Станки

Конструкционные материалы при токарной обработке

Обработку деталей при токарной обработке, как правило, выполняют в два приема. Сначала снимают с обрабатываемой заготовки наружный слой металла (материала) и с ним убирают все дефекты и неровности наружного слоя, это черновое точение. Затем, с обрабатываемой поверхности снимают тонкий слой металла с тем, чтобы получить нужный размер, форму и соответствующее качество поверхности по наружному диаметру детали, это чистовое точение.

Обрабатываемость материалов резанием зависит от их химического состава, структуры, механических и физических свойств.

При черновом точении обрабатываемость оценивают стойкостью, сохранением режущих свойств и формы, инструмента при соответствующей скорости и силе резания, а при чистовой обработке — шероховатостью поверхности, точностью размеров обрабатываемой заготовки и стойкостью инструмента.

Обрабатываемость металлов определяют методами, основанными на оценке изменений стойкости режущего инструмента при различных скоростях резания. Допустимую скорость резания как критерий оценки обрабатываемости применяют наиболее часто, так как скорость резания оказывает весьма существенное влияние на производительность, а следовательно, и на себестоимость обработки. Считается, что лучшую обрабатываемость имеет тот материал, который, при прочих равных условиях, допускает более высокую скорость резания.

На токарных станках обрабатывают такие конструкционные материалы, как:

  • чугун,
  • сталь,
  • цветные металлы и их сплавы,
  • пластмассы.

Чугун — сплав железа с углеродом (2,14-4,5%) и некоторым количеством кремния, марганца и др. Различают серый, высокопрочный, ковкий и легированные чугуны.

Серый чугун маркируют буквами СЧ и группой цифр. Буквы СЧ обозначают серый чугун, группа цифр — предел прочности при растяжении σв в МПа·10-1. По механическим свойствам серые чугуны делят на чугуны малой прочности от СЧ10 до СЧ15 и чугуны повышенной прочности от СЧ20 до СЧ35. Для изготовления деталей чаще применяют серый чугун марок СЧ15, СЧ20, СЧ30 твердостью в пределах НВ163–255 и реже – СЧ35.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния (0,3-1%) и церия (до 0,05%). В отличие от серых чугунов высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ и группой цифр. Группа цифр указывает на минимальное значение временного сопротивления при растяжении в МПа·10-1 например марки ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45. Твердость высокопрочных чугунов изменяется в пределах НВ140-360.

Ковкий чугун отличается высокой вязкостью; обозначается буквами КЧ и двумя группами цифр. Из них первая группа цифр обозначает предел прочности на растяжение в МПа·10-1, а вторая – относительное удлинение в процентах, например марки КЧ 45–7, КЧ50–5. Твердость ковких чугунов не превышает НВ320.

Легированные чугуны получают введением легирующих элементов (хрома, кремния, алюминия, марганца и др.); их маркируют буквами и цифрами, например ЧХ1, ЧХ9Н5, ЧС5Ш, где буква Ч означает чугун, Х, Н, С — легирующие элементы, а цифры — их содержание в %; буква Ш указывает на шаровидную форму графита.

Большое влияние на обрабатываемость резанием литых заготовок из серых чугунов оказывает поверхностный слой металла (литейная корка) толщиной 0,15-0,50 мм и твердостью НВ 285-321.

По мере удаления от поверхности твердость снижается до НВ 187-229. Скорость резания литейной корки на 20-30% ниже скорости резания внутренних слоев металла. Высокотемпературный отжиг чугунных отливок позволяет увеличить скорость резания в 1,5-2 раза.

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. С увеличением содержания углерода повышается механическая прочность стали и соответственно возрастает сопротивление ее резанию.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами по порядку от 0 до 6 (например, Ст3). Чем больше число в обозначении марки, тем больше в стали углерода. Качественные углеродистые стали обозначают числами, например марки 08; 10; 15; 20; 25. Цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 15 содержит углерода около 0,15%. Твердость стали не превышает НВ 230.

