструмента на 30¸35 %.

Из автоматных сталей изготавливают метизы, в автомобиле­строении – вилки включения сцепления, цепи, шестерни при­вода масляного насоса, валики редуктора привода спидометра, оси дроссельной заслонки, штуцера главного цилиндра тормоза (стали А11, А12, А20), рычаги переключения передач (АС12ХН), оси сателлитов дифференциала, ступицы (АС14ХГН), червяки ру­левого управления (АС30ХМ, АСЦ30ХМ) и т.д.

Конструкционные стали функционального назначения

Высокопрочные стали

Высокой конструктивной прочности изделий достигают толь­ко тогда, когда материал изделия имеет не только большую проч­ность, но и обладает высоким сопротивлением хрупкому разру­шению, т.е. имеет достаточно высокую вязкость разрушения К_1с.

К высокопрочным сталям относятся стали, у которых σ_в ≥ 1800 МПа и
σ_0,2 ≥1400 МПа при значении К_1с не менее 60 МПа • м¹/². Стали с σ_0,2 > 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными. Высо­копрочные стали используют в космической и авиационной тех­нике, а также в ряде отраслей приборостроения. Из них изготав­ливают ответственные детали, высокопрочные крепежные изде­лия, высокопрочную проволоку, тросы.

По способу упрочнения высокопрочные стали подразделяют на мартенситные низкоотпущенные (30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА, 35ХГСА, 35Х2АФ), дисперсионно-твердеющие (40Х5М2СФ, 40Х5ФСБ), мартенситно-стареющие, упрочняемые термомехани­ческой обработкой, со сверхмелким зерном, ПНП-стали (с плас­тичностью, наведенной превращением).

Стали со сверхмелким зерном (диаметр зерна 10 мкм и меньше) получают термоциклической обработкой или скоростной аустенитизацией. В этих сталях можно получать аномально высокие значе­ния относительного удлинения (явление сверхпластичности).

Высокопрочные ПНП-стали отличаются тем, что за счёт леги­рования их мартенситные точки опускаются ниже комнатной тем­пературы. Поэтому после закалки ПНП-стали имеют аустенитную структуру. В результате пластической деформации при 250¸550 °С с большими степенями обжатия (до 80 %) выделяются  дисперсные карбиды и мартенситная точка повышается выше комнатной температуры. После охлаждения сталь приобретает структуру метастабильного аустенита, который под нагруз­кой превращается в мартенсит, что приводит к повышению проч­ности и пластичности стали. К ПНП-сталям относят стали 30Х9Н9М4Г2С2, 25Н20М4, 25Н20М4Г2С2. В таких сталях получа­ют σ_0,2 до 2000 МПа при δ = 20¸25 %.

К мартенситно-стареющим сталям относят безуглеродистые (не более
0,03 % С) сплавы железа с никелем, дополнительно леги­рованные Со, Тi, Ве, Аl, W, Мо. Их подвергают термической обработке – закалке с 800¸850°С и старению при 480¸520 °С. Сталь Н18К9М5Т после термической обработки имеет:
σ_в = 1900¸2100 МПа, σ_0,2 = 1800¸2000 МПа, δ = 8¸12 %, ψ = 40¸60 %,
КСU = 40¸60 Дж/см², твёрдость 52¸53 HRС. Эта сталь имеет высокий предел упругости, её можно применять для изготовления пружин. Применяют также и менее легированные стали: Н12К8М43Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ. Мартенситно-стареющие стали с 10¸12 % Сг обладают хорошей коррозионной стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления высокопрочного медицинского инструмента.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали при­меняют для изготовления жестких (силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используются в авто- и тракторостроении, железнодо­рожном транспорте, станкостроении, находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы назы­вают пружинными сталями общего назначения.

Для обеспечения работоспособности силовых упругих элемен­тов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим тре­бованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием уг­лерода (0,5¸0,7 %), которые подвергают закалке и отпуску при температуре 420¸520 °С. Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел уп­ругости. Он заметно повышается при отпуске, когда образуется структура троостита отпуска. В этой структуре феррит из-за силь­ного фазового наклёпа имеет высокую плотность малоподвиж­ных дислокаций, блокированных дисперсными карбидными ча­стицами. Отпуск на троостит обеспечивает также повышение пластичности и вязкости (особенно в сталях, не склонных к от­пускной хрупкости), что важно для увеличения предела вынос­ливости.

Хорошие результаты даёт изотермическая закалка на структуру нижнего бейнита, обеспечивающего высокие механические свой­ства при малой деформации изделий.

Небольшие пружины простой формы изготавливают из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для круп­ных пружин, требующих больших усилий при навивке, использу­ют сталь в отожжённом состоянии. Термической обработке под­вергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штам­повкой.

Сталь для рессор поставляют в виде полосы. Нарезанные из нее заготовки закаливают в специальных штампах, затем отпускают и собирают в виде пакета.

Углеродистые стали 65¸85 и стали с марганцем 60Г¸70Г (по ГОСТ 1050–88) имеют невысокую релаксационную стойкость, особенно при нагреве. Они непригодны для работы при темпера­туре выше 100 °С. Из-за низкой прокаливаемости они используются для изготовления пружин небольшого сечения.

Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959–79) относят к перлитному классу. Основными легирующими элемен­тами в них являются кремний (1¸3 %) и марганец (примерно 1 %), а в сталях более ответственного назначения – хром (при­мерно 1 %), ванадий (примерно 0,15 %) и никель
(до 1,7 %). Леги­рование другими элементами мало влияет на предел упругости. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемо­сти, релаксационной стойкости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для изготовления больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более дли­тельную и надежную работу.

Дешёвые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70С3А применяют для пружин и рессор толщиной до 18 мм. Эти стали стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглеро­живанию, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. Её преимущественно применяют для изготовления рессор толщи­ной до 14 мм.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнисты­ми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520 °С), обладают повышенной теплостой­костью и вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для изготовления рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300 °С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливают в сечениях соответ­ственно до 50 и 80 мм и применяют для изготовления крупных тяжело нагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Ме­ханические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколь­ко более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пре­делу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70С3А, 60С2ХА и 60С2Н2А: σ_в ≥ 1800 МПа; σ_0,2 ≥ 1600 МПа; δ ≥ 5 %; ψ ≥ 20 %. Предел упругости составляет σ _0,02 = 880¸1150 МПа, а твёр­дость 38¸48 НRС.

При такой прочности и твёрдости стали чув­ствительны к концентраторам напряжений, поэтому на предел выносливости большое влияние оказывает состояние поверхно­сти. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и т.д.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении – 300 МПа. Для умень­шения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному дробе­струйному  наклёпу,  после  чего  предел  выносливости  увеличива­ется  в 1,5…2 раза.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: