Справочник от Автор24
Материаловедение

Конспект лекции
«Материаловедение. Технология конструкторских материалов. Свойства металлов, сплавов и методы их испытаний»

Справочник / Лекторий Справочник / Лекционные и методические материалы по материаловедению / Материаловедение. Технология конструкторских материалов. Свойства металлов, сплавов и методы их испытаний

Выбери формат для чтения

doc

Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкторских материалов. Свойства металлов, сплавов и методы их испытаний», doc

Файл загружается

Файл загружается

Благодарим за ожидание, осталось немного.

Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкторских материалов. Свойства металлов, сплавов и методы их испытаний». doc

txt

Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкторских материалов. Свойства металлов, сплавов и методы их испытаний», текстовый формат

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мурманский Государственный Технический Университет» Институт дистанционного обучения Иваней А.А. Материаловедение. Технология конструкторских материалов Конспект лекций для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение» Мурманск 2006 г. Введение Материаловедение – наука, представляющая собой совокупность современных знаний о способах получения различных материалов и средствах их физико-химической обработки с целью получения деталей и изделий различного назначения. Достоинством металлов и сплавов является то, что путем целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях промышленности. Несмотря на то, что с каждым годом появляется все больше полимеров и других химических материалов, металлы по-прежнему остаются основой технического прогресса. Технология металлов как наука включает сведения о металлургии черных и цветных металлов, металловедении, литейном производстве, обработке металлов давлением, сварке и резке, обработке металлов резанием. Дисциплина дает общие сведения о металлических материалах. Основные сведения о строении, свойствах металлов и сплавов и методах их испытаний При выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его состав, строение, физико-механические свойства, а также учитывать условия эксплуатации, воздействие механических напряжений и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин. 1 Черные и цветные металлы Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться. Все металлы и их сплавы в зависимости от основного компонента делят на две большие группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе, содержащие углерод и другие элементы. Эти сплавы носят название чугунов и сталей. К этой же группе обычно относятся ферросплавы. Вся современная индустрия базируется в основном на применении черных металлов. Из цветных металлов важное промышленное значение имеют: медь, алюминий, магний, свинец, цинк, олово, титан, никель, молибден, кобальт, вольфрам, тантал и др. Цветные металлы и сплавы отличаются от черных металлов рядом таких физико-химических свойств, которые делают их необходимыми в технике. Например, медь и алюминий обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью и применяются в электротехнической промышленности. Олово обладает высокой коррозионной стойкостью против многих органических кислот. Олово применяют для получения белой жести, лужения пищевых котлов, а в сплавах со свинцом с добавками меди и других примесей используют как антифрикционный, или подшипниковый сплав, называемый баббитом. Современная техника использует металлы, которые раньше не находили практического применения: галлий, бериллий, цирконий, индий и ряд других. Металлы в технике чаще применяются не в чистом виде, а в соединении с другими металлами и неметаллами, т.е. в виде сплавов, обладающих более ценными свойствами, чем составляющие их металлы. 2 Кристаллическое строение металлов и сплавов Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические. Аморфными называются твердые вещества, атомы которых в пространстве расположены хаотично. К аморфным относятся смола, клей, канифоль, стекло и др. Кристаллическими называются твердые вещества, в которых атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строгом повторяющемся порядке, образуя атомно-кристаллическую решетку. Все металлы – вещества кристаллического строения. Кроме металлов кристаллическое строение имеют соль, сахар. алмаз и другие вещества. В промышленных металлах наиболее распространенными являются следующие кристаллические решетки (см. рис. 1): кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 900 и выше 1400 0С, хром, вольфрам, ванадий и другие металлы. В кубической гранецентрированной решетке – 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют железо при температуре выше 900 0С, медь, никель, алюминий и другие металлы. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы – 17 атомов (12 в вершинах, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов. Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях друг от друга. Расстояния эти малы и вычисляются в ангстремах (Ả); 1 Ả = 10-10 м. Расположение атомов, междуатомные расстояния, насыщенность атомами – все это влияет на качество металлов. Особенность расположения атомов в кристаллах и определяет совокупность свойств металлов, отличающих их от неметаллов: металлический блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность, т.е. различие свойств в разных плоскостях кристаллической решетки. Сведения о кристаллизации металлов и сплавов Кристаллизация металлов Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Черновым Дм. Конст. (1839-1921). Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. На рис. 2 показан механизм кристаллизации. На рис. 2 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 2 а), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис. 2 б, в, г, д). На рис. 2 е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения (рис. 3) строятся в координатах температура – время. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно – кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается – на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре. Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т.е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зерна меньше. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных – крупнозернистая. Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы: железо, кобальт, олово и др. – имеют в твердом состоянии две и более кристаллических решетки при неодинаковых температурах. Существование одного и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой – аллотропическим превращением. Аллотропные формы, в которых кристаллизуется металл, обозначают буквами α, β, γ,  и т.д. Так, при температуре 1539 0С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 4); между 1390 и 910 0С устойчиво γ-железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768 0С железо из немагнитного β-железа становится магнитным α-железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки. Методы изучения структуры металлов Исследования структур металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, спектрального, термического, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной ультразвуковой). Методом макроанализа изучается макроструктура, т.е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри, и т.д., а также неравномерность распределения примесей в металле, и расположение волокна в поковках, прокате и т.д. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф - это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, протравлена и рассматривается при помощи лупы. Микроанализ – выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, рассматриваемым под микроскопом при увеличении до 2000х , а в электронных микроскопах – до 25000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, микродефекты, лежащие под поверхностью, качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины неудовлетворительности свойств металла, не производя их исследование. С помощью рентгеновского анализа изучают структуру кристаллов, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Широко применяют для исследования структуры металла гамма-лучи, проникающие в изделие на значительно большую глубину, чем рентгеновские. Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т.д.). Ультразвуковым методом осуществляют эффективный контроль качества изделий и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий. Физические свойства металлов К физическим свойствам металлов относят: цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства. Цветом называют способность металлов отражать падающие на них световые лучи. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий – серебристо-белый и т.д. Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. Плавление – процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое. Температура плавления железа 1539 0С, меди 1083 0С, олова 2320С. Теплопроводность – способность металлов тепло при нагревании и отдавать его при охлаждении. Лучшей теплопроводностью обладают чистые металлы: серебро, медь, алюминий. Теплопроводность используется при теплотехнических расчетах. Тепловое расширение – свойство металлов расширяться при нагревании. При охлаждении происходит обратное явление. Это свойство учитывают при строительстве мостовых ферм, прокладке железнодорожных рельс и др. Теплоемкость – способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. Для сравнения теплоемкостей различных металлов служит удельная теплоемкость – количество тепла [кДж], которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг металла на 1 0С. Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками – электропроводностью и электросопротивлением. Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). Магнитные свойства – способность металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Некоторые материалы по прекращению подачи тока теряют магнитные свойства. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре. Химические свойства металлов Химические свойства – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, углекислотой, влагой, щелочами и др. Чем лучше металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием окружающей среды при обычной температуре называется коррозией металлов. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур. От жаростойкости следует отличать жаропрочность, т.е. способность металлов сохранять в условиях высоких температур свою структуру, не размягчаться и не деформироваться под действием нагрузки. Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по измерению массы испытуемых образов на единицу поверхности за единицу времени. Знание химических свойств крайне необходимо при выборе металлов или сплавов для деталей и изделий. Механические свойства металлов Свойства, характеризующие способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил, называют механическими. Внешние силы (нагрузки) могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). По направлению действия силы (нагрузки) возникают деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В практике, как правило, на деталь или изделие силы воздействуют не раздельно, а в комбинации друг с другом, в этом случае возникают упругая или пластическая (сложные) деформации. Механические свойства в качестве главных включают характеристики прочности, твердости, пластичности, упругости и вязкости. Кроме того, производят испытания металлов на усталость (выносливость), ползучесть и др. Статические испытания на растяжение По этой методике определяют такие прочностные свойства металла, как предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, а также пластические свойства – относительное удлинение и относительное сужение. Для испытания на растяжение из испытуемого материала изготовляют круглые (рис. 5а) или плоские (рис. 5б) образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТ. Образцы подразделяются на нормальные и пропорциональные. Цилиндрические образцы диаметром 10 мм, у которых расчетная длина l0 равна десятикратному диаметру, именуется длинными, а образцы, у которых l0=5d, - короткими. При испытаниях на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Из числа испытательных (разрывных) машин с механическим приводом и рычажно-маятниковым силоизмерительным механизмом наиболее употребительна машина ИМ-4Р. Типичная рабочая диаграмма для пластичных материалов и сплавов, дающих площадку текучести, показана на рис. 5в; на кривых растяжения многих сплавов площадки текучести отсутствуют. Диаграмма отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд ценных качеств испытуемых металлов и сплавов. На участке О-Рпц удлинение образца Δl увеличивается прямо пропорционально нагрузке. Нагрузку Рпц, до которой сохраняется закон пропорциональности между нагрузкой и деформацией, называют пределом пропорциональности. Его определяют по формуле Мпа, где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца. На участке от Рпц до Руп диаграммы появляется остаточное удлинение образца. Для практических целей напряжение, при котором остаточное удлинение достигается 0,005-0,05 % от начальной расчетной длины образца, условились, называть условным пределом упругости. В обозначении условного предела упругости указывают остаточную деформацию, например σ0,05. Выше точки Руп кривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок при постоянной нагрузке Рт. Нагрузку Рт, при которой начинается течение металла или сплава, называют пределом текучести, а участок ТТ1 – площадкой текучести. Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке Рв, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения, называют пределом прочности – временным сопротивлением разрыву (в МПа): σв=Рв/Fo. До точки В диаграммы (рис. 5в) образец удлиняется равномерно по всей длине с одновременным уменьшением толщины. В точке В начинается образование шейки. Образец в одном месте становится все тоньше – продолжается удлиняться и, наконец, разрывается. С образованием шейки рвутся только пластичные металлы. Поэтому участок кривой ВК характеризует показатель пластичности металла. В качестве характеристики пластичности используют относительное удлинение образца. Относительным удлинением  после разрыва называют отношение приращения длины lк образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах. Показателем пластичности является также относительное сужение ψ (пси) металла, которое определяется как отношение уменьшения площади Fк поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади Fо его поперечного сечения, выраженное в процентах. Относительное удлинение и относительное сужение определяют так называемую статическую вязкость металлов и сплавов. Методы измерения твердости Твердость – это свойство металла сопротивляться при вдавливании в него более твердого тела. Испытания твердости металлов получили широкое распространение в условиях производства как наиболее простой и быстрый способ определения механического свойства. Существует три (статических) метода испытания на твердость, называемых по имени их изобретателей: метод Бринелля; метод Роквелла, метод Виккерса. Измерение твердости вдавливанием стального шарика по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием статической нагрузки (рис 6а). Отношение нагрузки Р к площади поверхности полученного отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое НВ. Диаметр отпечатка измеряют с помощью специальной лупы с делениями. Чтобы не прибегать к длительным и довольно сложным вычислениям твердости, на практике пользуются специальной таблицей, приложенной к ГОСТ, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости НВ. Измерение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в испытуемый металл с помощью прибора ТК стального закаленного шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) – для мягких металлов и сплавов или алмазного конуса с углом при вершине 1200 – для особо твердых сталей и сплавов. На индикаторе прибора ТК три шкалы: А, В и С. При испытании алмазным конусом под нагрузкой 1500 Н отсчет числа твердости производят по шкале С индикатора и обозначают НRC, под нагрузкой 600 Н – по шкале А и обозначают HRA, а при испытании стальным шариком под нагрузкой 1000 Н – по шкале В и обозначают HRB. Метод измерения твердости металла по Виккерсу HV принципиально не отличается от метода Бринелля. С помощью прибора ТП вдавливают в металл алмазную четырехгранную пирамиду с углом при вершине α = 136 0 (рис. 6б), а затем по длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости. Этим методом пользуются для измерения твердости закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0,3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других слоев деталей. Испытания на ударную вязкость, усталость и ползучесть Важным свойством металлов является их способность сопротивляться ударным, циклическим (повторно-переменным) нагрузкам и нагрузкам при высоких температурах. Ударную вязкость определяют на маятниковых копрах, где автоматически фиксируется угол подъема маятника после разрушения стандартного образца; затем по таблице находят работу удара, затраченную на излом образца (в Дж). На некоторых типах копров работа удара (вязкость) определяют по дисковому указателю прибора. Циклические испытания на усталость проводят для тех материалов и деталей машин, которые работают при многократных повторно-переменных нагрузках: нагружение – разгружение; растяжение – сжатие и т.п. Усталостное разрушение наблюдается у пружин, рессор, валов, шатунов и др. Свойство металла противостоять усталости называют выносливостью. Испытания на усталость (выносливость) выполняют на специальных машинах в зависимости от характера работы деталей машин. Наиболее распространенными являются: машины для испытания изгибом при вращении, машины для испытания при растяжении – сжатии, машины для испытания при кручении. При высоких температурах, вызывающих ползучесть, работает большинство деталей паровых и газовых турбин (лопатки, диски, валы), трубопроводы для передачи под давлением горячих газов и паров, детали реактивных двигателей и др. Во всех этих случаях главным показателем качества применяемого металлического сплава является его стойкость против ползучести. Технологические свойства металлов Машиностроительные материалы, выбираемые для деталей машин и конструкций, должны обладать технологическими свойствами: легко поддаваться обработке режущими инструментами; хорошо заполнять литейную форму, а после охлаждения давать плотную и однородную отливку (жидкотекучесть); при сварке образовывать неразъемное прочное соединение (свариваемость); поддаваться пластической деформации от ударов или давления в холодном и нагретом состоянии без разрушения (ковкость). В ряде случаев для качественной или сравнительной оценки машиностроительные материалы подвергают технологическим пробам, т.е. испытаниям на деформации, подобные тем, которые металл испытывает в производственных условиях. Методики проведения наиболее применяемых технологических проб указаны в соответствующих ГОСТах. В качестве примеров приведем некоторые технологические пробы. Проба на изгиб выполняется для плоского, фасонного и специального проката, труб, отливок сварных швов в холодном и нагретом состоянии с целью определения способности металла принимать заданный по размерам и форме изгиб без появления трещин, надрывов, расслоения и изломом. Различают изгиб на определенный угол (рис. 7 а), до параллельности сторон (рис. 7 б) и до соприкосновения сторон (рис. 7 в). Пробу на навивание применяют для проволоки из черных и цветных металлов диаметром от 0,2 до 10 мм. Кусок проволоки навивают вплотную на оправку заданного диаметра или на такую же проволоку. Число витков должно быть от 5 до 10 (рис. 7 г). Пробу на сплющивание труб выполняют ударами молотка (молота, кувалды) или под прессом по соответствующей методике. Образец, выдержавший пробу, не имеет трещин или надрывов. Основные сведения из теории сплавов Чистые металлы не всегда удовлетворяют требуемым свойствам, поэтому в технике широкое применение получили сплавы. Преимущество сплавов состоит в том, что они могут быть получены с почти любыми заданными свойствами. Задачей науки является - добиться получения сплавов, свойства которых отвечают требованиям самой передовой техники. Однако это не всегда возможно в земных условиях. Эксперимент по получению уникального по свойствам сплава алюминия с вольфрамом был выполнен во время советско-американского космического полета на корабле «Союз – Аполлон». В земных же условиях эти металлы не сплавляются. Металлическими сплавами называют кристаллические тела, полученные сплавлением металлов с металлами или металлов с неметаллами. Например, латунь – сплав меди с цинком, сталь и чугун – сплавы железа с углеродом. Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех, четырех и более компонентов. При затвердевании сплавов образуются различные соединения, определяющие внутреннее строение сплавов, которое резко отличается от строения составляющих их металлов. Поэтому свойства сплавов отличны от свойств их компонентов и по физико-химическим, и по механическим параметрам. В зависимости от характера соединения компонентов при затвердевании получаются различные структуры сплавов: а) механическая смесь; б) твердый раствор; в) химическое соединение. В механической смеси находятся кристаллы всех соединившихся компонентов. В твердом растворе сохраняется одна решетка того компонента, который является растворителем, атомы же растворенного компонента располагаются в решетке растворителя. В химических соединениях получаются кристаллы с совершенно новыми свойствами. От строения сплавов зависят их свойства. Так, твердые растворы хорошо закаливаются, куются, сопротивляются ударным нагрузкам; химические соединения обладают высокой твердостью; механические смеси имеют высокие литейные свойства. Фазовые превращения в сплавах Сплавы имеют более сложное строение, чем чистые металлы, и процессы их кристаллизации существенно отличаются от процессов кристаллизации чистых металлов. Основное отличие состоит в том, что сплавы кристаллизуются не при одной, строго определенной температуре, а интервале температур, т.е. имеются температуры начала и конца кристаллизации. Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называются критическими точками. Таким образом, при плавлении и затвердевании металлы имеют одну критическую точку, а сплавы – две. В интервале между этими двумя точками в сплавах существуют две фазы – жидкий сплав и кристаллы. Процессы кристаллизации сплавов играют очень важную роль: они определяют режимы термической обработки, выбор сплавов для литья, ковки и т.д. Температуры кристаллизации металлов изучены и занесены в таблицы. Сплавов с различной концентрацией компонентов можно получить тысячи. Практически изучить температуры кристаллизации каждого из них невозможно. Поэтому учеными созданы особые диаграммы состояния сплавов, в которых графически отображены характер и состояние сплавов при изменении их состава и температуры. Понятие о диаграммах состояния сплавов Диаграммы состояния сплавов дают возможность правильно выбрать сплав, характеризуют его поведение при обработке, физические и механические свойства. Существуют различные типы диаграмм состояния в зависимости от числа компонентов и строения сплава. Здесь рассматриваются диаграммы состояния сплавов из двух компонентов: свинец – сурьма, алюминий – кремний, медь – никель и другие. Диаграмма состояния 1-го рода характеризует сплавы (например, свинца с сурьмой), у которых компоненты в жидком виде полностью растворимы, а в твердом образуют механическую смесь. Для построения этой диаграммы выбирают три-четыре сплава различной концентрации, перенасыщенных либо свинцом, либо сурьмой, и на вспомогательной диаграмме температура – время (рис. 8 слева) наносят, пользуясь данными наблюдений температуры кристаллизации чистого свинца и чистой сурьмы, а также нижеперечисленных сплавов: 1. 95 % Pb; 5 % Sb; 2. 90 % Pb; 10 % Sb; 3. 87 % Pb; 13 % Sb; 4. 60 % Pb; 40 % Sb. Вначале вычерчивают кривые кристаллизации Pb и Sb (1 и 6). Свинец кристаллизуется при 327 0С, сурьма – при 631 0С. Их кристаллизация отмечена горизонтальным участком кривой. Первый сплав (кривая 2) начинает кристаллизоваться при 300 0С с выделением избыточных кристаллов свинца. Оставшаяся часть сплава бедна свинцом, значит, концентрация сурьмы в ней возрастает, и, когда она достигает 13 %, при 246 0С происходит окончательная кристаллизация (см. горизонтальный участок кривой). Второй сплав (кривая 3) кристаллизуется аналогично первому, но точка начала кристаллизации у него ниже, а кончается кристаллизация также при 246 0С, когда концентрация сурьмы достигает 13 %. Третий сплав (кривая 4) кристаллизуется полностью при одной температуре (246 0С) с одновременным выпадением кристаллов свинца и сурьмы. Четвертый сплав (кривая 5) начинает кристаллизоваться при 400 0С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. В жидком сплаве сурьмы становится все меньше, и, когда ее содержание снизится до 13 %, при 246 0С произойдет окончательная кристаллизация. Все точки начала и конца кристаллизации свинца, сурьмы и указанных четырех сплавов перенесем на основную диаграмму. Соединив все точки начала кристаллизации, получают линию АЕВ. Эта линия называется ликвидусом. Все сплавы, лежащие выше ликвидуса, находятся в жидком состоянии. Линия МЕN называется солидусом. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. В интервале между ликвидусом и солидусом имеется две фазы: жидкий сплав (ж.с.) и кристаллы одного из компонентов. В области МАЕ – жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области ЕВN – жидкий сплав и кристаллы сурьмы. Сплав, содержащий 13 % сурьмы, кристаллизующийся при одной температуре, называется эвтектическим. Он имеет самую низкую температуру кристаллизации и отличается равномерной структурой. Сплавы, содержащие менее 13 % сурьмы, лежащие влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а более 13 % сурьмы – заэвтектическими. Структуры эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов сильно различаются между собой. Эвтектика – структура с равномерно распределенными компонентами. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой имеются кристаллы свинца, в заэвтектических – наряду с эвтектикой кристаллы сурьмы. Различие структур определяет различие свойств сплавов. Для определения состояния сплава при любой температуре и нахождения точек кристаллизации с помощью диаграммы нужно из точки концентрации данного сплава восстановить перпендикуляр до пересечения с линиями ликвидуса и солидуса. Точки пересечения перпендикуляра укажут начало и конец кристаллизации. Практическое применение диаграммы свинец – сурьма находят, например, при выборе подшипникового сплава. Пользуясь этой диаграммой, установили, что наиболее пригодными для подшипниковых сплавов являются заэвтектические сплавы, состоящие из мягкой эвтектики и твердых вкраплений сурьмы. Мягкая основа несколько изнашивается, а твердые кристаллы сурьмы сохраняются, и поэтому в микроуглублениях мягкой основы хорошо удерживается смазка. Наиболее подходящими сплавами для подшипников из всех заэвтектическими оказались сплавы с содержанием 15- 20 % Sb, так как температуры кристаллизации (плавления) этих сплавов (340-360 0С) соответствуют температурам, при которых происходит заливка подшипников. Итак, по диаграмме состояния первого типа затвердевают те сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют простую механическую смесь кристаллов обоих компонентов. По диаграмме состояния второго типа затвердевают сплавы, компоненты которых обладают неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. Диаграмма 2-го рода соответствует сплавам, у которых компоненты и в жидком и в твердом состоянии образуют раствор. К ним относятся сплавы медь – никель, железо – никель и др. Диаграмма состояния медь – никель приведена на рис. 9. Кривая 1 относится к чистой меди, точка кристаллизации которой 1083 0С, а кривая 5 – к никелю, точка кристаллизации которого 1452 0С. Кривая 2 характеризует кристаллизацию 20 %-го сплава никеля (или 80 %-го сплава меди). Началу кристаллизации этого сплава соответствует точка а, когда кристаллизуется решетка меди, в которой имеется 20 % никеля. В точке b кристаллизация заканчивается. Аналогично кристаллизуется 40 %-ный (кривая 3) и 80 %-ный (кривая 4) сплавы никеля, однако точки начала (а1 и а2) и конца (b1 и b2) кристаллизации у первого сплава ниже, чем у второго. Перенеся все точки начала и конца кристаллизации меди и никеля и указанных выше сплавов на основную диаграмму (рис. 9 справа) и соединив эти точки, получим линии ликвидуса АаВ и линию солидуса АbВ. Выше линии АаВ сплавы меди с никелем находятся в жидком состоянии, а ниже линии АbB – в твердом. В зоне между АаВ и АbB имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля в меди. Диаграмма 2-го рода отличается от диаграммы 1 –го рода тем, что здесь образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава, как это наблюдается у сплавов, образующих механическую смесь. Подавляющее число металлов в жидком состоянии образует однородные жидкие растворы. При переходе в твердое кристаллическое состояние во многих сплавах сохраняется однородность, следовательно, сохраняется взаимная растворимость. Такая однородная фаза называется твердым раствором. Диаграмма состояния третьего типа рассматривает случай, когда два металла обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом растворимость в твердом состоянии уменьшается с понижением температуры (например, свинец - олово). На рис. 10 приведена диаграмма состояния для этого случая в общем виде. Линии АС и СВ соответствуют линии ликвидуса. По линии АС из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор компонента В в компоненте А (α), по линии СВ – чистый компонент В. Линия ADCF отвечает линии солидуса. Точка D характеризует предельную растворимость В и А при эвтектической температуре tэ, а точка Е – предельную растворимость компонента В в компоненте А при нормальной комнатной температуре. Следовательно, линия DE показывает изменение растворимости В и А с понижением температуры; каждая точка линии DE указывает на предел растворимости В и А (предел насыщения) при соответствующей температуре. В точке С одновременно из жидкой фазы кристаллизуется твердый раствор В в А (α) предельной растворимости (точка D) и компонент В с образованием эвтектики , т.е. механической смеси обеих фаз. Рассмотрим процесс кристаллизации сплавов 1, 2, 3. Кристаллизация сплава 1 начинается при температуре t1 и заканчивается при температуре t2. После затвердевания сплав состоит только из твердого раствора α (В и А) и при дальнейшем понижении температуры никаких превращений не испытывает. Процесс кристаллизации сплава 2 начинается при температуре t3 и заканчивается при температуре t5. Состав жидкой фазы в процессе кристаллизации меняется по линии ликвидуса, а твердой фазы по линии солидуса. Так, например, при температуре t4 состав жидкой части сплава определяется точкой а, а кристаллов твердого раствора точкой b. После окончания кристаллизации сплав 2 будет состоять только из твердого раствора α. После достижения температуры t6 твердый раствор этого состава оказывается насыщенным, а при более низких температурах – пересыщенным, что влечет за собой его распад с выделением избыточного количества металла В. Следовательно, при температуре ниже t6 сплав состоит из двух фаз: α +В. Состав α –раствора с понижением температуры изменяется по точкам линии DE и при нормальной комнатной температуре сплав будет состоять из кристаллов твердого раствора α состава, отвечающего точке Е, и кристаллов металла В. Сплав 3 начинает затвердевать при достижении температуры t7 и окончательно затвердевает при температуре tэ. В процессе кристаллизации состав жидкой части сплава непрерывно меняется по линии ликвидуса, стремясь к эвтектическому составу (точка С), а состав твердой фазы изменяется по линии солидуса в сторону предельной растворимости (точка D). Соотношение между жидкой и твердой фазой в процессе кристаллизации сплава определяется по правилу отрезков. По достижении температуры tэ состав жидкой фазы достигает эвтектической концентрации С, и сплав окончательно затвердевает с одновременным выделением из жидкой фазы кристаллов твердого раствора α (концентрации точки D) и кристаллов компонента В, образующих эвтектику. Следовательно, после затвердевания сплав будет состоять из первичных предельно насыщенных (точка D) кристаллов твердого раствора α, выделившихся в интервале температур t7 – tэ и эвтектики (αD +В), образовавшейся при температуре tэ. Вследствие изменения растворимости В в А при дальнейшем понижении температуры твердый раствор α (как свободный, так и входящий в состав эвтектики) претерпевает распад с выделением избыточного металла В. После окончательного охлаждения состав α –фазы определится точкой Е. Сплав, имеющий концентрацию, соответствующую точке С, после затвердевания будет состоять из одной эвтектики (α+В). Кристаллизация заэвтектических сплавов будет протекать совершенно аналогично сплаву 3, только вместо первичных кристаллов α будет выделяться кристаллы чистого компонента В. Свойства сплавов, как это показал Н.С. Курнаков, изменяются в области однородных твердых растворов по кривой, а в области смеси фаз - по прямой; крайние точки на прямой соответствуют свойствам предельно насыщенных твердых растворов. Как показал академик А.А. Бочвар, чем больше интервал температур, в котором происходит процесс кристаллизации, тем меньше жидкотекучесть сплава, т.е. тем хуже сплав заполняет форму, тем большее развитие получает рассеянная по всему мелкая пористость и тем выше склонность сплава к образованию горячих трещин. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы, затвердевающие в небольшом интервале температур, в частности эвтектический состав. Сплавы, имеющие структуру однородного твердого раствора, обладают высокой пластичностью и легко деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии. Пластическая деформация сплавов, имеющих двухфазное строение, связана со значительно большими трудностями. Особенно снижается пластичность при появлении в структуре эвтектики. Поэтому в сплавах, предназначенных для обработки давлением, максимум растворимости при эвтектической температуре является верхним пределом содержания компонентов. Наоборот, для обеспечения высоких литейных свойств концентрация компонентов в литейных сплавах обычно превышает максимальную растворимость в твердом состоянии при эвтектической температуре. Сплавы, обладающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии, могут быть упрочнены путем термической обработки. По диаграмме состояния четвертого типа затвердевают сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а при затвердевании образуют химическое соединение. Химическое соединение представляет собой фазы постоянного состава, обычно имеющие свою особую кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих его компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. На базе химических соединений могут образовываться твердые растворы. При образовании твердого раствора кристаллическая решетка химического соединения сохраняется, а избыточное количество атомов, например компонента В, замещает в решетке часть атомов компонента А. Нормальные валентные соединения типа Mg2Si, Mg2Sn (станнум), Mg2Pb в металлических сплавах образуются редко. В большинстве случаев образующиеся в металлических системах химические соединения не подчиняются нормальным правилам валентности. В металлических системах большое значение имеют электронные соединения. Соединения этого типа имеют совершенно определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, входящих в соединение. Так, существует ряд соединений, у которых это отношение равно 3:2, у других 21:13, у третьих 7:4. Каждому из этих соотношений соответствует и определенный тип кристаллической решетки. Все соединения, имеющие отношение числа валентных электронов к числу атомов, равное 3:2, имеют кристаллическую решетку центрированного куба. К этому типу относятся такие соединения, как CuZn (цинкумат), Cu3Al, Cu5Sn и другие, известные под названием β-фаз. Соединениям Cu5Zn8, Cu9Al4 и другим, имеющим отношение 21:13, свойственна сложная кубическая решетка; эти соединения носят название γ-фазы. Наконец, таким соединениям, как CuZn3, Cu3Sn, Cu3Si и другим, имеющим отношение 7:4, свойственна гексагональная решетка. Эти соединения носят название ε-фазы. Большая группа металлов (Fe, Cr, Mo, W, Ti и др.) образуют с углеродом, азотом, водородом, и бором, имеющими малый атомный радиус, химические соединения, которые носят название фазы внедрения. Эта группа соединений образуется при условии, если отношение атомного радиуса металлоида к атомному радиусу металла меньше или равно 0,59. В этом случае образуется соединение, имеющее формулу М4Х (Mn4N, Fe4N и т.