Автоматные конструкционные стали обозначают буквой и цифрами, например марки А11, А12, А20, А30, АС40, где А — автоматная сернистая, АС — автоматная свинецсодержащая. Временное сопротивление этих сталей находится в пределах σв=600-800 МПа для холоднотянутой и σв=400-750 МПа для горячекатаной, твердость их составляет НВ160-207. Автоматные стали отличаются повышенным содержанием серы и фосфора (до 0,35%), а также наличием свинца (до 0,35%), поэтому обрабатываются лучше, чем конструкционные стали.

Легированные стали обозначают цифрами и буквами, например марки 20Х, 40ХС, 30ХГН, 20ХНЗА. Первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы — наличие легирующих элементов. Цифрами после букв отмечено процентное содержание легирующих элементов. Буквой А в конце марки обозначают высококачественную сталь. Предел прочности этих сталей возрастает от σв=700 МПа (сталь 15Х) до σв=1300 МПа (сталь 20Х2Н4А).

Повышение содержания некоторых легирующих элементов, таких, как хром (Х), молибден (М), ванадий (Ф), вольфрам (В), никель (Н), увеличивает прочность сталей и снижает теплопроводность, что ведет к ухудшению их обрабатываемости. Кремний (С) ухудшает обрабатываемость стали из-за образования в ней силикатных абразивных включений. Заготовки из крупнозернистой стали обрабатываются лучше, чем из мелкозернистой. Условные обозначения основных легирующих элементов в марках металлов и сплавов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Условные обозначения основных легирующих элементов в марках металлов и сплавов

Элемент Символ Принятое обозначение элементов в

марках металлов и сплавов

Элемент Символ Принятое обозначение элементов в

марках металлов и сплавов

Элемент Символ Принятое обозначение элементов в

марках металлов и сплавов

черных цветных черных цветных черных цветных
Азот N А Кадмий Cd Кд Кд Рутений Ru Ру
Алюминий Аl Ю А Кобальт К К Самарий Sm Сам
Барий Ва Бр Кремний Si С Кр(К) Свинец Pb С
Бериллий Be Л Лантан La Ла Селен Se Е СТ
Бор В Р Литий Li Лэ Серебро Ag Ср
Ванадий V Ф Вам Лютеций Lu Люм Скандий Sc Скм
Висмут Вi Ви Ви Магний Mg Ш Мг Сурьма Sb Су
Вольфрам W В Марганец Mn Г Мц(Мр) Таллий T1 Тл
Гадолиний Gg Гм Медь Cu Д М Тантал Та ТТ
Галлий Ga Гл Гл Молибден М Теллур Те Т
Гафний Hf Гф Неодим Nd Нм Тербий Tb Том
Германий Ge Г Никель Ni Н Н Титан Ti Т ТПД
Гольмий ГОМ Ниобий Б Нб Тулий Tu ТУМ
Диспрозий Dy ДИМ Олово Sn О Углерод С У
Европий Eu Ев Осмий Os Ос Фосфор P П Ф
Железо Fe Ж Палладий Pd Пд Хром Cr Х Х(Хр)
Золото Au Зл Платина Pt Пл Церий Ce Се
Индий In Ин Празеодим Pr Пр Цинк Zn Ц
Иридий Ir и И Рений Re Ре Цирконий Zr Ц ЦЭВ
Иттербий Yb ИТМ Родий Rh Рд Эрбий Er Эрм
Иттрий Y ИМ Ртуть Hg Р

Цветные металлы и сплавы. Медь, алюминий, цинк, марганец, титан и другие цветные металлы широко применяют в промышленности (приборостроении, самолетостроении и др.). Однако в качестве конструкционных материалов чаще применяют их сплавы. К сплавам цветных металлов, наиболее часто обрабатываемым на токарных станках, относятся бронза, латунь, алюминиевые сплавы и др.

Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами. Бронзы обозначают буквами Бр, начальными буквами основных элементов, вошедших в сплав, и цифрами, указывающими среднее содержание этих элементов в процентах. Например, сплав БрО3Ц12С5 содержит в среднем 3% олова (О), 12% цинка (Ц), 5% свинца (С) и остальное — медь. Для лучшей обрабатываемости бронз и улучшения их антифрикционных свойств в состав бронз вводят свинец.

Латунь — сплав меди с цинком; обозначают буквой Л и двузначным числом, показывающим среднее содержание меди (остальное-цинк). Например, латунь Л62 содержит 62% меди и 38% цинка. Для улучшения обрабатываемости в латунь вводят 1-2% свинца (С), а для повышения прочности — алюминий (А), никель (Н) и другие элементы. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа (Ж), 1% марганца (М), остальное — цинк.

