Металлы и сплавы ковки

Металлы подразделяются на две основные группы: черные (чугун и сталь) и цветные (медь, олово, никель, алюминий, сви нец и др.).

В практике химически чистые металлы почти не использу ются. Это объясняется трудностью их получения и отсутствием у них ряда полезных свойств. Поэтому в технике, особенно в машиностроении, широкое применение нашли сплавы металлов.

Сплав — это сложное вещество, в состав которого входят два или несколько химических элемента. Сплав прочнее, чем чистые металлы, входящие в его состав.

Из всех свойств металлов и сплавов для кузнечного произ водства наибольшее значение имеют механические и технологи ческие свойства.

Механические свойства. Из механических свойств металлов наиболее важными являются прочность, пластичность, твердость и упругость.

П р о ч н о с т ь — это способность металла воспринимать на грузку, не разрушаясь и не меняя своей формы.

Пластичность — это способность металла под действи ем сил изменять форму, не разрушаясь, и сохранять эту форму после прекращения действия внешних сил. Частный случай пластичности — ковкость.

Твердостью называется свойство металла сопротив ляться проникновению в него постороннего тела. Как правило, чем больше твердость, тем выше износостойкость металла, т. е. способность его длительное время не истираться в процессе ра боты. Твердость обычно определяют путем вдавливания сталь ного шарика или алмазного конуса.

После вдавливания стальною шарика (метод Бринелл) определяют диаметр отпечатка. Чем больше этот отпечаток, тем меньше твердость. Твердость, определенную таким образом, обозначают ИВ.

Величину твердости можно определить, вдавливая алмазный конус (метод Роквелла). При этом величина твердости обратно пропорциональна глубине проникновения стандартного конуса в металл.

Твердость, измеренную вдавливанием алмазного конуса, обозначают HRC.

В табл. 1 даны соотношения между диаметром отпечатка и тердостыо НВ и HRC.

Упругость — это свойство металла под действием внеш них сил изменять форму, не разрушаясь, и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил.

Технологические свойства. При выборе металлов и сплавов для деталей машин и конструкций большое значение имеют их технологические свойства, под которыми понимают способность металла подвергаться различным видам обработки.

К основным технологическим свойствам металлов относятся обрабатываемость, свариваемость, закаливаемость.

Обрабатываемость — способность металлов подвер гаться обработке инструментом.

Свариваемость — свойство металлов давать прочные соединения при сварке кузнечным или другим способом.

Закаливаемость — способность металла изменять свойства в процессе закалки

§ 1. СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

Сталь — это сплав железа с углеродом, содержащий до 2% углерода. Кроме углерода, сталь может содержать марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, фосфор и серу.

Группы сталей. По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь— это сплав железа с углеродом, в котором имеется небольшое количество марганца, кремния, серы и фосфора. Легированная сталь, кроме обычных примесей, содержит один или несколько химических элементов (хром, вольфрам, никель, ванадий, мо либден), специально вводимых для получения определенных свойств.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей. Свойства стали зависят от ее химического состава.

Углерод — основной элемент, определяющий свойства стали. С увеличением содержания углерода прочность, твер дость, закаливаемость стали повышаются, но пластичность (ковкость) и сопротивление удару понижаются, а обрабатывае мость ухудшается.

В зависимости от содержания углерода сталь делится на ма лоуглеродистую (до 0,3%), среднеуглеродистую (до 0,3—0,6%) и высокоуглеродистую (более 0,6%) Хорошо куются стали, со держащие до 1,3% углерода.

Марганец содержится в обыкновенной углеродистой ста ли в небольшом количестве (до 0,8%). Иногда его вводят в сталь до 13% для повышения прочности, упругости (до 4%) и улучшения ее износостойкости (до 13%), но с увеличением со держания марганца ухудшается свариваемость стали, она ста новится более хрупкой.

Кремний в небольшом количестве (до 0,5%) особого влияния на свойства стали не оказывает. При повышении его содержания возрастает предел прочности, улучшаются упругие свойства, но ухудшается свариваемость и вязкость.

Хром повышает прочность, упругость и твердость стали, но понижает ее вязкость

Никель увеличивает прочность и вязкость стали; на ков кость не влияет.

Молибден, вольфрам, ванадий, титан вво дят б сталь для улучшения ее механических свойств и струк туры

Фосфор является вредной примесью, которая придает ста ли холодноломкость, т. е. хрупкость в холодном состоянии. Ко личество фосфора в стали должно быть не больше 0,04%, а в высококачественных сортах — не больше 0,03%.

Сера — неизбежная и вредная примесь, которая делает сталь хрупкой и приводит к образованию трещин при ковке в горячем состоянии. Это явление называется красноломкостью. В углеродистой стали обыкновенного качества допускается со­держание не более 0,045% серы, а в высококачественной — не более 0,03%

Классификация и стандарты сталей. В зависимости от наз начения стали подразделяются на конструкционные и инструментальные

Из конструкционных сталей изготовляют детали машин, су дов, а из инструментальных делают инструмент (резцы, фрезы, сверла и т. д.).

