Выберите углеродистую сталь для изготовления пил

Курсовая работаВариант 34Задание34.1 Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термообработки. Опишите сущность происходящих в ее процессе превращений, структуру и свойства инструмента.34.2 Выберите быстрорежущую сталь для изготовления резцов. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится сталь по назначению. Назначьте режим термообработки, приведите подробное обоснование, объяснив влияние легирующих элементов на всех этапах термообработки. Опишите микроструктуру и главные свойства стали после термообработки.34.3 Выберите баббит, используемый в качестве материала для вкладышей ответственных подшипников скольжения. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится этот сплав. Зарисуйте и опишите микроструктуру сплава. Укажите основные требования, предъявляемые к баббитам.СодержаниеЗадание………………………………………………………………………….2Введение………………………………………………………………………..4Задание 34.1………………………………………………………………........5Задание 34.2……………………………………………………………………9Задание 34.3…………………………………………………………………..14Заключение……………………………………………………………………16Список использованных источников………………………………………..17ВведениеВ настоящее время в промышленности непрерывно повышается мощность выпускаемых машин, качество, надежность, экономичность, конкурентоспособность и производительность оборудования и других изделий машиностроения. При этом предполагается уменьшение их габаритов, металлоёмкости, энергопотребления и снижение их себестоимости. Для этого должен быть решен вопрос о расширении и систематическом обновлении номенклатуры и ассортимента конструкционных материалов, а также правильном их выборе в соответствие с определенными условиями работы, проведении высокоэффективных методов повышения их прочностных свойств; коррозионно- и износостойкости; об увеличении производства новых конструкционных материалов; широком применении малооперационной и безотходной технологии, а также прогрессивной технологии обработки.Целью данной работы являлось изучение наиболее распространенных материалов, используемых в технике, взаимосвязи их свойств и строения, применяемой обработки и областей применения.34.1 Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термообработки. Опишите сущность происходящих в ее процессе превращений, структуру и свойства инструмента.Пилы для обработки дерева работают в условиях износа, а также знакопеременных нагрузок, поэтому к материалу для их изготовления предъявляются требования повышенной твердости и прочности в сочетании с высокими упругими свойствами. Также важным требованием является отсутствие короблений (деформаций) при закалке и отпуске.Выберем для изготовления пил сталь У8А, которая является углеродистой, высококачественной, спокойной, по назначению – инструментальной.Содержание углерода в среднем составляет 0,8 %.Полный химический состав стали У8А представлен в табл. 1.Таблица 1 – Химический состав стали У8АCSiMnNiSPCrCu0.76 - 0.830.17 - 0.330.17 - 0.28до   0.25до   0.018до   0.025до   0.2до   0.2Применение: для инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек.Сталь У8А относится к группе инструментальных нетеплостойких сталей высокой твердости с небольшой прокаливаемостью.Одним из преимуществ углеродистой стали У8А является ее невысокая стоимость, т.к. данная марка стали не содержит легирующих элементов.Критические точки для стали У8: Аc1 = 720 °С.Углеродистая эвтектоидная сталь У8 в исходном состоянии (без термообработки) имеет структуру пластинчатого перлита (рис. 1, а).С целью снижения твердости для улучшения обрабатываемости резанием эвтектоидную сталь подвергают предварительной термической обработке – неполному (сфероидирующему) отжигу на зернистый перлит (рис. 1, б).Время нагрева и выдержки заготовок из углеродистой стали У8 при отжиге назначается из расчета 1 мин на 1 мм сечения изделия. абРисунок 1 – Структура пластинчатого (а) и зернистого перлита (б) стали У8Нагрев осуществляется до температур на 30 – 50 оС выше критической точки Ас1 (линии PSK на диаграмме железо-цементит) (рис. 2). Такой отжиг называется неполным. 