Алюминиевые сплавы — сплав алюминия с добавками для повышения прочности кремния, марганца, меди и других компонентов. Например, сплав марки АК.12 содержит 12% кремния, остальное — алюминий; сплав марки АК21М2,5Н2,5 — 21% кремния, 2,5% меди, 2,5% никеля, остальное алюминий. Сплав алюминия и кремния (12-13%) с добавкой железа (0,2 -0,7%), марганца (0,05-0,5%), кальция (0,07-0,2%), титана (0,05-0,2%), меди (0,03%) и цинка (0,08%) называют силумином.

Пластмассы как конструкционные материалы обладают низкими теплостойкостью (70-150°С) и теплопроводностью, которая в 200-300 раз меньше теплопроводности стали и чугуна. В состав пластмасс входят соединения, обладающие абразивными свойствами, что вызывает интенсивное изнашивание резцов по задней поверхности и затупление режущих кромок.

Твердость заготовок. Метод токарной обработки сопровождается преодолением различных свойств металла заготовок, из которых изготавливаются детали. Среди различных свойств металлов, таких как хрупкость, вязкость, твердость, упругость, пластичность и др. твердость при токарной обработке является определяющим фактором для выбора режима токарной обработки (выбор инструмента, толщины стружки, скорости резания и подачи и др.). В ряде случаев для улучшения обрабатываемости стальные заготовки подвергают термической обработке.

Термическая обработка — один из важнейших логических процессов, используемый во всех отраслях машиностроения. Термической обработкой называют тепловую обработку металлов и сплавов, при которой происходит изменение их строения, а следовательно свойств, механических свойств, которые при этом изменяются в очень широких пределах.

Процесс термической обработки состоит из трех переходов, следующих один за другим: нагрева до определенной температуры, выдержки при заданной температуре и охлаждения с различной скоростью от заданной температуры до комнатной температуры. Таким образом, процесс термической обработки зависит, прежде всего, от температуры и времени. Следовательно, любой процесс термической обработки можно изобразить в виде графика, на котором по оси ординат указывается температура, а по оси абсцисс — время (рис. 1).

График термической обработки

Рис. 1. График термической обработки

Регулируя температуру и время, можно осуществлять следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг — процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. В результате отжига в стали образуются равновесные структурные составляющие

Отжиг чаще всего является предварительной операцией термической обработки, осуществляемой с целью устранения дефектов предыдущих операций (литья, ковки и др.) либо подготовки структуры для последующей обработки резанием или закалки. Путем отжига можно изменить форму и размеры зерен структуры стали, уменьшить вредные внутренние напряжения, устранить неоднородность ее химического состава, а также наклеп и таким образом значительно улучшить свойства стали. В зависимости от того, с какой целью производится отжиг, устанавливают его режим: температура нагревания, время выдержки, скорость охлаждения.

Для получения мелкозернистой структуры проводят полный отжиг. Отжигу подвергают изделия (чаще всего из конструкционной стали), перегретые при обработке давлением или при термической обработке, а также поковки, прокат, фасонное литье. Этот отжиг производится для снятия вредных внутренних напряжений. При измельчении зерна снижается твердость стали, повышаются ее вязкость и пластичность, снижаются внутренние напряжения, улучшается обрабатываемость. Изделия из такой стали более надежны при эксплуатации.

Такой отжиг не требует высокой температуры. Изделия достаточно нагреть до температуры, при которой проявляются пластические свойства стали, т.е. до 500 — 600°С, выдержать при этой температуре некоторое время и затем медленно охладить вместе с печью.

Для сокращения времени выдержки практически отжиг ведут при 650- 680°С, т.е. при температурах ниже критических (727°С), следовательно, структурные превращения при таком отжиге не происходят. Этот вид отжига называют еще и низким отжигом или высоким отпуском.

