Получение чугуна

1. Кнорозов Б.В. « Технология металлов и материаловедение», с.16-30 2. Сайт http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/ Метоловед.рф 3. И. С. Стерин «Машиностроительные материалы» 4. Г.В. Мотовилин «Автомобильные материалы», стр291-297 5. Ю.Т. Чумаченко, «Материаловедение для автомехаников», Ростов-на-Дону, «Феникс»,2004г., с. 343-356 Лекция № 1. Тема: Получение чугуна Цель занятия: Изучить технологический цикл получения чугуна. Содержание лекции Задачей металлургии является получение металлов и металли­ческих сплавов из руд и других исходных материалов. Так, ме­таллургия стали осуществляется по двухстадийной схеме: желез­ная руда - чугун - сталь; для выплавки чугуна используют руду, агломерат, окатыши; при выплавке стали — стальной лом, от­ходы при обработке, ферросплавы. Чугун — железоуглеродистый сплав, содер­жащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным ма­териалом для получения стали, на что расходуется примерно 80—85 % всего чугуна. Вместе с тем чугун — наиболее распро­страненный литейный сплав. 1. Руды, флюсы и топливо В железных рудах рудный минерал чаще всего содержит оксиды железа; пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глины. В рудах всегда присутствуют вредные при­меси — сера и фосфор, иногда мышьяк, цинк и др. Ниже приве­дены наиболее распространенные виды железных руд и примерное содержание в них железа с учетом пустой породы: Руда Рудный минерал Fe, % Красный железняк Гематит Fe203 50—60 Магнитный железняк Магнетит Fe304 55—65 Бурый железняк Лимонит пFe203хтH20 30—50 Шпатовый железняк Сидерит FeC03 30—40 Железистые кварциты Магнетит, гематит 35—40 Железные комплексные руды содержат полезные примеси других металлов. Марганцевая руда содержит марганец в виде Мп02, Мп203 и других оксидов. Ее добавляют до 2—3 % в шихту доменных пе­чей при выплавке чугуна, а также используют для выплавки фер­ромарганца (10—82 % Мп) и чугунов с высоким содержанием мар­ганца. Доменные флюсы необходимы для удаления из печи тугоплав­кой пустой породы руды и золы топлива. При их сплавлении с флю­сом образуется относительно легкоплавкий сплав — доменный шлак; в расплавленном состоянии его удаляют через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет нормальный ход плавки, состав и качество чугуна. В отечественных железных рудах пустая порода обычно кислая, с избытком Si02. Поэтому в ка­честве флюса используют сильноосновные материалы: главным образом известняк (CaC03.MgC03). Наличие СаО (а также MgO) в шлаке обеспечивает удаление из чугуна вредной примеси — серы. В нашей металлургии из­вестняк вводят в доменную печь главным образом в виде офлюсо­ванного агломерата и окатышей. В легированных чугунах дополнительно содержатся хром, никель и другие элементы. Топливо в доменной печи служит не только источником тепла и необходимой высокой температуры, но и реагентом, обеспечи­вающим восстановление железа из его оксидов. В результате науглероживания восстановленного железа при доменной плавке образуется чугун. Главный вид доменного топлива (с первой половины XVIII в.)— кокс. В нашей стране широко применяют также природный газ. Кокс — кусковое, прочное и высокопористое топливо — полу­чают путем спекания коксующихся углей, удаляя из них летучие вещества. При его сго­рании у фурм доменной печи развивается температура 1800— 2000 °С, теплота сгорания 27-29 МДж/кг. Ценное качество кокса как доменного топлива — его доста­точно высокая прочность и термостойкость. Он сохраняется в кус­ках без образования мелочи (раздавливания) и спекания до сго­рания в нижней части. Кокс — дорогое и дефицитное топливо. Запасы коксующихся углей невелики (около 8—12 % всех запасов). Стоимость кокса составляет 45—55 % себестоимости чугуна. В нашей стране раз­работаны способы получения кокса из некоксующихся углей ; в 70-х гг. успешно проведены плавки с применением такого кокса. Природный газ— высококалорийное топливо, недефицитное и дешевое в нашей стране. Он состоит в основном из метана СН4, его теплота сгорания 33—35 МДж/м3. Технология доменной плавки с использованием природного газа впервые в мировой практике разработана и широко внедрена в отечественной металлургии. Наиболее эффективно применение газа в сочета­нии с высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом. Для частичной замены кокса в доменных печах используют также мазут и угольную пыль. Подготовка руды и флюсов к плавке В настоящее время для выплавки чугуна используют лишь около 5 % сырой железной руды; 95 % всей руды до плавки подвергают предварительной подготовке. Подготовка железной руды яв­ляется одним из эффективных направлений в совершенствовании доменного производства и дает возможность использовать более бедные руды. Подготовка руд включает дробление, сортировку и другие операции. Дробление обеспечивает нужную степень измельчения руды. Для плавки в доменной печи размер кусков руды должен состав­лять 10—80 мм, для агломерации — менее 5—8 мм, для магнит­ного обогащения — 0,1 мм. Сортировку руды по классам крупности при размерах кусоч­ков более 1—3 мм проводят на механических грохотах. Для более тонко измельченных материалов используют гидравлическую классификацию. Разделяемый материал подают вместе с водой в специальные устройства, где крупные зерна быстрее оседают, отделяясь от более мелких. В устройствах типа гидроциклон разделение частиц по крупности происходит под действием цен­тробежной силы. Усреднение материалов по химическому составу и свойствам необходимо для обеспечения ровного хода доменной печи. Одним из основных методов усреднения руды является ее послойная укладка в штабеля большого объема. Руда хорошо также усред­няется при агломерации и производстве окатышей. Обогащение руды приобретает все большее значение. В настоя­щее время до плавки обогащают около 80 % всей руды. В результате обогащения руды получают концентраты, содержащие до 65— 66 % Fe. Основным способом обогащения железной руды в нашей стране является магнитный. Его сущность состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы. При мок­рой сепарации руда при воздействии на нее магнитного поля одно­временно промывается водой. Магнитное обогащение можно не­посредственно использовать только для так называемых сильно­магнитных магнетитовых и титаномагнетитовых руд. Для других руд — средне- и слабомагнитных — перед обогащением проводят магнетизирующий обжиг. Среди других методов обогащения наиболее распространен гравитационнный: отсадка и разделение в тяжелых суспензиях (взвесях), в которых рудный минерал тонет, а частицы пустой породы всплывают. Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой породы применяют также наиболее простой и дешевый способ — про­мывку водой. Рис. 2. Схема агломерационной машины: 1 — барабанный питатель; для загрузки шихты; 2 — направляющие рельсы; 3 — зажигательный горн; 4 -спекательные тележки; 5 — вакуум-камеры (эксгаустеры) Агломерация и окатывание. Agglomeration — окускование, спекание (англ., франц.). Тонкоизмельченные концентраты, пылеватая и мелкая руда уменьшают газопроницаемость шихты, затрудняя ход доменной плавки, выносятся из печи потоком га­зов. До плавки такое железорудное сырье окусковывают путем агломерации или окатывания. В отечественной металлургии основным способом является агломерация. Агломерация — окускование мелкого железорудного сырья путем спекания. Наи­более часто агломерацию осуществляют на высокопроизводитель­ных ленточных машинах (рис. 2). Их производительность до 2000 т агломерата в сутки. Лента такой машины — конвейер (замкну­тая цепь) из 70—150 спекательных тележек, движущихся как на роликах по направляющим рельсам машины. Спекательная те­лежка (паллета) — стальная рама (с роликами) шириной 2—4 м; ее «днищем» служит колосниковая решетка (зазор 5—6 мм). Сущ­ность агломерации поясняет схема на рис. 3. На решетку тележки загружают тонкий слой агломерата — постель — чтобы не было просыпания мелкой шихты через зазоры. Затем загружают слой агломерируемой шихты. Типовой средний состав шихты: 1. железосодержащие компоненты — аглоруда (крупностью до 8 мм); концентраты, мелкий агломерат — возврат и т. п. — 70—80 %; 2. флюсы — измельченный известняк, доломитизированный известняк (до 20 мм) — до 20 %; 3. топливо — коксик — мелкий кокс (до 3 мм), каменно­угольная мелочь и пыль — 5—7 %; 4. марганцевая руда — 1 %. Агломерируемую шихту увлажняют (4—6 %) и тщательно перемешивают во вращающихся барабанах; при этом шихта окомковывается, что повышает ее га­зопроницаемость. После зажига­ния газовыми горелками топлива начинается его горение (рис. 3). Воздух для горения просасывает­ся через слой шихты с помощью вакуумных устройств (эксгау­стеров); остаточное давление 6— 10 кПа. Зона горения постепенно пе­ремещается вниз до постели (ко­лосников). В этой зоне при 1300—1500 °С происходит спека­ние шихты в пористый продукт — агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10— 40 мм используют для плавки, менее 10 мм направляют на переработку (возврат). Достоинства офлюсованного агломерата: высокая пористость и прочность кусков агломерата, что улучшает условия доменной плавки. Применение офлюсованного агломерата ускоряет процесс плавки, приводит к повышению производительности доменных печей и снижению расхода кокса. Таким образом, по существу агломерация не только «окусковывание», а один из оптимальных способов подготовки мелкого железорудного сырья и флюсов к доменной плавке. Окатывание (производство окатышей) начали применять в 1945—55 гг. для окускования тонкоизмельченных концентра­тов (0,5 мм). Такие концентраты имеют пониженную газопроницае­мость; при их агломерации заметно понижается скорость спека­ния и производительность машин. Производство окатышей включает две основные технологиче­ские операции: формирование сырых окатышей и их упрочнение. Сырые окатыши получают во вращающихся барабанах (4—8 мин-1, рис. 4), конусных или тарельчатых грануляторах, диаметр барабанов до 3 м, длина до 11 м, производительность до 50 т/ч. Pис. 3. Схема процесса спекания: I — колосниковая решетка; 2 - по­стель; 3 — слой агломерируемой шихты; 4 — зона горения и спекания; 5 — слой агломерата Окатыши более прочны, чем агло­мерат, и меньше разрушаются при перевозке. Шихта состоит из концентрата, возврата мелких окатышей; для офлюсованных окатышей добавляют мелкоизмельченный из­вестняк (10—12 %); влажность шихты 8—10 %. Для улучшения формирования и упрочнения сырых окатышей в шихту добавляют бентонитовую глину (1—2 %) и другие добавки. Для упрочнения окатышей их сушат при 300—500 °С, затем подогревают до 800— 1200 °С и обжигают при 1200—1350 °С. Эти операции наиболее часто выполняют на машинах конвейерного типа, по устройству аналогичных агломерационным машинам; их производительность до 2 млн. т/год. Окатыши меньше 10 мм возвращаются на пере­работку. Удаление серы и разложение известняка в офлю­сованных окатышах происходит как и при агломерации. Рис. 4. Схема производства окатышей: 1- бункер с шихтой; 2 — шихтовый транспортер; 3 — смесительный барабан; 4 — бункер для бентонита; 5 — гранулятор; 6 — машина для обжига; 7 — вен­тилятор для удаления газов в дымовую трубу; 8 — грохот для сортировки ока­тышей по степени крупности; / — ;она сушки 200 — 400 °С; // — зона обжига 1300—1400 °С; /// — зона охлаждения Окатывание и аг­ломерация не взаимоисключающие, а взаимодополняющие спо­собы подготовки доменного сырья; соотношение между производ­ством окатышей и агломерата определяется с учетом количества и качества используемых концентратов, расстояний при перевоз­ках и других технико-экономических факторов. Металлизация окатышей (агломерата), т. е. частичное вос­становление в них железа, чрезвычайно перспективное направле­ние в металлургии. Даже при небольшой степени металлизации (например, 10—40 %) производительность до­менной печи значительно повышается, а расход кокса — пони­жается. Устройство доменной печи Чугун выплавляют в доменных печах, которые являются шахт­ными печами. Схема устройства доменной печи показана на рис. 6. Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов, преи­мущественно из шамотного кирпича. Шамот получают из обож­женной и сырой глины; это нейтральный по химическим свойст­вам (50—60 % Si02, 30—45 % А1203), наиболее распространенный и дешевый огнеупорный материал. Толщина шамотной кладки в шахте до 700 мм, заплечиках до 350 мм. Кладка печи снаружи заключена в стальную броню (кожух) толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи, ее верхнюю часть, начиная от распара, сооружают на стальном кольце с опорными колоннами. Нижнюю часть горна выкладывают из особоогнеупорных материалов — графитизированных блоков и др. с толщиной стенок до 1500 мм. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают металлические водяные холодильники (при­мерно на 3/4 высоты печи). Рис 6. Разрез (а) и профиль рабочего пространства доменной печи (б): 1 — чугунная летка; 2 — горн; 3 — заплечики; 4 — распар; 5— шахта; 6 — колошник; 7 — засыпной аппарат; 8 — гори­зонт образования чугуна; 9 — горизонт образования шлака; 10 — зона горения кокса; 11— слой шлака; 12 — шлаковая летка; 13 — расплавленный чугун Современные крупные доменные печи имеют полезный объем примерно 2000—3000 м3; на Криворожском заводе работает одна из крупнейших в мире печей объемом 5000 м3. Крупные печи эко­номически более выгодны. Доменная печь работает непрерывно (до ремонта) 5—10 лет. Для выплавки 1 т чугуна в среднем расходуется около 1,8 т офлюсованного агломерата, 500 кг кокса. Печь загружают шихтовые материалы по мере необходимости, непрерывно подают воздушное дутье и удаляют доменные газы; периодически вы­пускают чугун и шлак. Шихтовые материалы: офлюсованный агло­мерат, кокс и др. загружают сверху при помощи засыпного (за­грузочного) аппарата; шихту задают отдельными порциями (ко­лошами) по мере опускания уровня проплавляемых материалов. Расплавленный чугун выпускают по мере его накопления в горне через чугунную летку (в печах объемом 3000—5000 м3 имеется 3—4 летки). Летки расположены на 500—1000 мм выше уровня лещади (пода) горна; «мертвый слой» чугуна предохраняет ле­щадь от разрушения при стекании струй и капель расплавленного чугуна. Расплавленный шлак выпускают через две (иногда одну) шлаковые летки; они расположены выше оси чугунных леток на 1,5—2 м. Доменный (колошниковый) газ непрерывно удаляется через специальные газоотводы. В состав доменного цеха входит также литейный двор, ковши, чугуно- и шлаковозы, разливочные машины и т. д. Подача горячего воздушного дутья в печь обеспечивается быстроходными трубовоздуходувными машинами и спе­циальными нагревателями (кауперами). Воздушное дутье для горения топлива в верхнюю часть горна подают через фурмы; в печах объемом до 2000 м3 преду­смотрено 10—20 фурм, в наиболее крупных 28—36 фурм и больше. Через фурмы вдувают природный газ (а также мазут и пылевидное топливо при их использо­вании). Расход воздуха на 1 т чугуна составляет около 3000 м3. Значение дутья очень велико. Крупнейшими усовершенствованиями явилось обогащение воздуха кислородом и повышение температуры дутья. Значительный эффект дало по­вышение избыточного давления газов под колошником примерно до 0,20—0,25 МПа, что способствует уменьшению скорости дви­жения газов, улучшению теплообмена и интенсификации физико-химических процессов. Наибольший эффект дает комплексное использование этих мер в случае применения природного газа (комплексное дутье). Повышение содержания кислорода в дутье на 1 % увеличивает производительность печи в интервале 21—25 % на 2,5, в интер­вале 26—30 % на 2,2, в интервале 31—35 % на 2,0 %. Доменный процесс Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы постепенно опускаются вниз. Навстречу нм — снизу вверх — движется поток горячих газов, образующихся при сго­рании топлива. Горение топлива. В районе воздушных фурм (верхняя часть горна) происходит полное сгорание кокса: С + 02 = С02 + + Q и природного газа: СН4 + 202 = С02 + 2Н20(пар) + Q. При этом выделяется большое количество тепла и в фокусе горения раз­вивается температура 1800—2000 °С. Эти продукты сгорания не являются конечными. Они взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям: С02 + С(кокс) = 2СО — Q; Н20(пар) + + С(кокс) — Н2 + СО — Q. Образуется смесь восстановительных газов, в которой СО является главным восстановителем железа из его оксидов. Восстановление железа в доменной печи происходит последова­тельно — от высших оксидов к низшим: Fe203 Fe304 -> FeO + Fe(металл). Восстановителями являются оксид углерода С02, твердый углерод и водород. Восстановление твердым углеродом принято называть прямым, газами — косвенным восстановлением. Косвенное восстановление происходит в ос­новном за счет углерода по реакциям: 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02 + Q; Fe304 + СО = 3FeO + С02 — Q; FeO + СО = Fe + С02 + Q *. Буквами +Q и —Q условно обозначаются тепловые эффекты реакций; их значение (Дж) не приводится. Фактическая схема восстановления более слож­на: образуются твердые растворы Fe203 в Fe304 и др. Эти реакции протекают в шахте доменной печи. Значение косвенного восстановления очень велико. За счет СО и Н2 восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40—60 % металлического железа. Остальная часть железа вос­станавливается твердым углеродом. Прямое восстановление твердым углеродом про­исходит при температурах выше 950—1000 °С в зоне распара печи по итоговой реакции: FeO + Схв = Fe+ СО — Q. Оптимальное соотношение между прямым и косвенным вос­становлением (определяющее минимальный расход кокса) зависит от конкретных условий доменного процесса: температуры воздуш­ного дутья, количества природного газа и других факторов. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком составляют 0,2—1 %. Науглероживание железа. Образование метал­лического железа начинается при 400—500 °С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300—1400 °С (в распаре). При этих температурах восстановленное железо с ТПЛ = 1539 °С находится в твердом состоянии в виде губчатой массы. Однако уже в шахте печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание по реакции: 3Fe + 2СО = Fe3C + С02 + + Q и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается. При 1,8—2 % С она составляет 1200—1150 °С, и примерно в зоне распара начинается плавление сплава. Стекая каплями в горн, расплав омывает куски раска­ленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. Образование чугуна. При стекании жидкого сплава в горн и в самом горне в нем растворяются восстановленные Mn, Si и дру­гие примеси и образуется сложный по составу железоуглероди­стый сплав — чугун (3,7—4 % С). Его конечный состав уста­навливается в горне и в значительной мере зависит от состава, свойств и количества шлака. В составе чугуна всегда есть постоян­ные примеси: полезные — Мп и Si и вредные — Р и S. В чугуне могут быть и другие полезные примеси — никель, хром, ванадий и др. Они попадают в доменную печь в виде соответствующих примесей используемой железной руды. Марганец поступает в доменную печь, как постоянная примесь железной руды и агломерата. Для выплавки чугуна с повышенным содержанием марганца в печь загружается марган­цевая руда. Кремний находится в пустой породе руды, агломерате и золе топлива в виде Si02 или в виде силикатов — 2Si02- FeO и др. Фосфор — вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде Р205хЗСаО.Фосфор восстанавливается СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью. Сера — особенно вредная примесь в чугуне и стали. Для литейного производства и для выплавки стали нужен чугун с низ­ким ее содержанием. Основное количество серы вносит кокс, содержащий от 0,5—0,7 до 1,3—2 % S в виде органических соединений. В агломерате до 0,02—0,04 % S. При доменной плавке 10—20 % серы удаляется с газами в виде S02, H2S и др. Остальная часть в виде сульфидов FeS, CaS и др. соединений пере­ходит в чугун и в шлак. Наиболее опасен сульфид железа FeS, хорошо растворяющийся в расплавленном чугуне. Наиболее интенсивно сера удаляется при прохождении капель чугуна через слой шлака; коэффициент перехода серы в шлак составляет 0,9— 0,99. Шлакообразование. Значение шлака очень велико: его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. При­мерно в районе распара образуется первичный шлак. В сложных физико-химических процессах взаимодействия системы: чугун—кокс— шлак большое значение имеет не только состав шлака, но и его количество, вязкость и др. свойства, температура горна и т. п. Для выплавки передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают соответствующий шлаковый режим. При выплавке передельного чугуна типовой состав шлака: 40—50 % СаО, 38— 40 % Si02, 7—10 % А1203. Одна из важных характеристик шлака — его основность, т. е. отношение содержания основных оксидов к содержанию кислот­ных оксидов. Продукты доменной плавки Основным продуктом доменного производства является чугун, шлак и доменный газ — побочными. В доменных печах выплавляют передельные и литейные чу-гуны, а также некоторые ферросплавы. Передельный чугун предназначается для дальней­шего передела в сталь. На его долю приходится около 90 % об­щего производства чугуна. Литейный чугун применяется после переплава в пла­вильных цехах для отливки чугунных изделий. Чугуны с низким содержанием фосфора (0,1—0,3 %) используют для изготовления высокопрочных литых изделий, а содержание 0,3—1,2 % Р — для художественного литья. В зависимости от размеров доменной печи, выпуск чугуна проводят по 10—18 раз в сутки. При выпуске плавки расплавлен­ный чугун в ковшах-чугуновозах вместимостью 80—100 т по же­лезнодорожным путям подают в сталеплавильный цех завода для передела в сталь, или на разливочную машину. Разливочная машина представляет собой конвейер с укреплен­ными на нем формами (мульдами); в них получают небольшие слитки — чугунные чушки массой до 55 кг, которые направляют на другие заводы. Доменные ферросплавы. Эти сплавы используют при выплавке сталей для раскисления и легирования. В доменных печах из руд некоторых месторождений выплав­ляют также природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т. п. Доменный шлак по мере его накопления выпускают в расплавлен­ном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы. В настоящее время почти весь шлак используют для получения строительных материалов. Доменный или колошниковый газ выделяется в боль­ших количествах и непрерывно удаляется из доменной печи через газоотводы в колошнике. После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и па­ровых котлов, а в смеси с более высококалорийными коксовым или природным газами для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошни­ковая пыль содержит 45—50 % Fe и ее используют при агломерации. Познакомьтесь с учебным видеофильмом «Металлургия чугуна и стали». http://материаловед.рф/uchebniki/osnovy-metallurgicheskogo-proizvodstva/1-sovremennoe-metallurgicheskoe-proizvodstvo-i-ego-produkciya Вопросы для самоконтроля: 1. Основные этапы производства чугуна. 2. Продукты доменного процесса. Лекция № 2. Тема: Получение стали. Цель занятия: Изучить технологический цикл получения стали. Содержание лекции Стали — железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5 % углерода. Теоретически до 2,14 % углерода Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших количествах постоянные примеси: марганец — (до 0,8 .%), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %), что связано с особенностями технологии ее выплавки. Кроме угле­родистых сталей в технике широко применяют легированные стали, в состав которых входят хром, никель и другие элементы. Существуют свыше 1500 марок углеродистых и легированных ста­лей _ конструкционных, инструментальных, коррозионностой-ких (нержавеющих) и др. Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно велико: Нельзя практически назвать ни одной отрасли хозяйства, где бы ни применяли сталь. 1. Современные способы производства стали Для массового производства стали в современной металлургии основными исходными материалами являются передельный чу­гун и стальной скрап (лом). В чугуне значительно больше угле­рода (около 4 %), а также марганца, кремния и других примесей, чем в выплавляемой стали. Поэтому выплавка стали — передел чугуна (или чугуна и стального скрапа) в сталь — сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытка уг­лерода и других элементов. Для выплавки легированных сталей в их состав вводят соответствующие элементы. Для обеспечения качества стали, при плавке необходимо возможно полнее удалять из металла вредные примеси — серу и фосфор, кислород, азот, неметаллические включения. Первыми способами получения стали из чугуна были крич­ный способ (XII—XIII вв.) и затем пудлинговый способ (ко­нец XVIII, Англия). Окислительная плавка чугуна (с добав­ками оксидов железа) проводилась в пламенных печах; тугоплав­кая сталь получалась в тестообразном состоянии. Продукт плав­ки — крица — представляла собой комья (куски) сварившихся зерен металла. Плотный металл — сварочное железо (0,2—0,3 % С) получали при последующей ковке или прокатке. Первыми массовыми способами получения расплавленной (ли­той) стали явились бессемеровский (1855—56 гг., Англия) и томасовский (1878 г., Англия) процессы. Для передела в сталь расплавленный чугун продували воздухом (снизу). Этим высоко­производительным способом (до начала XX в.) производили ос­новную массу конструкционной стали (рис. 7). Их недостатки: невысокое качество стали и ограниченность сырьевой базы — возможность использовать лишь некоторые чугуны с определен­ным содержанием Si, S, Р. В 1864—65 гг. был разработан мартеновский процесс (Фран­ция) менее производительный, но позволяющий выплавлять более качественную сталь. Кроме того, для выплавки мартеновской стали используется наиболее распространенный чугун (непригод­ный для бессемеровского и томасовского передела) и огромное количество вторичного металла — стального скрапа. В период 1910—70 гг. мартеновский процесс был главным способом вы­плавки стали. В настоящее время кислородно-конвертерный процесс — главный способ массового производства стали. Выплав­ляемая сталь по качеству примерно равноценна мартеновской стали. Кислород широко применяют и для интенсификации мартеновского и электросталеплавильного про­цессов. Легированную сталь в настоящее время выплавляют, в основ­ном, в электрических дуговых и индукционных печах (начало XX в). Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, путем электрошлакового, плазменного переплава и другими новейшими способами. Внедоменные способы производства железа (стали) — одно из перспективных направлений в металлургии. Современная двухстадийная технология: руда - чугун - сталь является тех­нически несовершенной. Опробованы многочисленные способы восстановления железа из руды. Они нашли пока ограниченное промышленное применение из-за невысокой производительности агрегатов и более высокой стоимости металла. Сталеплавильные агрегаты непрерывного действия — САНД одно из наиболее перспективных современных направлений в про­изводстве стали. В САНД можно более эффективно использовать кислородное дутье, лучше рафинировать металл, обеспечить полное автоматическое управ­ление плавкой. Разрабатываются непрерывные производственные линии по схеме: переработка железнорудного сырья — готовый прокат. 2. Кислородно-конвертерный процесс Сущность процесса: в плавильный агрегат — конвертер — за­гружают стальной скрап, заливают расплавленный чугун (бо­лее 70 % по массе плавки) и продувают струей кислорода сверху (рис. 8). В металлической шихте С, Si, Мп и другие примеси энер­гично окисляются. Продукт плавки: расплавленная сталь задан­ного состава. Рис. 8. Схема кислородного конвертера: 1- кожух конвертера; 2 — арматурный слой из магнезитового кирпича; 3 — смолодоломитовая набивка; 4 — шамотный кирпич; 5 — летка для слива стали; 6 — фурма для вдуваниякислорода; 7—металл Устройство конвертера Корпус (кожух) конвертера (рис. 8) сварен из листовой стали, в крупных конвертерах толщиной до 100 мм. Внутренняя футе­ровка корпуса — двух или трехслойная, общей толщиной 700— 1000 мм, — изготовлена из основных огнеупорных материалов, преимущественно из магнезита и доломита (рис. 8). Внутренний — рабочий слой —обычно делают из высокоогнеупорного смолодоломитового кирпича; его стойкость до ремонта 400—800 плавок. Благодаря наличию основной футеровки в конвертер при плавке загружается известь и образуется основной шлак. Это обеспечи­вает достаточно полное удаление из металла вредных примесей — серы и фосфора. Конвертер устанавливают на опорных станинах при помощи цапф, и он может поворачиваться для технологических операций (рис. 9). Над конвертером установлен камин — газоход для улав­ливания конвертерных газов (дыма) при продувке. Вместимость современных конвертеров 70—350 т. Рабочее пространство кон­вертера на 300 т имеет размеры: высоту 9 м, диаметр 7 м, диаметр горловины 3,5 м, глубину ванны 1,7 м. Производительность такого конвертера около 2— 2,5 млн. т стали в год. Кислородное дутье Кислород под давлением по­ступает из водоохлаждаемой фур­мы, которую вводят по оси кон­вертера через горловину. Расстояние от сопла фурмы до поверхности спокойной ванны со­ставляет 0,7—3 м. Надежное охлаждение фурм, работающих в высокотемператур­ной зоне (2400 °С и более), обеспечивается подачей воды с расхо­дом до 5000 л/мин под давлением до 1 МПа. Механизм подъема и опускания фурм сблокирован с механизмом поворота конвертера; пока не удалена фурма конвертер нельзя повернуть. Режим кислородного дутья (давление, расход и т. п.) оказы­вает очень большое влияние на производительность конвертера и качество стали. Давление кислорода — примерно 1 — 1,5 МПа, на выходе из фурмы должно обеспечивать достаточную кинетическую энергию струи и требуемое ее углубление в металл для «усвоения» кисло­рода и перемешивания ванны — циркуляции металла и шлака. Частично струя кислорода отражается от поверхности ванны (рис. 10). Рис. 10. Схема движения металла при продувке кислородом: 1 — сопло; 2 — струя кислорода; 3 — отраженная струя; 4 — движение металла Расход кислорода (интенсивность продувки) — наиболее важ­ный параметр режима дутья, определяющий продолжительность плавки и производительность конвертера. Расход кислорода составляет примерно 2—5 м3/мин на 1 т металла. С увеличением расхода время продувки сокращается с 20—30 до 10—15 мин. Чистота технического кислорода должна быть 99,5—99,7 %, что обеспечивает в готовой стали низкое содержание вредной примеси — азота (0,002—0,004 %). Значительно более дешевый тех­нологический кислород (98—99 %) можно применять при выплавке стали, в которой содержание азота жестко не регламентируется. Шихтовые материалы Основная масса металлической шихты — передельный рас­плавленный чугун — более 70 %; стальной лом (скрап) добавляют до 25—30 %. В кислородных конвертерах можно пререработать чугун различного химического состава: с пониженным и повышен­ным содержанием Mn, Si, высокофосфористые и т. д. Наиболее выгоден для передела чугун марок Ml, М2, МЗ с оптимальным со­ставом: 3,8-4 % С; 0,5—1,5 % Si, 0,5—1,5 % Mn, 0,15—0,3 % Р, 0,02—0,06 % S. При его переделе проводят наиболее простой тех­нологический вариант — обыкновенный кислородно-конвертер­ный процесс. Плавку ведут с одним шлаком, обеспечивая нужную степень удаления фосфора и серы. При содержании в чугуне Р > 0,3 % плавку необходимо проводить с остановкой продувки для слива промежуточного высокофосфористого шлака, и его об­новления для завершающей части плавки. Технология плавки Последовательность основных операций и рабочие положения конвертера приведены на рис. 9. 1. После выпуска плавки сталевыпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматри­вают футеровку конвертера; на изношенные участки (места) струей сжатого воздуха подается огнеупорная масса. 2. Затем за­гружают стальной лом завалочными машинами лоткового типа и заливают расплавленный чугун, доставляемый в ковшах из мик­сера. 3. Конвертер устанавливают в вертикальное положение, в него вводят фурму и включают кислородное дутье. С началом продувки загружают примерно 2/3 по массе шлакообразующих: извести, боксита (плавикового шпата), железной руды; остальную их часть вводят отдельными порциями по ходу продувки. Конец продувки определяют по времени, количеству израсходованного кислорода, виду пламени из горловины. Затем отбирают контроль­ные пробы металла и шлака для экспресс-анализа, измеряют тем­пературу. 4. При выпуске стали проводят ее раскисление и легирование. Готовую сталь направляют на разливку. 5. Шлак сливают в шлако­вый ковш через горловину. Рис. 9. Технологические операции кислородно-конвертерной плавки: 1 — загрузка стального скрапа; 2 — заливка расплавленного чугуна; 3 — продувка кислородом; 4 — загрузка извести и железной руды с началом про­дувки и по ходу плавки; 5 — выпуск металла; 6 — выпуск шлака Примерная продолжительность основных операций плавки, мин: Завалка лома 3—4 Заливка чугуна 3—4 Продувка 10—25 Взятие пробы (химический анализ) 3—4 Выпуск стали 5—6 Слив шлака 1—2 Подготовка конвертера, Неучтенные задержки До 5 Общая длительность плавки .... 25—30 Окисление при продувке Окисление железа, углерода и других примесей при продувке происходит за счет: газообразного кислорода, кислорода, растворенного в металле; закиси железа (FeO). Окисление углерода имеет наиболее важное зна­чение; достижение его заданного содержания определяет продол­жительность продувки (плавки). Окисление углерода происходит с большой скоростью, что определяет очень высокую производи­тельность конвертера. В начальный период кислород расходуется преимущественно на окисление Si, Мп и др. и скорость окисления углерода не­велика— 0,1—0,15 %/мин. Затем скорость обезуглероживания достигает 0,5 % С/мин, что примерно на два порядка выше, чем в мартеновском процессе. Замедление окисления углерода к концу продувки облегчает выплавку стали заданного состава. Выделяю­щиеся при окислении углерода пузырьки СО удаляют из металла азот; интенсивно перемешивая металл и шлак, они способствуют также удалению фосфора и серы. Кремний окисляется практически полностью, марга­нец примерно на 70 % уже в начале продувки. Это объясняется их высоким сродством к кислороду при невысокой температуре (реакции — экзотермические). Фосфор удаляется путем ошлакования (перехода в шлак). За всю плавку в шлак пере­ходит до 95—98 % фосфора шихты; готовая сталь содержит <0,04 % Р. Сера удаляется значительно хуже, чем фосфор, — до 50 % содержания в чугуне. До 90 % всей удаляемой серы ошлаковывается известью по реакции; до 10 % удаляется при прямом окислении дутьем в виде S02. Основная причина невысокой степени десульфурации — значи­тельное содержание FeO в шлаке, что препятствует ошлакованию серы. Основная часть серы поступает с чугуном. Окисление и испарение железа. При про­дувке металла кислородом неизбежно происходит окисление железа с образованием FeO: потери составляют до 2 % Fe. Ха­рактерной особенностью является испарение железа —до 1,5 %, при контакте струи кислорода с металлом, где развивается тем­пература 2000—2500 °С. Шлаковый режим. Состав шлака — его основность, содержание FeO, температура и другие особенности шлакового режима существенно влияют на ход плавки и качество стали. При повышенном положении кислородной фурмы плавление шлакообразующих ускоряется, в шлаке образуется FeO, что обеспечивает раннее удаление фосфора. Наиболее важная характеристика состава шлака — его основ­ность. Важный параметр — количество шлака, с увеличением его массы степень дефосфорации и десульфурации повышается. 3. Раскисление стали Все способы выплавки стали из чугуна и скрапа — окислитель­ные процессы Кислород ухудшает прочность, и в особенности пластичность и вязкость стали. Поэтому обязательной завершающей операцией при выплавке является раскисление стали, т. е. уменьшение содержания кислорода до допустимых норм. Есть несколько способов раскисления стали: глубинное, диффузионное и др. Для кислородно-конвертерной стали применяют глубинное раскисление — наиболее распространен­ный и дешевый способ. Глубинное (осаждающее) раскисление со­стоит в том, что в глубину металлической ванны вводят раскис­лители — элементы, имеющие большое сродство к кислороду. Вещества, образующиеся при их окислении, имеют меньшую плот­ность, чем сталь; они всплывают «осаждаясь» в слой шлака. Наиболее часто сталь раскисляют марганцем (ферромарган­цем), кремнием (ферросилицием) и алюминием. Марганец — наиболее слабый раскислитель: в затвердевшей стали остается часть растворенного кислорода (FeO, МпО). Крем­ний и в особенности алюминий имеют более высокое сродство к кислороду; они являются более энергичными раскислителями. По степени раскисления раз­личают кипящую, спокойную и полуспокой­ную сталь. Кипящая сталь — наименее раскисленная — может быть получена при раскислении только одним ферромарганцем. В такой стали реакции [С] + [О] = СО не прекращается и ме­талл продолжает «кипеть» из-за выделяющихся пузырей СО. Эти газовые пузыри остаются в большом количестве в теле слитка и устраняются при последующей горячей прокатке. Такая сталь наиболее дешевая. При ее производстве получается наибольший выход годного металла. Спокойная сталь — наиболее раскисленная — полу­чается при последовательном раскислении металла ферромарган­цем, ферросилицием и алюминием. После введения раскислителей выделение пузырей СО прекращается и металл «успокаивается». Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая. В верх­ней части слитка образуется усадочная раковина, что значительно уменьшает выход годного металла. Полуспокойная сталь получается при раскисле­нии ферромарганцем и уменьшенным количеством ферросили­ция (иногда и алюминия). По качеству и по стоимости она является промежуточной между спокойной и кипящей сталью. Кислородно-конвертерным способом выплавляют спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Во избежание большого угара раскислители вводят не в конвертер, а на струю металла при выпуске плавки, после наполнения ковша примерно на 1/4— 1/3 объема. Выплавка легированных сталей в конвертерах затруднена; в них выплавляют в основном низколегированные стали. Неокисляющиеся элементы, например, никель можно вводить во время плавки. Большинство легирующих элементов — хром, марганец и др. легко окисляются. При их введении во время продувки происходит большой угар. Один из способов легирования — при выпуске плавки, в ковше, куда загружают или заливают в рас­плавленном состоянии соответствующие ферросплавы. Потери металла при плавке. Выход стали при выпуске плавки составляет 90—93 % от массы продуваемого металла. Отвод и очистка конвертерных газов. При продувке из конвер­тера выделяется огромное количество отходящих газов бу­рого дыма (до 2500—3000 м1/мин). Конвертерный газ содержит 70—80 % СО (12—18% С02, ост. N2) и 50—100 г/м2 пыли—взве­шенных частиц оксидов железа (имеющих характерную бурую окраску). Из горловины конвертера газы поступают в камин-газоход. По схеме без дожигания используется только физическое тепло: в котлах-утилизаторах газы охлаждаются от 1500—1700 до 250— 300 °С; далее газы направляются на очистку от пыли и исполь­зуются как химическое сырье или топливо. По другой схеме утиизации используется не только физическое, но и химическое тепло от дожигания СО -> С02; после очистки газ удаляется в ат­мосферу. Для удаления пыли применяют мокрую газоочистку (водяные скрубберы и др.) и сухую (электрофильтры и т. п.). Пыль (>90 % Fe203) используют в производстве агломерата и окатышей. При выбросе в атмосферу газ должен содержать менее 0,1 г/м3 оксидов железа (пыли). Стоимость оборудования для отвода и очистки газа составляет 10—30 % стоимости цеха. Вопросы для самоконтроля: 1. Основные этапы технологического процесса плавки стали. 