Содержание углерода в чугуне и стали: Содержание углерода в чугуне

1. Черные металлы

Черные металлы включают в себя все сплавы, основными элементами которых являются железо, чугун, а также углеродистая, легированная, нержавеющая и инструментальная сталь.

1.1. Сталь

Сталь как таковая представляет собой сплав железа и углерода. Основное различие между чугуном и сталью заключается в содержании углерода: вплоть до 1,5% в стали и до 4% в чугуне. Элементы сплава, применяемые в стали, выполняют специфические функции, и диапазоны их концентрации придают специфические свойства различным сортам стали. Углерод определяет предельно достижимую твердость стали. Стали с низким содержанием углерода (0,20%) могут иметь максимальную твердость около 325 HRC (твердость С по Роквеллу). Там, где требуется высокая твердость, эти стали могут насыщаться углеродом, т. е. подвергаться термической обработке (поверхностно упрочненная сталь). Стали со средним содержанием углерода (вплоть до 0,5%) могут быть полностью закалены СО + HRC. Марганец, ванадий, хром и молибден очень эффективно повышают твердость стали, но в отличие от марганца они также образуют стойкие карбиды. Эти элементы придают повышенную стойкость к износу, но этот эффект приводит к увеличению количества требований к условиям обработки.

1.2. Инструментальные стали

Эти стали трудно поддаются категорированию. Они применяются для получения сплавов под давлением, подшипников, узлов и деталей, подверженных износу, и строительных элементов.

1.3. Быстрорежущая сталь (HSS)

Раньше при резании металлов применялись высокоуглеродистые стали. Этот сорт способен развивать высокую твердость, но склонен к быстрому размягчению при термической обработке. Добавка вольфрама и хрома к высокоуглеродистой стали позволила повысить твердость и стойкость к размягчению при нагреве, что значительно увеличило скорость резания. Эти стали недавно стали называть быстрорежущими. По сравнению с этой группой другие классы инструментальных сталей менее важны для операций резания.

1.4. Нержавеющие стали

Нержавеющие стали характеризуют по их графическим структурам: ферритная, марженситная и аустенитная. Самой высокой стойкостью к коррозии обладают аустенитные серии, за ними следуют ферритные. Марженситные сорта обычно обладают самой низкой стойкостью к коррозии.
     Основным способом улучшения стойкости сталей к коррозии является создание стабильной защитной оксидной пленки. Принято считать, что минимальное содержание (13%) хрома необходимо для образования защитной оксидной пленки.

1.5. Чугун

Чугун обладает хорошими механическими свойствами и легко поддается обработке благодаря его уникальной микроструктуре. Распространено мнение о том, что чугуны являются сплавами железа, углерода и силикона. Углерод обычно содержится в чугуне в пределах от 2 до 4%, а кремний — в пределах от 1 до 3%. В зависимости от формы избыточного углерода чугуны подразделяют на три вида: серый чугун, белый чугун и ковкий чугун. Чаще всего встречается чугун с избыточным углеродом в форме графитовых чешуек, такой чугун называют серым.

2. Алюминий

2.1. Влияние типа алюминиевого сплава

Тип материала обрабатываемого изделия играет важную роль наряду с условиями механической обработки. Ковкие алюминиевые сплавы Поскольку эти сплавы содержат грубые абразивы, следует выбирать самые высокие скорости резания (минимум 100 м/мин) во избежание образования наваривания режущих кромок. Важнейшими параметрами для обработки ковких алюминиевых сплавов являются тип стружки и отделка поверхности. Тенденция материала к «смазыванию» может быть снижена с помощью острого режущего инструмента, высоких скоростей резания, хорошего охлаждения и крупных углов скоса.

Свободнорежущие материалы
Свободнорежущие материалы характеризуются наличием добавок тяжелых металлов, которые способствуют разрушению стружки. Так же как у плавких алюминиевых сплавов, эти критерии относятся и к выбору материалов режущего инструмента, и к скоростям резания.