При низком отжиге вследствие снятия внутренних напряжений достигается некоторое снижение твердости изделия. Поэтому таким видом отжига иногда пользуются для уменьшения твердости изделий с целью улучшения их обрабатываемости на станках. Следует иметь в виду, что если сталь подвергается отжигу для получения мелкозернистой структуры или зернистого цементита, то для устранения внутренних напряжений специальный отжиг не требуется. В процессе проведения указанного отжига попутно снимутся и внутренние напряжения.

Стальные заготовки и изделия тонкого сечения часто изготовляют путем штамповки, прокатки или волочения в холодном состоянии. При обработке стали давлением в холодном состоянии происходит ее наклеп — в стали заготовок образуются значительные внутренние напряжения, она становится весьма прочной и твердой и в то же время: хрупкой. Структура наклепанной стали представляет собой вытянутые в одном направлении зерна, кристаллическая решетка ее искажена.

Для того чтобы исключить вредное состояние наклепа, необходимо изменить структуру стали, устранить искажение кристаллической решетки и вместо вытянутых зерен получить равноосные зерна (примерно с одинаковыми осями вдоль и поперек зерна). Такой процесс восстановления структуры; стали называется рекристаллизацией, а вид термической обработки, при помощи которой этот процесс осуществляется, — рекристаллизационным отжигом. Такого рода отжиг выполняется при температурах 450-700°С. После непродолжительной выдержки при указанных температурах (для прогрева по всему сечению) изделие охлаждают на воздухе. В результате термической работки уменьшаются твердость и прочность стали, вместе с тем повышаются ее вязкость и пластичность

Крупные слитки легированной стали, претерпевающие при затвердевании значительную ликвацию, подвергают отжигу для устранения химической неоднородности.

Ликвация — неоднородность стали по химическому составу — может быть зональной (в отдельных частях слитка) и внутрикристаллической или дендритной (внутри отдельных кристаллов). Она неблагоприятно влияет на свойства стали, особенно на ударной вязкости в поперечных сечениях. Зональную ликвацию практически устранить невозможно. Внутрикристаллическая ликвация может быть значительно ослаблена путем отжига. Сталь нагревают до 1100-1200°С, выдерживают при этой температуре 10-15 ч, после чего медленно охлаждают вместе с печью до 200°С. Дальнейшее охлаждение производят на воздухе. На весь процесс затрачивается 80-100 ч.

При высокой температуре атомы серы, углерода и других элементов медленно перемещаются от зон, где они содержатся в большом количестве, к зонам, где их меньше. Таким образом, происходит процесс диффузии, в результате чего и выравнивается химический состав стали. Поэтому такой отжиг называют еще и диффузионным. В результате длительной выдержки при высокой температуре сталь приобретает крупнозернистое строение, что легко устраняется в процессе дальнейшей ковки или прокатки слитка. Если химическая неоднородность стали не очень значительна, она может быть устранена при горячей обработке слитка давлением без предварительного его отжига.

Диффузионный отжиг применяют в основном на металлургических заводах, выпускающих стальные слитки. Такому отжигу подвергают также некоторые стальные отливки, однако после диффузионного отжига они должны непременно пройти повторный отжиг для получения мелкозернистой структуры.

Твердость сталей после отжига находится в пределах НВ 180-270.

Нормализация — один из видов термической обработки. При нормализации стали нагревают до температуры, при которой проявляются пластические свойства стали. Выдержать при этой температуре некоторое время и затем охлаждают на спокойном воздухе для получения тонкопластинчатой перлитной структуры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением (примерно в два раза быстрее). Кроме того, этот процесс более экономичный, так как охлаждение изделий при нормализации осуществляется вне печи. Однако применять нормализацию вместо отжига не всегда возможно, поскольку у некоторых сталей после нее значительно возрастает твердость (например, у сталей, содержащих свыше 0,4% углерода). Такие стали лучше отжигать, хотя на практике их часто подвергают нормализации, а затем высокому отпуску при 650-700°С для уменьшения твердости.

Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, устранения наклепа, подготовки стали к закалке. Рекомендуют подвергать нормализации малоуглеродистые стали, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации. Для некоторых изделия нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия должны пройти высокий отпуск для снятия внутренних напряжений, образующихся при охлаждении на воздухе.

