第1章 基础知识.docx
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第1章基础知识
第一章基础知识
工具和机械是人类征服自然的产物,它们的不断发展和日益完善,标志着人类对自然征服力量的加强。
俗话说,手巧不如家什妙,在生活和生产活动中,了解、掌握并熟练地运用各种工具和各类机械,对于发展国民经济、提高生产效率、改善生活质量都具有十分重要的意义。
‘五金工具及小型机械’这门课程是介绍各种五金工具和小型机械的用途、规格、制造材料及结构原理的一门课程,学习好这门课程,对我们今后的生活、工作都将是非常有用、十分重要的。
在介绍各种五金工具和小型机械之前,我们先讲一下有关五金工具和小型机械方面的基础知识。
第一节标准及常用计量单位
一、关于标准
我们去商店买鞋,说出号码,买回来就可以穿,不用亲自去试;设备上的螺钉丢了,找一个相同规格的,拧上就行了。
随着工业的发展、社会的进步、人民生活水平的日益提高,为了提高生产效率、规范生产活动、方便人民生活,世界各国逐渐形成了各自的地方标准、行业标准、国家标准。
为便于国际间的交流和协作,也逐步形成了一些国际标准。
我国的标准,早期分为国家标准、部标准和企业标准三级。
自1984年起,有一部分部标准改用专业标准代替。
自1989年起,根据我国标准化法的规定,将我国标准改分为:
国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。
另外,再按标准性质,将国家标准和行业标准分为强制性标准和推荐性标准两类。
有关保障人体健康,人身财产安全的产品,以及法律法规规定执行的标准,均是强制性标准,其它是推荐性标准。
我国国家标准和行业标准的标准号,由该标准的代号和二组数字组成。
例如:
GB193-81(规定了普通螺纹的规格和表示方法)
GB-国标二字的汉语拼音字头;
193-标准的顺序号;
81-发布年号,1981年发布;
从1993年起,发布年号改为以四位数表示,如:
GB/T4440-1998(规定了活扳子的长度、最大开口宽度和试验扭矩)
T-推荐性标准;在标准代号之后,中间用斜线‘/’隔开。
国家标准代号还有:
GBn-国家内部标准;GBJ-国家工程建设标准;GJB-国家军用标准。
行业标准代号有几十个:
JB-机械行业标准;QB-轻工行业标准;
NY-农业标准;DL-电力行业标准;等等。
地方标准、企业标准及原专业标准、原部标准等都有规定的代号,这里就不一一例举了。
国际标准也有代号,如IEC-国际电工委员会标准。
各个国家都有自己的标准:
JIS-日本工业标准;ANSI-美国国家标准。
二、常用计量单位及其换算
国际单位制是我国法定计量单位的基础,一切属于国际单位制的单位都是我国的法定计量单位。
我国法定计量单位除了属于国际单位制的单位而外,还包括可与国际单位制单位并用的我国法定计量单位。
1.长度单位
制式名称符号换算
公制米m
分米dm1m=10dm
厘米cm1m=100cm
毫米mm1m=1000mm;1cm=10mm
英制英尺′
英寸″1′=12″;1″=25.4mm
英分(分)1″=8英分(1英分=1/8″=3.175mm)
注:
分(英分)是我国工厂的习惯称呼,英制中无此单位。
2.质量、体积单位
制式名称符号换算
英制磅lb(LB)1磅=0.4536kg
公制升l(L)1升=1分米3
毫升ml1毫升=1厘米3;1升=1000毫升
注:
人民生活和贸易中,质量习惯称为重量。
毫升旧时也称cc。
3.力和压力单位
名称符号换算
牛(牛顿)N1牛=0.101972千克力
千克力kgf1千克力=9.80665牛
