Надтверді інструментальні матеріали

Самим твердим інструментальним матеріалом є алмаз. В інструментальному виробництві він використовується для оснащення лезових та абразивних інструментів. При виготовленні лезових інструментів необхідно враховувати анізотропність алмазу, тобто різну величину міцності і твердості в різних напрямках кристалу. Крім високої твердості алмаз має високу зносостійкість, добру теплопровідність і малий коефіцієнт тертя.

Тонке точіння алмазними різцями може забезпечити шорсткість поверхні до Ra = 0,025 мкм. Разом з цим він дуже крихкий і дорогий. Інструменти, оснащені алмазом, найбільш доцільно застосовувати для тонкого точіння і розточування кольорових сплавів та пластмас.

Для виготовлення інструментів частіше використовуються штучні алмази, які мають значно меншу вартість. Синтетичні алмази АСБ – баллас (АСБ-5, АСБ-6) рекомендуються для обробки кольорових сплавів з підвищеним вмістом кремнію, склопластиків, пластмас. Так при обробці склопластиків зносостійкість балласу в 70…80 разів вища зносостійкості твердих сплавів ВК2, ВК3М. Балласи використовують для оснащення різців, свердл, фрез та для виготовлення абразивних інструментів. Синтетичні алмази АСПК – карбонадо (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3) рекомендуються для обробки особливоміцних сплавів. Монокристалеві алмази САМ високоефективні при обробці напівпровідникових матеріалів, радіотехнічної кераміки, кольорових сплавів з високим вмістом кремнію.

Кубічний нітрид бору (КНБ) по твердості близький до синтетичних алмазів і має теплостійкість в два рази вищу ніж в алмазів (до 1600 ^○С). На основі КНБ створені композиційні інструментальні матеріали (композити). Так композит 01 (ельбор-Р), композит 02 (бельбор), композит 10 (гексаніт-Р) мають масову частку КНБ не менше 95 %. Композит 05 має 40…50 % КНБ та 50–60 % Al₂O₃, ZrO₂ та інші. Композити використовується для виготовлення абразивних інструментів, які призначені для обробки високоміцних і жаростійких сталей та сплавів, доводки твердосплавних інструментів після заточування і для оснащення лезових інструментів.

Композити є якісно новим інструментальним матеріалом. Чим вище твердість оброблюваного матеріалу, тим більш ефективне застосування різців і фрез, оснащених композитами. Враховуючі те, що лезові інструменти з композитів можуть працювати з глибиною різання до 5 мм, певний припуск можна зрізувати після термічної обробки. Це важливо для деталей, схильних до деформацій під час термообробки.

Інструменти, оснащені композитом, можуть працювати з високими швидкостями різання, що дає можливість значно підвищити продуктивність праці. При цьому різці з композитів забезпечують шорсткість обробленої поверхні R_a < 0,63…1,25 мкм і 7…8 квалітети точності.

Шляхом спікання КНБ, AlВ₂, Al₂N, Al₂O₃ з жароміцними сплавами отримують композиційний матеріал киборит, який забезпечує точіння чавунів, гартованих і високолегованих сталей без подальшого шліфування.

Тема 2.8 Сплави кольорових металів.

Сплави міді. Склад, структура, властивості, маркування та використання латуней і бронз

Латунями називають сплави міді з цинком. Вони бувають простими (якщо містять лише мідь і цинк) і багатокомпонентними (коли містять крім міді а цинку інші хімічні елементи). Технічне застосування мають латуні з вмістом цинку до 45%.

У марках однофазних латуней записують літеру "Л" і число, що показує середній вміст міді у відсотках. У марках легованих латуней крім числа, що показує вміст міді, записують літери та числа, які вказують на наявність певного елемента і його вміст у відсотках. Алюміній у латунях позначають літерою "А", нікель — Н, олово — О, свинець — С, фосфор — Ф, залізо — Ж, кремній — К, марганець — Мц, берилій — Б, цинк — Ц. У деформівних латунях записують спочатку всі літери, а потім числами через дефіс — вміст легуючих елементів, наприклад, ЛАН59-3-2 міс­тить 59% Сu, 3%А1 і 2%Nі. У марках ливарних латуней вміст міді не пишуть, а після літери "Л" записують літери та числа — відсотки наявних елементів, наприклад, ЛЦ40МцЗА містить 40% Zn, 3% Мn, 1% А1 і 56% Сu.

Бронзами називають сплави міді з усіма елементами, крім цинку, який може бути наявним у невеликих кількостях як ле­гуючий елемент. Назву бронза отримує за основним, крім міді, компонентом (олов'яниста, алюмінієва, кремниста, свинцева, берилієва тощо).

Найпоширенішою і давно відомою є олов'яниста бронза. Сто­літтями застосовували машинну або гарматну бронзу з вмістом олова 9...12%, художню — 3...8% Sn, монетну — 4...5% Sn, а та­кож бронзу для дзвонів з 20...25% Sn. Практичне застосування мають бронзи з вміс­том олова до 10%. З метою здешевлення і для поліпшення технологічних властивостей олов'янисті бронзи легують цинком, свинцем, нікелем і фосфором.

Деформівні однофазні бронзи маркують літерами "Бр" (брон­за), літерами "О, Ц, С, Ф, Н" і числами через дефіс, що показують вміст відповідно олова, цинку, свинцю, фосфору та нікелю у відсотках, наприклад, БрОЦС 4-4-2,5 містить 4% Sn, 4% Zn s 2,5% Рb. Ці бронзи мають високі електропровід­ність, корозійну стійкість та антифрикційні властивості, а також пружні властивості і опір втомі. Тому з них виготовляють круглі та плоскі пружини в точній механіці (годинники), елект­ротехніці, хімічному машино­будуванні та інших галузях.

У марках ливарних бронз вміст кожного легуючого елемента пишуть одразу після літери, наприклад, БрОЗЦ7С5Н1 містить 2,5...4,0% Sn, 6,0...9,5% Zn, З...6% Рb і 0.5...2,0% Ni. Ливарні бронзи мають високі антифрикційні влас­тивості (БрОЗЦІ2С5, БрО4-Ц4С17, БрО10Ц2). Висока корозійна стійкість бронз в атмосферних умовах, у мор­ській та прісній воді дає змо­гу використовувати їх для пароводяної арматури, що працює під тиском. Сучасні технології литва да­ють змогу арматурі витриму­вати тиск до 30 МПа.

Замінником дорогих олов'янистих бронз є алюмінієві. Вони мають дещо вищі механічні властивості, високу рідкоплинність, дещо більшу усадку, доб­ру герметичність і малу схильність до дендритної ліквації. Однофазні бронзи (БрА5, БрА7) мають високу пластичність і одночасно високу міцність (σ_в = 400...450 МПа, δ = 60%). З них виготовляють електричні контакти та хімічно стійкі деталі. Двофазні алюмінієві бронзи частіше ливарні, мають високу міцність (σ_в = 600 МПа) і твер­дість (> 100 НВ). Їх можна термічно зміцнювати.

Чисті алюмінієві бронзи мають також чимало недоліків: ве­лику усадку, схильність до газонасичення і окиснення під час плавлення, крупно кристалічну структуру, погано піддаються паянню. Для усунення цих недоліків алюмінієві бронзи легу­ють залізом, нікелем і марганцем.

Залізо модифікує алюмінієві бронзи, підвищує їх міцність, твер­дість і антифрикційні властивості, зменшує схильність до крихкості. Термічна обробка легованих залізом бронз, напри­клад БрАЖ9-4 (нормалізація або гартування і відпускання), дає змогу підвищити твердість до 175... 180 НВ. З них вигото­вляють корозієстійкі гвинти, вали тощо. Нікель поліпшує тех­нологічні та механічні властивості алюмінієво-залізистих бронз при звичайних і підвищених температурах. З алюмінієво-залізисто-нікелевих бронз виготовляють деталі, які працюють у важких умовах стирання при високих температурах (400...500°С): сідла клапа­нів, напрямні втулки випускних клапанів, деталі насосів і тур­бін, шестерні та інші деталі. Високі механічні властивості харак­терні для алюмінієво-залізистих бронз, легованих дешевшим марганцем (БрАЖМц10-3-1,5). З них виготовляють жаростійкі деталі.

Кремнисті бронзи характеризуються високими механічни­ми, пружними та антифрикційними властивостями. Вони добре зварюються і паяються, за­довільно обробляються різанням і мають низькі порівняно з іншими бронзами та латунями ливарні властивості. Для підви­щення ливарних властивостей їх легують цинком, марганцем і нікелем. Свинець поліпшує анти­фрикційні властивості та оброблюваність різанням. Кремнисті бронзи використовують замість дорожчих олов'янистих для ви­готовлення антифрикційних деталей

Берилієві бронзи мають дуже високі межі пружності і міцнос­ті, твердість і корозійну стійкість разом з підвищеною стійкістю до втоми, повзучості та спрацювання. Ці бронзи жароміцні до 310...340°С, мають високу тепло- і електропровідність, добре зварюються точко­вим і шовним зварюванням, практично не зварюються плав­ленням. З берилієвих бронз (БрБ2) виготовляють дуже відпові­дальні пружини (карбюраторів, бензонасосів), пружні контак­ти, мембрани, деталі, що працюють на стирання (кулачки, шес­терні, черв'ячні колеса), підшипники ковзання для високих те­мператур, швидкостей і тисків. Берилієва бронза є іскробезпечним матеріалом (не створює іскор при ударі по каменю чи металу). Тому з неї виготовляють електричні контакти та удар­ний інструмент для роботи у вибухонебезпечних умовах (ін­струменти гірників). Основним недоліком берилієвих бронз є їх висока вартість. Тому 0,1...0,3% Ве замінюють Мn, Nі, Ті, Со (БрБНТ1,7; БрБНТ1,9) без зниження механічних властивостей.

Свинцеві бронзи поєднують в собі високі антифрикційні властивості з високою теплопровідністю, ударною в'язкістю і втомною міцністю. Тому з них виготовляють високонавантажені підшипники ковзання для високих швидкостей (авіаційні та дизельні двигуни, потужні турбіни). Такі бронзи містять до 25...30% Рb. Для підвищення міцності та твер­дості ці бронзи легують розчинними у міді оловом, нікелем, марганцем (Бр СН60-2,5).

Сплави міді з нікелем називають мельхіорами (20...30% Ni, решта мідь), куніалями (5...15% Ni, 1,2...3,0% Аl), нейзільберами (13,5...16,5% Ni, 18...22% Zn або 1,6...2,0% Рb). Усі вони корозіє­стійкі в атмосфері, морській та прісній воді, багатьох органіч­них рідинах, розчинах солей тощо, а також немагнітні.