2. Сущность процесса раскисления стали. Лекция № 3. Тема: Получение алюминия и меди. Цель занятия: Изучить технологический цикл получения алюминия и меди. Содержание лекции Получение алюминия Впервые металлический алюминий был получен химическим путем немецким химиком Ф.Велером в 1821 г. (восстановлением из хлорида алюминия металлическим калием при нагревании). В 1854 г. французский ученый Сент-Клер Девиль предложил электрохимический способ получения алюминия, восстанавливая натрием двойной хлорид алюминия-натрия. По способу Сент-Клер Девиля с 1855 по 1890 г. было получено всего 200 тонн алюминия, а за оставшиеся до конца XIX века 10 лет выплавка алюминия (уже по новому способу) составила 28000 тонн, в 1930 г. мировое производство алюминия только в нашей стране составило несколько млн. тонн в год. Новый способ был предложен в 1886 г. американским хими­ком Ч. Холлом — он заключается в электролизе Аl2O3, растворенного в расплавленном криолите Nа3АlF6, — и применяется до настоящего времени. Основным сырьем при получении алюминия являются бокситы (гидратированный оксид алюминия Аl2О3.xН2О, «загрязнен­ный», как правило, оксидами SiO2, Fе2О3, СаСО3): нефелины (КNа3[АSiO4]4 или 3/2[Nа2О.Аl2О3.2SiO2].1/2[К2О.Аl2О3.2SiO2]); алуниты (КАl(SО4)2.2Аl(ОН)3); каолины (Аl2[(Si2О5)(ОН)4]) и глиноземы (смесь каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом МgСО3). В промышленности алюминий получают электролизом раствора чистого Аl2О3 в расплавленном криолите NaАlF6 с добавкой СаF2 при температуре ~950 °С. Криолит используется как растворитель оксида алюминия, кроме того, с добавкой СаF2 он позволяет поддерживать в электролитической ванне температуру плавления не выше 1000°. Первым этапом в переработке руд является их очистка от примесей, вторым этапом — тщательное обезвоживание оксида алюминия. Электролиз водных растворов соединений алюминия невозможен, так как ион Аl3+ более активен, чем ион Н3О+, и на катоде из водных растворов соединений алюминия будет выделяться водород. Электролиз проводят в стальных электролитических ваннах, у которых имеется внешняя теплоизоляция и внутренняя футеровка из огнеупорного кирпича . Внутри электролитическая ванна выложена графитовыми блоками, так как расплавленные фториды при высокой температуре растворяют обычную огне­упорную футеровку. Графитовые блоки у основания ванны вместе с расплавленным алюминием служат катодом, а аноды представ­ляют собой угольные стержни, которые смонтированы таким об­разом, чтобы они могли опускаться по мере их сгорания (окисление анодов происходит с образованием СО и СО2). В первую очередь в электролизер загружают криолит и фторид кальция. После их расплавления (теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока) добавляют чистый Аl2О3. Выделяющийся на аноде кислород окисляет угольные стержни, именно поэтому конструкция электролитической ванны такова, что аноды можно опускать по мере их сгорания. В результате каждые 20-30 дней аноды приходится заменять новыми. В этом процессе потребляется большое количество электрической энергии. В нем используется постоянный ток силой более 100000 А при напряжении порядка 5 В. Для получения 1 т алю­миния расходуется 13-17 тысяч киловатт-часов энергии. Такой процесс экономически оправдан только при наличии дешевой электроэнергии, например, от гидростанции. В России для этого имеются все условия, особенно в Сибири, на базе дешевой электроэнергии и больших запасов нефелиновых руд. Физические свойства алюминия Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C. По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования. Применение Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, не ядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий). Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство - из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять. Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании. Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование. Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала. Драгоценный алюминий В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Не удивительно, что в первую очередь алюминий нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих декоративных элементов. В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства. Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров. Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков. Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды. В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки, организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия, который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла. В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия — электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе. Последнее изобретение — пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее. Познакомьтесь подробнее с технологией производства алюминия, посмотрев учебный видеофильм «Электролитическое производство алюминия». http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/uchebniki/osnovy-metallurgicheskogo-proizvodstva/6-proizvodstvo-cvetnyx-metallov/6-2-proizvodstvo-alyuminiya Современные способы получения меди На сегодняшний день в мировой практике используются два способа получения меди: гидрометаллургический и пирометаллургический. Доля первичной меди, полученной пирометаллургическим способом, составляет порядка 90 % от мировой добычи, в России этим способом получают около 98 % металла. Пирометаллургический процесс подразделяется на несколько стадий: • подготовка сырья (обогащение с последующим обжигом или без него); • плавка на штейн; • продувка в конвертере для получения черновой меди; • рафинирование. Этот способ применяется для обработки руд с высоким содержанием меди и дает возможность извлекать из них ряд сопутствующих ценных металлов. Гидрометаллургия меди используется для извлечения меди из бедного сырья и подразумевает выщелачивание металла с последующим осаждением меди из раствора. Пирометаллургический способ добычи меди Обогащение исходного сырья производится методом флотации. Содержание меди в полученном концентрате варьирует в пределах 10-35 %. Концентрат меди или медная руда с высоким содержанием серы подвергается обжигу. В процессе обжига при доступе кислорода происходит окисление сульфидов и содержание серы понижается на 40-50 %. Обжигу обычно подвергают бедные концентраты, сырье с высоким содержанием меди отправляют на плавку без обжига. Плавка на штейн производится в пламенных отражательных печах. Содержание меди в штейне может достигать 50 %. Кроме меди в сплаве содержатся железо, сера, примеси цинка, никеля, благородных металлов. Медный штейн направляют в конвертер и подвергают продувке сжатым воздухом. Большая часть примесей окисляется и уходит в шлак. Содержание основного металла в черновой меди доходит до 98-99,4 %. Для очистки примесей черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию. При огневом рафинировании производится принудительное окисление примесей с переводом в шлак или удалении с газами. Очищенная медь может быть использована для получения сплавов либо подвергаться электролитической очистке. В данном случае цена меди получается оптимальной по соотношению к ее качеству. Гидрометаллургия меди Гидрометаллургические способы добычи меди дешевле пирометаллургического и оказывают меньше давления на окружающую среду. Поэтому в мире наметилась тенденция к совершенствованию технологии и увеличению доли гидрометаллургических процессов в добыче меди. Суть процесса сводится к обработке медной руды растворителем с последующим осаждением металла из раствора. В качестве растворителя чаще всего применяется серная кислота, реже – вода и раствор сульфата железа. Существует несколько методов выщелачивания меди из руды: подземное выщелачивание, перколяция, или просачивание растворителя сквозь рудный слой; автоклавное выщелачивание, выщелачивание в кучах, выщелачивание в чанах с принудительным перемешиванием (агитация). Гидрометаллургические методы получения меди пригодны для обработки любого медьсодержащего рудного сырья. На практике их применяют в процессе переработки обожженных сульфидных и окисленных руд. Извлечение сопутствующих металлов из руды при этом сильно затруднено, поэтому гидрометаллургический способ преимущественно используется для переработки бедных руд, доля примесей в которых не представляет экономического интереса. Современная промышленность заинтересована в так полуфабрикатах как медные трубы, прутки, шины и проволоки. Спектр применения изделий из первичной меди и ее сплавов очень широк - от электротехники до дизайна интерьеров. Вопросы для самоконтроля: 1. Сырье для производства алюминия. 2. Способы получения алюминия. 3. Способы получения меди. Лекция № 4. Тема: Строение и свойства материалов. Способы испытания. Цель занятия: Содержание лекции Свойства металлов и сплавов определяются их внутренним строением или структурой, т. е. типом кристаллов, из которых они состоят, формой и размером этих кристал­лов и их взаимным расположением. Ориентировочные представления о строении и свойствах данного сплава мо­гут быть получены при помощи диаграмм состояний, а бо­лее детальные — при использовании специальных методов исследований и испытаний: металлографических, меха­нических и т. п. При одном и том же химическом составе сплав, в за­висимости от условий кристаллизации и технологической обработки, может иметь разную структуру, а следова­тельно, и свойства. Специфические свойства металлов и в первую очередь пластичность и обрабатываемость являются следствием особой природы межатомного взаимодействия в ме­таллах. Все металлы — тела кристаллические, их атомы рас­полагаются в пространстве упорядочение, образуя кри­сталлическую решетку. Значительное количество неме­таллических материалов также являются кристалличе­скими телами, однако свойства весьма отличаются от свойств металлов. В кристаллической решетке металла все узлы заняты одинаковыми атомами (ионами), в ре­шетке же, например хлористого натрия, ионы натрия и хлора чередуются. И в том, и в другом случае ионы удерживаются на своих местах мощными силами межатомного взаимодействия, и нужны значительные механические усилия, чтобы нарушить и деформировать структуру кристалла. В идеальном кристалле силы взаимодействия могут быть определены и на их основе вы­числена механическая прочность такого кристалла (как металлического, так и неметаллического). Вычисленная прочность идеального кристалла весьма велика, она во много раз превышает прочность реальных кристаллов и оказывается примерно одинаковой и для кристалла хлористого натрия, и для металлического кристалла, об­ладающих столь разной реальной прочностью. Причина различия теоретической и практической прочности за­ключается в том, что структура реальных кристаллов да­лека от совершенства вследствие различных нарушений правильности строения. Атомы в кристалле металла соединены металличе­ской связью. При этом атомы теряют часть внешних электронов и превращаются в положительно заряжен­ные ионы. Свободные электроны, не связанные с каким-либо конкретным атомом, свободно передвигаются в кри­сталле с большими скоростями. Относительно свободное передвижение электронов в металле и является причиной высокой тепло- и электропроводности металлов. Взаимо­действие между положительно заряженными ионами и свободно перемещающимися отрицательными электро­нами и является той силой, которая обеспечивает един­ство кристалла. Большая однородность взаимодействия при таком типе связи делает ее менее чувствительной к дефектам кристаллической решетки, поэтому кристал­лы металлов обладают пластическими свойствами. Гово­ря о прочности материалов, мы имеем в виду не столько прочность идеальных кристаллов, сколько влияние на эту прочность несовершенств кристаллической решетки, име­ющих место как внутри самого кристалла, так и между отдельными кристаллами (границы зерен). Металлы менее чувствительны к несовершенствам кристаллической решетки, чем неметаллы. В противопо­ложность этому, малейшие нарушения