兆帕MPa1兆帕=10.1972千克力/厘米2
注:
我国在日常生活中,习惯将千克力中的力字省掉;
1兆帕=1牛/毫米2;1mm汞柱=133.322帕;
1标准大气压=0.1兆帕=760mm汞柱=10米水柱
4.其它符号的含义
sec(second)-秒;min(minute)-分;
h(hour)-小时;r/min-转数/分;
max(maximum)-最大;min(minimum)-最小;
(1克拉=0.2克;主参数:
表征机床、工具性能的主要数据叫第一主参数,简称主参数。
而表征性能的次要数据叫第二主参数)
第二节金属材料及热处理
绝大多数的五金工具和小型机械都是用金属材料制成的,它们应用在不同场合,各自有不同的用途。
譬如断线钳用于切断较粗的、硬度不大于洛氏硬度30度(HRC30)的金属线材,断线钳的用途要求它刃口锋利,并且在剪切金属丝时不崩刃、不卷刃,这就要求制造断线钳的材料硬度高、韧性好,并且不要太脆。
我们用的卡尺,是一种测量工具,要求它硬度高、耐磨、不变形,这样才能保证计量准确、经久耐用,脆性大一点也没关系。
因此我们要用不同性能的材料来制造不同用途的工具,而且要在满足使用要求的前提下,价格要低,才能被大家接受,才有销路。
另外,我们经常接触到高碳钢、低碳钢、合金钢等金属材料,它们是怎么分类的?
各自都有什么特性?
下面就给大家介绍一下金属材料与热处理的一般知识。
一、金属材料及钢的分类
㈠.金属材料分类
1.按组成成分分类
⑴纯金属:
指由一种金属元素组成的物质,目前工业上采用的甚少。
⑵合金:
指由一种金属元素与另外一种或几种元素组成的物质,如钢就是铁碳合金,黄铜就是铜锌合金。
由于合金的各项性能一般优于纯金属,因此在工业上合金的应用比纯金属广泛得多。
2.按实用分类
⑴黑色金属:
指铁和铁的合金,如铸铁、钢和铁合金。
⑵有色金属:
又称非铁金属,指除黑色金属以外的金属与合金,如铜、铝、铜合金、铝合金、硬质合金等等。
㈡钢的分类
钢铁是以铁和碳两种元素为主组成的合金,碳的含量<2.11%的称钢,>2.11%的称为生铁或铸铁。
钢的分类方法很多:
按化学成分分:
有非合金钢、低合金钢、高合金钢。
按含碳量分:
有低碳钢、中碳钢、高碳钢。
按冶炼时脱氧程度分:
有沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。
按用途分:
有结构钢、工具钢、特种用途钢。
按含有其它合金元素的多少分:
有碳素钢和合金钢。
二、强度和硬度
强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
我们拉断同样粗细的铅丝和铁丝,用的力不一样,铁丝的强度比铅丝的高。
硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力。
常用的硬度指标有布氏硬度(HBS)和洛氏硬度(HRC),我们接触洛氏硬度更多一些,譬如,前面说过断线钳标定的能切断金属丝的直径,规定金属丝的洛氏硬度不大于HRC30,国家标准规定机用锯条工作部分硬度应≥HRC60。
布氏硬度,是用一定的压力把硬钢球压入金属表面,压力与压痕表面积之比,称为布氏硬度,用HBS表示。
洛氏硬度,是用一定的压力将金刚石园锥压头或硬钢球压入被测零件表面,以压入深度来计算的硬度值,压痕愈深,硬度愈低。
实际测定时,可直接从洛氏硬度计的刻度盘上读出被测零件的硬度,洛氏硬度用HRC表示,常简写为RC。
注:
(洛氏硬度也有用HRA和HRB表示的,分别称标尺A和标尺B,HRC称作标尺C。
HRA是用600N压力(1N=0.102kg)将金刚石园锥压头压入零件表面求得的硬度值。