1 – при неполном отжиге и закалке; 2 – при среднем отпускеРисунок 2 – Участок диаграммы железо – цементит и температуры нагрева при термообработке стали У8АТемпературы нагрева при неполном отжиге стали У8 (точка 1 на рис. 3) составят:Тн = Ас1 + (30 – 50 оС) (1) Тн = 720 + (30 - 50) = 750 – 770 оС.Охлаждают при отжиге медленно с печью. Таким образом, у эвтектоидной инструментальной стали после отжига понижается твёрдость до 187 HB и образуется структура зернистого перлита (рис. 1, б). Термическая обработка состоит из закалки и последующего отпуска. Температуры нагрева при неполной закалке назначаются так же, как и при неполном отжиге, т.е. на 30-50 ℃ выше критической температуры Ac1 или линии PSK на диаграмме железо – цементит и составит 750 – 770 оС (точка 1 на рис. 2) для стали У8.Как правило, для углеродистых сталей при закалке в качестве охлаждающей среды применяют воду, что связано с высокой критической скоростью закалки и небольшой прокаливаемостью этих сталей. Т.к. одним из требований к пилам из стали У8А является предупреждение деформации при термообработке, назначим охлаждение инструмента через воду в масло. Применение двух охладителей снижает риск возникновения трещи и короблений при закалке.Критическая скорость закалки – минимальная скорость, при охлаждении с которой обеспечивается получение структуры мартенсита, обладающей высокой твердостью.При нагреве под закалку структура зернистого перлита превратится в аустенит, при последующем охлаждении аустенит превратится в мартенсит, при этом в структуре закаленной стали останется некоторое количество аустенита остаточного.Время выдержки инструментов при закалке определяется из расчета 1 мин на 1 мм сечения.В результате такой закалки достигается высокая твёрдость: 63-67 HRC для стали У8А.После закалки проводят отпуск.Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1 (линии PSK на диаграмме железо – цементит), выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе.После закалки стали У8А с целью уменьшения внутренних закалочных напряжений и получения высоких упругих свойств необходимо проведение среднего отпуска при температурах 400 - 450 ºC (точка 2 на рис. 2) в течение 0,5-1 ч. При нагреве происходит сначала выделение углерода в виде карбида железа, с повышением температуры процесс ускоряется и при температуре 350-400 ℃ весь избыточный углерод выделится из мартенсита в виде цементита Fe3C, а мартенсит превратится в феррит. Таким образом, образуется механическая смесь феррита и цементита. Такая структура называется трооститом отпуска (рис. 3). Такая структура обеспечит получение твёрдости инструмента из стали У8А 40-45 HRC и высоких упругих свойств.Рисунок 3 – Структура троостит отпуска34.2 Выберите быстрорежущую сталь для изготовления резцов. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится сталь по назначению. Назначьте режим термообработки, приведите подробное обоснование, объяснив влияние легирующих элементов на всех этапах термообработки. Опишите микроструктуру и главные свойства стали после термообработки.В качестве материала для режущего инструмента используют углеродистые и легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические материалы (твердые сплавы).Применение более совершенных инструментальных материалов позволяет ускорить процесс обработки резанием. Основные требования к материалам для режущего инструмента следующие:- высокая конструкционная прочность;- твердость, достаточная для обеспечения процесса (не менее 60HRC).- теплостойкость;- износостойкость;- технологичность (необходимая для изготовления инструментов сложной формы);- экономичность (минимальное содержание дефицитных и дорогостоящих легирующих добавок).Таким образом, основным требованием, предъявляемым к резцам металлообрабатывающего станка, является высокая твердость HRC 63-67.Сталь Р9 по назначению является инструментальной быстрорежущей, по химическому составу – высоколегированной. Содержание углерода в маркировке не отражается и составляет примерно 1 %, т. к. сталь инструментальная. Буква Р означает быстрорежущая, первое число – количество вольфрама, т.е. в среднем 9 %. Полный химический состав стали представлен в таблице 2.По качеству сталь Р9 качественная, по степени раскисления спокойная, по структуре – сталь ледебуритного класса, по назначению – инструментальная быстрорежущая.Таблица 2 – Химический состав стали Р9C Si Mn NiSPCrMoWVCo0.85 - 0.95до   0.5до   0.5до   0.4до   0.03до   0.033.8 - 4.4до   18.5 - 9.52.3 - 2.7до   0.5Применение: для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объема шлифовки, для обработки обычных конструкционных материалов.Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного силового нагружения и нагрева (до 600 - 640 °С) режущих кромок. Сталь Р9 относится к сталям нормальной производительности (Р18, Р12М3, Р18Ф2), применяемым для обработки с высокой скоростью резания чугуна и конструкционных сталей с твердостью до 260 - 280 НВ.Механические свойства стали Р9 после отжига представлены в табл. 3.Таблица 3 – Механические свойства стали Р9 в состоянии поставки (после отжига) при 20 °С σ0,05 (МПа) σ0,2 (МПа) σв(МПа)δ5 (%)ψ %σсж0,2 (МПа)σсж (МПа)ε (%)Τк (МПа)γ (%)KCU (Дж / см2) 210 (5)490 (20) 840 (30) 10 (1)  29 (2)  620 (13) 2500 (75) 56 (17) 560 (17) 60 (1,4)26 (1) Твердость материала: HB 10 -1 = 255 МПа.Температура критических точек, оС: Ac1 = 820, Ac3(Acm) = 870, Ar3(Arcm) = 780, Ar1 = 740, Мn= 180.Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному (карбидному) классу. Слитки этих сталей содержат карбидную эвтектику в виде сетки по границам аустенитных зерен (рис. 4, а), которая резко снижает обычные механические свойства, особенно пластичность. В процессе горячей обработки давлением (ковка, прокатка) карбидная эвтектика раздробляется и измельченные карбиды более равномерно распределяются в основной матрице.а – литое состояние; б – после ковки и отжига;в – после закалки; г – после отпускаРисунок 4 – Микроструктура быстрорежущей стали Р9После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 800 - 850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами (рис. 4, б).Твердость стали Р9 после отжига менее 269 HB.Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет 1220 - 1240 °С. Охлаждение при закалке – в масле, т.к. легирующие элементы (в значительном количестве) обеспечивают сквозную прокаливаемость при охлаждении и снижают критическую скорость закалки.После закалки структура быстрорежущей стали (рис. 4, в) состоит из высоколегированного мартенсита, не растворенных при нагреве избыточных карбидов, и около 20 - 30 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно, поэтому после закалки проводят отпуск.Отпуск. После закалки проводят высокий отпуск по 1 ч, охлаждение на воздухе. При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость после закалки HRC 62–63, а после отпуска она увеличивается до HRC 64–67.После окончательной термообработки (закалка + отпуск) структура стали Р9 состоит из мартенсита с выделением дисперсных частиц легированных карбидов и небольшого количества остаточного аустенита (рис. 4, г). Такая структура обеспечивает теплостойкость инструмента до 600 °С.На рис. 5 представлен график термообработки резцов из стали Р.Температуры нагрева и свойства стали после закалки и отпуска представлены в таблице 4.36951822643751220 - 124001220 - 12409284962793821220 - 124001220 - 124037791812703589993112660741220 - 12401220 - 12401220 - 12401220 - 1240Рисунок 5 – Термическая обработка стали Р9Таблица 4 – Термическая обработка и свойства стали Р9Марка сталиТвердость НВ в состояниипоставки(не более)ЗакалкаОтпускТвердость HRC послеокончательнойтермообработкиТз, °СТотп, °ССтали нормальной производительностиР92691220–1240550-57064-6734.3 Выберите баббит, используемый в качестве материала для вкладышей ответственных подшипников скольжения. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится этот сплав. Зарисуйте и опишите микроструктуру сплава. Укажите основные требования, предъявляемые к баббитам.