Алюминиевое литье
Поскольку алюминиевое литье не содержит кремния и структурно однородно, его можно считать свободнорежущим алюминием и сплавами ковкого алюминия. Большие трудности могут возникнуть при обработке материалов, содержащих алюминиевое литье и кремний.

Сплавы алюминия и кремния
Алюминиево-кремниевые сплавы склонны к навариванию режущих кромок. Если они не находятся в ковочном состоянии, то наваривание режущих кромок может произойти в случае, когда материал содержит более 5% силикона. Проблема наваривания режущих кромок достигает своего пика в том случае, когда содержание кремния находится в пределах от 8 до 12% (кремниевые сплавы), т. е. когда структура почти эвтектическая. Наваривание режущих кромок постоянно снижается и полностью исчезает при содержании кремния около 22%. Если эти цифры сравнить с применением алюминиевого сплава в Германии, то четко можно видеть, что 80% алюминиевых сплавов содержат кремний в таком количестве, при котором механическая обработка затрудняется и вызывает наваривание режущих кромок (табл. 1). Следует также помнить, что хотя содержание кремния выше 12,7% и снижает проблему наваривания кромок и способствует разрушению стружки, оно также намного увеличивает износ режущего инструмента. Это означает, что водо-смешиваемые СОЖ должны не только обеспечивать хорошее охлаждение, но и достаточную смазку для удовлетворения требованиям, предъявляемым к обработке алюминия.

Гипоэвтектический сплав (<12,7% кремния)
При обработке гипоэвтектического алюминия никаких проблем с отделочной об работкой и образованием стружки не возникает. Абразивность повышается пропорционально увеличению содержания кремния, в связи с чем необходимо применение СОЖ.

Эвтектический сплав {приблизительно 12,7% кремния)
Характерной особенностью этих алюминиево-кремниевых сплавов является их мягкость по сравнению с другими алюминиево-кремниевыми сплавами. Абразивные структурные элементы вдавливаются в материал во время обработки и поэтому не могут выполнить свою абразивную роль. Износ режущего инструмента, который они вызывают, аналогичен износу чугуна. В отношении отделки поверхности эти сплавы обладают «смазочным» действием, так же, как и ковкие алюминиевые сплавы.

Гиперэвтектический сплав (> 12,7% кремния)
Очень высокий износ режущего инструмента, вызываемый такими материалами, делает необходимым применение СОЖ с высокими смазочными способностями. Хотя наваривание острых кромок и редкое явление, зато образование «фальшивой стружки» встречается довольно часто.

2.2. Поведение алюминия во время механической обработки

Удельная энергия резания, требующаяся для алюминия, приблизительно на 24% ниже, чем для стали. Однако, благодаря намного более высоким скоростям резания, применяемым для обработки, требуются высокие термические характеристики. Поскольку теплопроводность алюминия служит для отвода тепла от передней грани резца, она также снижает накапливание тепла на режущей кромке инструмента. Модуль упругости (70 000 Н/мм²) алюминия, который почти на 1/3 ниже модуля упругости стали, а также его относительно низкий предел прочности при растяжении означает, что для проникновения резца в обрабатываемый материал требуется значительно меньше энергии. Скорости резания и их влияние на обработку поверхности Обе эти проблемы, связанные с обработкой алюминия, заключаются в наваривании режущих кромок и в образовании «фальшивой стружки». Влияние скорости резания на шероховатость поверхности показано на рис. 1

Вид кривой (экстремальности и оптимальная зона) зависит от обрабатываемого материала.

Наваривание режущих кромок
Более низкий предел скорости резания для алюминия определяется точкой, в которой происходит наваривание режущих кромок. Это обычно означает, что скоростей резания менее 90 м/м следует избегать. Если более низкие скорости резания неизбежны, например при высверливания отверстий, то необходимо принимать контрмеры. Наваривание режущих кромок зависит от значения следующих параметров:
     • скорости резания;
     • угла резания;
     • типа смазки в зоне резания;
     • скорости подачи;
     • типа алюминиевого сплава.
Меры, исключающие наваривание режущих кромок, могут включать в себя:
     • повышение скорости резания, насколько это технически возможно;
     • повышение угла резания — естественно, это возможно только до определенной степени, поскольку тонкий режущий инструмент, применяемый для хрупких материалов, может сломаться;
     • полирование поверхностей резания;
     • применение соответствующих смазочных материалов, которые способствуют транспортировке стружки и исключают наваривания режущих кромок благодаря снижению трения.

Образование «фальшивой стружки»
Лополнительная форма износа, называемая образованием «фальшивой стружки», встречается только при обработке материалов (таких, как сплавы алюминия и силикона), обладающих высокими коэффициентами износа. Высокие скорости резания вызывают возникновение высоких температур в зоне резания. Если температура повышается до такой степени, что материал обрабатываемого изделия становится пастообразным, то материал вытесняется из контактной зоны. Затем этот материал затвердевает и образует «фальшивую стружку». «Фальшивая стружка» обычно накапливается на зазорах режущего инструмента. Поскольку «фальшивая стружка» и обрабатываемое изделие находятся в контакте друг с другом, то поверхность обрабатываемого изделия повреждается. Наряду с высокими скоростями резания и большими колебаниями температур, основная причина образования «фальшивой стружки» заключается в том, что притупился режущий инструмент. Для предотвращения возникновения «фальшивой стружки» необходимо снизить скорость резания. Все меры, которые ведут к снижению температуры в зоне контакта, либо регулируют, либо полностью исключают образование «фальшивой стружки».
     Самым лучшим способом регулирования температур является применение СОЖ. К другим способам относятся изменение геометрии режущего инструмента, параметров резания, шлифование поверхности резания и применение поликристаллических режущих инструментов.

Изнашивание
Более низкие силы резания и температуры при обработке алюминия обычно приводят к снижению простоев станочного оборудования. Важным фактором изнашивания является низкое качество материалов, из которых изготовлены обрабатываемые изделия: например, наличие в них раковин, металлических и неметаллических, загрязняющих примесей и пор. Износ режущей кромки обычно сопровождается закруглением кончика режущего инструмента, а диаметр пятна износа является показателем срока службы режущего инструмента. Эрозии, так часто встречающейся при обработке стали, не бывает при обработке алюминия. Затупление режущей кромки приводит к повышению температуры в зоне резания, и если температура слишком повышается, то образуется «фальшивая стружка». Алюминий чаще всего обрабатывают карбидным режущим инструментом. При выборе наиболее подходящего типа карбида следует помнить, что P-тип, содержащий карбид титана, имеет большее сродство к алюминию, чем карбид вольфрама (K-тип), и поэтому могут возникнуть забивки. Во избежание диффузионного износа следует избирать К-тип.

2.3. Материалы режущего инструмента

Быстрорежущая сталь (WSS)
Этот сравнительно дешевый и прочный, но не очень термически стабильный материал пригоден для обработки слегка абразивных, ковких и нековких, мягких ковких сплавов и чистого алюминия. Удовлетворительные результаты могут быть также получены при обработке свободнорежущих, механически закаленных ковких материалов.

Карбиды
Применяются в большинстве случаев (более 90%) для обработки алюминия, причем наиболее популярными являются К-типы, а самым популярным — К-10. Более твердый тип К-01, обладающий большей стойкостью к износу, но менее ударопрочный, предпочтителен для обработки без таких шоковых нагрузок, как сверление и токарная обработка силиконовых сплавов. Более прочный тип К-20 идеален для таких шоковых операций, как фрезерование. Карбиды с покрытиями (карбид титана, нитрит титана) непригодны из-за их химического сродства к алюминию.

Алмазы
Последние годы алмазы приобрели большую популярность, чем карбиды для обработки гиперэвтектического алюминия, кремниевых сплавов и, до некоторой степени, эвтектических сплавов, благодаря их более высокой стойкости к износу. Поликристаллические алмазы лучше, чем многокристаллические и компактные алмазы, благодаря их превосходным характеристикам.

CBN
CBN нe может заменить алмазы для обработки алюминиево-силиконовых сплавов, потому что они обладают меньшей стойкостью к износу.