HRB是用1000N压力将φ1.59mm的钢珠压入零件表面求得的硬度值。
HRC是用1500N压力将金刚石园锥压头压入零件表面求得的硬度值)
三、碳素钢
碳素钢简称碳钢,是碳的含量在0.0218%—2.11%之间,并含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金。
这几种元素不是特意加进去的,而是在炼钢时,从原料和燃料中带进去的杂质。
在碳素钢中加入一些锰、硅、铬、镍、钨、钒、钛等元素,就变成了合金钢。
在钢铁材料中,碳素钢占有很大的比重,碳素钢与合金钢相比,冶炼简便,加工容易,价格低廉,所以应用非常广泛。
1.碳素钢的分类
碳素钢有多种分类方法,现将几种主要的分类方法简述如下:
⑴按碳的含量分类
①低碳钢—C≤0.25%
②中碳钢—0.25%<C<0.6%
③高碳钢—C≥0.6%
⑵按钢的质量分类(按有害杂质硫、磷的含量划分)
1普通碳素钢—S=0.035%—0.05%,P=0.035%—0.045%
2优质碳素钢—S≤0.035%,P≤0.035%
3高级优质碳素钢—S=0.02%—0.03%,P=0.025—0.03%
⑶按用途分类
1碳素结构钢—用于制造机械零件或工程结构件的碳钢,碳的含量大多在0.7%以下。
2碳素工具钢—用于制造各种工具(如量具、刃具、模具等)的碳钢,其碳的含量大多在0.7%以上。
2.优质碳素结构钢
我们常见的30#钢、45#钢等号钢,它们都属于优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢的牌号由两位数字构成,它表示钢中含碳量的万分数,45#钢就是含碳量为万分之45(0.45%)的优质碳素结构钢,若钢中锰的含量较高,且不是特意加入的,则在后面加‘Mn’,如65Mn表示含碳量万分之65,且锰含量较高的优质碳素结构钢。
10#、15#、20#钢属于低碳钢,韧性较好,常用来制造受力不大、韧性要求较高的零件,如螺钉、螺母、法兰盘等。
30#、45#、50#钢属于中碳钢,经调质处理后(即淬火后高温回火),有良好的综合力学性能,是受力较大的机器零件理想的原材料,主要用于制造截面尺寸不大的齿轮、连杆及轴类零件。
60#以上的钢属于高碳钢,经热处理后,有高强度和良好的弹性,适于制造弹簧、钢丝绳等弹性零件及耐磨零件。
3.碳素工具钢
碳素工具钢是指碳的含量为0.65%—1.35%的优质高碳钢。
在碳素工具钢中加入一些合金元素,如铬、钨、硅、锰等,即成合金工具钢。
碳素工具钢的牌号以‘碳’字汉语拼音字头‘T’与其后面的一组数字组成,数字表示钢中含碳量的千分数,高级优质钢在钢号后加‘A’,如T7表示含碳量为千分之7(0.7%)的碳素工具钢。
T10A表示含碳量为千分之10(1%)的高级优质碳素工具钢。
碳素工具钢随着碳含量的增加,其硬度和耐磨性也随着增加,而韧性则逐渐下降,应用场合也因之不同。
碳素工具钢的热硬性低(在高温下仍能保持高硬度的特性),只有200℃—300℃,所以只能用于制造一些低速、手用工具,如锉刀、手用铰刀、丝锥、板牙等。
T7、T8一般用于要求韧性稍高的工具,如冲头、錾子(凿石头的凿子)、简单模具、木工工具等。
T9、T10、T11用于要求中等韧性、较高硬度的工具,如手用锯条、丝锥、板牙等。
T12、T13具有高的硬度和耐磨性,但韧性低,用于制造量具、锉刀、钻头、刮刀等。
四、合金钢
在碳素钢的基础上,为了改善钢的性能,在冶炼时有目的地加入一些锰、硅、铬、镍、钨、钒、钛等合金元素,就成了合金钢。
合金钢与碳素钢相比,有很多优点,一是力学性能好(如抗拉强度提高等),二是热处理时淬透性好(钢淬火后所能获得淬硬层深度的能力。