Закалка — самый распространенный и в то же время наиболее сложный вид термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что приводит к образованию значительных внутренних напряжений. При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше 800-1000°С), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах, а также с помощью металлических плит. Процесс охлаждения чаще всего применяется с целью повышения твердости и прочности стальных изделий. Закаливанию подвергают валы, шестерни, пружины, штампы, зубила, резцы, фрезы и др. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

При выборе закаливающей среды необходимо знать, как она охлаждает изделие в различных интервалах температур. Наилучшей является такая закаливающая среда, которая в интервале температур от 550 до 650°С охлаждает изделия со скоростью выше критической скорости закалки, а при температурах 200-300°С обеспечивает медленное, спокойное их охлаждение.

Твердость сталей после термической обработки находится в пределах — НRС 42-55.

Отпуском называют процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже температуры отжига, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. В процессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напряжения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

  • низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150—200°С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58-63 HRC). Его применяют преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверхностном закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости;
  • среднетемпературный (средний) отпуск осуществляют при температурах 350—500°С. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижается до 40—50 HRC, предел упругости достигает максимальной величины. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины;
  • высокотемпературный (высокий) отпуск производят при температурах 550-680°С. Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1,5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости.

Улучшению подвергают изделия из конструкционных сталей марок Сталь 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, балки передних осей грузовых автомобилей, а также болты, гайки, винты и др.), испытывающие большие нагрузки.

При отпуске некоторых легированных сталей в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вязкости, возникает отпускная хрупкость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска быстро охлаждают в масле или воде. С этой же целью сталь легируют молибденом или вольфрамом (не более 0,6%).

Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы. Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента, рекомендуют провопить непосредственно после закалки с целью предотвращения образования трещин из-за возникших внутренних напряжений. При заниженных температурах отпуска или сокращении времени выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устранения которой производится повторный отпуск. Повышенная температура отпуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повторной их закалкой с последующим отпуском.

Температуру отпуска определяют по цветам побежалости.

Старение — изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к снижению внутренних напряжений, стабилизации размеров и геометрической формы изделий.

Если старение протекает при комнатной температуре, его называют естественным, если при повышенной температуреискусственным. Старению подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения — термическое и деформационное (механическое).

Термическое старение происходит в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры. Деформационное старение протекает в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200—350°С.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий производят после предварительной механической обработки при 100—180°С с выдержкой в течение 18—35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществляют на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздействуют температурные изменения, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 мес. до 2 лет. Естественному старению подвергают станины прецизионный станков, корпусные детали весьма ответственного назначения, рамы роялей и пианино. Его результатом является снижение внутреннего напряжения, стабилизация размеров и геометрической формы изделий.

Оценка твердости заготовок для токарной обработки производится различными способами известными мастерам-профессионалам, но наиболее достоверные данные могут быть получены при измерении твердости металла заготовок с помощью приборов по методу Бринелля, обозначаемая (HB) или Роквелла, обозначаемая (HRC).

Метод Бринелля используют для определения твердости как металлов, так и полимерных материалов. Измерения осуществляют с помощью шарикового твердомера Образец (деталь) устанавливают на столике 3 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зачищенной поверхностью вверх. Поворотом вручную маховика 5 по часовой стрелке столик поднимают до упора. Нажимают кнопку 4 и включают двигатель 6, который перемещает кривошип 8 и постепенно нагружает шток 1. Под действием нагрузки, сообщаемой подвешенным к рычагу 10 грузом 9, шарик 2 вдавливается в образец. Нагрузка действует в течение определенного времени (10-60 с) в зависимости от твердости измеряемого материала (табл. 2), после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, перемещает кривошип и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя поворотом маховика 5 против часовой стрелки опускают столик прибора и снимают образец. Время приложения нагрузки регулируется по шкале 7 реле двигателя. После испытания на образце остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой имеется шкала с ценой делений от 0,05 до 0,1 мм. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 5—10 мм). Измерения выполняют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Показателем твердости будет средняя из полученных величин.

При измерении твердости поверхностей крупных деталей (направляющие чугунных станин) используют переносную лупу. Отпечатки на поверхности деталей образуются шариком, по которому в приспособлении производится тарированный удар.

Твердость по Бринеллю (НВ) — отношение нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка:

Твердость по Бринеллю

где Р — нагрузка, действующая на шарик, в кгс; F — поверхность отпечатка, в мм2; D — диаметр вдавливаемого шарика, в мм; d — диаметр отпечатка, в мм.