3. Магний и его сплавы

Применение сплавов магния в автомобильной промышленности успешно развивалось с середины 90-х гг. По сравнению с алюминиевыми сплавами их преимущество заключается в легкости. Что касается обрабатываемости материалов, то необходимо учитывать такие факторы, как коррозия и воспламеняемость в случае использования магния. Именно эти факторы в конечном счете определяют, какой тип СОЖ следует применять.
     При применении оксидов магния в присутствии воды в процессе окисления образуется водород, который может взорваться. И далее, при низких температурах существует опасность самовоспламенения стружки. В Германии обработка магния с применением водосмешиваемых СОЖ была запрещена инструкцией TRGS 509 до 1995 г. Причины запрета заключались не только в образовании газообразного водорода и очевидной возможности взрывов, но также в опасностях, связанных с хранением и транспортировкой стружки. В настоящее время обработка магния водосмешиваемыми СОЖ разрешена во всем мире, но только в случае, если приняты соответствующие меры предосторожности. К этим мерам относятся исключение накапливания стружки в станке и образования сплавов стружки путем подачи СОЖ под высоким давлением, а также экстракция паров для удаления водорода из цинка. При использовании водосмешиваемых СОЖ их стабильность имеет большое значение, потому что большие количества магния растворяются в жидкости во время обработки, и это приводит к резкому повышению жесткости воды. Нормальные СОЖ для алюминия и стали непригодны для обработки магния, потому что они очень быстро расщепляются в результате увеличения содержания солей. Прогрессивные СОЖ для магния сохраняют стабильность, даже если жесткость воды превышает 8500 ppm СаСO₃. Кроме того, специальные композиции могут также способствовать снижению количества образования водорода.
     Несмотря на то, что магний можно обрабатывать без СОЖ, опасность взрывов магниевой пыли настолько велика, что магний почти никогда не обрабатывают всухую. Последние годы чистые СОЖ нашли широкое применение из-за того, что риск возникновения пожаров или воспламенения этих СОЖ значительно ниже, чем вследствие взрывов водорода. Фундаментальные исследования указывают на то, что применение эфирных масел с низкими уровнями испарения и масел гидрокрекинга позволяет резко снизить риск взрывов. Испытания на взрывоопасность, проведенные в Институте технологии сгорания при университете в Карлсруэ, показали, что риски взрывов пыли магния полностью исключаются при применении СОЖ.

Проект SAMMT
Цель проекта заключалась в безопасном и высокоэффективном процессе литья магния с использованием адаптированных инструментов, СОЖ и высокоскоростного центра обработки резанием (HSC с интегрированными устройствами безопасности. Для этой цели был разработан широкий диапазон вставок с алмазным покрытием для фрезеровальных резцов, сверл и разверток. Условия нанесения покрытия, особенно предварительная обработка субстратов и геометрия, изменялись. Режущий инструмент испытывали в лаборатории. В ходе этих исследований испытывали усилия обработки, качество материала обрабатываемых изделий и износ режущего инструмента. Испытания проводили как без СОЖ, так и с применением СОЖ (чистое масло и эмульсия). Оптимизированные режущие инструменты применяли в конечных испытаниях на реальных станках в промышленных условиях в обычном высокоскоростном центре фрезерования.
     HSС-обработка магния с применением режущего инструмента с покрытием и без него широко используется в последнее время. Самая лучшая композиция водосмешиваемой СОЖ в этом проекте была успешно испытана конечным потребителем. Было выявлено, что продукт работает очень хорошо в условиях резания, однако все еще не преодолены проблемы образования солей, которые забивают фильтры, влияют на точность держателей режущих инструментов и затрудняют экологическую очистку СОЖ и стружки. Основным результатом этого проекта является заключение о возможности обработки магния с применением чистых масел по сравнению с водосмешиваемыми СОЖ.

4. Кобальт

Сплавы, содержащие кобальт, например карбиды, обрабатывают, причем СОЖ играют критическую роль как в области смазки, так и токсичности. Карбиды содержат самые высокие концентрации кобальта, и их получают спеканием или прессованием. Однако в зависимости от конечной области применения используют сочетания карбида вольфрама, карбида титана, а также тантал, молибден, ниобий, цирконий и карбиды ванадия, которые могут присутствовать в кобальтовых, железных или никелевых сплавах. Эти сплавы обладают превосходной стойкостью к износу наряду с высокой термической и коррозионной стойкостью.