淬透性越好,淬硬层越深),三是某些合金钢还有特殊的物理、化学性能(如无磁性、不生绣等),因此它可用于一些特殊的场合。
但是,合金钢冶炼较困难,价格较高,所以只有当碳素钢不能满足要求时才使用。
1.合金钢的分类
合金钢的种类很多,它有两种分类方法:
⑴按用途分
①合金结构钢—主要用于制造工程结构件(如房屋、桥梁、船舶、车辆、铁道、军事工程等)及各种机械的零件;
2合金工具钢—用于制造各种工具;
3特殊性能钢—具有特殊性能和专门用途的钢,如轴承钢、不锈钢等。
⑵按合金元素的含量分:
1低合金钢—合金元素总含量≤5%;
2中合金钢—合金元素总含量为5%—10%;
3高合金钢—合金元素总含量>10%。
2.合金工具钢
⑴牌号的表示方法:
数字+化学元素符号+数字
如:
9Mn2V(9锰2钒)、Cr12(铬12)
9—第一位为含碳量的千分数,含碳量为千分之9。
当含碳量≥1%时不标出,如Cr12表示含碳量≥1%
Mn2—锰的含量为2%,Cr12表示铬的含量为12%。
合金元素直接用化学元素符号表示,后面的数字表示合金元素含量的百分数,合金元素含量<1.5%的不写数字。
V—后面没有数字,表示钒的含量<1.5%。
⑵用途
合金工具钢的含碳量较高(其含量为0.5%—0.9%),合金元素总量较少(主要有铬、硅、锰等)。
与碳素工具钢比,合金工具钢在热硬性、硬度、耐磨性等方面并无显著改善,因此很少用它制造高速切削用刀具。
量具是机械制造过程中控制加工精度的测量工具,如卡尺、千分尺等,它们在使用时,常与被测工件接触,受到磨损和碰撞,因此量具应该有高的硬度、有良好的耐磨性、高的尺寸稳定性以及足够的韧性,因此要用有这些特性的材料来制作。
简单的量具如卡尺、直尺、样板、量规等,采用T10A、T11A、T12A等优质碳素工具钢或Cr2、9SiCr(9硅铬)等合金工具钢制造。
形状复杂精度要求高并且要求耐磨的工具,如量块、塞规、环规、样板、丝锥、板牙等,采用热处理变形小的CrWMn(铬钨锰)、CrMn(铬锰)或滚动轴承钢制造。
需要耐冲击的工具,如风动工具、錾子、冲模等,采用耐冲击的5CrW2Si(5铬钨2硅)等制造。
3.高速工具钢
高速工具钢也叫高速钢,是一种含钨、铬、钼、钒较多的高合金钢,合金元素含量达10%—25%。
热处理后具有较高的强度、硬度(HRC63—70)、韧性和耐磨性,它的热硬性(在高温下仍能保持硬度的特性)比碳素工具钢、合金工具钢都高,用它制成的刀具以较高的切削速度进行切削加工时,仍能保持刃口锋利,故称‘高速钢’。
高速钢是一种综合性能好,应用范围广的刀具材料。
高速钢品种很多,主要有W18Cr4V(钨18铬4钒)和W6Mo5Cr4V2(钨6钼5铬4钒2)。
高速钢主要用于制造成型车刀、麻花钻、铰刀、铣刀、螺纹刀具和齿轮刀具(滚刀、插齿刀)等。
在国外钨较贵,所以W18Cr4V在国外用得不多,世界上各先进国家已不使用,我国也逐渐减少使用。
五、硬质合金
硬质合金是将碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)的粉末与金属钴(Co,粘结剂)相混合,经加压成型,烧结而制成,它是一种非铁合金。
硬质合金具有很高的硬度和热硬性(可达800—1100℃),有良好的耐磨性,并且有较高的抗压强度,所以它可在高转速下切削坚硬金属和非金属材料,切削速度比高速钢高几倍甚至几十倍,它可以加工高速钢刀具所不能加工的材料。
由于硬质合金的硬度高(HRC74—81)、脆性大,因此耐冲击性和抗振性差,故经常制成一定规格的刀头、刀片,镶焊在刀体上使用。
常用的硬质合金主要有:
钨钴类、钨钛钴类和钨钛钽(tan)钴类
1.钨钴类硬质合金(YG)