При прочих равных условиях диаметр отпечатка d зависит от твердости металла. Чем выше твердость испытуемого металла, тем меньше диаметр отпечатка. Твердость измерят при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Испытания вдавливанием шарика проводят с металлами небольшой и средней твердости (например, твердость стали должна быть не более 450 НВ).

Схема прибора Бринелля

Рис. 2. Схема прибора Бринелля

Для измерения твердости поверхностей более 350 НВ применяют приборы, которые производят измерение твердости по глубине пирамидального отпечатка — метод Виккерса.

Твердость по Виккерсу (HV) — отношение нагрузки на стандартную пирамиду при вдавливании ее вершины в исследуемый материал к площади поверхности пирамидального отпечатка.

Твердость по Виккерсу

где D — диагональ отпечатка.

Для измерения твердости поверхностей более 350 НВ применяют приборы, которые производят измерение твердости по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика — метод Роквелла.

Твердость по Роквеллу (HRC) — условная характеристика, значение которой отсчитывается по шкале прибора для измерения твердости.

Схема прибора Роквелла

Рис. 3Схема прибора Роквелла

Этот метод позволяет изменять нагрузку в широких пределах без изменения значений твердости. Прибор (рис. 3) для измерения твердости по Роквеллу имеет столик 4, установленный в нижней части неподвижно станины. В верхней части станины укреплены индикатор 8 и шпиндельный узел 7, в котором имеется наконечник с алмазным конусом 6 (с углом при вершине 120°) или со стальным шариком диаметром 1,59 мм. На индикаторе 8 нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки — большая (указатель твердости), вращающаяся по шкале, и маленькая, по которой устанавливается величина предварительной нагрузки, сообщаемой вращением маховика 3.

Плоская поверхность испытуемого образца, в которую вдавливается конус или шарик, должна быть тщательно отшлифована. Противоположная параллельная поверхность также должна быть ровной, зачищенной. Поворотом маховика 3 по часовой стрелке поднимают столик 4 таким образом, чтобы наконечник мог вдавливаться в поверхность установленного образца.

При дальнейшем подъеме столика приходят в движение стрелки на индикаторе. Подъем столика продолжают до тех пор, пока малая стрелка не примет вертикальное положение (красная точка на индикаторе). Это означает, что наконечник вдавился в образец под действием предварительной нагрузки, равной 100 Н (10 кгс). Предварительное нагружение проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений.

Когда образец получит предварительную нагрузку, равную 100 Н, большая стрелка на индикаторе примет вертикальное или близкое к нему положение. Для обеспечения точности измерения необходимо, чтобы большая стрелка совпала с нулем на черной шкале индикатора. Если большая стрелка не совпадает с нулем, не меняя величину предварительного нагружения и, следовательно, не вращая маховик, поворачивают шкалу (круг) индикатора барабаном 2 через тросик 5 таким образом, чтобы нуль на черной шкале индикатора совпал с большой стрелкой. Отклонение стрелки от вертикали допускается в пределах ±5 единиц шкалы.

Плавным движением нажимают клавишу 1, которая приводит в действие привод механизма приложения основной нагрузки, определяемой грузом 9. Один груз на рычаге сообщает образцу дополнительную нагрузку 500 Н (50 кгс), следовательно, общая нагрузка составит 600 Н (60 кгс), два груза — 900 Н (90 кгс) при общей нагрузке 1000 Н (100 кгс), три груза — 1400 Н (140 кгс) при общей нагрузке 1500 Н (150 кгс). На приборе указана общая нагрузка. При приложении нагрузки большая стрелка перемещается по шкале влево, против часовой стрелки. Время приложения основной нагрузки — 5—7 с. Стрелка возвращается в обратную сторону автоматически при снятии основной нагрузки (предварительная нагрузка остается). Цифра, которую указывает на шкале индикатора большая стрелка, является показателем твердости по Роквеллу. Записав эту цифру, поворачивают маховик против часовой стрелки, опускают столик прибора с образцом и снимают тем самым предварительную грузку.

