Химический состав твердых сплавов и их применение

Вид сплава	Состав, %	Применение
WC	TiC	Co
Вольфрамокобальтовые Вольфрамотитанокобальтовые	88…97   71…86	-   5…21	3…12   6…10	Обработка чугуна и цветных сплавов Обработка сталей

 

Согласно ГОСТу на твердые сплавы

1) для обдирочной обработки стали Г13 применяется твердый сплав марки T5K10 (85 % WC, 5% TiC, 10 % Со);

2) для чистовой обработки - T21K8 (71% WC, 21 % TiC, 8 % Со).

Способ изготовления токарных резцов с твердыми сплавами.

Для режущих инструментов твердые сплавы применяются в виде плас­тинок стандартных размеров, которые припаиваются к державке резца. Такой способ применяют по следующимпричинам:

1. Твердые сплавы отличаются значительной хрупкостью и плохо воспринимают ударные и изгибающие нагрузки. Поэтому изготовление резцов полностью из твердых сплавов нецелесообразно и державки для них следует делать из конструкционной стали марок 55или 60; реже при­меняется чугун, как материал, хорошо поглощающий вибрационные нагруз­ки без передачи их на пластину твердого сплава.

2. Резание выполняет только головка резца, она и должна обладать режущими свойствами. Поэтому изготовление всего резца из дорогостояще­го твердого сплава нецелесообразно.

Процесс пайки пластинок.

Порошок медиили тонкую медную фольгу укладывают между предварительно тщательно обработанным гнездом державки и пластинкой, посыпают флюсом (обезвоженной бурой).

Конец резца нагревают ТВЧ до температуры 1150...I200 °С до плавле­ния меди. Затем достают резец из печи и слегка прижимают пластинку к державке. Затем медленно охлаждают в песке или в нагретой печи.

Пластинка твердого сплава термической обработке не подвер­гается. Заточку резцов ведут на кругах из зеленого карборунда или анодно-механическим способом.

Задача 2

Вал, работающий в тяжелых динамических условиях, разрушился. Расчеты показали, что вал должен иметь s_в > 900 MIa, KCU > 0, 9 МДж/м², твердость поверхности HRC 60...64, твердость сердцевины HRC 35...40.

На заводе имеются стали: Ст.4, 45 и 20ХН3А.

Необходимо решить:

1. Какую из этих сталей следует применить для изготовления вала, чтобы обеспечить требуемые свойства?

2. Нужно ли применять термическую обработку и, если нужно, то указать режимы обработки, описать микроструктуру и привести механические свойства после окончательной термической обработки.

Решение:

 

1. Выписываем из соответствующих ГОСТов химический состав сталей (табл.13.2).

Таблица 13.2

Химический состав сталей

 

Марка стали	ГОСТ	Химический состав, %
C	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
Ст.4         20ХН3А	380-71   1050-74   4543-71	0, 18- 0, 27   0, 42- 0, 50   0, 17- 0, 25	0, 4-0, 7   0, 5-0, 8   0, 3-0, 6	0, 12- 0, 3   0, 17- 0, 37   0, 15- 0, 5	-     0, 3     0, 6- 0, 9	-     0, 3     2, 75- 3, 25	До 0, 055   До 0, 045   До 0, 030	До 0, 050   До 0, 040   До 0, 035

 

Таблица 13.3

Механические свойства сталей

 

Марка стали	Состояние поставки	Механические свойства	Рекомендуемая термическая обработка
sв, МПа	KCU, МДж/м2	HB, МПа
Ст.4         20ХН3А	Прокат отожженный Прокат отожженный То же	420-520   550-620   600-650	0, 5     0, 4     1, 1	1700-2170	Не подвергается     Нормализация или улучшение   Цементация + закалка + низкий отпуск

 

Из таблицы 13.3 видно, что все стали в состоянии поставки не отвечают поставленным требованиям задачи по пределу проч­ности и ударной вязкости.

Следовательно, необходимо рассмотреть для данных сталей возможность применения упрочняющей термической обработки.

2. Сравниваем механические свойства сталей и ответим на 1-й вопрос задачи (табл. 13.3).

