Применение современных материалов в машиностроении - файл n1.doc
Применение современных материалов в машиностроенииСкачать все файлы (1514.5 kb.)
Доступные файлы (1):
| n1.doc | 1515kb. | 31.03.2014 06:39 | скачать |
n1.doc
В работе рассмотрены составы и свойства современных отечественных и зарубежных инструментальных материалов, технологические рекомендации по их эффективному выбору и применению. Рассмотрены современные методы упрочнения и повышения износостойкости лезвийного режущего инструмента.Также рассмотрены конструкционные и функциональные материалы, используемые в современном машиностроении при изготовлении различных деталей механизмов и машин.
Описаны особенности применения современных сталей, сплавов, полимерных, порошковых, керамических, композиционных и наноструктурных материалов, проблемы и перспективы их развития.
Дана краткая характеристика нанотехнологий, их примененение в машиностроении и перспективные направления развития.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
РАЗДЕЛ I
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 1 Инструментальные стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Углеродистые стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Легированные стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Быстрорежущие стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Легирование и свойства быстрорежущих сталей . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Марки быстрорежущих сталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Быстрорежущие стали, полученные методом
порошковой металлургии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4 Дисперсионно - твердеющие быстрорежущие сплавы . . . . . . . . . . . . . 18
Глава 2 Твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Металлокерамические твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Особомелкозернистые твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Свойства металлокерамических твердых сплавов
и области их применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Зарубежные твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Безвольфрамовые твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Повышение эффективности использования
вольфрамосодержащих материалов в режущем инструменте . . . . . . . . . . . . . 25
Глава 3 Минералокерамический режущий инструмент . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Марки и свойства керметов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Инструмент на основе ультрадисперсного диоксида циркония . . . . . . . . . . . . 28
Глава 4 Сверхтвердые материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 Природные и искусственные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 Поликрасталлические сверхтвердые материалы на основе углерода . . . . . . . . . 29
4.3 Основные конструкции инструмента из поликристаллического алмаза. . . . . . . . 30
4.4 Поликрасталлические сверхтвердые материалы на основе нитрида бора. . . . . . . 31
4.5 Новые композиционные инструментальные материалы
на основе кубического нитрида бора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 Поликристаллические модификации нитрида бора,
выпускаемые за рубежом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 Общие рекомендации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Глава 5 Абразивные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1 Марки и свойства абразивных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Области применения кругов из различных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 АЭРОБОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Глава 6 Повышение износостойкости режущего инструмента. . . . . . . . . . . . 39
6.1 Внедрение упрочнения инструмента на предприятиях машиностроения . . . . . . . 40
6.2 Краткая характеристика методов упрочнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
РАЗДЕЛ II
КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 7 Металлические сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.1 Традиционые металлические сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.1.1 Чугуны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.1.2 Стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.1.3 Алюминиевые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.1.4 Медные сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.1.5 Титановые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.1.6 Магниевые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.1.7 Никелевые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.2 Металлы и сплавы с особыми свойствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.2.1 Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами. . . . . . . . . . . . . 52
7.2.2 Металлы с паматью формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2.3 Радиационно стойкие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2.4 Аморфные металлические сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.5 Сверхпроводящие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.6 Материалы со специальными магнитными свойствами . . . . . . . . . . . . 55
7.3 Новые высокопрочные и сверхпрочные материалы на основа железа. . . . . . . . . 55
Глава 8 Керамические и композиционные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.1 Керамические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.2 Композиционные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2.1 Состав и свойства композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2.2 Дисперсно-упрочненные композиционные материалы . . . . . . . . . . . . . 61
8.2.3 Волокнистые композиционные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2.4 Слоистые композиционные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Глава 9 Функциональные порошковые материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.1 Особенности технологии порошковых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.2 Конструкционные порошковые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.3 Антифрикционные порошковые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.4 Фрикционные порошковые материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.5 Пористые фильтрующие элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Глава 10 Полимерные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.1 Классификация и свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.2 Пластические массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.2.1 Состав и свойства пластических масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.2.2 Термопластичные массы (термопласты) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
10.2.3 Термореакивные массы (реактопласты) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
10.3 Резины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10.4 Клеящие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Глава 11 Многофункциональные покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.1 Виды покрытий и способы их нанесения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.2 Металлические покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
11.3 Неметаллические покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
РАЗДЕЛ III
НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 12 Понятие и развитие нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
12.1 Понятие нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
12.2 Нанотехнология как научно-техническое направление . . . . . . . . . . . . . . . . 86
12.3 Современный уровень развития нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Глава 13 Использование нанотехнологий в машиностроении . . . . . . . . . . . . 89
13.1 Значение применения нанотехнологий для машиностроения . . . . . . . . . . . . . 89
13.2 Технологические особенности применения
нанотехнологий в машиностроении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
13.3 Проблемы и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении . . . . . . 93
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
ВВЕДЕНИЕ
Общий прогресс в машиностроении и металлообработке тесно связан с развитием конструкции режущего инструмента и совершенствованием инструментального материала.
В качестве основных свойств инструментальных материалов указываются следующие: низкая интенсивность износа, высокая стойкость при одновременном обеспечении качества, стабильность износа (низкая вариация стойкости).
Перечисленные свойства инструментальных материалов часто являются взаимоисключающими. Поэтому создание инструментального материала, обладающего идеальным комплексом указанных свойств в объеме однородного тела, в настоящее время пока не представляется возможным.
В настоящее время широко применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали марок Р9Ф5, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 и другие при обработке труднообрабатываемых материалов.