钨钴类硬质合金由碳化钨(WC)和钴(Co)组成,它的牌号用‘硬’‘钴’两字汉语拼音字头‘YG’加钴的百分含量表示。
如YG8表示含钴8%,其余92%是碳化钨的硬质合金。
钴是黏结剂,因此钴的含量愈高,硬质合金的强度愈高、韧性愈好,而硬度愈低、耐磨性愈差。
钨钴类硬质合金的韧性、磨削性能和导热性较好,主要用于加工脆性材料(如铸铁)和有色金属,也用于制造地质钻探和煤层开采用的凿岩工具。
常用的牌号有YG3、YG6、YG6X、YG8。
含钴量高的适用于冲击振动大的粗加工,含钴量少的适用于工作条件平稳、连续的精加工。
牌号最后字母X表示细晶粒合金,因此YG6X要比YG6硬度高、耐磨性好。
此外,由于YG类硬质合金与钢发生黏结的温度较低,所以不宜用于切削钢材料。
2.钨钛钴类硬质合金(YT)
钨钛钴类硬质合金的牌号用‘硬’‘钛’两字汉语拼音字头‘YT’加碳化钛的百分含量表示,如YT15,表示含碳化钛15%的硬质合金,其它成分是碳化钨及钴(WC~79%,Co~6%)。
钨钛钴类硬质合金是在钨钴类硬质合金中加入了碳化钛(TiC),使其耐磨性提高,但其低温脆性较大,因此不适合加工脆性材料,而适用于高速切削一般钢材。
钨钛钴类硬质合金的常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30。
碳化钛的含量越高,硬质合金的硬度和耐磨性就越高,而强度越低、韧性越差,适于工作条件比较平稳的精加工;含碳化钛越少,其强度与韧性越高,故适用于冲击振动大的粗加工。
当加工含钛的不锈钢或钛合金时,不宜选用YT类硬质合金刀具,这是因为刀具中的钛元素与被加工材料中的钛元素会严重地发生黏结现象,加剧刀具磨损。
3钨钛钽(tan)钴类硬质合金(YW)
它是在YG类或YT类硬质合金中添加碳化钽(TiC)而成,这类合金的硬度、耐磨性、热硬性、韧性都很高,适用于加工铸铁和非铁金属,也可以加工钢。
但由于价格较贵,主要用于其它刀具难以加工的材料,常用牌号有YW1和YW2。
下面列出各类刀具材料的硬度和热硬性以及常用硬质合金牌号的选用,供比较和参考。
表1各类刀具材料的硬度和热硬性
材料种类硬度(HRC)耐热性(即热硬性)
碳素工具钢60~65200~250℃
合金工具钢60~65300~400℃
高速钢63~70600~700℃
硬质合金74~81800~1100℃
表2常用硬质合金牌号的选用
牌号用途
YG3铸铁、非铁金属及合金的精加工、半精加工。
切削时不能承受冲击载荷
YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工和半精加工
YG6铸铁、非铁金属及其合金的精加工、半精加工
YG8铸铁、非铁金属及其合金、非金属材料的粗加工,也可用于断续切削
YT30碳素钢、合金钢的精加工
YT14、15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工和精加工,也可用于断续切削时的粗加工
YT5碳素钢、合金钢的粗加工。
可用于断续切削
YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工料及钢、铸铁的精加工与半精加工
YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工料及钢、铸铁的粗加工与半精加工
此外还有非金属刀具材料,如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼等。
随着科学技术的不断发展,新的刀具材料也将不断涌现。
六、钢的热处理
钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却,改变钢的内部组织,从而得到所需要性能的加工方法,它与其它加工方法(切削、铸造、压力等)不同,热处理只改变零件的金相组织和机械性能,而不改变它的形状和大小。
热处理不仅能提高材料的耐磨性和强度,从而延长零件的寿命和提高产品的质量,同时也可用较便宜的一般钢材代替较为贵重的合金钢。
根据加热、保温和冷却的方式不同,热处理可分为退火、正火、淬火、回火及化学热处理等基本方法。
1.钢的普通热处理
⑴退火。
退火是将钢加热到临界温度(一般为710~750℃)以上,经保温一段时间后,在炉中缓慢冷却下来。
退火的目的是消除内应力、降低硬度,退火能使钢的组织变得均匀,使钢变得柔软,可改善切削加工性能。
⑵正火。
也是将钢加热到临界温度以上,保温一段时间后,在空气中冷却。
正火的冷却速度比退火稍快,正火件的强度、硬度比退火要高。
正火的目的是增加强度与韧性,减少内应力,改善切削性能。
⑶淬火。
淬火是将钢加热到临界温度以上,保温一段时间,然后放入油、水或者盐水中快速冷却下来。
淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。
⑷回火。
钢件淬火后必须要回火,回火就是将淬火钢重新加热到某一低于淬火时的温度,经保温后再冷却到室温。
淬火钢回火的目的在于消除淬火后的脆性和内应力,稳定钢件的组织,提高钢的塑性和冲击韧性
(根据不同的要求,回火有低温回火(150—250℃)、中温回火(350—450℃)和高温回火(500—650℃),在生产中常把淬火后进行高温回火的热处理称为调质)。
⑸调质。
淬火后高温回火称为调质,调质的目的是使钢获得高的韧性和强度,很多重要零件是经过调质处理的。
2.钢的表面热处理
许多零件,如齿轮、凸轮、曲轴等,不仅要求表面具有高的硬度和耐磨性,还要求心部具有足够的韧性。
表面热处理是仅对工件表层进行热处理,它包括表面淬火和化学热处理两类。
⑴表面淬火
表面淬火是指工件表面迅速加热到淬火温度,而不等热量传到中心就迅速冷却,从而使工件的表层变得硬而耐磨,而心部仍保持原来的韧性较好的组织。
表面淬火加热工件的方法主要有感应加热和火焰加热两种。
⑵化学热处理
化学热处理是将工件置于化学介质中加热保温,使工件表面渗入某种元素以改变其化学成分组织和力学性能。
最常用的化学热处理方法有渗碳和渗氮两种。
①渗碳。
是将碳原子渗入工件表层,提高表层组织中碳的含量,经淬火及低温回火,使工件表层具有高的硬度和耐磨性。
②渗氮。
是将氮原子渗入工件表层,形成氮化层。
它具有比渗碳更高的表面硬度、耐磨性和热硬性,并且不再需要淬火强化。
3钢的表面处理
许多机械零件和工具,为了防止其在使用时表面受到腐蚀或者为了增加表面的美观,常对其进行适当的处理,使其表面生成一层均匀而致密的氧化膜。
从而提高表面的抗腐蚀性能,而且氧化膜所具有的光泽也增加了美观。
目前常用的表面处理方法有氧化和磷化。
氧化是将工件置于氧化剂溶液中加热,使零件表面很快生成一层均匀而致密的氧化膜。
若使用的氧化剂是亚硝酸钠,得到的氧化膜呈蓝褐色,光泽较好,俗称发蓝(如日本世霸工具中有些机床夹具就做了发蓝处理)。
若使用的氧化剂是硝酸钠,得到的氧化膜呈深黑色,俗称发黑(如鑫达工具中,有的内六角扳手就做了表面发黑处理)。
磷化是把工件放入磷酸盐溶液中进行处理,使金属表面生成一层磷酸盐薄膜。
磷化层抵抗腐蚀能力很强,电绝缘性也很高,所以可用它作为工具和机械零件的保护膜(如世达的双口尖尾棘轮扳手,表面就进行了磷化处理)。
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