4.1. Проблемы охраны здоровья и безопасности при работе с карбидами

В Германии до 1979 г. МАК (максимальная концентрация на рабочих местах) составляла 0,5 мг/м³ — до тех пор, пока эту величину не заменили на TRK (инструкция по технологической концентрации), которая составляет 0,1 мг/м³общего кобальта, содержащегося в пыли.
     Основанием для этой предельной величины служат медицинские наблюдения влияния кобальта на здоровье человека, проводимые с начала 40-х гг. Эксперименты на крысах показали, что вдыхание кобальта вызывает состояние, называемое бронхиальным фиброзом. У людей симптомы этого состояния проявляются в кашле и потере дыхания вследствие выделения обильной мокроты. Кроме бронхиального фиброза, зарегистрированы также вредоносные воздействия на сердце, кожу, щитовидную железу и на кроветворные органы. Бронхиальный фиброз признан профессиональным заболеванием в производстве карбидов в 1961 г. и при обработке карбидов с 1970 г. Исследования в области здравоохранения и безопасности показывают, что высокие концентрации кобальта содержатся в ультратонкой пыли (1,4—3,8 мкм).
     Это особенно важно для людей, потому что в легкие попадают частицы размером 5 мкм. Измерения показали, что в 92% случаев содержание кобальта находится в пределах ниже TRK-значения. Были зарегистрированы концентрации кобальта в пределах 0,005 и 0,77 мг Со/м³.
     Никаких существенных различий при сухой или мокрой обработке кобальта не установлено. Еще одно исследование, однако, указало, что уровень кобальта в моче у операторов, работающих на мокрых операциях, выше, чем у операторов, занятых сухой обработкой этого материала.
     Это приблизительно коррелирует с содержаниями кобальта в СОЖ. Поэтому абсолютно необходимо применение специальных водосмешиваемых СОЖ, которые предотвращают выщелачивание кобальта при шлифовании карбидов. Визуальным сигналом растворенного кобальта является покраснение СОЖ. Совместимые с карбидами СОЖ имеют величину рН в пределах между 8,0 и 9,0 и содержат ингибиторы, ограничивающие образование комплексных соединений кобальта. Наряду со специальными СОЖ, рекомендуется тонкая фильтрация жидкости в целях снижения продолжительности контакта шлифовального шлама с ее большой удельной поверхностью.

4.2. Применение СОЖ в процессах обработки карбидов

Последние годы чистые масла стали все более применяться для шлифования карбидов. С точки зрения машинной обработки эти масла обладают более низкой способностью рассеивания тепла, чем водосмешиваемые синтетические жидкости. В результате маловязкие продукты применяются реже. В целях безопасности на рабочих местах (температура вспышки, масляный туман и испарение масла) рекомендуется применение высококачественных базовых масел, например РАО, белых масел и углеводородных масел, содержащих сложные эфиры. Наряду с высококачественными продуктами, обладающими хорошими антикоррозионными свойствами, чистые масла не растворяют кобальт и, следовательно, с точки зрения токсичности имеют преимущества перед водосмешиваемыми продуктами.

5. Титан

Титан и сплавы титана числятся среди самых трудноподдающихся машинной обработке материалов. Например, когда обрабатывают титановый сплав TiAl₆V₄, температура резания достигает 550 °С уже при скорости резания 35 м/мин, тогда как при обработке обычных сталей эта температура достигается только при скорости резания 1502 м/мин и 1700 м/мин при обработке алюминия. Поэтому применение СОЖ с высоким содержанием присадок обеспечивает хорошие результаты во многих методах с точки зрения износа режущего инструмента. В этом случае применение СОЖ с высоким содержанием хлора даст особенно хорошие результаты. Использование широко применяемых на практике сплавов титана с высокой стойкостью к разрыву в авиационно-космической промышленности сильно ограничено подбором соответствующих СОЖ из-за возможной коррозии напряжения, вызываемой галогенами, особенно хлором и фтором. Это ограничение также принято некоторыми потребителями, которые обрабатывают титановые сплавы. В этом контексте следует также помнить, что производители титановых сплавов благоприятно оценивают свойства хлорированных СОЖ. Превосходная пригодность СОЖ и водосмешиваемых продуктов, содержащих хлорированный парафин в виде противозадирной присадки при обработке титановых сплавов, также описана в литературе. Йодосодержащие СОЖ тоже обнаруживают благоприятные свойства при обработке титановых сплавов. Однако из-за проблем, связанных с композициями, применение йода, как правило, исключается. Вышеупомянутая коррозионная чувствительность титана ограничена внутригранулярной стрессовой коррозией. В отношении других типов коррозии титан обладает благоприятными свойствами. Можно, например, доказать, что титановая коррозия начинается при намного более высоком содержании хлора, чем принято считать для CRNi сталей и алюминиевых сплавов. Что касается хлорированных продуктов, то вышеупомянутые ограничения в выборе СОЖ зависят от степени свободы и от содержания хлора в ррт-диапазоне. Обычно этим требованиям удовлетворяют только специальные продукты, разработка которых связана с крупными затратами. При работе с водосмешиваемыми СОЖ эти требования предусматривают применение полностью обессоленной воды. Однако потребитель должен тщательно обдумать целесообразность этих требований в целях оправдания затрат на СОЖ. Дальнейшие исследования привели к разработке специальных СОЖ, не содержащих хлора, с фосфорсодержащими противозадирными присадками, которые дают удовлетворительные результаты при обработке титана. Для большинства трудных операций, однако, эти СОЖ несомненно хуже хлорированных продуктов. Разработанные в последнее время специальные хлорированные эфирные масла, не содержащие углеводородов, также успешно применяются.

6. Никель и никелевые сплавы

Кроме чистого никеля, в медицине, химии, судостроении и авиационно-космической промышленности применяют Ni-Cu, Ni-Cr и Ni-Cr-Co/W сплавы специального назначения, из-за их превосходной коррозионной и высокотемпературной стойкости. Обычные названия сплавов основаны на фирменных названиях Inco, Haynes и Krupp, например Incoel-типы.
     Медно-никелевые сплавы, например Monels, давно применяются при борьбе с коррозией судового оборудования. Типичными областями применения являются установки обессоливания и лопатки паровых турбин. Ni-Cr сплавы, Nimonics и Inconel применяются в производстве лопаток и дисков для газовых турбин благодаря их высокой термической стойкости и стойкости к окислению.
     Суперсплавы никеля содержат Ni, Сг, Fe, Mo и W. Они известны под названием Hastalloy. Эти сплавы стойки к действию НС1 в качестве восстановителя и окисляющих кислот при очень высоких температурах и применяются на химических предприятиях в качестве компонентов реактивных двигателей. Эти сплавы трудно поддаются резанию при температурах > 800 °С из-за их очень высокой прочности при растяжении.
     Обрабатываемость никелевых сплавов зависит главным образом от правильного выбора материала режущего инструмента, тонкости зернения карбидных режущих инструментов и СОЖ с очень высоким смазочным эффектом. Поэтому СОЖ, содержащие большие количества модификаторов трения и присадок, улучшающих смазочные свойства, дают самые лучшие результаты в операциях по обработке никеля и их сплавов.

Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Фазовая диаграмма железо–карбид железа (Fe–Fe ₃ C). Ниже 912 °C чистое железо существует в виде альфа-фазы, феррита, имеющего структуру ОЦК. Между 912 и 1394 °C чистое железо существует в виде гамма-фазы, аустенита, имеющего структуру ГЦК. Углерод более растворим в ГЦК-фазе, занимающей область «γ» на фазовой диаграмме, чем в ОЦК-фазе. Процент углерода определяет тип сплава железа, который образуется при охлаждении из фазы ГЦК или из жидкого железа: альфа-железо, углеродистая сталь (перлит) или чугун.