Выберем баббит марки Б83, используемый в качестве материала для вкладышей ответственных подшипников скольжения. Сплав Б83 относится к оловянным баббитам. Это сплавы на основе олова, в данной марке его количество 83 % (в среднем). Основными легирующими элементами являются сурьма (10-12 %) и медь (5,5-6,5 %). По назначению сплав – антифрикционный подшипниковый.Сплав применяется для изготовления баббитов в чушках, применяемых для заливки подшипников и других деталей; температура заливки 440-460°C; температура начала расплавления 240°C.Металл вкладыша должен обладать следующими свойствами:- коэффициент трения со стальной поверхностью должен быть небольшим;- обе трущиеся поверхности должны мало изнашиваться;- материал вкладыша должен выдерживать достаточно большие удельные давления.Баббиты обладают минимальным коэффициентом трения со сталью и хорошо удерживают смазку, что обусловлено структурой вкладыша, состоящей из твердых включений и мягкой основы. Лучшим баббитом на основе олова является баббит марки Б83. Его микроструктура представлена на рисунке 6.Микроструктура баббита Б83 состоит из темной основы, представляющей собой α-твердый раствор сурьмы в олове, светлых крупных кристаллов квадратной и треугольной формы - соединения SnSb (β -фаза) и светлых мелких кристаллов в виде точек и иголочек - соединения Сu3Sn. Перегрев приводит к укрупнению включений и к ухудшению качества баббитов (рис. 6, б).а – нормальная мелкозернистая структура;б – крупнозернистая структура после заливки с перегревомРисунок 6 – Микроструктура баббита Б83, х200.Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов β-фазы (твердые включения) и темных α-кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в α-фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Промежуточную фазy можно рассматривать как твердый раствор на основе соединения SnSb (крупные светлые включения). Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu3Sn (твердая составляющая), звездчатые (мелкие светлые участки на рис. 8) кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких β -кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз – α, β (SnSb) и γ (Cu3Sn.).ЗаключениеВ работе изучены различные материалы, применяемые в технике. К ним относятся углеродистые и легированные стали, а также сплавы цветных металлов.В ходе работы рассмотрены химический состав металлических сплавов, их строение и свойства. Изучены назначение, режимы основных видов термической обработки, применяемых для изменения структуры и свойств сплавов в заданном направлении.Для изготовления пил выбрана углеродистая сталь У8А. Назначен режим термообработки, состоящий из неполного отжига, неполной закалки и среднего отпуска. В качестве материала для изготовления резцов выбрана быстрорежущая сталь Р9. Назначена термообработка: предварительная – изотермический отжиг окончательная – закалка и трехкратный высокий отпуск.Для изготовления вкладышей ответственных подшипников скольжения выбран оловянный баббит Б83.Список использованных источников1. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов /С. Н. Колесов. И. С. Колесов. - М.: ВШ, 2004 г., - 519 с.2. Богодухов, С. И. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства [Электронный ресурс]: Лабораторный практикум/С. И. Богодухов и др. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 409 с.3. Ржевская, С.В. Материаловедение. /С. В. Ржевская. - М.: Логос, 2006, - 427 с.4. Тялина, Л. Н Материаловедение и технология конструкционных материалов [Электронный ресурс]: Учебное пособие. /Л. Н. Тялина, Н. В. Федорова, А. П. Королев. - Тамбов. Издательство ТГТУ,2010.5. Адаскин А. М. Материаловедение/А.М. Адаскин, Зуев В.М. – Москва: Академия, 2003. – 240 с.6. Козлов Ю.С. Материаловедение: учебное пособие для технических специальностей средних специальных учебных заведений/ Ю.С. Козлов. - Москва: Агар, 2000 – 182 с.7. Материаловедение и технология конструкционных материалов /под редакцией доктора техн. наук профессора В. Б. Арзамасова. - Москва: Академия, 2007. – 446 с.8. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. 9. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.