Состав, свойства и качество стали в значительной степени зависят от способа ее производства. Основными из них явля ются конверторный, мартеновский и плавка в электропечах. Поэтому в зависимости от способа получения сталь делится на мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую и электростали.

Наименование (марки), химический состав и свойства ста лей определены ГОСТ.

Обозначение номера ГОСТ состоит из двух частей Первая из них является порядковым номером ГОСТ. Вторая цифра обозначает год выхода данного стандарта. Например, ГОСТ 1050—60 — сталь углеродистая качественная конструкционная. Число 1050 соответствует наименованию ГОСТ, число 60 озна чает, что ГОСТ издан в 1960 г.

 
Детали сельскохозяйственных машин изготовляют из углеро дистых сталей обыкновенного качества ГОСТ 380—60 и из кон струкционных качественных сталей ГОСТ 1050—60.

Свойства углеродистых инструментальных сталей определены ГОСТ 1435—54, а легированных инструментальных—ГОСТ 5950—63.

Углеродистую сталь обыкновенного качества маркируют буквами и цифрами. Например: Ст.0, Ст 1, Ст.2, Ст.З, Ст.4, Сг5, Ст 6 и Ст.7. Чем больше порядковый номер, тем выше содержа ние углерода в стали, тем прочнее и тверже она. Если впереди стоит большая буква, то она условно обозначает способ изго товления стали (М — мартеновский; Б — бессемеровский, Т — томасовский).

В табл. 2 указаны химический состав, механические свой ства наиболее распространенных марок стали обыкновен ного качества и их применение в сельскохозяйственных ма шинах.

Качественную конструкционную углеродистую сталь обоз начают двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 30 среднее количество углерода 0,30%. Стали этого класса изго товляют следующих марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 и 85

В табл. 3 приведены химический состав качественной конст рукционной стали, ее свойства и применение в сельскохозяйст венных машинах.

Углеродистые инструментальные стали обозначаются боль шой буквой У и цифрой, соответствующей количеству углеро да в десятых долях процента. Например, сталь У8; буква У обозначает «углеродистая», цифры — содержание углерода (0,8%).

Стандартом предусмотрены следующие марки этих сталей: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13. Кроме того, в наименовании марки стали может в конце стоять буква А. Это условное обозначение высококачественной стали, которая содержит мень ше серы и фосфора, чем обычная. В табл. 4 приведены хими ческий состав, некоторые свойства сталей этого класса и указа на область их применения.

Легированные стали обозначают цифрами и буквами. Пер вые цифры означают среднее содержание углерода обычно в сотых долях процента (у инструментальных сталей в деся тых долях), буквы обозначают легирующие элементы. Если ко личество элемента более 1%, за его буквой ставят цифру, по казывающую, сколько этого элемента в стали.

Буквенные обозначения химических элементов, входящих в состав стали, приведены ниже.

Химический элемент Никель Хром Марганец Кремний Вольфрам Ванадий

Обозначение Н X

г с в ф

Химический элемент

Алюминий

Молибден

Кобальт

Медь

Титан

Обозначение

ю м к

Д

т

Например, сталь 40ХН — хромоникелевая со средним содер жанием углерода 0,40%, хрома 1%, никеля 1%. Если цифра в начале марки отсутствует, то количество углерода в стали около 1%. Например, в стали X углерода около 1% и хрома также около 1 %.

Необходимо иметь в виду, что марка во многих случаях указывает только приблизительный состав стали.

 
Иногда бывает необходимо заменить рекомендуемую в чер тежах марку стали на другую. В табл. 5 даны наиболее часто встречающиеся варианты замены марок стали.

Строение сталей. Металл состоит из большого количества мелких зерен, которые хорошо видны в микроскоп (рис. 1). Кристаллическое строение металла называют его структурой. Структура может быть крупной, мелкой, смешанной, а сами зерна — круглыми, древовидными (после отливки) или волок нистыми (после прокатки). Величина и форма зерен изменя ются в зависимости от тепловой механической обработки.

В 1868 г. русский инженер-металлург Д. К. Чернов обратил внимание на зависимость между кристаллическим строением и тепловой обработкой. Он установил, что в процессе нагревания кристаллическое строение стали изменяется при определенных температурах. Эти температуры он назвал критическими точка ми а и б. Точка а (около 700° С) —это температура, ниже кото рой любая сталь не принимает закалки. Точка б (800—850° С) характеризует переход стали в ковкое (воскообразное) со стояние.

В дальнейшем было установлено, что зерна стали различны не только по форме, но и по свойствам (рис. 2).

При температуре ниже 723° С в состав стали в разных коли чествах Св зависимости от химического состава) входят зерна почти чистого железа — феррита, зерна химического соединения железа с углеродом — цементита и комбинированные зерна, представляющие собой мелкую механическую смесь зерен це ментита- и' феррита — перлит.