За последнее время ряд лабораторий в нашей стране и за рубежом проводили работу по совершенствованию существующих и изысканию новых материалов для изготовления инструментов. Исследования проводились во всех основных группах современных инструментальных материалов (рис. 1):
в
области быстрорежущих и других инструментальных сталей;
в области спекаемых твердых сплавов;
в области дисперсионно-твердеющих сплавов на базе Сr и Со;
в области минералокерамики;
в области сверхтвердых материалов (СТМ).
Рис. 1 Развитие инструментальных материалов
Применение новых инструментальных материалов дало возможность повысить скорость обработки. Так, например, за последние сто лет скорость резания увеличилась примерно в 10 раз, при этом время обработки уменьшилось в 50 раз (рис. 2).
Рис. 2 Соотношение изменения скорости резания
и производительности процесса при обработке сталей и сплавов
Однако большинство известных на сегодняшний день инструментальных материалов обладает только частичным набором указанных выше свойств, что делает область их рационального применения весьма ограниченной.
На рис. 3 представлена классификация существующих инструментальных материалов по их прочности и твердости.
Основные свойства отечественных инструментальных материалов приведены в табл.1.
Рис. 3 Классификация существующих инструментальных материалов
Таблица 1
Механические, физические и режущие свойства
инструментальных материалов (средние значения)
| Марка мате- риала | Механические свойства | Ударная вязкость в Нм/см2 | Физические свойства | Режущие свойства | |||||
| твердость, HRA | предел прочности в Н/мм2 | теплопроводность в м х град | плотность в кг/м3 X 103 | теплостойкость в °С | относитель- ная величина скорости резания | ||||
| изгиб | сжа- тие | сталь | чугун | ||||||
| Инструментальная углеродистая сталь | |||||||||
| У12А | 80 | 3140 | 3920 | — | 63 | 7,8 | 220 | 0,5 | 0,5 |
| Инструментальная легированная сталь | |||||||||
| 9ХС ХВГ | 80 | 3140 | 3920 | — | 41,8 | 7,7 | 220 | 0,6 | 0,6 |
| Быстрорежущая сталь | |||||||||
| Р18 | 82 | 3620 | 3720 | 8,72 | 21 | 8,7 | 600 | 1,0 | 1,0 |
| Вольфрамовые твердые сплавы | |||||||||
| ВК8 ВК6 | 87,5 88,5 | 1370 1240 | 4900 | 5,88 5,88 | 58,7 63 | 14,6 14,8 | 850 900 | — | 2,9 3,4 |
| Титано-вольфрамовые твердые сплавы | |||||||||
| Т5К5 Т14К8 Т15К6 Т30К4 | 88,5 89,5 90 92 | 1174 1174 1126 882 | 2940 3920 | 2,94 2,45 | 33,5 29,3 29,3 21 | 12,7 11,7 11,3 9,6 | 900 900 950 1000 | 3,0 3,5 4,5 5,5 | — |
| Минералокерамика | |||||||||
| ЦМ-322 | 92 | 294- 392 | 3430 | 0,784 | 16,7 | 3,9 | 1200 | 5,8 | 5,8 |
| КНБ | |||||||||
| Эльбор Гексанит | 98 98 | 1500 н/д | н/д н/д | н/д н/д | н/д н/д | 3,5 3,3 | 1200 900 | 8 8 | 8 8 |
| Синтетический алмаз | |||||||||
| АС | 100 | 3500 | 2000 | н/д | н/д | 3,5 | 800 | — | 6 |
В инструментальном производстве применяют следующие основные материалы:
Инструментальные стали:
а) быстрорежущие (ГОСТ 19265-73);
б) легированные (ГОСТ 5950-73);
в) углеродистые (ГОСТ 1435-74);
г) дисперсионно-твердеющие сплавы.
Твердые спеченные сплавы (ГОСТ 3882-86).
Минералокерамика(керметы).
Алмазы (природные и искусственные).
Сверхтвердые синтетические материалы (СТМ)-композиты.
На выбор материала влияют тип инструмента, его назначение,
размеры и условия работы, а также технология изготовления инструмента.
Развитие машиностроения неразрывно связано с производством новых материалов. Во все времена от использования природных и созданных человеком материалов зависели прочность, надежность и долговечность выполненных из них деталей, изделий и машин.
Выпускаемые в настоящее время изделия работают в очень тяжелых эксплуатационных условиях. Известные марки сталей и чугунов уже не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к различным изделиям многих отраслей техники. Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком диапазоне температур от -269 до 1000 °С и выше.
Необходимость решения важнейших технических задач, связанных с экономным расходованием материалов для современной техники, обусловливает дальнейшее развитие науки о материалах.
Крупными достижениями в теории и практике материаловедения ознаменовался XX в.: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов; разработаны композиционные и керамические материалы, триплекс и ситаллы; открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники; созданы материалы с помощью нанотехнологий; широкое применение получили полимерные материалы и др. Совершенствовались способы упрочнения деталей пластическим деформированием, термической и химико-термической обработкой.
Постоянно разрабатываются и все больше применяются различные покрытия изделий и инструментов, позволяющие значительно улучшить качество поверхностей и их защиту от агрессивных сред.
РАЗДЕЛ I
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ГЛАВА 1
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
К инструментальным сталям предъявляют требования по следующим основным характеристикам:
Режущая способность.
Красностойкость (теплостойкость).
Износостойкость в холодном состоянии.
Механические свойства.
Обрабатываемость в холодном и горячем состоянии.
Стали, из которых изготавливают режущие инструменты, должны иметь высокую прочность, твердость, износостойкость, теплостойкость. Кроме того, циклическое воздействие температур при прерывистом резании приводит к зарождению усталостных трещин в режущем клине инструмента и в конечном итоге - к его разрушению (скалыванию).