Учитывая тяжелую работу вала в динамических условиях (знакопеременное нагружение), необходимо получить после терми­ческой обработки хорошее сочетание прочности, вязкости сердце­вины и износостойкости поверхности:

а) Ст.4, имея в своем составе мало углерода (С = 0, 18... 0, 27 %), после закалки будет иметь на поверхности твердость HRC 25;

б). Сталь 45 является качественной конструкционной углеродистой сталью, содержит 0, 42...0, 50 % С. Температура закалки 840...860 °С, охлаждающая среда - вода. Микроструктура после закалки: мартенсит с твердостью HRC 45-50. Низкий отпуск снижа­ет 1...2 единицы твердости, ударная вязкость 0, 2...0, 3 МДж/м². После высокого отпуска твердость HRC 28...32, ударная вязкость 0, 6…0, 7 МДж/м². Прокаливаемость этой стали 12...14мм;

в). Сталь 20ХНЗА легирована Cr и Ni - элементами, уве­личивающими прокаливаемость и ударную вязкость. При малом со­держании углерода после закалки с температуры 800...840 °С в масле и низкотемпературного отпуска HRC 35...40. Микрострук­тура отпущенный мартенсит, ударная вязкость KCU = 1, 0 МДж/м².

 

Вышеуказанной термической обработкой мы не получили твердости поверхности HRC 60...62. Для того чтобы повысить поверхностную твердость, вал после механической обработки необ­ходимо подвергнуть сталь цементации с целью увеличения содер­жания углерода в поверхностном слое.

Цементацию производят при температуре 920... 950 °С.

Для получения толщины цементованного слоя 0, 8...1, 0 мм выдержка при цементации составляет 8...10 часов.

После цементации необходимо провести терми­ческую обработку: закалку с температуры 820...840 °С в масле и низкий отпуск при 160...180 °С. В результате такой обработки: цементация + закалка + низкий отпуск мы получаем требуемые свойства согласно условию задачи:

твердость поверхности HRC 60...62;

твердость сердцевины HRC 35...40;

предел прочности s_в = 950 МПа;

ударная вязкость KCU = 1, 0 МДж/м².

Следовательно, только сталь 20ХН3А, из трех предложенных, обеспечивает выполнение условия задачи. Микроструктура поверх­ностного цементованного и закаленного слоя после окончательной термообработки - отпущенный мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Микроструктура сердцевины вала малоуглеродистый мар­тенсит с переходом в феррит + перлит. Такое сочетание механи­ческих свойств по сечению вала обеспечивает сопротивление зна­копеременным нагрузкам без разрушения при хорошей износостой­кости поверхностного слоя.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Ю.M. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение: Учеб. для вузов. – 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.

2. Ю.М. Лахтин. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. – 4-е изд. - М.: Металлургия, 1993. – 447 с.

3. А.П. Гуляев. Металловедение: Учеб. для вузов. – 6-е изд. - М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

4. А.Е. Лейкин, Б.И. Родин. Материаловедение: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1971. – 414 с.: ил.

5. Ю.П. Солнцев, В.Л. Жавнер, С.А. Вологжанина, Р.В. Горлач. Оборудование пищевых производств. Материаловедение: Учеб. Для вузов. – СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. – 526 с.

6. Б.Л. Арзамасов, И.Л. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учеб. Для вузов. - 2-е изд. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

7. И.И. Новиков. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 456 с.

8. В.К. Супрунчук, Э.В. Островский. Конструкционные материалы и покрытия в продовольственном машиностроении: Справ. – М.: Машиностроение, 1984. – 328 с.

9. Г.П. Тищенко, А.В. Трофимович. Повышение долговечности пищевого оборудования. – М.: Агропромиздат, 1985. – 386 с.

10. М.Г. Шевченко, С.В. Генель. Гигиенические требования к полимерным материалам, применяемым в пищевой промышленности. – М.: Медицина, 1972. – 196 с.

11. Г.Н. Агеева, Н.С. Журавлева, Г.А. Корольков. Металловедение и термическая обработка. – М.: МИСиС, 1984. – 136 с.

12. И.И. Новиков, Г.Б. Строганов, А.И. Новиков. Металловедение, термообработка и рентгенография. – М.: МИСиС, 1994. – 480 с.

13. Конструкционные материалы: Справочник/Под ред. Б.Н. Арзамасова – М.: Машиностроение, 1990. – 687 с.

14. Марочник сталей и сплавов: Справочник/ Под ред. В.Г. Сорокина – М.: Машиностроение, 1989. – 634 с.

15. Международный транслятор современных сталей и сплавов: Справочник/ Под ред. В.С. Кершенбаума. – М.: ИНТАК, 1992. – 623 с.

16. Н.Б. Казаков, Г.А. Мартынов. Технология пищевого машиност­роения, М., 1982. – 298 с.