д.), М2Х (W2N, Fe2N), MX (TiN, TiC, WC, VC) или (ZrH2). Металлические атомы в фазах внедрения образуют одну из наиболее простых кристаллических решеток (кубическую, гексагональную), в которую внедряются атомы металлоидов, занимая в ней свободные поры. Диаграмма состояния для случая, когда два компонента обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, не растворимы в твердом состоянии и образуют устойчивое химическое соединение, представлена на рис. 11. Процесс кристаллизации сплавов А-АnВm начинается при температурах, отвечающих линии АС1D; при этом по линии АС1 кристаллизуется металл А, а по линии C1D – химическое соединение АnВm. Окончание процесса кристаллизации соответствует эвтектической температуре (линия ЕС1F). Кристаллизация сплавов АnВm – В начинается при температурах, соответствующих линии DC11B; при этом по линии DC11 кристаллизуется соединение АnВm , а по линии C11B – чистый металл В. Конец кристаллизации соответствует эвтектической линии GC11K. Как видно из рис. 11, в данной системе образуются две эвтектики; одна С1, состоящая из смеси кристаллов А и соединения АnВm , и другая С11, состоящая из смеси соединения АnВm и кристаллов В. В первой системе А - АnВm доэвтектические сплавы состоят из первичных кристаллов компонента А и эвтектики С1, а заэвтектические сплавы – из кристаллов соединения АnВm и эвтектики С1. Во второй системе АnВm – В доэвтектические сплавы содержат, кроме эвтектики С11, первичные кристаллы соединения АnВm и заэвтектические сплавы – кристаллы чистого металла В. Однако следует иметь ввиду, что в подавляющем большинстве случаев чистые компоненты и химическое соединение образуют области твердых растворов в ограниченных пределах. В этом случае диаграмму следует рассматривать как сложную, состоящую из двух диаграмм эвтектического типа с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. В некоторых сплавах могут одновременно находиться механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Примером служат железоуглеродистые сплавы – сталь и чугун. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов Большое влияние на свойства железоуглеродистых сплавов оказывает не только состав, но и внутреннее строение, изменяя которое, можно добиться значительного улучшения свойств. Железоуглеродистые сплавы имеют сложное строение. Это объясняется различием их кристаллической решетки и модификаций соединений железа с углеродом. В результате этого различия образуются следующие структуры стали: феррит, аустенит, цементит и перлит. Феррит – это твердый раствор углерода в α-железе. Существуют в стали до 727 0С. Содержание углерода незначительно: максимальное количество 0,02% достигается при 727 0С, минимальное 0,006% - при комнатной температуре. Это самая мягкая структура стали: твердость НВ 80 – 100. Аустенит – это твердый раствор углерода в γ-железе. Отличается высокой растворимостью углерода, содержание которого составляет до 2% при 1147 0С; немагнитен. В углеродистых сталях аустенит начинает получаться при температуре выше 727 0С. Имеет невысокую твердость НВ 170 – 220, достаточную прочность, хорошую пластичность. Цементит (или карбид железа Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом; максимальное содержание углерода в нем 6,67%. Это самая твердая структура стали: твердость НВ 700 – 800. Перлит – равномерная механическая смесь феррита с цементитом, содержащая 0,8% углерода; может существовать в стали при температуре ниже 727 0С. Различают пластинчатый перлит с цементитом в виде пластинок, и зернистый перлит с цементитом в виде зерен. Диаграмма состояния сплавов железо – углерод В диаграмме состояния железо – углерод (цементит) рассматриваются процессы кристаллизации, протекающие в железоуглеродистых сплавах (стали и белом чугуне), и превращения в их структурах, полученные при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры (рис. 12). По вертикали откладывают температуру, по горизонтали – концентрацию углерода от 0 до 6,67 % (более 6,67 % углерода в железе не растворяется). Стали содержащие углерода до 2,14 % - это сталь, а от 2,14 до 6,67 % - чугун. Кристаллизация всех железоуглеродистых сплавов начинается при температурах, лежащих на линии АCD (ликвидус). По линии АС кристаллизуется аустенит А, по линии CD – цементит первичный Ц1. Линия AECF – является солидусом, ниже этой линии все сплавы железа с углеродом находятся в твердом состоянии. После затвердевания в железоуглеродистых сплавах образуются различные структуры. В чугуне образуется механическая смесь кристаллов аустенита и цементита Ц1. Чугун, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется при одной температуре 1147 0С. Его структура представляет равномерную механическую смесь аустенита и цементита Ц1. Такой чугун называется эвтектическим или ледебуриттным Л. Чугуны, содержащие менее 4,3 % углерода, называются доэвтектическими, их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии АС, с выделением аустенита, и кончается при температурах, лежащих на линии EF, при этом образуются структуры Л+А+Ц11. Ц11 при понижении температуры выделяется из аустенита. При дальнейшем понижении температуры из аустенита продолжается выделяться цементит Ц11 и, когда его остается 0,8 %, при температуре 727 0С аустенит переходит в перлит П. Таким образом, в доэвтектических чугунах при полном медленном охлаждении образуются структуры Л+П+Ц11. Чугуны, содержащие более 4,3 % углерода, называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается на линии CD с выделением цементита первичного и заканчивается на линии CF. При полном медленном охлаждении в заэвтектических чугунах образуется структура Л+Ц1. Следует отметить, что в составе ледебурита при температуре ниже 727 0С аустенит переходит в перлит. В практике большое значение имеют доэвтектические чугуны. Они служат для получения ковкого чугуна. Главную роль в процессах термической обработки стали играют структурные превращения. В результате затвердевания в стали образуется аустенит. При понижении температуры аустенит претерпевает вторичную кристаллизацию, связанную с изменением формы кристаллической решетки и растворимостью углерода, т. е. с выделением из аустенита феррита и цементита вторичного. В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8 %, при 727 0С аустенит распадается и образуется равномерная смесь феррита с цементитом – перлит П. Эта сталь называется эвтектоидной. Сталь, содержащая менее 0,8 % углерода, называется доэвтектоидной, а более 0,8 % - заэвтектоидной. Распад аустенита в доэвтектоидной стали начинается при температурах, лежащих на линии GS, с выделением феррита Ф. При дальнейшем понижении температуры концентрация углерода в оставшемся аустените возрастает, и когда она достигает 0,8 %, при 727 0С аустенит переходит в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали при полном медленном охлаждении получают структуры П+Ф. В заэвтектоидной стали начало распада аустенита идет по линии SE с выделением Ц11. Когда остается 0,8 % углерода, он при 727 0С переходит в перлит. Таким образом, в заэвтектоидной стали при полном медленном охлаждении получаются структуры П+Ц11. Линии GSE называется линией верхних критических точек или линией начала распада аустенита (при охлаждении). Эта линия на диаграмме обозначается Ас3 при нагревании и Ar3 при охлаждении. Линии РSK (727 0С) называется линией нижних критических точек, линией конца распада аустенита при охлаждении или линией перлитных превращений. На диаграмме она обозначается Ас1 при нагреве и Ar1 при охлаждении. Диаграмма железо – углерод имеет важное практическое значение, так как на превращениях в структурах стали и чугуна основана термическая обработка, а термическая обработка изменяет и улучшает свойства сплавов. Железоуглеродистые сплавы К железоуглеродистым сплавам относятся чугун и сталь. Чугун – самый дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными свойствами. Кроме того, он является исходным продуктом, для получения стали. Основные сведения о производстве чугуна. Доменный процесс. Продукты доменной плавки Чугун получают из железной руды с помощью топлива и флюсов. Железная руда – это горная порода, содержащая железо в количестве, выгодном для переработки. Железо в рудах находится в виде окислов (Fe2O3, Fe3O4 и др.). В составе руды имеется пустая порода (глина, песок), иногда фосфор. Топливом при производстве чугуна служит кокс и природный газ. Флюс – известняк применяется для перевода в шлак пустой породы, вредных примесей, а также для удаления золы и серы из кокса. Перед плавкой железную руду освобождают частично от пустой породы. Эффективным методом является получение агломерата путем спекания порошкообразных руд, рудной пыли с коксовой мелочью и с добавлением известняка. Чугун выплавляют в доменных печах. Устройство и работа доменной печи. Доменные печи выложены огнеупорным кирпичом, сверху покрыты стальным кожухом. Высота современных доменных печей достигает 100 м. Доменная печь состоит из 5-ти основных частей: колошника, шахты, распара, заплечиков и горна. В колошник подаются сырые материалы: руда, кокс, флюсы. В шахте происходит высушивание руд и восстановление железа. В распаре начинается плавление металла и образование шлака. В заплечиках образуется чугун и шлак. Важнейшая часть доменной печи – горн. В горне находятся фурмы – устройства для вдувания в печь горячего воздуха, который попадает из воздуховода. В нижней части горна расположены летки для выпуска шлака и летки для выпуска чугуна. На крупных доменных печах имеется три или четыре летки для выпуска чугуна, этим достигается непрерывность металлургического процесса. Подогрев воздуха до 1200 – 1300 0С производят в воздухонагревателях. Доменный процесс. Получение чугуна – сложный химический процесс. Он состоит из трех стадий: Восстановление железа из окислов; превращение железа в чугун; шлакообразования. Восстановление железа из руды идет по схеме Fe2O3→ Fe3O4→ FeO→ Fe. Часть окислов железа восстанавливается твердым углеродом кокса. Полученное железо соединяется с углеродом кокса, который растворяется в железе, или вступает с железом в химическое соединение. Получается сплав железа с углеродом. В процессе плавки в чугун попадают из руды кремний, марганец и фосфор, из кокса – сера. В результате получается сложный сплав железа с углеродом и примесями: марганцем, кремнием, серой и фосфором, называемый чугуном. Кроме чугуна в процессе доменной плавки получается шлак, он используется в строительстве. Третий продукт плавки – газ – является топливом. Чугуны. Состав, свойства, сорта, маркировка, область применения Чугун состоит из железа (до 92 %) и углерода (от 2,14 до 5 %), кроме того, имеются примеси кремния (до 4,3 %), марганца (до 2 %), серы (до 0,07 %), фосфора (до 1,2 %). Влияние примесей чугуна на его свойства Углерод в чугуне бывает в двух видах: 1. В свободном состоянии – в виде графита; 2. в химическом соединении с железом, называемом цементитом. Если углерод в чугуне находится в виде графита, чугун имеет в изломе серый цвет и называется серым; если в виде цементита – этот чугун называется белым. Кремний способствует получению серого чугуна, а марганец – белого. Сера и фосфор – вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим. Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо отливаются, плохо обрабатываются инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна. Серые чугуны – это литейные чугуны: они обладают хорошими литейными качествами – жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются износу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0,3 – 1,2 %) жидкотекучи и используются для художественного литья. Серый чугун поступает в производство в виде отливок и характеризуется прочностью и твердостью. Согласно стандарта установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00, СЧ 120-280, СЧ 150-320, СЧ180-360, СЧ 210-400, СЧ 240-440, СЧ 280-480, СЧ 320-520, СЧ 360-560, СЧ 400-600, СЧ 440-640. СЧ обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности в (МПа) при испытании на разрыв, второе - предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается. Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и другие. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износоустойчивость, или сопротивление ржавлению и т.д. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления коленчатых валов, деталей автомобилей, поршневых колец, дизелей и т.д. Специальные чугуны или ферросплавы имеют повышенное содержание кремния или марганца. К ним относится ферромарганец, содержащий до 25 % марганца; ферросилиций, содержащий 9 – 13 % кремния и 15 – 25 % марганца. Эти чугуны применяются при плавке стали для ее раскисления, т.е. для отнятия у стали вредной примеси – кислорода. Ковкие чугуны, получаемые термообработкой из белого чугуна, пластичнее серого и применяются в сельскохозяйственной технике, для звеньев цепей, тормозных колодок и т.д. Например, в марках КЧ 330-8, КЧ 370-12, КЧ 630-2 КЧ означает ковкий чугун, первое число показывает предел прочности на разрыв, второе число, стоящее после тире, - относительное удлинение в %, характеризующее пластичность. Высокопрочные чугуны применяются для более ответственных изделий, заменяя сталь. В марках ВЧ 450-5, ВЧ 600-2, ВЧ 1200-4 ВЧ означает высокопрочный чугун, а числа означают то же, что и в марках ковкого чугуна. Высокопрочный чугун получают введением в жидкий чугун магния или силикокальция. Способы получения стали из чугуна. Сталеплавильные печи. Процессы плавки Сталь – важнейший материал промышленности. Основное ее отличие от серого чугуна состоит в том, что сталь содержит меньше углерода и вредных примесей. Для получения стали из чугуна, следует удалить часть углерода и этих примесей. Основные способы, производства стали: конверторный, мартеновский и электрический. Конверторный способ. Ранее Конверторную сталь выплавляли в бессемеровских томасовских конверторах путем продувки жидкого чугуна воздухом. Теперь эти способы заменены более прогрессивным и производительным - кислородно-конверторной плавкой. Кислородно-конверторная плавка основана на продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым сверху в конвертор. Производительность конверторов достигает 350 т за одну плавку. Современный 250-тонный конвертор имеет высоту 9 м и диаметр 11 м. Конвертор установлен на станинах и имеет механизм вращения. В нижней части конвертора – глухое дно, а в верхней – открытая горловина, через которое загружают чугун, металлолом и флюсы. Схема кислородного конвертора показана на рис. 2. В горловину вводят водоохлаждаемую кислородную фурму, установленную на высоте 400-600 мм над уровнем расплава, и начинают вдувать кислород. Вначале окисляются кремний, марганец, фосфор, которые переходят в шлак. Шлак сливают. Затем вводят известь для ошлакования серы. Одновременно выгорает углерод. Процесс идет с бурным выделением тепла, поэтому топливо не требуется. Температура достигает 2500 0С. В конце плавки сталь раскисляют, т.е. отнимают кислород от FеО. Плавка в 250-тонном конверторе длится 50-55 мин. Преимущества кислородно-конверторного способа следующие: не требуется больших капитальных затрат, высокая производительность, качество стали не уступает мартеновской. Проведены работы по созданию систем автоматического управления кислородно-конверторной плавкой с помощью ЭВМ. С учетом указанных преимуществ, а также того, что в этом процессе не требуется топлива, коэффициент использования тепла составляет около 70 %; это намного выше, чем в других сталеплавильных агрегатах. Мартеновский способ. Сталь в мартеновских печах выплавляется из передельного чугуна, твердого или жидкого, и металлического лома. Иногда вместо лома используют железную руду. Вводят флюсы, главным образом известняк. Топливом служат газы: доменный, коксовальный, природный, а также мазут или нефть. Основная часть печи – рабочее пространство, ограничено сводом, подом, задней и передней стенками и головками с боковых сторон. В передней стенке имеются завалочные окна, закрывающиеся заслонками. Через завалочные окна загружают печь, берут пробы, наблюдают за процессом. В нижней части задней стенки имеется одно или два отверстия для выпуска шлака и стали. В головках печи, расположенных симметрично, имеются каналы через которые в печь поступают газ или нефть и воздух, а также отводятся продукты горения. Подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах, имеющих огнеупорную насадку с вертикальными каналами. В нижней части регенераторы сообщаются с каналами, по которым поступают газ и воздух и отходят продукты горения. Периодически переключая клапаны, меняют направление газа и воздуха и отходящих продуктов горения. Путем подогрева газа и воздуха в печи достигается температура примерно 2000 0С. Мартеновский процесс состоит в плавлении, кипении, раскислении. Во время плавления окисляются кремний, марганец, сера и фосфор. Окислы, соединившись с флюсами, переходят в шлак. Затем выгорает углерод и происходит кипение металла. В процессе кипения осуществляется химический контроль. В конце плавки сталь раскисляют. Процесс длится в зависимости от объема печи 6 –14 часов. По характеру раскисления сталь делится на кипящую, полуспокойную и спокойную. Кипящая сталь менее плотная. В ней имеются газовые включения, она применяется для неответственных деталей. В спокойной стали газов нет, она плотнее, используется для рессор, коленчатых валов. В полуспокойной стали находится немного газов, она служит для изготовления проволоки и мостовых конструкций. В ГОСТах на сталь даны индексы раскисленности стали. Кислородно-конверторный способ экономичнее мартеновского, однако, последний еще длительное время будет применяться, поэтому важно повысить его производительность и понизить себестоимость. Это достигается применением кислорода, что уменьшает расход топлива на 5–10 % и увеличивает выплавку стали на 20 – 30 %. Вторым важным фактором является создание двухванной печи (рис. 3) с целью более полного использования теплоты отходящих газов. Когда в правой ванне (II) идет нагрев и плавление твердых материалов, т.е. процессы, требующие наибольшей затраты теплоты, в левой (I) происходит продувка кислородом жидкого чугуна через трубку 1. Выделяющаяся при этом окись углерода СО направляется в правую ванну и сгорает над твердыми переплавляемыми материалами при участии О2, вдуваемого через трубку 2, превращаясь в СО2. Образующаяся теплота способствует более быстрому нагреву металла. После выпуска стали из левой ванны, в нее загружают твердые материалы, а в правую заливают чугун и начинают продувку его кислородом. Тогда теплота перемещается справа налево. Плавка в двухванных печах резко увеличивает производительность печи. Плавка в электрических печах. Электроплавка – важнейший способ получения стали высокого качества для ответственных деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конверторной плавкой. Высокая температура позволяет вводить большое количество флюсов, что обеспечивает более полное удаление серы и фосфора. Отсутствие окислительной атмосферы уменьшает содержание окиси железа в стали. В электропечи можно получить стали, легированные тугоплавкими элементами. Электроплавка производится в дуговых и индукционных печах. Производительность современных дуговых электропечей достигает 200 т за одну плавку. Сталь выплавляется из металлического лома при добавке чугуна (для науглероживания), окалины и железной руды (для окисления примесей). Флюсом служит известняк. Процесс плавки состоит в следующем. После загрузки печи к электродам подводят ток, возникает дуга с температурой 3500 0С. Начинается плавление материалов. Окисляются кремний, марганец, фосфор, т.е. все примеси, кроме серы. Окислы переходят в шлак, который сливают, после чего происходит науглероживание металла и его раскисление. Затем удаляют серу. В конце плавки сталь окончательно раскисляют и доводят до получения нужного состава. При плавке легированной стали в печь вводят специальные ферросплавы. Краткие сведения о новейших методах получения высококачественной стали Способом электрошлакового переплава (ЭШП) получают высококачественные легированные стали. Для этого слиток обыкновенной стали превращают в электрод. Вследствие сопротивления проходящему через него току выделяется большое количество теплоты, отчего электрод плавится. Каждая капля расплавленного металла проходит через слой особого жидкого шлака и очищается от вредных примесей и газов. Другой способ – плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служит плазменная дуга с температурой до 10000 0С. При использовании электронно-лучевого переплава (ЭЛП) плавление происходит под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой, с созданием в плавильном пространстве глубокого вакуума. Достоинствами всех этих способов, является возможность получения стали и сплавов очень высокой чистоты, а также бездефектность стали, применение которой резко сокращает расход металла, облегчает массу конструкций, увеличивает их надежность и долговечность. Такая сталь необходима для атомной, реактивной, космической техники. Разливка стали. Разливка стали – важная операция, в большой степени определяющая качество готового изделия. Имеются два способа разливки: в изложницы и непрерывная разливка. Разливка в чугунные формы – изложницы имеет много недостатков. Стоимость изложницы велика, крупные слитки нужно обжимать на мощных прокатных станах. Это удорожает процесс, снижает производительность. Неизбежно при этом появление в слитках дефектов, усадочных раковин. Непрерывная разливка стали имеет огромные преимущества перед разливкой в изложницы и лишена ее недостатков. При использовании этого способа сокращается цикл производства, создаются условия для механизации и автоматизации процессов, уменьшаются расходы по переделу. Схема непрерывной разливки состоит в следующем. Из разливочного ковша сталь поступает в промежуточное устройство, а затем – в кристаллизатор, охлаждаемый водой. Металл вначале кристаллизуется на дне кристаллизатора, образованном плитой – затравкой. Когда металл заполнит кристаллизатор, включают механизм вытягивания, и затравка вместе с формирующимся слитком вытягивается из кристаллизатора, попадает в зону вторичного охлаждения, продвигается вытяжными роликами, а затем газовым резаком автоматически разрезается на слитки нужной длины. Классификация стали по составу, назначению и качеству Согласно действующей по ГОСТу классификации сталь по составу делится на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом (до 2,14 %) с примесями кремния, марганца, серы и фосфора. Главным элементом, определяющим свойства этой стали, является углерод. Содержание элементов в стали (в %): Fe – 99; C – до 2,14; Mn – 0,2 - 0,8; S – до 0,07; P – до 0,07. Углерод, находящийся в стали главным образом в виде цементита, повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор – вредные примеси. Сера в виде сульфида железа вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах (при ковке, прокатке), увеличивает усталость, уменьшает коррозионную стойкость. В то же время сера улучшает обрабатываемость поэтому на станках-автоматах обрабатывается сталь с содержанием серы до 0,2%. Фосфор сообщает стали высокую хрупкость (хладноломкость) при обычных температурах. Особенно отрицательно влияет фосфор при высоком содержании углерода. Вредной примесью является также кислород. Углеродистые стали. Свойства, маркировка, применение Углеродистая сталь классифицируется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную. Конструкционной углеродистой называется сталь, содержащая до 0,6 % углерода (как исключение допускается до 0,85 %). По качеству конструкционная углеродистая сталь разделяется на две группы: обыкновенного качества и качественная. Сталь обыкновенного качества применяется для неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, труб и т.д. Качественная конструкционная сталь применяется для деталей, работающих при повышенных давлениях и требующих сопротивления удару: зубчатых колес, винтов, деталей подлежащих цементации и т.д. В качественной стали меньше серы и фосфор, чем в обыкновенной. Конструкционная углеродистая сталь выплавляется в кислородных конверторах и мартенах и подразделяется на три группы: группа А, поставляемая по механическим свойствам; группа Б, поставляемая по химическому составу; группа В, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу. Для стали группы А установлены следующие марки: Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7. Механические свойства стали группы А определяются пределом прочности и пластичностью. Таблица 1. – Механические свойства углеродистых сталей группы А Марка Предел прочности σв, МПа Твердость, НВ Относительное удлинение, ,% Ст. 0 не менее 320 - 22 Ст. 1 320 – 400 - 33 Ст. 2 340 – 420 210 31 Ст. 3 380 – 470 220 27 – 25 Ст. 4 420 – 520 240 25 – 23 Ст. 5 500 – 620 270 21 – 19 Ст. 6 600 – 720 300 16 – 14 Ст. 7 700 и более 330 11 – 10 Для стали группы Б установлены марки: БСт. 0, БСт. 1, БСт. 2, БСт. 3, БСт. 4, БСт. 5, БСт. 6. Содержание углерода (в %): БСт. 0 – не более 0,23; БСт. 1 – 0,06 – 0,12; БСт. 2 – 0,09 – 0,15; БСт. 3 – 0,14 – 0,22; БСт. 4 – 0,18 – 0,28; БСт. 5 – 0,28 – 0,37; БСт. 6 – 0,35 – 0,45. Содержание серы 0,04% , фосфора 0,05 %. Сталь группы В – улучшенная, с более высокими механическими свойствами, обозначается марками: ВСт. 1, ВСт. 2, ВСт. 3, ВСт. 4, ВСт. 5. Качественная конструкционная углеродистая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам, выплавляется в кислородных конверторах и мартенах. Согласно стандарта, установлены следующие марки качественной конструкционной углеродистой стали: 05кп, 08кп, 08сп, 08, 10кп, 10сп, 10пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г. Две цифры в марках показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г обозначает повышенное содержание марганца, который улучшает износоустойчивость. Индекс кп обозначает кипящую сталь, пс – полуспокойную, сп – спокойную. Таким образом, в стали 15 содержание углерода в среднем 0,15%, в стали 40 – 0,4%. Качественную конструкционную сталь применяют для осей, болтов, шатунов, коленчатых валов, шпинделей и т.д. К конструкционным углеродистым сталям относится и автоматная, с повышенным содержанием серы. Марки этой стали: А12, А20, А30, А35, А40. Буква А в начале марки обозначает автоматную сталь; число, стоящее за буквой А, показывает содержание углерода в сотых долях процента. Содержание серы – от 0,06 до 0,2 %, фосфора – от 0,06 до 0,15 %. Из этой стали, изготавливают на станках-автоматах мелкий неответственный крепеж. Инструментальной углеродистой сталью называется сталь, содержащая углерода 0,7 % и более. Она отличается твердостью и прочностью. Эта сталь делится на качественную и высококачественную. Марки качественной стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественной У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Буква У обозначает углеродистую инструментальную сталь. Цифры, стоящие за буквой У, показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь. Буква Г означает повышенное содержание марганца. В качественной стали содержится не более 0,03 % серы, не более 0,035 % фосфора; в высококачественной стали – 0,02 % серы, 0,03 % фосфора. По твердости качественная и высококачественная стали не различаются, но высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам. Из инструментальной углеродистой стали изготовляют зубила, молотки, напильники, сверла, отвертки, штампы и т.д. К недостаткам углеродистой стали относятся: отсутствие сочетания твердости и прочности с пластичностью; потеря твердости и прочности при 200 0С; высокий коэффициент теплового расширения; низкая коррозионная стойкость. Современная техника предъявляет к стали очень высокие требования в отношении физических, химических и механических свойств, которым углеродистая сталь не всегда удовлетворяет. Поэтому широкое применение получила легированная сталь. Легированные стали. Свойства, маркировка, применение В легированной стали наряду с обычными примесями имеются легирующие элементы: хром, вольфрам, молибден, никель, а также кремний и марганец в большом количестве. Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали экономит металл, повышает долговечность изделий, увеличивает производительность. В прогрессивной технике эта сталь имеет решающее значение. Легирующие элементы отказывают разносторонние влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, уменьшает ржавление; никель дает высокую прочность и пластичность, коррозионную стойкость; ванадий повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию; кобальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемость,; молибден увеличивает красностойкость, прочность, сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок; титан повышает прочность, сопротивление коррозии; алюминий повышает окалиностойкость; ниобий повышает кислотостойкость; медь уменьшает коррозию. В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько легирующих элементов. По назначению легирования сталь делится на три группы: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физическими и химическими свойствами. По содержанию легирующих элементов легированная сталь делится на низколегированную – не более 3 %, легирующих элементов; среднелегированную – 3 – 10 %; высоколегированную – свыше 10 %. В маркировке легированной стали приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов: Х – хром, Н – никель, А – азот, В – вольфрам, Е – селен, Г – марганец, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, П – фосфор, Ю – алюминий, М – молибден, К – кобальт, Ц – цирконий, Ф – ванадий. Эти буквы в сочетании с цифрами образуют марку стали. В ГОСТе устанавливаются буквы, характеризующие целую группу сталей: Р – быстрорежущие, Ш – шарикоподшипниковые, Е и Э – магнитные. Сочетание букв и цифр дает характеристику легированной стали. Если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1 % и выше. Цифры, следующие за буквами, показывают среднее содержание данного элемента в процентах. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1 %. Буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, содержащую меньше серы и фосфора. Например, 12Х2Н4А – это легированная сталь, высококачественная, с содержанием углерода 0,12 %, хрома 2%, никеля 4%; сталь Г13 – легированная сталь с содержанием углерода 1 % и более, марганца 13%. Для групп сталей, обозначенных одной буквой Р, Ш, Е, Э, правила маркировки не подходят. Конструкционная легированная сталь делится на три группы: качественная, высококачественная, и особо высококачественная. Высококачественная обозначается буквой А в конце марки, а особо высококачественная – буквой Ш через черточку. Например, 12ХН3А - высококачественная, а 30ГС-Ш – особо высококачественная. В качественной стали допускается содержание серы до 0,025%, а в высококачественной – до 0,015%. Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Наибольшее распространение получили следующие стали. Хромистые, обладающие хорошей твердостью, прочностью, сравнительно недорогие. К ним относятся стали марок 15Х, 20Х, 30Х, 45Х, боросодержащие 40ХР, с цирконием 40 ХЦ. Марганцевые, например 15Г, 20Г, 40Г, 40Г, 45Г2, отличающиеся износоустойчивостью. Особенно износоустойчива сталь марки Г13, которую применяют для гусениц тракторов, железнодорожных стрелок. Кремнистые и хромокремнистые (33ХС, 55ХС), обладающие высокой твердостью и упругостью; применяются для пружин, рессор. Хромованадиевые (45ХФ, 40ХФА) особо прочные, плотные, хорошо противостоящие истиранию, применяемые для автомобильных деталей, осей, валов. Хромомолибденовые (20ХМА, 30ХМА) очень прочные, хорошо сваривающиеся, штампующиеся, используемые для осей, роторов. Хромомарганцевокремнистые стали – хромансиль (25ХГСА, 30 ХГСА), которые заменяют хромомолибденовую сталь и значительно дешевле ее. Хромоникелевые (12Х2Н4А, 20ХН3А), очень прочные и пластичные; применяются для изготовления коленчатых валов, поршней, деталей турбин. Хромоникельвольфрамовые, хромоникельмолибденовые и другие стали марок 40ХН2МА, 13Х3НФА, 45ХН2МФА; применяют для высоконагруженных деталей машин: зубчатых колес, шатунов, деталей турбин и т.д. Низколегированная сталь применяется в строительстве гражданских и промышленных сооружений, в моторостроении, судостроении. Она прочнее углеродистой, хорошо сваривается, лучше противостоит действию ударных нагрузок. Применение этой стали уменьшает массу конструкций на 15 – 30 %. Согласно ГОСТ установлены марки низколегированной стали: 14Г2, 10Г2С2, 16Г2АФД, 09Г2С и др. Специальными примесями являются марганец, кремний, азот и медь. Инструментальная легированная сталь применяется для изготовления режущего, измерительного и ударно-штампового инструмента. Она тверже и прочнее углеродистой стали, хорошо противостоит ударным нагрузкам, при введении определенных легирующих элементов становится красностойкой. Важнейшими элементами инструментальной легированной стали являются хром, вольфрам, молибден, марганец. Из этой стали изготавливают: измерительный инструмент – резьбовые калибры, скобы (7ХФ, 9ХФ, Х14, 11ХФ, содержание углерода в стали 11ХФ – 1,1 %); режущий и измерительный инструмент – фрезы, сверла, метчики, развертки, лекала (9ХС, ХГС, 9Х5ВФ, 85Х6НФТ); штампы горячей штамповки, пресс-формы, формы для литья под давлением (7Х3, 5ХНМ, 55ХГСМ, 4Х8В2); штампы холодной штамповки (Х6НФ, Х12ВМ, Х12Ф1, 7Х12ВМ). Важнейшей инструментальной легированной сталью является быстрорежущая. Применяется для изготовления фрез, сверл, метчиков, при обработке более твердых металлов, жаропрочных и нержавеющих сталей. Важнейшие свойства этой стали – твердость и красностойкость (не теряет твердости до 600 0С). Легирующими элементами служат вольфрам (в количестве не менее 6 %), хром (не менее 4 %). Кроме того, вводятся кобальт, ванадий, молибден. Содержание углерода 0,7 – 1,1 %. Согласно ГОСТ установлены следующие марки быстрорежущей стали: Р9, Р18, Р6М3, Р6М5, Р14Ф14, Р10К5Ф5 и т.д. Буква Р обозначает быстрорежущую сталь; число, стоящее за буквой Р, показывает содержание вольфрама в процентах, а числа за буквами М, К, Ф – содержание молибдена, кобальта, ванадия в процентах. Содержание углерода 0,7 – 1,0 %. Сталь и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами имеют очень важное значение в энергетической, авиационной, ракетной технике, турбинной, химической и других отраслях промышленности. К стали с особыми физическими свойствами относятся: магнитная, немагнитная, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, сталь с особыми тепловыми свойствами. Дефекты термической обработки, их причины и предупреждение К основным дефектам, которые могут возникать при термической обработке, относятся: недогрев, перегрев, пережог, окисление, обезуглероживание, коробление, трещины и др. Недогрев получается в том случае, если сталь была нагрета до температуры ниже критической. Этот дефект исправляют путем отжига, а затем проводят нормальную закалку. Перегрев возникает, если сталь была нагрета до температуры намного выше критической или если при нормальной температуре была дана очень большая выдержка. Перегрев при отжиге приводит к росту зерна, что снижает механические свойства стали. Исправить перегрев, возникший при отжиге, можно повторным нормальным отжигом или нормализацией. Сталь, перегретую при закалке, отжигают и вновь закаливают. Пережог получается по причине нагрева стали до температуры, близкой к температуре начала плавления. Сталь становится очень хрупкой. Пережог является неисправимым браком. Окисление и обезуглероживание стали при нагреве – это результат взаимодействия ее с газами, содержащимися в атмосфере печей (кислорода, углекислого газа и др.). Резко снижается твердость на поверхности детали и выносливость. Лучший способ предохранения от окисления и обезуглероживания – нагрев в специальных с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали. Коробление и трещины – следствие внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема на 3 %). Разновременность структурных превращений по объему закаливаемой стали вследствие различия ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки. Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно устранить последующей рихтовкой или правкой. Поверхностное упрочнение стали Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, химико-термическая обработка и упрочнение пластическим деформированием. Поверхностная закалка стали Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. В промышленности применяют следующие способы поверхностной закалки: закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (т.в.ч.); с электроконтактным нагревом; газопламенную закалку; закалку в электролите. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ас3 с последующим быстрым охлаждением для получения структуры мартенсита. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом т.в.ч. Реже, главным образом для крупных деталей, применяют закалку с нагревом газовым пламенем. Сущность процесса закалки при нагреве токами высокой частоты заключается в том, что на специальной установке производят нагрев детали 1 (рис. 4, а) с помощью выполненного по форме закаливаемой детали медного индуктора 2, через который пропускают переменный ток высокой частоты. В течение нескольких секунд поверхность детали нагревается на необходимую глубину; затем ток выключают, деталь быстро охлаждают. Индуктор в процессе работы не нагревается благодаря интенсивному охлаждению циркулирующей внутри него водой. Поверхностная закалка с применением электроконтактного нагрева выполняется следующим образом. Деталь нагревают до температуры закалки теплом, которое выделяется в месте контакта его с электродом (медным роликом) специального приспособления. Охлаждение закаливаемой поверхности детали производят при помощи душа, который перемещается вслед за подвижным электродом. Закалка с газопламенным нагревом заключается в том, что поверхность стальной детали нагревают пламенем ацетиленокислородной горелки до температуры закалки и быстро охлаждают струей холодной воды (рис. 4, б). Газовая горелка движется над поверхностью детали с определенной скоростью, а за нею с той же скоростью перемещается закалочная трубка, через которую подается вода. Этот способ закалки основан на том, что ацетилено-кислородное пламя имеет температуру 2500 – 3200 0С и нагревает поверхность изделия до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого нижележащие слои стали не успевают прогреться до критической точки и потому не закаливаются. Толщина закаленного слоя колеблется в пределах 2 – 4 мм, а его твердость составляет HRC 50 – 56. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка, и не загрязняет поверхность. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом (т.в.ч.). Поверхностную закалку при нагреве в электролите выполняют в 10 %-ном растворе поваренной соли, поташа или кальцинированной соды. Детали, подлежащие закалке, погружают в ванну, и они являются катодом, а корпус ванны – анодом. При пропускании постоянного электрического тока через электролит вокруг катода (детали) образуется газовая оболочка, которая нарушает электрический контакт катода с электролитом, и деталь интенсивно нагревается до температуры закалки. После этого ток выключают; деталь закаливается в электролите, который омывает ее со всех сторон. Кроме описанных применяют ряд других способов поверхностной закалки, в частности нагрев деталей под закалку в расплавленных металлах или солях. В них закаливают мелкие детали простой геометрической формы, изготовляемые в небольших количествах. Отпуск после выполнения поверхностной закалки производят с целью снятия напряжений, возникших в зоне закалки. Это уменьшает хрупкость и повышает прочность деталей. Твердость повышается на 2 – 3 ед. по сравнению с обычной закалкой; улучшается износостойкость; предел выносливости возрастает в 1,5 – 2 раза. Химико – термическая обработка Химико – термической обработкой называют процесс, заключающийся в сочетании термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Химико – термическая обработка основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами. Наибольшее распространение получили следующие виды химико – термической обработки. Цементация – процесс, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации 0,8 – 1,1 % и получении после закалки высокой твердости поверхности (HV 700 – 800) при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются детали, изготовленные из низкоуглеродистых сталей (0,1 – 0,25 С) или из легированных низкоуглеродистых сталей. При цементации используют естественные и искусственные газы или жидкий карбюризатор (бензол, пиробензол, керосин и др.), который подается непосредственно в рабочее пространство печи. При нагреве происходит разложение метана по реакции СН4 = С + 2Н2. Атомарный углерод поглощается поверхностью стали и проникает в глубину детали. Газовая цементация деталей производится при температуре 930 – 950 0С. Азотирование заключается в диффузионном насыщение поверхностного слоя азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в среде атмосферного воздуха, воды, пара и т.д. Азотирование проводят обычно при 500 – 600 0С (для повышения износостойкости и прочности) или при 600 – 800 0С (для повышения коррозионной стойкости) в среде аммиака, который при указанных температурах диссоциирует с образованием атомарного азота по реакции 2NH3  2N + 6H. Атомарный азот диффундирует в железо. В сталях, легированных алюминием, хромом и молибденом, твердость азотированного слоя достигает HV 1200. Обычно при азотировании получают слой толщиной 0,2 – 0,6 мм. Нитроцементация и цианирование – поверхностное насыщение деталей одновременно углеродом и азотом. Процесс выполняют либо в газовой среде, либо в расплавленной ванне из цианистых солей. В первом случае процесс называют нитроцементацией, во втором – цианированием. Газовая нитроцементация позволяет повысить износостойкость обрабатываемых деталей и сделать процесс более рентабельным. При низких температурах поверхностный слой стали насыщается преимущественно азотом, а при высоких – углеродом. Детали нагревают в газовой смеси, состоящей из науглероженного газа (90 – 98 %) и аммиака (2 – 10 %). Кроме того, применяют специальный жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С2Н5О)3N, вводимые в виде капель в рабочее пространство. Газовое цианирование (нитроцементацию) разделяют на высокотемпературное (при 800 – 950 0С) и низкотемпературное (при 550 – 600 0С). Высокотемпературное цианирование применяют для получения высокой твердости и износостойкости поверхности деталей из конструкционных сталей с получением слоя глубинной 0,2 – 1,0 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Низкотемпературное цианирование выполняют в течение 5 – 10 ч в среде эндогаза или газа, полученного из синтина (смесь углеводородов) с добавлением 12 – 20 % аммиака, или путем использования триэаноламина. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой (толщиной 0,15 – 0,20 мм), обладающий высокой износостойкостью. Перед низкотемпературным цианированием производится полная механическая и термическая обработка деталей. К числу методов химико-термической обработки относят насыщение поверхности стали бором. Борирование повышает твердость (HV 2000), сопротивление абразивному износу и коррозионную стойкость. Борированная сталь теплостойка до 900 0С, жаростойка до 800 0С, однако борированные слои обладают высокой хрупкостью. При сульфидировании производят насыщение поверхности стали серой, азотом и углеродом на глубину 0,2 – 0,3 мм для повышения износостойкости, прирабатываемости деталей при трении и устойчивости их против задиров. Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование). Металлизация кремнием повышает кислотоупорность, хромом или алюминием – жаростойкость, хромом, азотом и углеродом – износостойкость и т.д. Металлы образуют с железом твердые растворы замещения, поэтому диффузия их осуществляется значительно труднее, чем диффузия углерода или азота. В связи с этим процессы диффузионной металлизации выполняют при высоких температурах: алитирование – при 900 – 1000 0С, силицирование – при 950 – 1050 0С. Применение диффузионной металлизации во многих случаях не только вполне оправдано, но и является экономически выгодным. Так, детали жаростойкие при температуре до 1000 – 1100 0С, изготовляют из простых углеродистых сталей, а с поверхности насыщают алюминием, хромом или кремнием, что значительно выгоднее, чем применение специальных легированных жаростойких сталей. Поверхностное упрочнение стальных изделий пластическим деформированием Поверхностное упрочнение методом пластического деформирования – прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхности металлического изделия. При этом методе пластически деформируют только поверхность. Деформирование осуществляют либо обкаткой роликами, либо обдувкой дробью. Чаще применяют обдувку дробью, при которой поверхность подвергается ударам быстролетящих круглых дробинок размером 0,2 – 1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в специальных дробометах. Удары дробинок приводят к пластической деформации и наклепу в микрообъемах поверхностного слоя. В результате дробеструйной обработки образуется наклепанный слой глубиной 0,2 – 0,4 мм. Кроме того, за счет увеличения объема наклепанного слоя на поверхности изделия появляются остаточные напряжения сжатия, что сильно повышает усталостную прочность. Например, срок службы витых пружин автомобиля, работающих в условиях, вызывающих усталость повышается в 50 – 60 раз, коленчатых валов – в 25 – 30 раз. Дробеструйная обработка, так же как и обкатка роликами, является конечной технологической операцией, перед которой изделия проходят механическую и термическую обработку. Цветные металлы и их сплавы К цветным металлам относят все металлы, кроме железа, хрома, марганца и сплавов на основе железа. Важнейшие из цветных металлов: медь, алюминий, магний, цинк, никель, свинец, олово и титан. В машиностроении цветные металлы применяются главным образом в виде сплавов, так как чистые металлы обладают малой прочностью. Медь и ее сплавы Медь. Получают из руд, содержащих 1 – 6 % меди. Полученный обогащением концентрат из медных руд подвергают сначала обжигу для снижения содержания серы, а затем плавке в отражательных печах на медный штейн. Последующей переплавкой штейна в медеплавильном конверторе получают черновую медь, содержащую 98,4 – 99,4 % меди. Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, после чего содержание меди возрастает до 99,5 – 99,95 % (технически чистая медь). Чистая медь – металл розовато-красного цвета. Ее кристаллическая решетка – кубическая гранецентрированная. Плотность меди 8,93 г/см3, температура плавления 1083 0С. Средние значения механических свойств технической меди в отожженном состоянии: предел прочности (в= 250 МПа), относительное удлинение ( = 45%), твердость НВ 60. Так как медь имеет наименьшее, после серебра, удельное электросопротивление, она широко применяется в электротехнике в качестве проводников электрического тока. Медь обладает хорошей теплопроводностью и коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и воде. Чистая медь отличается высокой пластичностью и хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Согласно стандарта для меди установлено девять марок: от М00 с содержанием 99,99 % меди до М 4 с содержанием 99,00 % меди. Сплавы меди имеют более высокую прочность, лучшую обрабатываемость и лучшие литейные свойства, чем чистая медь. Технически медные сплавы делятся на две группы: латуни и бронзы. Латуни – это сплавы меди с цинком, содержащие от 4 до 45 % цинка. Максимальную пластичность имеет латунь, содержащая около 32 % цинка (=55%) , а максимальную прочность – латунь, содержащая около 45 % цинка (в=350 МПа). Латуни, содержащие никель, свинец, олово, кремний и др. (обычно от 2 до 8 %), называют специальными. Они имеют повышенную коррозионную стойкость, лучшие технологические и механические свойства. Латуни принято разделять на литейные и обрабатываемые давлением. Для маркировки латуней приняты следующие обозначения: буква Л указывает название сплава (латунь), следующие за ней цифры обозначают содержание меди в сплаве; например, маркой Л63 обозначена латунь, содержащая 63 % меди. У специальных латуней принято следующее обозначение легирующих элементов: А – алюминий, Мц – марганец, К – кремний, С – свинец, О – олово, Н – никель. Первые две цифры, стоящие за буквенными обозначениями, указывают среднее содержание меди в процентах, последующие цифры – содержание других элементов; остальное (до 100 %) составляет цинк. Например, марка ЛМцЖ52-4-1 обозначает 52 % меди, 4 % марганца и 1 % железа; остальное – цинк. Латуни хорошо обрабатываются в холодном и горячем состоянии. Для снятия внутренних напряжений латунные изделия, полученные холодной обработкой давлением, необходимо подвергнуть отжигу при температуре 400 0С. Литейные латуни применяют для изготовления втулок подшипников (например, латунь ЛАЖ60-1-1Л) литой арматуры, деталей судовой арматуры, подвергающейся действию морской воды, коррозионностойких деталей общего машиностроения (например, ЛК 80-3Л, ЛА67-2,5 и др.). Из латуней, обрабатываемых давлением, получают радиаторные и гофрированные трубки (Л96, Л80), полосы, ленты, листы, трубы, проволоку и другие изделия. Бронзы – это сплавы меди с оловом, алюминием, никелем и другими элементами. В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и безоловянные, а по технологическому принципу – на деформируемые и литейные. Маркировка бронз основана на том же принципе, что и маркировка латкней. Буквы Бр означают бронзу, далее следует буквенные обозначения элементов, входящих в состав сплава, и за ними цифры, указывающие среднее содержание элементов в процентах. Например, БрОФ6,5-0,15 – марка оловянофосфористой бронзы, содержащей 6 – 7 % олова и около 0,15 % фосфора, остальное - медь. Основным легирующим элементом оловянных бронз является олово. Они обладают высокими механическими (в=150 – 350 МПа, =3 – 15 %, твердость НВ 60 - 90), антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошо отливаются и обрабатываются резанием. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводятся: свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость, цинк, улучшающий литейные свойства, фосфор, повышающий литейные, механические и антифрикционные свойства. Из деформируемых оловянных бронз (например, БрОФ6,5-0,15) изготовляют листы, проволоки, ленты, прутки, трубы главным образом штамповкой и прессованием. Литейные оловянные бронзы применяются для изготовления деталей машин, работающих в среде пара с давлением до 2,5 МПа (БрОЦС3-12-5; БрОЦСН3-7-5-1), а также для изготовления антифрикционных деталей, втулок, вкладышей подшипников (БрОЦС4-4-17; БрОЦС3,5-7-5). Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением, применяются для изготовления прутков, лент, полос, проволоки (БрА5; БрА7; БрАМц9-2; БрАЖ9-4; БрКМц3-1), поковок, труб (БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН10-4-4; БрМц5). К литейным бронзам относятся, например, БрАМц10-2; БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4Л. Из этих бронз получают фасонные отливки различной конфигурации, размеров и массы. Механические свойства безоловянных бронз: в700 МПа; 20%; твердость НВ 80 – 250. Марганцовистые бронзы имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают хорошей сопротивляемостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах (БрМц5, например, при температурах до 400-450 0С). Алюминиевые бронзы превосходят оловянные по механическим свойствам, сопротивлению коррозии, но имеют более низкие литейные свойства. Свинцовистые бронзы (БрС30; БрОС5-2,5; БрОС8-12) отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем оловянистые бронзы). Применяются для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями (например, БрС30 для коренных подшипников турбин и других быстроходных машин). Бериллиевые бронзы (БрБ2; БрБНТ1-7; БрБНТ1-9 и т.д.) после термообработки имеют высокие механические свойства. Например, у БрБ2 в=1250 МПа, НВ 350, высокий предел упругости, хорошая коррозионная стойкость, теплостойкость. Эта бронза не дает искры при ударе. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения. Как заменители дорогостоящих оловянных и бериллиевых бронз применяются кремниевые бронзы, например БрКН1-3; БрКМц3-1. Алюминий, магний, титан и их сплавы Алюминий. Основной рудой для производства являются бокситы, содержащие 40 – 80 % глинозема (Al2O3), получаемого химической обработкой бокситов. Электролизом раствора глинозема в расплавленном криолите (Na3AlF6) получают алюминий-сырец, содержащий примеси и газы. После рафинирования образуется технически чистый алюминий, содержащий 99,5 – 99,85 % алюминия. Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Плотность его 2,7 г/см3, температура плавления 658,70С. В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью (в=80 – 120 МПа) и твердостью НВ 25, но большой пластичностью (=35 – 45 %). Имеет высокую коррозионную стойкость в пресной воде, атмосфере. Благодаря высокой электропроводности и пластичности алюминий нашел широкое применение в электротехнике: для изготовления шин, проводов, кабелей. В авиационной промышленности его используют для изготовления труб, маслопроводов и бензопроводов; в легкой и пищевой промышленности – для изготовления фольги, посуды. Алюминий используется, также в качестве раскислителя при производстве стали. Алюминиевые сплавы имеют плотность до 3 г/см3, высокие механические свойства. Они делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением). Литейные алюминиевые сплавы применяются для получения отливок. В зависимости от химического состава и свойств они делятся на пять групп, например АЛ2, АЛ4 и т.д. (цифры обозначают порядковый номер сплава). Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, проволоки, ленты, фасонных профилей и различных деталей ковкой, штамповкой или прессованием. К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием и марганцем. Они обладают умеренной прочностью, имеют повышенную сопротивляемость коррозии, высокую пластичность, хорошо свариваются. Применяются для изготовления деталей, работающих в коррозионной среде, сварных деталей, получаемых глубокой штамповкой. Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой, имеют небольшую плотность (около 3 г/см3), но высокую прочность (в не менее 700 МПа); широко применяются в машиностроении и особенно в самолетостроении для изготовления ответственных деталей. Наиболее распространенным сплавом этой группы являются дюралюминий, содержащий в качестве дополнительных легирующих элементов магний, марганец, титан и др. Дюралюминий маркируют буквой Д и порядковым номером, например Д1, Д16, Д18. Для защиты от коррозии листовой дюралюминий подвергают плакированию (нанесению, методом горячей прокатки или прессования на поверхность металлических листов, плит, труб, проволоки тонкого слоя другого металла или сплава, например, латунного покрытия на стальные листы). В марках таких деформируемых алюминиевых сплавов, как АК4, АК6, цифра обозначает порядковый номер сплава, а буквы название и его назначение (алюминий ковочный). Эти сплавы применяются для изготовления поршней авиационных моторов, лопастей винтов, картеров двигателей и других деталей машин. Магний. Для производства магния применяют магнезит, содержащий 28,8% Mg, доломит, содержащий 21,7 % Mg, и другие магниевые руды. Металлический магний получают главным образом электролизом магния из его расплавленных солей. Образуется черновой магний, содержащий 5 % примесей. После рафинирования путем переплавки в электропечи получают технически чистый магний (99,82 – 99,92 % Mg). Магний – самый легкий из всех применяемых в технике металлов; его плотность 1,74 г/см3, температура плавления 6500С. В литом состоянии предел прочности в=100 – 120 МПа, пластичность = 3,6 %. Чистый магний имеет малую устойчивость против коррозии. В промышленности магний используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и имеют сравнительно высокую прочность (в=200 – 400 МПа, =6 – 20%). Литейные магниевые сплавы обозначаются марками МЛ2, МЛ3 и т.д. Буквы МЛ обозначают магниевый литейный сплав, цифры показывают порядковый номер сплава. Для получения мелкозернистой структуры сплавы модифицируют. Сплав МЛ2 применяется для изготовления горловин бензобаков и несложной бензомасляной арматуры. Сплавы МЛ4 и МЛ5 применяют для изготовления корпусов приборов, деталей самолетов, двигателей, корпусов фотоаппаратов. Деформируемые (обрабатываемые давлением) магниевые сплавы по химическому составу незначительно отличаются от литейных; обозначаются марками МА2, МА3 и т.д. Обработке давлением подвергаются в нагретом состоянии. Для увеличения прочности термически обрабатываются. Наиболее прочным по сравнению с другими являются сплав МА10, после термической обработки его предел прочности в=360 – 430 МПа. Сплав применяется для изготовления кованных и штампованных деталей, несущих повышенные нагрузки. Благодаря малому удельному весу магниевые сплавы широко применяются в машиностроении. Для защиты от коррозии изделия из магниевых сплавах оксидируют, а затем наносят лакокрасочные покрытия. Титан. Для производства титана применяют ильменит (ТiO2FeO), рутил (ТiO2) и другие руды, содержащие 10 – 60 % двуокиси титана. После обогащения концентраты титановых руд содержат 43 – 65 % ТiO2.Из концентрата специальной обработкой получают четыреххлористый титан (TiCl4). Металлический титан восстанавливается магнием из TiCl4, после чего его подвергают рафинированию. Технически чистый титан содержит 99,18 – 99,65 % Ti. Титан – серебристо-белый металл с температурой плавления 1670 0С и плотностью 4,5 г/см3. Технический титан высокой чистоты содержит не более 0,1 % примесей (Fe, Mn, Al,C,Si,Ni). Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом, оловом и другими легирующими элементами. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (1500 МПа; =10 – 15 %) и коррозионной стойкости с малой плотностью. В качестве конструкционных материалов в машиностроении кроме технического титана применяют деформируемые сплавы, например ВТ; ВТ6; ВТ14. литейные сплавы, например ВТ5Л; ВТ14Л, ВТ21Л, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По механическим свойствам они подразделяются на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. Сплавы хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии, хорошо свариваются в инертной среде. Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергаются силицированию и другим видам диффузионной металлизации, для повышения износостойкости – азотированию. Применяются сплавы титана для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей реактивных авиационных двигателей, корпусов ракетных двигателей, обшивки подводных лодок, торпед. Титан широко применяется в химической промышленности для изделий работающих в сильно агрессивных средах. Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта. Тугоплавкие металлы и сплавы. Антифрикционные материалы. Жаропрочные сплавы. Эти сплавы применяются для изготовления деталей, работающих при температурах свыше 700 0С. По сравнению со сталями они более жаропрочны. Сплав на никелевой основе ХН78Т (нимоник), содержаний кроме хрома (20 %) присадки алюминия и титана, используют для изготовления камер сгорания, жаровых труб. Сплав ХН55ВМТКЮ, содержащий 14 % кобальта, применяют для изготовления лопаток газовых турбин, работающих при температурах 850 – 950 0С. Никелевые сплавы применяют также для изготовления термопар, нагревательных элементов, реостатов и измерительных приборов, деталей ответственного назначения в химическом машиностроении. В металлокерамических твердых сплавах широко используют кобальт. Тугоплавкие металлы и сплавы. Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше 1700 0С. Наиболее тугоплавки вольфрам 3410 0С, молибден 2620 0С, ниобий 2415 0С, тантал 2996 0С, а также весьма редкие и рассеянные в земной коре рутений, рений, гафний, осмий. Тугоплавкие металлы получают прессованием порошков с последующим их спеканием в брикеты, а также плавкой заготовок в электродуговых и электронно-лучевых печах. Путем ковки и последующего волочения через алмазные волоки получают вольфрамовую проволоку диаметром до 15 мкм. Этот диаметр в дальнейшем уменьшают травлением до 5 мкм. Вольфрамовая проволока широко применяется в электронных приборах, электрических лампочках. Монокристаллы тугоплавких металлов большой чистоты получают методом зонной плавки. Так, монокристаллы вольфрама массой более 10 кг обладают высокой пластичностью вплоть до гелиевых температур (-267,8 0С) и могут обрабатываться в холодном состоянии. Тугоплавкие металлы обладают высокой коррозионной стойкостью в среде сильных кислот, расплавленных щелочных металлах и их парах. Например, детали, из сплава ниобия с танталом в среде сильных кислот (азотной, серной и др.) работают два–три года, а из нержавеющей стали – два-три месяца. Во избежание окисления нагрев тугоплавких металлов производится не на воздухе, а вакууме или в нейтральных газах (аргон, гелий). Детали, работающие при высоких температурах, покрывают жаростойкими покрытиями (Cr, Al, Si) или легируют. Для изготовления деталей, работающих при температурах до 1400 0С, используют молибден, ниобий и их сплавы, при более высоких температурах – вольфрам и тантал, имеющие наибольшую температуру плавления. Сплавы W+20 %Re; W+5 %Re обладают большой термоэлектродвижущей силой и применяются для изготовления термопар, измеряющих температуру до 3000 0С. Карбиды вольфрама, ниобия, тантала износоустойчивы, имеют твердость близкую к твердости алмаза и высокую температуру плавления (карбиды тантала, например, 3880 0С); их применяют для наплавки на поверхность изделий. Сплавы тугоплавких металлов прочнее чистых металлов. Высокая прочность у них сохраняется как при высоких (до 1200 0С), так и при низких (до -196 0С) температурах. Из вольфрама, молибдена и их сплавов изготовляют листы, ленты, прессованные прутки, трубы, проволоку, нити накаливания, детали радиоламп, детали сопел ракетных двигателей. Сплав, содержащий 85 % вольфрама и 15 % молибдена, пригоден для работы при температурах, близких к 3000 0С. Ниобий и его сплавы имеют то же применение, что и сплавы вольфрама и молибдена. Сплавы ниобия с оловом являются ценными сверхпроводящими материалами. Антифрикционные сплавы. Они применяются для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Они должны иметь небольшую твердость, высокую теплопроводность, хорошую прирабатываемость, небольшой коэффициент трения, микропористость для удержания смазки, высокую коррозионную стойкость в среде масел. В качестве антифрикционных сплавов применяют антифрикционные чугуны, например АЧС-1; АЧС-2; АЧВ-1, бронзы, баббиты, алюминиевые сплавы, порошковые материалы. Согласно стандартов рекомендуется для заливки вкладышей подшипников применять баббиты оловянные и свинцовы с добавкой меди, сурьмы, кальция, натрия и т.д.: например, Б83; Б83С; Б88; Б16; БКА. Наиболее качественными из этих баббитов являются баббиты оловянной основе Б88 и Б83. Они имеют хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам, минимальный коэффициент трения (со смазкой). Применяются для изготовления ответственных подшипников паровых турбин, мощных электродвигателей, турбокомпрессоров. Низкая температура плавления баббитов (380 – 480 0С) облегчает их применение для заливки подшипников. Из алюминиевых антифрикционных сплавов наибольшее применение имеет сплав АСМ, который заменил бронзу БрС30 в подшипниках коленчатых валов трактора. Твердые сплавы и минералокерамические материалы Твердые сплавы изготовляют на основе тугоплавких карбидов, обладающих высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, жаростойкостью. Эти свойства сохраняются на достаточно высоком уровне при нагреве сплавов до 800 – 1000 0С. Классификация твердых сплавов По способу производства твердые сплавы делят на литые и металлокерамические, получаемые спеканием порошков карбидов вольфрама, титана и тантала с кобальтом. Литые твердые сплавы получают путем отливки прутков диаметром 5 – 10 мм и длиной 200 – 300 мм, пригодных для наплавки (наварки) на инструмент или детали. Отечественная промышленность выпускает металлокерамические твердые сплавы трех групп: однокарбидные – вольфрамовые (ВК), двухкарбидные – титано-вольфрамовые (ТК) и трехкарбидные – титанотантало-вольфрамовые (ТТК). Литые твердые сплавы. Различают три основных вида наплавочных твердых сплавов: литые, зернообразные и электродные. Сплавы сормайт и В2К, В3К (стеллиты) изготовляют в виде прутков и порошка. Эти сплавы наплавляют на рабочую поверхность новых или изношенных деталей и инструмента: штампов, ножей для резания металла, центров токарных станков и т.д. Процесс наплавки осуществляют при помощи ацетилено-кислородного пламени или электрической дуги. Детали или инструмент, предназначенные для наплавки, изготовляют из углеродистой стали, этим достигается экономия дорогостоящих легированных сталей. Наплавлять указанные сплавы можно как на стальные, так и на чугунные детали. Стойкость деталей и инструмента, покрытых литыми твердыми сплавами, повышается в 12 раз и более. Зернообразный твердый сплав сталинит применяется в качестве заменителя стеллитов для повышения износостойкости деталей экскаваторов, буровых долот и т.д. Наплавку производят электрической дугой по методу Бернадоса угольным или графитовым электродом. Электродные твердые сплавы применяют аналогично зерновым. Их используют в виде электродов диаметром 3 – 5 мм, обмазанных специальным составом, состоящим из графита, ферросплава, карбида бора и др. Металлокерамические твердые сплавы Металлокерамическими эти сплавы называются потому, что состоят из металлов, а метод их изготовления напоминает технологию получения керамических (глиняных, фарфоровых и огнеупорных) изделий. Основная масса изделий из твердых сплавов выпускается в виде пластинок для оснащения рабочей части металлорежущего инструмента (резцов, сверл, фрез, разверток) путем напайки или механического крепления к державкам. Вольфрамовые твердые сплавы (например, ВК3, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК8В) применяют при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы, фарфора, стекла. Сплавом ВК6М оснащают режущий инструмент для чистовой и получистовой обработки отбеленных чугунов, жаропрочных сталей, пластмасс. Сплавом ВК8В оснащают инструмент для бурения, волочения, чернового точения жаропрочных и нержавеющих сталей. Буква «В» в конце марки указывает, что сплав крупнозернистый, буква «М» - мелкозернистый. Титановольфрамовые твердые сплавы (Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др.) предназначены для обработки вязких материалов: стали, латуни. Сплавом Т5К10, например, оснащают режущий инструмент для чернового точения, а также чернового и чистового строгания сталей (включая стальные поковки, штампованные заготовки и отливки) по корке и окалине. Сплавы ТТ7К12 и ТТ10К8Б используют для тяжелой черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую прочность (в=1550 МПа), чем сплавы ТК. Мелкозернистые и крупнозернистые высококобальтовые сплавы ВК20, ВК25, ВК30 и сплавы ВК15В, ВК20В, ВК25В, обладающие высокой прочностью и ударной вязкостью, применяют для изготовления твердосплавных штампов, работающих в условиях больших ударных нагрузок. Стойкость твердосплавных штампов по сравнению со стальными возрастает в 30 – 50 раз, чем достигается больший экономический эффект. Минералокерамические материалы Кроме металлокерамических твердых сплавов в машиностроении применяют новый дешевый инструментальный материал. Его основой является корунд – окись алюминия (Al2O3) с другими веществами. Минералокерамические материалы не содержат дефицитных и дорогостоящих элементов – вольфрама, кобальта и др. Широкое применение в настоящее время получил минералокерамический материал ЦМ-332 – микролит. По твердости (HRC 90 - 95), тепло- и износостойкости он превосходит твердые сплавы. Микролит характеризуется высокой химической стойкостью, а также относительно хорошими прочностными свойствами. Инструменты, оснащенные пластинками микролита, не теряют своей твердости при нагревании в процессе работы до 12000С. Поэтому их с большой эффективностью применяют при чистовой и получистовой обработке стальных и чугунных деталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов на высоких скоростях с небольшими глубинами резания и подачи. Технология изготовления пластинок микролита следующая: подготовленный порошок формуют, прессуют, а затем спекают при температуре 1750 - 19000С. Пластинки можно получить также горячим литьем под давлением (шликерный метод). К державкам инструментов пластинки крепят путем припаивания или механическим креплением. Понятие о порошковой металлургии Изготовление деталей и изделий из металлических порошков называют порошковой металлургией (металлокерамикой). Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы и детали, обладающие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, заданными стабильными магнитными свойствами, особыми физико-химическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья или обработкой давлением. Процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приготовлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок. Твердые хрупкие материалы измельчают на шаровых, вихревых и вибрационных мельницах до образования металлического порошка. Основной частью всех металлокерамических твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов – вольфрама, титана и тантала. В качестве связующего материала в состав твердых сплавов обычно входит кобальт. Твердость карбидов таких сплавов приближается к твердости алмаза. Формообразование заготовок и изделий из порошков осуществляется прессованием и другими методами. Прессование выполняют на гидравлических или механических прессах. Давление прессования составляет 150 – 800 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия. Для придания деталям и изделиям необходимой прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий в печи 1 – 2 ч при температуре, примерно равной 0,6 – 0,8 температуры плавления основного компонента. Спекание производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или путем непосредственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание ведут в аргоне, гелии, в вакууме или в среде водорода. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают термической, химико-термической обработке и размерной обработке физико-химическими методами. Новейшие материалы для обработки металлов Для оснащения рабочей части металлорежущего инструмента в последнее время разработаны и нашли широкое применение новые сверхтвердые инструментальные материалы на основе поликристаллов кубического нитрида бора (марок 01, 05 и 10) и алмаза (карбонадо, баллас). Поликристаллы кубического нитрида бора по своей теплостойкости (до 13000С) превосходят все имеющиеся инструментальные материалы, используемые для оснастки режущего инструмента: алмаз – в 1,9 раза, быстрорежущую сталь – в 2,3 раза, твердый сплав – в 1,7 раза. Поликристаллы изготовляют в форме цилиндров и сферические с размерами: длина 3,5 – 8 мм, диаметр 3 – 5 мм. Поликристаллы монтируют в державках резцов, а затем соединяют вакуумной пайкой или горячей опрессовкой стальной втулки с поликристаллом. Режущие инструменты, оснащенные поликристаллами нитрида бора, предназначены главным образом для обработки чугуна и стали любой твердости при высоких скоростях резания. Стойкость резцов из кубического нитрида бора при обработке закаленных сталей твердостью HRC 62 – 65 в десятки раз выше стойкости резцов из твердого сплава. При обработке чугуна такими резцами может быть достигнута шероховатость поверхности 6 – 8-го классов; при этом обеспечивается высокая точность обработки. Режущие инструменты, оснащенные поликристаллическими алмазами типа карбонадо и баллас, применяют при обработке титановых сплавов, минералокерамики, твердых сплавов и т.