Для каждой детали рекомендуется проводить не менее трех испытаний. С помощью прибора измеряют глубину отпечатка от алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубинами отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Твердость по Роквеллу возрастает с увеличением твердости материала, что позволяет сравнивать показатели твердости по Роквеллу и по Бринеллю. Вместе с тем твердость по Роквеллу не имеет той размерности и того физического смысла, который имеет твердость по Бринеллю.

Однако показатель твердости по Роквеллу можно пересчитать на показатель твердости по Бринеллю с помощью диаграммы (рис. 4) или таблиц, построенных на основании многочисленных экспериментальных работ.

Диаграммы для перевода показаний твердости по Бринеллю и Роквеллу

Рис. 4. Диаграммы для перевода показаний твердости по Бринеллю и Роквеллу: а — при вдавливании алмазного конуса; б — при вдавливании стального шарика.

Твердость по Роквеллу можно измерять алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кгс); в этом случае значение твердости характеризуется цифрой, на которую указывает стрелка на черной шкале С индикатора; твердость обозначается HRC; например, 65 HRC означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале С с нагрузкой 1500 Н (150 кгс).

Алмазным конусом с нагрузкой 1500 Н (150 кгс, HRC) измеряют твердость: закаленной или низкоотпущенной стали (твердостью более 450 НВ), т.е в условиях, когда вдавливание стального шарика (по Бринеллю или Роквеллу) в твердый материал может вызвать деформацию шарика и искажение результатов; материалов средней твердости (более 230 НВ), так как испытание алмазным конусом осуществляется быстро и приводит к меньшему изменению измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю; тонких поверхностных слоев, но толщиной более 0,5 мм (например, цементированного слоя).

Твердость по Роквеллу также можно измерять алмазным конусом с общей нагрузкой 600Н (60кгс); в этом случае значение твердости также характеризуется цифрой, на которую указывает стрелка на черной шкале С индикатора, но твердость обозначается HRA; твердость HRA можно перевести в твердость HRC по формуле:

Алмазным конусом с нагрузкой 600 Н (60 кгс, HRA) измеряют твердость очень твердых металлов (более 70 HRC), например твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большей нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза, также твердых поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) и тонких образцов (пластинок).

Твердость по Роквеллу также можно измерять стальным шариком с общей нагрузкой 1000 Н (100 кгс); в этом случае значение твердости характеризуется цифрой, на которую указывает стрелка на красной шкале В индикатора; твердость обозначается НRB.

Стальным шариком с нагрузкой 1000 Н (100 кгс, HRB) определяют твердость мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8-2 мм, т.е. в условиях, когда измерение твердости по Бринеллю, выполняемое шариком большего диаметра, может вызвать смятие образца.

Выбор шкалы (А, В или С) производится по табл. 2. Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика, толщина образца — не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Таблица 2. Условия для выбора шкалы при испытаниях твердости металлов

Примерная твердость Обозначение шкал прибора для испытания по Роквеллу Тип наконечника Нагрузка, кгс Допу каемые пределы измерения твердости по шкале Роквела
По Бринеллю

НВ

по Виккерсу

HV

До 240 60-240 B Стальной шарик 100 25-100
240-670 240-900 C Алмазный конус 150 20-67
375-670 390-900 А « » 60 70-85

Твердость следует измерять не менее чем в трех точках (особенно алмазным конусом), т.е. не менее трех раз на одном образце. Для расчета лучше принимать среднее значение результатов второго и третьего измерений и не учитывать результат первого измерения. Для определения твердости по Роквеллу требуется меньше времени (30-60 с), чем по Бринеллю, причем результат измерения виден на шкале (указан стрелкой).

При измерении твердости по Роквеллу остается меньший отпечаток на поверхности детали. Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) при нагрузках 600 и 1500 Н (60 и 150 кгс) измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превышающую толщину этих слоев. Вместе с тем с увеличением твердости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего снижается точность измерения (особенно металлов твердостью более 60 RC). Для этих целей иногда применяют приборы типа суперроквелл, с помощью которых измеряют твердость при меньшей нагрузке и с меньшей глубиной вдавливания. Предварительная нагрузка при этом составляет 30 Н (3 кгс). Каждое деление шкалы индикатора такого прибора соответствует глубине вдавливания, равной 1 мкм. Поэтому чувствительность данного прибора заметно выше.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *