В огромном мире металлов несколько специальных марок стали стали незаменимыми рабочими лошадками в машиностроительных цехах. Их предсказуемое поведение, широкая доступность и экономические преимущества делают их идеальным выбором для широкого спектра применений. Но что это за материалы и что делает их такими популярными? Что еще более важно, когда инженеру или дизайнеру следует выйти за рамки этих стандартов и найти альтернативное решение?
В этом руководстве рассматриваются наиболее распространенные
виды сталей для механической обработки, их свойства, области применения и ключевые аспекты механической обработки. Затем мы рассмотрим ряд разумных альтернатив, если в вашем проекте требуется иное соотношение производительности, стоимости и технологичности.
Идеальный выбор: Низкоуглеродистые «Мягкие» стали
Когда в конструкции используется «сталь» без дополнительных спецификаций, часто используется низкоуглеродистая марка, которая отвечает всем требованиям. Эти стали являются основой общего производства и механической обработки благодаря превосходному балансу свойств и низкой стоимости.
1. Углеродистая сталь 1018
Если и есть на свете король обрабатываемых сталей, то это сталь марки 1018. Эта марка используется практически в каждом механическом цехе. Это низкоуглеродистая сталь с небольшим содержанием марганца, обладающая фантастическим сочетанием ударной вязкости, пластичности и прочности в холоднотянутом состоянии.
Почему это так распространено:
- Отличная обрабатываемость: 1018 обеспечивает гладкую, чистую поверхность и относительно легко обрабатывается режущими инструментами.
- Превосходная свариваемость: Низкое содержание углерода позволяет легко выполнять сварку любым стандартным способом, не требуя предварительного или последующего нагрева.
- Высокая формуемость: Его легко сгибать, обжимать и формировать, что делает его универсальным для сложных производств.
- Экономичность и доступность: Он легко доступен в широком ассортименте типоразмеров и является одной из самых доступных марок стали.
Соображения по механической обработке:
Несмотря на высокую обрабатываемость, его мягкость может привести к «липкому» резанию. Использование острых инструментов с положительными углами наклона и соответствующих смазочно-охлаждающих жидкостей является ключом к достижению наилучшей чистоты поверхности и предотвращению образования наростов на кромке.
Типичные области применения:
Валы, штифты, шпиндели, крепежные детали, монтажные пластины и конструктивные элементы общего назначения, не требующие высокой прочности.
2. Сталь А36
Несмотря на то, что A36 известен в первую очередь как конструкционная сталь для зданий и мостов, он также часто подвергается механической обработке, особенно для изготовления крупных деталей. Он ценится за свою прочность и, прежде всего, за свариваемость.
Почему это так распространено:
- Непревзойденная свариваемость: Сталь A36, пожалуй, является одной из самых простых в сварке.
- Хорошая прочность: Он обеспечивает достаточную прочность для большинства конструктивных и общемеханических применений.
- Самая низкая стоимость: Зачастую это самый дешевый вариант стали из доступных, особенно в листовом и конструкционном исполнении.
Соображения по механической обработке:
Обрабатываемость A36 в разных партиях может быть разной. Как правило, он более мягкий и тягучий, чем 1018, поэтому для удаления стружки и получения качественной отделки требуются более низкие скорости резания и более острые инструменты.
Типичные области применения:
Конструктивные рамы, опорные плиты, кронштейны и крупногабаритные приспособления, стоимость и свариваемость которых являются основными факторами.
Если Вам нужна более прочная сталь: Среднеуглеродистые и легированные стали
Когда в какой-либо области применения требуются более высокие показатели прочности, твердости и износостойкости, проектировщикам приходится выходить за рамки применения мягкой стали.
3. Среднеуглеродистая сталь 1045
1045 — это следующий логический шаг по сравнению с 1018. Являясь среднеуглеродистой сталью, она обладает значительно более высокой прочностью и твердостью. Ее наиболее важной характеристикой является способность к термообработке.
Почему это обычное обновление:
- Поддается термической обработке: Может подвергаться закалке и закалочному отпуску для достижения сквозной твердости около 55-60 HRC, что делает его намного более прочным, чем низкоуглеродистая сталь.
- Хороший баланс свойств: Обеспечивает отличное сочетание прочности, износостойкости и ударной вязкости после термообработки.
- По-прежнему доступный: Он остается относительно недорогим вариантом для применений, требующих улучшенных механических свойств.
Соображения по механической обработке:
В нормированном или отожженном состоянии 1045 хорошо поддается механической обработке, хотя и немного прочнее, чем 1018. После затвердевания его становится очень трудно обрабатывать, и для достижения окончательных размеров обычно требуется шлифовка или точение.
Типичные области применения:
Шестерни, оси, шпильки, коленчатые валы и детали механизмов, для которых требуется хорошее сочетание прочности и ударопрочности.
Разумные альтернативы: когда следует отступить от стандарта
В то время как обычные стали удовлетворяют широкому спектру потребностей, оптимальный дизайн часто требует поиска специализированных альтернатив. Правильный выбор зависит от конкретных приоритетов проекта: скорости производства, коррозионной стойкости, веса или чрезвычайной прочности.
Альтернативное решение №1: Для крупносерийного производства
Материал: Сталь 12L14, пригодная для механической обработки
Эта низкоуглеродистая сталь содержит свинец (L), который действует как внутренняя смазка и способствует разрушению стружки. В результате получается материал, который можно обрабатывать на удивительно высоких скоростях.
Когда выбирать: Выбирайте 12L14 для крупносерийного производства на токарных станках с ЧПУ или швейцарских станках Swiss, где время цикла является самым важным фактором стоимости. Это обеспечивает более высокие скорости, более длительный срок службы инструмента и превосходную чистоту поверхности «после обработки».
Компромисс: 12L14 обладает плохой свариваемостью, а его механические свойства не подходят для применения в условиях высоких нагрузок.
Альтернативное решение №2: Для повышения коррозионной стойкости
Материал: Нержавеющая сталь марки 303
Когда деталь подвергается воздействию влаги, химикатов или внешних воздействий, углеродистая сталь ржавеет. 303 — это аустенитная нержавеющая сталь, специально разработанная для обработки на станках благодаря добавлению серы.
Когда его следует выбирать: Идеально подходит для фитингов, крепежных деталей, валов и медицинских или пищевых компонентов, где ржавчина недопустима. Он обладает превосходной коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью в семействе нержавеющих сталей.
Компромисс: сталь 303 значительно дороже углеродистой стали и не поддается термической обработке. Кроме того, она подвержена упрочнению при механической обработке.
Альтернативное решение №3: Для обеспечения высокой прочности и ударной вязкости
Материал: Легированная сталь 4140
Когда прочность даже термообработанной легированной стали марки 1045 недостаточна, можно использовать предварительно закаленную легированную сталь марки 4140. Как хромомолибденовая сталь, она обладает превосходной ударной вязкостью, усталостной прочностью и износостойкостью.
Когда его выбирать: Используйте 4140 для применений с высокой нагрузкой, таких как автомобильные оси, гидравлические валы, оснастка высокого давления и промышленные механизмы, где надежность при больших нагрузках имеет решающее значение.
Компромисс: сталь 4140 дороже и сложнее в обработке, чем углеродистая сталь, поэтому требуются более жесткие станки и надежная оснастка. Сварка требует специальных процедур предварительного и последующего нагрева.
Альтернативное решение №4: Для обеспечения высокого соотношения прочности и веса
Материал: Алюминий 6061-T6
Иногда лучшей альтернативой стали является вовсе не сталь. Алюминий марки 6061-T6 обладает плотностью, примерно в три раза меньшей, чем у стали, при отличном соотношении прочности и веса.
Когда стоит выбирать: выбирайте 6061-T6, если вес является критическим фактором при проектировании, например, в аэрокосмической промышленности, робототехнике или автомобилестроении. Он также обладает естественной коррозионной стойкостью и может обрабатываться намного быстрее, чем любая другая сталь.
Компромисс: алюминий не такой прочный, как сталь, и обладает меньшей износостойкостью. Кроме того, он дороже обычных углеродистых сталей по весу.
Вывод
Наиболее распространенные для обработки стали, такие как 1018 и A36, заслужили свой статус не просто так: они универсальны, неприхотливы и экономичны. Однако по-настоящему оптимизированная конструкция выходит за рамки стандартного выбора. Понимая конкретные преимущества и компромиссы между альтернативами — от молниеносной обрабатываемости 12L14 до высокой прочности 4140 и легких характеристик алюминия — инженеры и машинисты могут принимать более разумные решения в отношении материалов, которые идеально соответствуют функциональным и финансовым целям их проекта.