д. Стойкость таких резцов в 6 – 10 раз выше, чем стойкость твердосплавных резцов. Неметаллические материалы В зависимости от назначения неметаллические материалы подразделяются на конструкционные, футеровочные, прокладочные и уплотняющие, лакокрасочные, вяжущие, силикатные эмали, а по химическому составу – на материалы органического и неорганического происхождения. Пластмассы Пластические массы в современной технике играют исключительно важную роль. Благодаря ряду ценных свойств они выделились в группу самостоятельных конструкционных материалов. Пластмассами называют неметаллические материалы, получаемые на основе природных и синтетических полимеров и перерабатываемые в изделия методами пластической деформации. Источниками сырья для изготовления пластмасс служа природный газ, продукты нефти, уголь. В зависимости от химических свойств применяемых смол пластмассы, получаемые на их основе, подразделяются на две основные группы: термопластичные и термореактивные массы. Первые не претерпевают химических изменений в процессе переработки их в изделия, при чем этот процесс может повторен неоднократно. В группу термопластичных пластмасс входят полиэтилен, полистирол, полиамидные смолы и другие материалы. Термореактивные массы в процессе изготовления изделий при действии повышенных температур (150 – 175 0С) претерпевают ряд внутренних химических изменений и становятся непригодными к перепрессованию. К важнейшим представителям термореактивных пластмасс относятся фенопласты и аминопласты. Изделия из пластмасс получают прессованием, литьем под давлением, штамповкой листовых пластмасс и другими способами. Прессование – наиболее широко распространенный способ получения изделий из термореактивных пластмасс в пресс-формах, предварительно нагретых до 130 – 150 0С. В качестве основного оборудования для прессования пластмасс обычно применяют гидравлические или механические прессы. Пластмассы легко поддаются обработке на металлорежущих станках. Особенности обработки пластмасс определяются их специфическими свойствами. В ряде случаев рабочая поверхность инструмента в процессе резания обволакивается смолами, что затрудняет отвод стружки и ухудшает качество обработанной поверхности. Резины Резиной называют продукты переработки натурального каучука (НК) или искусственного синтетического каучука (СК) с вулканизатором, серой, и с различными добавками. Резина характеризуется высокой эластичностью, износостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами и химической стойкостью. Совокупность таких свойств выдвинула резину в число незаменимых материалов в различных отраслях деятельности. Технология производства резины состоит из следующих этапов: приготовления резиновых смесей; переработке смесей в полуфабрикаты и изделия; вулканизации. Разрезанный на куски каучук пропускают через вальцы с целью придания ему пластичности, а затем вносят необходимые добавки и подвергают смешиванию в специальных смесителях. Полученную таким образом смесь (однородную массу) называют сырой резиной. Сырая резина подвергается дальнейшей переработке: выдавливанию на червячных прессах заготовок для труб, стержней и других изделий; прессованию в пресс-формах, в вальцах (каландрах) – для получения гладких и рифленых листов; литью под давлением. Завершающим этапом процесса является вулканизация готовых изделий. Горячая вулканизация осуществляется в специальных котлах (автоклавах) в среде насыщенного водяного пара при температуре 140 – 160 0С и давлении 0,3 – 0,4 МПа или гидравлических прессах в горячих формах. Холодную вулканизацию выполняют путем введения в резину раствора полухлористой серы. Вулканизация повышает пластичность, упругость, прочность. Прорезинивание ткани выполняют на специальных клеепропиточных роликовых машинах при непрерывном движении ткани через систему роликов. Для увеличения прочности резины изделия армируют: вводят в стенки упрочняющий материал – стальную проволоку или сетку, стеклянную или капроновую ткань. Для получения пористой, ячеистой резины в состав сырой резины вводят материалы, которые при нагревании разлагаются, образуя в резине поры, ячейки. В зависимости от методов изготовления различают резину штампованную, формовую и клееную, а по назначению – общего назначения, теплостойкую, морозостойкую, масло- и бензостойкую, кислото- и щелочестойкую, для работы на дизельном топливе. для пищевой промышленности. По свойствам резину разделяют на два класса: мягкую (эластичную), содержащую 1 – 3 % серы, и твердую (средней и повышенной твердости), называемую эбонитом. Эбонит – термопластичный материал с высокими диэлектрическими и химическими свойствами (содержит 27 – 35% серы) – выпускают в виде листов, стержней и трубок. Из эбонита изготавливают детали электроприборов, оси, валики, прокладки. Изделия из резины стандартизированы. Из листовой резины изготавливают уплотнители, амортизаторы, прокладки. В промышленности широко применяют ремни (плоские, приводные, тканевые прорезиненные, клиновые из кордткани или кордшнура) и многие другие детали и изделия из резины. Абразивные материалы Абразивными называют неметаллические вещества, которые применяют при обработке конструкционных материалов. Они обладают высокой твердостью и имеют достаточно острые режущие грани. Используемые в технике абразивные материалы разделяют на природные (алмаз, корунд, кварц) и искусственные (синтетический алмаз, электрокорунд, карбид кремния). Характеризуются абразивные материалы зернистостью, твердостью, механической прочностью, абразивной способностью. В соответствии со стандартом абразивные материалы подразделяют на четыре группы: шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки и тонкие микропорошки. Материалы каждой группы различаются по номерам и зернистости. Зернистость абразивных шлифзерна и шлифпорошков определяют в сотых долях миллиметра, а микропорошков – в микрометрах. По крупности абразивные материалы указанных групп разделяют на 28 номеров: шлифзерно 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16; шлифпорошки 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3; микропорошки М63, М50, М40, М28, М20, М14; тонкие микропорошки М10, М7, М5. Твердость абразивных инструментов принято обозначать буквами М – мягкий, СМ – среднемягкий, С – средний, СТ – среднетвердый, Т – твердый, ВТ – весьма твердый, ЧТ – чрезвыйчайно твердый. Процесс изготовления абразивных инструментов слагается из следующих операций: размола; измельчения абразивных материалов; сортировки по номерам и зернистости (просеивания через сито; смешивания со связкой и увлажнения; формования для получения определенной формы и размеров изделий); сушки и обжига. Для зачистки и отделки поверхностей изделий пользуются шлифовальными шкурками. Это бумага или ткань с наклеенными на нее зернами абразивов. Доводку, притирку и полирование выполняют абразивными и алмазными пастами. Пасты состоят из жидких или твердых смесей абразивных материалов с добавками химически активных веществ (например, олеин, стеарин). Все абразивно-доводочные пасты в зависимости от применяемого материала делят на две группы: твердые (алмаз, карбид бора, наждак) и мягкие (окись хрома, окись железа, кварц). Кроме абразивных материалов в состав паст для связки входят: олеиновая и стеариновая кислоты, парафин, а также скипидар, подсолнечное масло, канифоль. Синтетические алмазы широко применяют для изготовления высокопроизводительных алмазных инструментов, порошков и паст. Алмазные пасты являются наиболее эффективными средствами для выполнения доводочных и притирочных работ. Пасты из синтетических алмазов АСМ и АМ изготовляют из природных алмазов. Эти пасты используют для окончательной доводки деталей и изделий, которые должны соответствовать пятому квалитету СТ СЭВ и иметь шероховатость поверхности 12 – 1-го классов. Абразивный инструмент принято маркировать обозначениями, характеризующими абразивный материал, связку, зернистость, твердость. По этим данным выбирают инструмент для той или иной технологической операции. Маркировка проставляется краской на абразивном инструменте. Лакокрасочные и склеивающие материалы Лакокрасочные материалы и покрытия применяют во всех отраслях для защиты металлических изделий от коррозии, а деревянных – от гниения и в декоративных целях. Основой для изготовления лакокрасочных материалов служат природные и искусственные (синтетические) смолы. К природным смолам относятся: канифоль, асфальт, нефтяной битум; к искусственным – алкидные, эпоксидные, полиакриловые смолы, синтетические каучуки. В состав лакокрасочного материала кроме смолы входят пленкообразующие вещества, пигменты, наполнители, сиккативы, растворители. Лакокрасочные материалы разделяют на грунты, шпатлевки, эмали, лаки, нитрокраски, масляные краски. Пленкообразующие вещества создают защитную пленку и являются связующими для пигментов и наполнителей. К ним относят растительные масла и различные смолы. Пигменты – вещества в порошках (охра, цинковая зелень, алюминиевый порошок, мумия), которые не только придают краскам или лакам цвет, но и повышают их защитные свойства. Наполнители (тальк, мел, асбест) – это добавки к пигментам, которые повышают устойчивость и прочность красочного слоя. Сиккативы – вещества ускоряющие высыхание масел. Растворители (спирт, скипидар, бензол) применяют для растворения пленкообразующих, приготовления шпатлевки, грунта, эмалевых красок. Лаки – это растворы пленкообразующих веществ (смол, смолоподобных продуктов) в различных растворителях. В зависимости от пленкообразующих веществ лаки разделяют на природные (масляные) и искусственные – приготовленные на основе искусственных смол и эфиров целлюлозы – бакелитовые и нитролаки. Масляные краски представляют собой суспензию пигментов в олифах (связующих) и выпускаются лакокрасочными заводами либо в виде густотертых паст, которые на месте разводят олифой до рабочей вязкости, либо в виде готовых к употреблению составов. Эмалевые краски представляют собой суспензию пигментов в лаках. При высыхании эти краски образуют твердую, блестящую, эластичную пленку, напоминающую эмаль. Эмульсионные краски изготовляют из эмульсий, т.е. однородных систем двух жидкостей. Для предотвращения расслаивания в эмульсии добавляют стабилизаторы – казеин, желатин, мыло. Эмульсионные краски применяют для окраски деревянных частей сеялок, жаток, комбайнов в сельхозмашиностроении. Процесс окраски состоит из нескольких основных операций: подготовки поверхности, грунтовки, шпатлевки (при наличии шероховатостей, неровностей, трещин, раковин), просушки, нанесения краски. Нанесение покрытий осуществляется кистью, механическим и воздушным распыливанием (пульверизацией), окунанием и обливанием. Затем изделие подвергают естественной или искусственной сушке. Склеивающие материалы служат для получения неразъемных соединений деталей и конструкций из однородных и различных материалов. Клеи (адгезивы), композиции на основе веществ, способных соединять (склеивать) различные материалы благодаря образованию между их поверхностями и клеевой прослойкой прочной адгезионной связи. Могут содержать также отвердители и добавки, модифицирующие вещества, т.е. наполнители, эластификаторы, пластификаторы и т.д. Из органических клеев наиболее распространены синтетические (на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей), которые подразделяют на термореактивные, термопластичные и резиновые (соответственно на основе реактопластов, термопластов, и эластомеров). К неорганическим относятся алюмофосфатные клеи, силикатные клеи, а также металлические клеи (на основе жидких металлов: ртути, галлия). Клеи могут быть жидкими (растворы, эмульсии, суспензии, мономеры), пастообразными или твердыми (пленки, гранулы, порошки, прутки), одно- или многокомпонентными. Последние поставляются чаще всего в виде двух частей (отвердитель или ускоритель отверждения – отдельно), совмещаемых непосредственно перед употреблением. Клеи готовят смешением ингредиентов до получения однородной массы с последующим приданием смеси необходимой формы экструзией, каландрованием, поливом раствора и сушкой или расфасовкой в емкости и т.п. Прочность клеевого соединения обусловлена адгезией соединяемых поверхностей с клеевой прослойкой, когезией последней и соединяемого материала и конструкцией соединительного шва. Склеивание включает операции: приготовление клея; подготовка соединяемых поверхностей; нанесение на них клея (иногда с открытой выдержкой для удаления растворителя и заполнения рельефа); приведение поверхностей в контакт; отверждение (или затвердевание) клея; контроль качества шва. Соединяемые поверхности подгоняют друг к другу и подвергают механической, физической или химической обработке для увеличения поверхности склеивания, а также ее очистки и активирования. Клеи наносят механизированными способами, аналогичными используемым при нанесении лакокрасочных покрытий или вручную, например, кистью, валиком шпателем. Пленочные клеи вырезают по размеру склеиваемых участков и укладывают на них (предварительно на поверхность наносится точками жидкий клей или поверхность подогревают). Термопластичные клеи (клеи-расплавы) можно подавать в зазор между склеиваемыми деталями с помощью устройств типа литьевых машин. Для фиксирования деталей, достижения более полного контакта между соединяемыми поверхностями и создания клеевой прослойки оптимальной толщины при склеивании создают давление. Оптимальное давление подбирают эмпирически. Термореактивные клеи образуют адгезионную связь в результате отверждения, резиновые – в результате вулканизации или испарения растворителя, термопластичные – в результате затвердевания при охлаждении зоны шва от температуры текучести полимера до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи отверждают на холоду (ниже 20 0С), при комнатной (20 – 30 0С), средних 31 – 100 0С) и высоких (более 100 0С) температурах; повышение температуры обуславливает получение более тепло- и водостойких соединений с лучшими электроизоляционными свойствами (например, кремнийорганические клеи, полиамидные клеи, полиимидные клеи, полиуретановые клеи, полиэфирные клеи, феноло-формальдегидные клеи, эпоксидные клеи, липкие ленты). Клеи растительные (крахмал, декстрин, резиновый), и животные (костяной, казеиновый, мездровый или столярный). Клеи-расплавы (термоплавкие клеи, плавкие клеи), композиции на основе термопластов (полиолефинов, полиэфиров, полиамидов, полисульфонов и др.). Могут также содержать: эластомеры, повышающие липкость и эластичность; наполнители, регулирующие вязкость и улучшающие механические свойства; природные и синтетические смолы для обеспечения смачивания соединяемых поверхностей, липкости и текучести; термостабилизаторы; пластификаторы. Выпускаются в форме лент, прутков, пленок, порошков, гранул, таблеток, шариков. Клеящие свойства сохраняются в течение длительного времени. Могут быть нанесены на соединяемые поверхности из растворов или дисперсий с последующей открытой выдержкой для удаления летучих компонентов. При склеивании клеи-расплавы нагревают до температуры текучести основы; после выдержки в течение времени, достаточно для формирования бездефектной клеевой прослойки, охлаждают до комнатной температуры; время соединения от долей до нескольких секунд. Применяют при скоростной сборке несиловых конструкций из металлов, контейнеров и емкостей из пленок и тканей, в производстве обуви и одежды, картонной и бумажной упаковки, мебели и др. Полиамидные клеи получают на основе полиамидов (термопластичные клеи) или метилополиамидов (термореактивные). Жидкие или твердые (порошки, прутки, пленки и др.) материалы. Могут содержать растворители (спирты, вода, фенолы), пластификаторы, наполнители, а также другие полимеры. Жизнеспособность однокомпонентных клеев не менее 6 месяцев, многокомпонентных (готовят непосредственно перед применением в виде растворов, порошков, пленок) после введения катализатора – несколько часов. Термореактивные клеи отверждают в присутствии катализатора (щавелевой, малеиновой или другие кислоты). Полиамидные клеи обладают хорошей адгезией к различным материалам, высокой эластичностью, топливо-, масло-, и плесенестойки, устойчивы к растворам солей, работоспособны от – 60 0С до 60 – 80 0С (иногда до 100 – 120 0С). Применяются в машино- и приборостроении для склеивания металлов между собой, а также с пенопластами, стеклопластиками и другими материалами, в производстве бумажной и картонной упаковки, изделий широкого потребления из кожи и тканей, для переплета книг, альбомов и других полиграфических изделий. Поливинилацетальные клеи, получают на основе поливинилацеталей. Могут содержать пластификаторы. Выпускаются главным образом в виде пленок, клеящие свойства которых сохраняются не менее 1 года. Клеевые прослойки обладают высокой адгезией к полярным поверхностям, в том числе к металлам, стеклу, а на основе поливинилбутираля – также свето- и морозостойкостью, бесцветностью, прозрачностью. Работоспособны до 60 0С, но недостаточно водостойки. Применяют для изготовления многослойных стекол, в производстве одежды. Полиэфирные клеи, получают на основе ненасыщенных или насыщенных сложных полиэфиров, например, олигоэфиракрилатов, полиэтиленгликольмалеинатов или продуктов взаимодействия этиленгликоля с терефталевой, себациновой, ортофталевой и другими кислотами. Могут содержать наполнитель (стекловолокно, SiO2, тальк, цемент), растворитель (метиленхлорид, ацетон; чаще растворитель содержат полиэфирные клеи на основе насыщенных полиэфиров), эпоксидные смолы, полиизоцианаты. Клеи на основе ненасыщенных полиэфиров готовят непосредственно перед применением, смешивая компоненты. Жизнеспособность таких клеев от нескольких минут до нескольких часов. Их отверждают при 20 0С от нескольких часов до 3 суток или при 60 – 100 0С от нескольких минут до нескольких часов в присутствии инициатора, а в некоторых случаях и ускорителя (нафтената кобальта, третичных аминов). Однокомпонентные композиции на основе олигоэфиракрилатов со строго определенным соотношением пероксидного инициатора, ускорителя и ингибитора могут храниться на воздухе, обычно в полиэтиленовой упаковке, не менее 1 года. Их отверждают без доступа воздуха (так называемые анаэробные клеи, или анаэробные герметики) при 15 – 35 0С в течение 6 часов после обработки соединяемых поверхностей, например аминами, иминами, или 24 часа без такой обработки клеи на основе насыщенных полиэфиров выпускаются в виде порошков, гранул, пленок, прутков; клеевые прослойки водо-, масло-, топливо- и атмосферостойки, работоспособны от -60 0С до 150 0С. Применение: клеи на основе ненасыщенных полиэфиров – для склеивания полиэфирных стеклопластиков, термопластов, металлов, древесины, в производстве оптических изделий, мебели, строительстве, машиностроении; анаэробные клеи – для контровки винтовых и болтовых соединений, фиксации подшипников, зубчатых колес, втулок, уплотнения резьбовых и фланцевых соединений и других; клеи на основе насыщенных полиэфиров – для склеивания пленок и тканей из полиэтилентерефталата, а также других термопластов. Полиолефины Полиолефины широко применяются во всех отраслях деятельности для изготовления разнообразных изделий. Полиолефины представляют собой продукты полимеризации и сополимеризации непредельных углеводородов. К полиолефинам относятся полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен-1 и другие. Полиэтилен – продукт полимеризации этилена. В зависимости от метода полимеризации получают полиэтилены высокого, среднего и низкого давления, которые различаются молекулярной массой, плотностью, степенью кристалличности, разветвленностью макромолекул. Полиэтилен, полученный при высоком давлении, называется также полиэтиленом низкой плотности, а при среднем и низком давлениях – полиэтиленом высокой плотности. В зависимости от способа получения, назначения и методов переработки выпускаются различные марки полиолефинов и композиции на их основе со стабилизаторами, красителями, наполнителями, антистатическими, полупроводящими, вулканизующими и другими добавками.