Зерна феррита имеют низкую твердость и высокую пластич ность Чем меньше в стали углерода, тем больше в ее структуре феррита. Зерна цементита очень твердые и хрупкие. Перлит имеет промежуточные свойства между ферритом и цементитом.

  
Рис 1. Зерна стали (увели чено в 100 раз):

а — крупные, б — мелкие, в — не однородные, г — вытянутые в од ном направлении

09

О 0,2 0,4 0,6 0,84,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Содержание углерода, %

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

В перлите всегда содержится примерно 0,9% углерода. Если в стали более 0,9% углерода, то в ней будет цементит в виде отдельных зерен. Если сталь нагревать выше 723° С, то внача ле перлит, а затем и феррит изменят свое строение и образуют новые зерна с другими свойствами — аустенит. Аустенит обла дает очень высокой вязкостью и хорошо куется.

На основе работ Д. К- Чернова была построена диаграмма состояний сплавов железа с углеродом (см. рис. 2), которая характеризует зависимость между структурой стали, ее хими ческим составом и тепловой обработкой. Линии диаграммы соот ветствуют изменению кристаллического состояния стали при тепловой обработке.

Линия PSK соответствует температуре перехода перлита в аустенит. Для всех сталей эта температура равна 723 °С.

Кривая GSE показывает температуры, выше которых струк тура любой марки стали состоит только из зерен аустенита.

Линия АЕ соответствует началу плавления стали. Выше ли нии АС сталь находится в жидком состоянии.

Диаграмма состояния дает возможность проследить все из менения структуры любой углеродистой стали при медленном нагревании и охлаждении.

В зависимости от скорости охлаждения аустенит может пе реходить в разные структуры с различными ствойствами. На пример, быстрое охлаждение приводит к образованию структур, мартенсит, троостит и сорбит. Самое медленное охлаждение да ет исходную (до нагрева) структуру — перлит или перлит-[-фер рит, или перлит+цементит.

Термическая обработка стали — это такой тепловой процесс, при котором сталь нагревают до необходимой температуры, вы держивают некоторое время при этой температуре, а затем с определенной скоростью охлаждают. Цель термической обра­ботки — получить нужные свойства металла.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск и цементация.

Отжиг — это термическая обработка (нагрев) стали до ау-стенитного состояния с последующим медленным охлаждением. Его проводят для снижения твердости, улучшения обрабаты ваемости, снятия внутренних напряжений, устранения перегрева.

Нагревают стали с 0,1—0,5% углерода до 850—90б° С, а стали, в которых более 0,5% углерода,— до 800—850° С в лю бом нагревательном агрегате (печи, горне). Охлаждают стало вместе с печью или в сухом песке. Чем медленнее будет охлаж дение, тем полнее будет влияние отжига на свойства стали.

Нормализация — это термическая обработка стали до аустенитного состояния с последующим охлаждением ее на спо койном воздухе. Эта операция так же, как и отжиг, улучшает обрабатываемость, снижает твердость и устраняет перегрев. Нормализация конструкционных углеродистых сталей более вы годна, чем отжиг, и поэтому получила большое распростра нение.

Закалкой называется операция термической обработки, при которой нагретую до аустенитного состояния сталь быстро охлаждают в воде, масле или другом охладителе Температуры нагрева для закалки те же, что и для отжига стали.

Цель закалки — повысить твердость и прочность стали. В результате быстрого охлаждения образуются мартенсит, тро остит или сорбит.

Углеродистые конструкционные стали закаливают в воде, легированные — в масле. Углеродистые инструментальные ста ли обычно закаливают сначала в воде в течение 1—2 мин, а затем в масле. Такая закалка вызывает минимальные внут ренние напряжения и обеспечивает достаточную твердость инструмента.

В табл. 6 приведены основные закалочные среды и сравни тельная охлаждающая способность их. Охлаждающая способ ность воды при 20° С принята за единицу.

Таблица 6

Характеристика основных закалочных сред

При закалке в воде или в водном растворе охладителя во круг нагретой детали образуется слой пара, который называ ется «паровой рубашкой». Этот слой замедляет охлаждение металла и приводит к тому, что деталь частично или полностью не закаливается. Чтобы «паровая рубашка» не образовывалась, деталь необходимо покачивать в процессе закалки.

При местной закалке нагревают не всю деталь, а только часть ее и опускают в закалочную среду всю деталь или же на гревают всю деталь, а опускают в закалочную среду только часть ее.

Отпуск — нагрев закаленной стали ниже температур об разования аустенита. Его применяют для снятия внутренних напряжений, возникших при закалке (низкий отпуск),- или по нижения твердости закаленной стали и увеличения ее пластич ности (высокий отпуск).

Низкий отпуск проводят при температуре 180—250° С, высокий отпуск — при температуре 250—650° С. Чем выше температура отпуска, тем на большую величину снижается твердость