Рекомендованные лекции

Смотреть все
Материаловедение

Структура и свойства материалов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОУ ВПО КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Кафедра технологии метал...

Автор лекции

Троицкий Б. С.

Авторы

Социология

Научные исследования

СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ КАК ОСНОВА НАУЧНОГО ТВОРЧЕСТВА 1.1. Понятие научного знания 1.2. Методы теоретических и эмпирических...

Материаловедение

Материалы в пищевом, холодильном и общем машиностроении

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Кафедра технологии металлов пище...

Автор лекции

Троицкий Б. С.

Авторы

Машиностроение

Технология машиностроения

Министерство образования Республики Беларусь УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ» Г. Б. ЯКУШЕВИЧ ТЕХНОЛО...

Автор лекции

Г. Б. Якушевич

Авторы

Информационные технологии

Современные проблемы химической технологии

Министерство здравохранения Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербург...

Автор лекции

Белов М. П.

Авторы

Машиностроение

Технология машиностроения

À.Ã. ÒÊÀ×ЁÂ, È.Í. ØÓÁÈÍ À.Ã. ÒÊÀ×ЁÂ, È.Í. ØÓÁÈÍ ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈß ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈß ● ÈÇÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ ÒÃÒÓ ● УДК 621 ББК К5я73 Т484 Р е ц...

Автор лекции

А.Г. Ткачёв, И.Н. Шубин

Авторы

Электроника, электротехника, радиотехника

Электротехнические материалы

4 КнАГТУ Кафедра Электромеханики ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ КУРС ЛЕКЦИЙ КУЗЬМИН РОМАН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Разработка новых материалов, необхо...

Автор лекции

Кузьмин Р.В.

Авторы

Экология

Экологические функции биосферы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ТУЛЬСКИЙ ГО...

Автор лекции

Симанкин А.Ф.,Коряков А.Е.

Авторы

Химия

Основные понятия и законы химии

Основные понятия и законы химии Химия играет ключевую роль среди естественных наук. Она дает фундаментальные знания, необходимые для прикладных наук, ...

Технологические машины и оборудование

Основы проектирования и эксплуатации технологического оборудования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕВЕРО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. КОЗЫБАЕВА А.Л. ДЕРМАН КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИС...

Смотреть все