правильности строения у неметаллических кристаллов приводят к зна­чительному ослаблению, потере пластичности и, в конеч­ном счете, к разрушению даже при небольших нагрузках. Кристаллическая структура металлов характеризует­ся типом кристаллической решетки, которую принято изображать в виде точек, соответствующих положению атомов, соединенных воображаемыми линиями. Наимень­шая группа атомов, имеющая полную симметрию кристалла, называется элементарной кристаллической ячейкой. Тип кристаллической решетки определяется при помощи рентгеноструктурного анализа. В кристал­ле можно провести большое количество плоскостей, про­ходящих через атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки. Основные кристаллические решетки металлов: 1—кубическая объемно-центрированная; 2—кубическая гранецентрированная; 3—гексагональная плотноупакованная Для каждой группы кристал­лографических плоскостей межплоскостные расстояния и плотность расположения атомов на них будут различ­ными, а следовательно, будут различными и силы взаи­модействия между этими плоскостями. Поэтому физические и механические свойства кристалла зависят от направления, в котором их определяют.. Это явление на­зывается анизотропией свойств. Несовершенства кри­сталлического строения бывают точечным, линейными и поверхностными. Точечные дефекты образуются вслед­ствие тепловых колебаний атомов вокруг своего средне­го положения (узла) в кристаллической решетке. При увеличении амплитуды колебаний, с повышением темпе­ратуры, например, атом может покинуть свое место в узле и переместиться в междоузлие. Такой атом называ­ется дислоцированным, а покинутое им место в кристал­лической решетке — вакансией. Линейные дефекты на­зываются дислокациями, которые образуются в резуль­тате незавершенного смещения по плоскости сдвига одной части кристаллической решетки относительно другой. Наличие несовершенств в кристаллическом строении влияет на свойства кристаллических тел и в первую оче­редь на их прочность. Образование кристаллической решетки при затверде­вании жидкого металла называется процессом кристал­лизации. На рис. 24, а показана кривая охлаждения кри­сталлического тела, горизонтальный участок на которой соответствует собственно процессу кристаллизации. Рис. 24. Кривые охлаждения: а — кристаллическое вещество; б — аморфное вещество Остановка в понижении температуры вызвана выделени­ем скрытой теплоты кристаллизации, которая компенси­рует отвод тепла в окружающую среду. Тепловой эффект появляется в следствии изменения внутреннего строения вещества: вместо беспорядочного расположения атомов (жидкое состояние) происходит их упорядочение в соот­ветствии с типом кристаллической решетки. Температу­ра, при которой меняется внутреннее строение ох­лаждаемого или нагреваемого вещества, называется критической температурой или критической точкой. Дей­ствительная температура кристаллизации всегда не­сколько ниже теоретической. Разница между этими температурами называется степенью переохлаждения, кото­рая зависит от скорости охлаждения: чем быстрее охлаждается металл, тем ниже температура его кристал­лизации. У аморфных тел внутренние превращения при затвердевании отсутствуют и поэтому кривая охлажде­ния идет плавно и не имеет критических точек (рис. 24,6). Процесс кристаллизации (участок АБ на кривой рис. 24,и) состоит из образования центров кристаллиза­ции и их роста (рис. 25). Еще в жидком металле атомы могут принимать упорядоченное расположение, соответ­ствующее типу его кристаллической решетки, но в след­ствии интенсивного теплового движения атомов это рас­положение оказывается нестойким и быстро нарушается. При понижении температуры такие образования стано­вятся устойчивыми и начинают присоединять к себе все новые атомы из жидкого металла, т. е. становятся цент­рами кристаллизации. В конце процесса кристаллизации, когда растущие кристаллы соприкасаются, их правиль­ная форма нарушается и они становятся округлыми. Такие кристаллы, не имеющие правильной огранки, называются кристаллитами. Скорость образования числа центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения, т. е. от скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем бо­лее мелкозернистым получается металл и тем выше его механические свойства. Рост кристаллов протекает неравномерно в различных направлениях и поэтому расту­щий кристалл имеет ветвистую форму. Разветвленные кристаллы, образующиеся на ранней стадии кристаллизации, называются дендритами. При охлаждении многих металлов тепловые эффекты на кривых охлаждения наблюдаются не только при пе­реходе из жидкого в твердое состояние, но и в твердом состоянии. Выделение или поглощение тепла в этом случае связано с изменением формы кристаллической ре­шетки. Одно и то же кристаллическое вещество может иметь разные кристаллические решетки. Это явление носит название аллотропии или полиморфизма. Рис.26 Кривая охлаждения железа. Цифра на кривой- температура, С. На рис. 26 показаны аллотропические модификации чистого железа. После окончания кристаллизации при высоких темпера­турах железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку; эта модификация обозначается как -железо. При температуре 1401° С на кривой охлаждения имеется остановка, связанная с выделением скрытой теплоты пе­рекристаллизации: объемноцентрированная решетка при этой температуре превращается в гранецентрированную (-Fe). При 910° С гранецентрированная решетка пре­вращается опять в объемно-центрированную (-железо). Модификация -железа отличается от -железа только параметром решетки и поэтому представляет собой прак­тически одну и ту же модификацию. Процесс образова­ния новой кристаллической решетки в старой называется вторичной кристаллизацией, которая происходит по тем же законам, что и первичная, однако кристаллы при вторичной кристаллизации растут более медленно, по­скольку диффузия, управляющая ростом кристалла, в твердых телах протекает менее интенсивно, чем в жидких. Площадка на кривой охлаждения при 768° С вызвана изменением магнитных свойств, кристаллическая же форма железа остается неизменной. При выборе материала для конкретной детали машины необходимо исходить из условия, что изготовленная из него деталь будет обладать достаточным запасом надежности и не износится преждевременно. Так, пружины и рессоры должны быть упругими, оси— стойкими против истирания, валы должны хорошо сопротивляться изгибу, подшипники скольжения — обладать антифрикционными свойствами, металлорежущий инструмент должен иметь высокие твердость, теплостойкость и износостойкость. Все детали машин в процессе эксплуатации в той или иной мере подвергаются воздействию внешних нагрузок. Нагрузки, действующие на деталь во время работы, весьма разнообразны. Они могут растягивать ее, сжимать, изгибать и т. д. При этом воздействия могут производиться плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически). Воздействуя на деталь, внешние нагрузки изменяют ее форму, т. е. деформируют. Если к детали приложены сравнительно небольшие нагрузки, то после прекращения их действия она принимает свою первоначальную форму - деформация исчезает (рис. 10, а). Например, при движении вагона железнодорожные рельсы под действием силы тяжести прогибаются, но, как только это действие прекращается, рельсы выпрямляются и принимают свою первоначальную форму. Свойство материалов принимать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой. Если к детали приложить большие усилия, то после прекращения их действия она не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной. Такая деформация называется пластической. Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь, и сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называется пластичностью. Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими. Такие материалы при сильном нагружении или под действием удара разрушаются внезапно. К хрупким материалам относятся стекло, камень, чугун, сурьма, закаленная сталь и др. Важным свойством материалов, наряду с упругостью и пластичностью, является прочность. Она характеризуется максимальной нагрузкой, которую выдерживает материал не разрушаясь. Детали машин или инструмент в зависимости от условий работы должны обладать определенными механическими свойствами (прочностью, упругостью, пластичностью). Для того чтобы узнать, удовлетворяет ли деталь предъявляемым к ней требованиям, произвоят специальные испытания. Вид испытания и характер его проведения указываются в технических условиях или на чертежах детали. Наибольшее распространение получили следующие виды механических испытаний: на растяжение (по ГОСТ 1497—73*), на ударный изгиб и ударную вязкость (по ГОСТ 9454—78), на выносливость (по ГОСТ 2860—65), на твердость (по ГОСТ 9012—59*, ГОСТ 9013—59*, ГОСТ 2999—75 и ГОСТ 9450—76), на жаропрочность (по ГОСТ 9651—73). Изготовляют детали машин резанием, литьем, ковкой, сваркой и другими способами. При этом необходимо хорошо знать технологические свойства материала. Рис.12 Диаграмма растяжения стального образца. Прочность, упругость и пластичность определяются при испытании металлов на растяжение. Этот вид испытания весьма распространен. Для проведения испытания изготовляют образцы плоской (из листового материала) или круглой формы. Чаще всего применяют круглые образцы В таком образце наиболее важны два размера: диаметр d испытуемой части и расчетная длина lо. Испытания выполняют на разрывных машинах различных конструкций. По результатам испытаний машина записывает диаграмму растяжения. По оси абсцисс в определенном масштабе указывается удлинение образца (в мм), по оси ординат- приложенная к нему нагрузка. Для получения сравнимых результатов введено понятие нормальное напряжение. Нормальным напряжением называется нагрузка на единицу площади поперечного сечения образца. Нормальное напряжение обозначается греческой буквой σ. Если нагрузка Р выражена в ньютонах, а площадь поперечного сечения F в мм2, то σ==P/F Па. Пользуясь диаграммой растяжения, можно определить показатели механических свойств металлов. Точка А (см. рис. 12) соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец, не теряя своих упругих свойств. Если к образцу приложить такую или меньшую нагрузку, а затем ее снять, то никакого остаточного удлинения он не получит. Отношением нагрузки (в точке А) к площади поперечного сечения образца определяется величина предела упругости σ0,05 (σе) Па, т. е. максимальное напряжение, до которого металл сохраняет свои упругие свойства. Выше точки А величина удлинения начинает расти быстрее величины усилия, поэтому кривая на диаграмме изгибается (точка В), склоняясь к горизонтальной линии. У некоторых материалов участок от точки В до точки Г имеет явно выраженную горизонтальную линию и называется площадкой текучести. Напряжение, соответствующее площадке текучести, называется пределом текучести. Предел текучести измеряется в Па. В точке В образец получает заметное остаточное удлинение. Отношением нагрузки (в точке Г) к площади поперечного сечения образца определяется предел текучести. Если на диаграмме растяжения нет ярко выраженной площадки текучести, то пределом текучести условно считают то напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2% его первоначальной длины. При расчете деталей машин на прочность конструктор чаще всего исходит из значения предела текучести. Это объясняется тем, что предел текучести определить значительно проще, чем предел упругости, численно же они близки между собой. При дальнейшем увеличении растягивающего усилия (выше значения предела текучести) образец будет все больше удлиняться, при этом диаметр его будет уменьшаться. Когда усилие достигнет наибольшего значения, в образце образуется шейка, т. е. в каком-то месте по длине образца диаметр его уменьшится больше, чем в других местах. В месте, где появится шейка, образец будет наиболее тонким, в дальнейшем здесь и произойдет разрыв его на две части. Отношением наибольшей нагрузки (в точке Д), которую выдержал образец до разрыва, к первоначальной площади его поперечного сечения определяется величина предела прочности. Пределом прочности называется напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержал образец во время испытания. Предел прочности обозначается σ в и выражается в Па. Важная характеристика материалов - удельная прочность, которая определяется отношением предела прочности к удельному весу металла. Эта характеристика имеет большое значение при выборе материала, когда необходимо уменьшить массу машины. Показателями пластичности, характеризующими способность металла деформироваться не разрушаясь, являются относительное удлинение и относительное сужение. Для получения этих показателей обе половинки разорванного образца плотно прижимают друг к другу и измеряют длину рабочей части (Lк), а также диаметр образца в том месте, где произошел разрыв (dk). Относительное удлинение обозначается греческой буквой δ и измеряется в процентах. Его определяют по формуле δ = (lк- lo) / lo •100%, (1) где lo—первоначальная расчетная длина; 1к—расчетная длина после испытания. Относительное сужение поперечного сечения образца ψ , также измеряемое в процентах, находят по формуле: Ψ = (Fo – Fк) / Fo •100%, (2) где Fo—площадь поперечного сечения образца до испытания; Fк—площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке). Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен металл. Так, например, техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, у серого чугуна относительное удлинение и относительное сужение близки к нулю. Для изготовления большинства деталей машин и конструкций используют относительно пластичные материалы, так как они не подвержены опасности внезапного разрушения. При испытании на растяжение одного образца можно установить 6 характеристик металла: предел упругости (σ0,05), предел текучести σт , предел прочности σв , относительное удлинение, относительное сужение δ и модуль упругости ψ. Эти характеристики дают разностороннее представление о механических свойствах металла. При длительной эксплуатации детали машин подвергаются повторно-переменным нагрузкам (растяжение—сжатие). При напряжениях, меньших предела текучести или предела упругости, они могут внезапно разрушиться. Это явление называется усталостью металлов. Оно заключается в том, что сдвиги, происходящие в зернах, приводят к образованию микротрещин, количество и размеры которых постепенно увеличиваются. Усталостное разрушение наблюдается у таких деталей, как валы, оси, шатуны, пружины, рессоры и др., которые работают в условиях многократно повторяющихся переменных нагружений (растяжение—сжатие). Для того чтобы установить способность металлов работать в условиях многократных повторно- или знакопеременных нагрузок, определяют их предел выносливости (или усталости). Пределом выносливости (усталости) называют максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь, при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов). Для стальных образцов эту характеристику устанавливают при 10 млн. циклов, для цветных металлов—при 100 млн. циклов. Предел выносливости обозначают греческой буквой σ-1 и измеряют в Па. Испытания на усталость проводят на машинах, позволяющих осуществлять повторно-переменные нагружения при изгибе, кручении и растяжении—сжатии. Чаще всего применяют машину, создающую повторно-переменный изгиб вращающегося образца Испытанию подвергают 8—10 одинаковых образцов при различных напряжениях. Счетчик машины показывает количество циклов (оборотов), которые выдержал образец до разрушения при данном напряжении. По результатам испытания строят диаграмму, по ко-торой и определяют максимальное напряжение (предел выносливости). На основании опытных данных установлена зависимость предела выносливости от других прочностных характеристик, например: σ-1 = (0,49±0,13) σв; σв =0,75 σ0,05 (3) По этим формулам можно найти приближенное значение предела выносливости, так как усталость металлов в большой степени зависит от состояния поверхности изделия. Плохо обработанная поверхность, наличие рисок, надрезов, коррозия резко снижают предел выносливости, так как являются концентраторами напряжений. Именно в тех местах, где имеются эти дефекты, возникают начальные микротрещины. В процессе работы многие детали машин нагреваются до высоких температур, достигающих 1000° С и более. Для таких деталей важной характеристикой является жаропрочность — способность материалов сохранять необходимую прочность при высоких температурах. Характеристики, которые определяют при обычных испытаниях, не дают представления о возможности использования материалов при повышенных и высоких температурах. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, с повышением температуры числовые значения предела прочности и предела текучести понижаются. Во-вторых, при повышенных температурах важное значение имеет длительность испытания. Дело в том, что у металлов и сплавов, работающих длительное время под нагрузкой при высоких температурах, наблюдается явление ползучести, т. е. непрерывная пластическая деформация под действием постоянной нагрузки (металл «ползет»). При работе под нагрузкой в условиях комнатной температуры ползучесть у большинства металлов отсутствует. Жаропрочность металлов и сплавов характеризуют три показателя: предел кратковременной прочности, предел длительной прочности и предел ползучести. Предел кратковременной прочности σв определяют, как и при обычных испытаниях, но с нагревом образца до заданной температуры. Эта характеристика служит для расчета на прочность деталей, работающих весьма непродолжительное время (секунды, минуты) при высоких температурах. Длительную прочность устанавливают для деталей, работающих при высоких температурах. Пределом длительной прочности называется напряжение, вызывающее разрушение образца при данной температуре через конкретный промежуток времени. Например, предел длительной прочности σ600° 100 = 250 Мпа (25 кгс/мм2) означает, что при температуре 600° напряжение 250 МПа (25 кгс/мм2) вызывает разрушение образца через 100 ч. Для деталей, работающих при высоких температурах в течение очень длительного времени, устанавливают предел ползучести. Для этого проводят соответствующие испытания, записывая диаграмму ползучести. Пределом ползучести называется напряжение, которое за конкретный промежуток времени при данной температуре вызывает заданное удлинение (например, 1%). При расчете предела ползучести необходимо знать температуру испытания, величину деформации нагрузку и время ее действия. Например, предел Ползучести составляет σ600° 1/1000= 200 МПа (20 кгс/мм^). Это означает, что для удлинения образца на 1 /о за 1000 ч при температуре 600° предел ползучести должен быть равен 200 МПа (20 кгс/мм2). Твердость—одна из характеристик механических свойств металлов. Обычно ее определяют в лабораторных или в заводских условиях путем воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. По сравнению с другими характеристиками механических свойств твердость измеряется достаточно просто несколькими способами, различающимися по характеру воздействия на наконечник. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания)— сопротивление пластической деформации, царапанием поверхности (способ царапания)—сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза), ударом либо по отскоку наконечника (шарика)—упругие Наибольшее распространение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Пластическую деформацию при вдавливании могут испытывать не только пластичные, но и хрупкие металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение изгиб) разрушаются хрупко почти без макроскопически заметной пластической деформации. Таким образом твердость, характеризующая сопротивление пластической деформации, представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Остановимся на некоторых преимуществах испытания металлов на твердость по сравнению с другими видами испытаний. 1. При испытании на твердость можно определить количественную зависимость между твердостью пластичных металлов, установленной путем вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности). Величина твердости характеризует предел прочности сталей (кроме аустенитной и мартенситной структуры) и многих цветных сплавов. Указанная количественная зависимость обычно не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих материалов (например, серых чугунов) можно установить эту зависимость (возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие). По значениям твердости определяются некоторые пластические свойства металлов. Твердость, установленная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дюралюминия и сталей в отожженном состоянии. 2. Измерить твердость значительно проще, чем определить прочность, пластичность и вязкость. Испытания на твердость не требуют изготовления специальных образцов и выполняются прямо на деталях после зачистки их поверхности (создание ровной горизонтальной площадки), а иногда даже и без предварительной их подготовки. Для проведения этих испытаний не требуется много времени. Так, вдавливание конуса осуществляется за 30—60 с, вдавливание шарика—за 1— 3 мин. 3. Измерение твердости обычно не влечет разрушения проверяемой детали, которая после испытаний может использоваться по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости приходится изготавливать специальные образцы. 4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих иногда десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (измерения микротвердости). Поэтому путем измерения твердости можно оценивать различные по структуре и свойствам слои металла, например поверхностный слой цементированной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Путем определения микротвердости можно измерить твердость отдельных структурных составляющих в сплавах. Для получения полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости провести другие механические испытания. Поскольку измерения твердости в большинстве случаев не влекут за собой разрушения деталей, их можно выполнять при сплошном контроле, в то время как при определении прочности и пластичности проводят выборочный контроль деталей. Способом вдавливания определяют твердость (макротвердость) и микротвердость. При измерении твердости (макротвердости) в исследуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Часто вдавливаемое тело имеет значительные размеры (например, стальной шарик диаметром 10 мм), в результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава, количество и расположение которых характерны для измеряемого материала, Измеренная твердость в этом случае будет характеризовать твердость всего испытуемого материала. Выбор формы и размеров наконечника, а также величины нагрузки зависит от целей исследования, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует использовать шарик большого диаметра. Если металл обладает сравнительно мелкой и однородной структурой, то малые по объему участки могут быть достаточно характерными для оценки свойств металла в целом и, в частности, его твердости. В таком случае испытания можно проводить вдавливанием тела небольшого размера (например, алмазного конуса или пирамиды) на незначительную глубину при небольшой нагрузке. Подобные испытания рекомендуются для металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза. Вместе с тем значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это может привести к резкому уменьшению деформируемого объема, тогда полученные значения твердости не будут характерными для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры отпечатков на металле не должны быть меньше некоторых пределов. Микротвердость измеряется с целью определения твердости отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава, а также свойств очень малых по размерам деталей. В данном случае объем металла, деформируемого вдавливанием, должен быть меньше объема (площади) измеряемого зерна. Прилагаемая нагрузка не должна поэтому превышать 0,05 МПа (0,5 кгс/мм2). Измерение твердости полимерных материалов дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и прочностью этих материалов нет определенной зависимости. Результаты таких измерений служат лишь дополнительной характеристикой свойств указанных материалов. Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности исследуемого материала. Если поверхность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени сопротивляются вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка, применяемая при вдавливании, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. При измерении твердости это должна быть шлифованная горизонтальная площадка, а при измерении микротвердости—полированная поверхность (в этом случае при изготовлении шлифа нельзя допускать наклепа в поверхностном слое). Измеряемую поверхность устанавливают горизонтально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположную сторону образца зачищают, так как при нагружении образца она сминается, что искажает результаты измерений. Для определения твердости как металлов, так и полимерных материалов используют метод Бринелля. Измерения осуществляют с помощью шарикового твердомера (ТШ) по ГОСТ 9012—59. Образец (деталь) устанавливают на столике 3 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 17), зачищенной поверхностью вверх. Поворотом вручную маховика 5 по часовой стрел¬ке столик поднимают до упора. Нажимают кнопку 4 и включают двигатель 6, который перемещает кривошип 8 и постепенно нагружает шток . Под действием нагрузки, сообщаемой подвешенным к рычагу 10 грузом 9, шарик 2 вдавливается в образец. Нагрузка действует в течение определенного времени (10—60 с) в зависимости от твердости измеряемого материала (табл. 1), после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, перемещает кривошип и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя поворотом маховика 5 против часовой стрелки опускают столик прибора и снимают образец. Время приложения нагрузки регулируется по шкале 7 реле двигателя. После испытания на образце остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой имеется шкала с делениями от 0,05 до 0,1 мм. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 5—10 мм). Измерения выполняют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Показателем твердости будет средняя из полученных величин. Имеются приборы (бривископы), с помощью которых отпечаток в увеличенном масштабе проецируется на экран. Твердость (НВ) по Бринеллю характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка. При прочих равных условиях диаметр отпечатка d зависит от твердости металла. Чем выше твердость испытуемого металла, тем меньше диаметр отпечатка. Твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости. Испытания вдавливанием шарика проводят с металлами небольшой и средней твердости (например, твердость стали должна быть не более 450 НВ). ГОСТ установлены нормы для испытаний по Бринеллю (табл. 1). Твердость полимерных материалов, как и их прочность, в большой степени зависит от длительности приложения нагрузки. В случае испытания шариком определенного диаметра при установленных нагрузках нет необходимости проводить расчет по формуле (4). На практике пользуются заранее составленными таблицами, в которых приводится твердость (НВ) в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью отпечатка F. Наряду с твердостью НВ иногда указывают принятую нагрузку и диаметр шарика. Используя таблицы, твердость по Бринеллю можно перевести на твердость по Роквеллу и Виккерсу. Между пределом прочности и твердостью НВ различных металлов существует следующая зависимость; сталь твердостью 120—175 НВ—σв ~0,34 НВ; сталь твердостью 175—450 НВ -σв ~ 0,35 НВ; медь, латунь, бронза отожженные— σв ~ 0,55 НВ, наклепанные - σв ~0,40 НВ; алюминий и алюминиевые сплавы твердостью 20—45 НВ— σв ~ (0,33— 0,36) НВ; дюралюминий отожженный— σв ~ 0,36 НВ; дюралюминий после закалки и старения— σв ~0,35 НВ. Широко известно измерение твердости по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика - метод Роквелла. Определение твердости осуществляется с помощью конусного твердомера (ТК) по ГОСТ 9013-59. Твердость по Роквеллу можно измерять: алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кгс); в этом случае значение твердости характеризуется цифрой, на которую указывает стрелка на черной шкале С индикатора; твердость обозначается HRC; например, 65 HRC означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале С с нагрузкой 1500 Н (150 кгс); алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кгс); в этом случае значение твердости также характеризуется цифрой, на которую указывает стрелка на черной шкале С индикатора; твердость обозначается HRА. Перевод: HRC= 2 HRА-104 Алмазным конусом с нагрузкой 1500 Н (150 кгс, HRC) измеряют твердость: закаленной или низкоотпущенной стали (твердостью более 450 НВ), т. е. в условиях, когда вдавливание стального шарика (по Бринеллю или Роквеллу) в твердый материал может вызвать деформацию шарика и искажение результатов; материалов средней твердости (более 230 НВ), так как испытание алмазным конусом осуществляется быстро и приводит к меньшему изменению измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю; тонких поверхностных слоев, но толщиной более 0,5 мм (например, цементированного слоя). Алмазным конусом с нагрузкой 600 Н (60 кгс, HRA) измеряют твердость очень твердых металлов (более 70 HRC), например твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большей нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза, а также твердых поверхностных слоев (0,3—0,5 мм) и тонких образцов (пластинок). Стальным шариком с нагрузкой 1000 Н (100 кгс, HRB) определяют твердость мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8—2 мм, т. е. в условиях, когда измерение твердости по Бринеллю, выполняемое шариком большего диаметра, может вызвать смятие образца. Твердость следует измерять не менее чем в трех точках (особенно алмазным конусом), т. е. не менее трех раз на одном образце. Для расчета лучше принимать среднее значение результатов второго и третьего измерений и не учитывать результат первого измерения. Для определения твердости по Роквеллу требуется меньше времени (30—60 с), чем по Бринеллю, причем результат измерения виден на шкале (указан стрелкой). При измерении твердости по Роквеллу остается меньший отпечаток на поверхности детали. Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) при нагрузках 600 и 1500 Н (60 и 150 кгс) измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превышающую толщину этих слоев. Вместе с тем с увеличением твердости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего снижается точность измерения (особенно металлов твердостью более 60 HRC). Для этих целей иногда применяют приборы типа суперроквелл, с помощью которых измеряют твердость при меньшей нагрузке и с меньшей глубиной вдавливания. Предварительная нагрузка при этом составляет 30 Н (3 кгс). Каждое деление шкалы индикатора такого прибора соответствует глубине вдавливания, равной 1 мкм. Поэтому чувствительность данного прибора заметно выше. Ударной вязкостью называют отношение работы ударного разрушения образца к площади его поперечного сечения в месте надреза. Ударная вязкость измеряется в Дж/м2 (кгс•м/см2). Образец с надрезом. Размеры образца, форма надреза и способ обработки места надреза оказывают большое влияние на результаты измерения ударной вязкости. Надрезы следует выполнять в твердых металлах абразивом, а в мягких—фасонной фрезой с дополнительным шлифованием или доводкой дна надреза. Результаты измерений зависят также от направления волокон металла, поэтому место надреза образца и его положение по отношению к направлению деформации при прокатке, ковке или штамповке, в частности вдоль прокатки (продольные образцы), поперек прокатки (поперечные образцы) или в радиальном направлении, определяют по техническим условиям. Ударная вязкость определяется с помощью копров (рис. 20). Разрушение образца осуществляется маятником, свободно качающимся в опорах и имеющим нож определенной формы и размеров. Образец устанавливают на нижние опоры копра симметрично опорам, т. е. так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара. Маятник поднимают в верхнее положение и закрепляют посредством защелки. Зная работу разрушения Ан, можно найти величину ударной вязкости Он образца с надрезом: ан = Ан/ F где F—площадь поперечного сечения образца в месте надреза, в м2. В приведенной формуле работа разрушения Ан отнесена к площади поперечного сечения образца в месте надреза. Между тем удар маятника воспринимается не площадью сечения образца, а определенным объемом вокруг места надреза, в котором происходит деформация. Чем больше этот деформируемый объем, тем выше способность металла рассредоточивать деформацию и тем больше величина ударной вязкости. Ударная вязкость снижается при повышении прочностных свойств металла (если одновременно ухудшается пластичность). Для более хрупких металлов при испытании используют образцы без надреза, тогда ударную вязкость обозначают через абн. Ударная вязкость значительно изменяется при понижении температуры (в условиях, когда вязкое разрушение становится хрупким). Поэтому испытания на ударную вязкость используют для определения хладноломкости, т. е. перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при пониженных температурах. При исследовании вязкости металла в условиях динамического нагружения ограничиваются выявлением величины общей работы ударного разрушения, т. е. сопротивления образованию и развитию трещины. Работа разрушения определяется работой, затрачиваемой на зарождение трещины (Аз), и работой по ее распространению (Ар). Для более полной и надежной характеристики поведения металла в условиях динамического нагружения во многих случаях надо знать эти отдельные составляющие общей работы разрушения. Определение твердости металла. Определение твердости металла — наиболее простой вид механических испытаний. В заводской практике он находит весьма широкое применение. Твердость металла определяют путем вдавливания в него под определенной (стандартной) нагрузкой другого, более твердого юла, имеющего стандартную форму и размеры. Вдавливаемое тело называют наконечником, или индикатором. Чем мягче металл, тем глубже внедрится в него индикатор и тем боль­ший отпечаток останется на нем после испытания Но величине отпечатков или по глубине вдавливания индикатора, используя специальные расчетные формулы или таблицы, находя г числен­ные характеристики твердости. Для определения твердости обычно не требуется изготовле­ния специальных образцов твердость определяется непосредст­венно на изделиях. Прессы, которые служат для этих испытании, называются твердомерами. Рис 12 Схема определения твер­дости вдавливанием шарика (по Бринеллю) В настоящее время стандартизованы следующие методы оп­ределения твердости вдавливанием. 1. Измерение твердости но Бринеллю (ГОСТ 9012- 59). Этот метод основан на вдавливании в металл сталь­ного закаленного шарика рис 12; диаметром Д, равным 10; 5 или 2,5 мм. Величина уси­лия вдавливания и время его дей­ствия оговорены ГОСТом и зави­сят от диаметра шарика, твердо­сти и толщины металла. Сталь и чугун обычно испытывают, вдав­ливая шарик диаметром 10 мм усилием 3000 кГ. После вдавли­вания измеряют диаметр отпечатка. Зная усилие вдавливания и диаметр отпечатка, расчетом или по таблицам определяют число твердости по Бринеллю. При­мер обозначения твердости по Бринеллю - НВ250 что значит «твердость равна 250 единиц Бринелля. Испытания на твердость по Бринеллю применяют для неза­каленных сталей, чугунов средней и низкой твердости и цветных металлов. Для испытания металлов высокой твердости, в том числе закаленных сталей, оно непригодно вследствие деформа­ции стального шарика. 2. Измерен не твердости алмазной пирамидой (по Викерсу) стандартизовано ГОСТ 2999—59. Этот метод отли­чается от предыдущего тем, что в качестве индикатора приме­няется правильная четырехгранная алмазная пирамида с углом между гранями 136°. Усилие вдавливания выбирают в пределах от 5 до 100 кГ. Отпечатки имеют квадратную форму, небольшие размеры. После вдавливания измеряют диагонали отпечатков и расчетом или по таблицам находят число твердости. Пример обозначения твердости по Викерсу HV970. Для металлов низкой и средней твердости (до HV 350—400) числа HV и НВ близки друг к другу. При более высокой твердо­сти HV больше, чем НВ. Определение твердости алмазной пирамидой можно приме­нять как для мягких, так и для весьма твердых материалов. 3. Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013—59). Этот метод отличается от предыдущих тем, что при вдавливании индикатора определяют глубину отпечатка с по­мощью измерительного прибора (индикатора), укрепленного на прессе-твердомере. В качестве индикатора используют: при испытании материалов высокой твердости—алмазный конус с углом при вершине 120°, при испытании мягких материалов—стальной закаленный ша­рик диаметром 1,588 мм. Числа твердости указываются стрелкой индикатора на циферблате, имеющем три шкалы: две —для алмазного конуса и одну—для шарика. При вдавливании шарика усилие составляет 100 кГ (в этом случае твердость обозначается HRB). Алмазная пирамида вдавливается усилием в 60 кГ или усилием в 150 кГ. В первом случае твердость обозначают HRA, во втором — HRC Пример обозначения твердости по Роквеллу— HRC 58, что значит «твердость 58 единиц Роквелла, шкала «С». Испытания на твердость по Роквеллу вдавливанием алмазно­го конуса (числа твердости HRC) широко применяются при контроле закаленных сталей, имеющих высокую твердость. Технологические свойства металлов Технологические свойства металлов — это часть их общих физико-химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготов­лять изделия с улучшенными для данного металла (сплава) качественными показателями. Так, хорошие литейные свойства металла (сплава) дают возможность получать 4'асонные отливки без внутренних и внешних дефектов. К технологическим свойствам металлов отно­сятся: жидкотекучесть, усадка, пластичность, сваривае­мость, паяемость, упрочняемость, незакаляемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием. Эти свой­ства определяются температурами плавления, кипения, заливки, кристаллизации. Чем ниже эти температуры, тем меньше стоимость расплава. Жидкотекучесть—это способность металла запол­нять литейную форму. Она зависит от вязкости, поверх­ностного натяжения и температуры заливки расплава. Чем выше жидкотекучесть расплава, тем легче запол­нять сложную литейную форму. Усадка показывает разницу между линейными раз­мерами модели и отливки. Чем меньше усадка металла, тем меньше его склонность к образованию усадочных раковин. Пластичность или деформируемость—способность металла изменять форму при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании без нарушения целостности. Некоторые технологические пробы, используемые для исследования металлов на деформируемость, стандар­тизированы. Оценка качества металла при исследовании его деформируемости производится визуально по состо­янию поверхности после испытания. Свариваемость—способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения при их плавле­нии. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеро­дистые стали. Для сваривания высокоуглеродистых и большинства легированных сталей, а также чугунов применяются сложные технологические процессы. Хоро­шая свариваемость характеризуется плотным швом в зоне сварки, без трещин и раковин. Паяемость—способность металлов и сплавов обра­зовывать неразъемные соединения с помощью промежу­точного сплава—припоя (адгезива), температура плав­ления которого значительно ниже температуры соединя­емых металлов. При пайке не происходит структурных изменений соединяемых металлов, так как они не нагре­ваются до высоких температур и не плавятся, как при сварке. Припои и соответствующие им флюсы выбира­ются в зависимости от металлов и сплавов, подлежащих пайке. Параметры паяных соединений нормируются ГОСТ 19249-. Упрочняемость—способность металлов и сплавов улучшать свои свойства (прочность, износостойкость, твердость и др.) за счет термической, химико-термиче­ской, термомеханической, механической и других видов обработки. Незакаливаемость—способность металлов и спла­вов не изменять свои прочностные и пластические свой­ства после нагревания и резкого охлаждения, что имеет большое значение при сварочных процессах. Незакали­ваемость нормируется ГОСТ 14019—68. При испытании на незакаливаемость металл нагревают до 650—750°С, затем резко охлаждают в воде, после чего производят его проверку на изгиб. Прокаливаемость характеризуется критическим диа­метром прутка, который закаливается насквозь. Испы­тание на прокаливаемость проводят по ГОСТ 5657—. Для этого изготовляют специальный образец, который после нагревания и выдержки при определенной темпе­ратуре охлаждают с торца на специальной установке. После охлаждения образца измеряют его твердость. Обрабатываемость резанием - свойство металла или сплава обрабатываться резцом или абразивом. При хо­рошей обрабатываемости получается малая шерохова­тость поверхности (чистота), обеспечивается точность размеров готовой детали. Хорошо обрабатываемые ме­таллы обладают невысоким сопротивлением резанию, не затрудняют процесс стружкообразования, не снижают стойкость инструмента. Повышенной и высокой обраба­тываемостью резанием обладают конструкционные ста­ли (ГОСТ 1414—). За эталон обрабатываемости при­нята сталь 45. Вопросы для самоконтроля: 1. Лекция № 5 Тема: Основные положения теории сплавов Цель занятия: Содержание лекции ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ Несмотря на появление большого количества различных новых машиностроительных материалов, кото­рые по своим свойствам часто конкурируют со сталями и чугунами, пока трудно себе представить научно-технический прогресс без желе­зоуглеродистых сплавов (стали и чугуна). Академик А. Е. Ферсман охарактеризовал железо не только как основу всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, но и как основу культуры и промышлен­ности, орудие войны и мирного труда. Сталь и чугун применяются во всех областях тех­ники. Многие тысячи километров железных дорог со­единяют между собой города и страны, стальные мосты переброшены через реки. По стальным трубопроводам поступают нефть и газ. Стальные балки служат несу­щими каркасами для заводских цехов, крытых стадионов, высотных зданий, телевизионных вышек и высоко­вольтных линий. Из железоуглеродистых сплавов строят корабли, изготовляют станки, машины, вагоны, тракторы и инструмент. Одно только перечисление всего того, что можно получить из железоуглеродистых сплавов, заняло бы целые тома. Потребность человече­ства в железоуглеродистых сплавах растет с каждым годом. Если в 1800 г. мировое производство стали со­ставляло около 100 тыс. т, в 1900 г.—около 7 млн. т, то в 1960 г. оно достигло четверти миллиарда тонн, а в 1970 г. перешагнуло через полу миллиардный ру­беж. Эксперты предполагают, что к 1985 с. мировое производство стали достигнет 1 млрд. т в год. Это обусловлено, прежде всего, наличием большого числа пригодных для промышленной разработки месторож­дений железных руд. Кроме того, ни один другой металл не способен так изменять свои технические ха­рактеристики в результате легирования и специальной обработки, как железо и его сплавы. Железоуглеродистые сплавы способны к превращениям, в результате которых резко меняются их свойства. В настоящее время в технике используется более 12 тыс. железных сплавов, главным образом сталей. Для практического применения железные сплавы выби­рают в достаточно точном соответствии с техническими и экономическими требованиями. Понятие о сплавах и методах их получения Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Вариантность (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов. В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: 1) механические смеси; 2) химические соединения; 3) твердые растворы. Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов. Сплавы химические соединения образуются элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Особенности этих сплавов: 1.Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/ 2.Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов. 3.Ярко выраженные индивидуальные свойства 4.Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами. Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Классификация сплавов твердых растворов По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы: – с неограниченной растворимостью компонентов; – с ограниченной растворимостью компонентов. При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя, по мере увеличения концентрации растворенного компонента, плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента. Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы: 1.изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов; 2.близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %. 3.близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов. При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы: – замещения; – внедрения; – вычитания. В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента. Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение. Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя. Образование таких растворов возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2,5%. Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами узлов в решетке. К химическому соединению добавляют один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния 1. При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов. 2. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов. 3. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. 4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов Сталь и чугун—основные машиностроительные ма­териалы. Они составляют 95 % всех используемых в тех­нике сплавов. Сталью называют сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие до 2,14% углерода. Углерод - важнейшая примесь стали. От его содержа­ния зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода в состав стали входят крем­ний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно по­падают в сталь в процессе выплавки и являются ее не­избежными спутниками. Чугун -сплав на железной основе. Принципиальное отличие чугуна от стали заключайся в более высоком содержании в нем углерода (более 2,14%). Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3— 3,5% углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в сталь, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор, но в несколько больших количествах. Углерод в чугуне может находиться в химическом соединении с желе­зом либо в свободном состоянии в виде графита. Чу­гуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду из­лома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляют собой графит, получили назва­ние серых. В данной главе рассматривается строение белых чугунов. О серых чугунах рассказывается в главе 6. В железоуглеродистые сплавы входят раз­личные структурные составляющие, свойства которых обусловливают свойства стали и чугуна. Феррит—твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04%) и других примесей в α-железе (рис. 29,а)—мягкая, пластичная и недостаточно проч­ная структурная составляющая. Его относительное удлинение δ равно 30%, твердость — 50—80 НВ, предел прочности σв=300 МПа (30 кгс/мм2). Практически эго чистое железо. Механические свойства феррита в боль­шой степени зависят от величины зерен. Феррит обла­дает магнитными свойствами (до температуры 768°С). Цементит (FeзС)—химическое соединение железа с углеродом—карбид железа . Он со­держит 93,33% железа и 6,67% углерода, отличается большой твердостью (800 НВ, т. е. в 10 раз тверже феррита) и значительной хрупкостью. Цементит слабо магнитен, а при температурах выше 215°С—немагни­тен. Углерод может проникать в железо двумя спосо­бами. Атомы углерода могут занимать в пространст­венной решетке свободные места между атомами же­леза. Однако при комнатной температуре в простран­ственной решетке железа может поместиться всего 0,0001 % углерода. Остальные атомы углерода прони­кают в железо другим путем — вступают с ним в хими­ческую связь. При этом образуется карбид железа FeзС (цементит), состоящий из трех атомов железа и одного атома углерода. Феррит и цементит являются основными структур­ными составляющими железоуглеродистых сплавов. Они могут располагаться, например, в структуре стали каж­дый в отдельности или в виде равномерной механиче­ской смеси, которая называется перлитом. Такое назва­ние эта смесь получила потому, что шлиф ее при трав­лении имеет перламутровый отлив. Так как перлит об­разуется в результате процессов вторичной кристалли­зации, его называют эвтектоидом (в отличие от эвтек­тики). Образование перлита происходит при темпера­туре 727°С. В нем содержится 0,8% углерода. Перлит имеет две разновидности. Если железоуглеродистые сплавы нагреть до опре­деленных температур, произойдет аллотропическое пре­вращение α-железа в γ-железо и образуется структур­ная составляющая, которая называется аустенитом Аустенит представляет собой твердый раствор угле­рода (до 2,14%) и других примесей в γ-железе. Способность углерода растворяться в железе не­одинакова при различных температурах. При темпера­туре 1147°С и выше в кристаллической решетке γ-железа может раствориться максимальное количество углерода (2,14%). При температурах ниже 1147°С рас­творимость углерода в γ-железе постепенно уменьшает­ся, а избыточный углерод выделяется в виде цементита. При 727°С γ-железо может растворять не более 0,8% углерода При этой температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Лишь в некоторых сталях, содержащих большое количество никеля или марганца, структура аустенита может сохраниться и при температурах ниже 727°С (вплоть до комнатной). Аустенит—мягкая структурная составляющая (хотя и тверже феррита). Его твердость—-180 НВ, относитель­ное удлинение δ ==40—50%. Он отличается большой пластичностью, магнитными свойствами не обладает. В белых чугунах всегда имеется еще одна структур­ная составляющая—ледебурит. Это эвтектика, г. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и це­ментита, получающаяся в процессе кристаллизации. Ледебурит содержит 4,3% углерода. Он об­разуется при температуре 1147°С. Первоначальная структура его не сохраняется при температурах ниже 727°С, так как содержащийся в нем аустенит при 727°С превращается в перлит. При температурах ниже 727°С (вплоть до комнатной) ледебурит представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Ледебурит отличается большой твердостью (550 НВ) и хрупкостью. Изучение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов позволяет сделать следующий важный вывод — при комнатной температуре железоуглеродистые сплавы всегда состоят из двух структурных эле­ментов: мягкого пластичного феррита и твердого це­ментита, упрочняющего сплав. Эти элементы могут об­разовать механическую смесь либо находиться в сво­бодном состоянии. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 6 Тема: Цель занятия: Диаграмма состояния железо — углерод Содержание лекции Сплавы железа с углеродом. Диаграмма состояния железо — цементит Наиболее широко в промышленности применяют стали и чугуны, представляющие собой сплавы железа с углеродом. Железо в твер­дом состоянии имеет две модификации: Feα и Feγ. Железо -α (Feα) существует при температуре ниже 911°С и выше 1392°С и имеет объемно центрированную (ОЦК) кубическую решетку (железо- α, существующее при температурах выше 1392°С, часто обозначается как Fe δ. До температуры 768 °С (точка Кюри) железо магнитно (ферромагнитно). Железо-γ (Feγ) существует в интервале температур 911—1392°С и имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Темпе­ратуры 911 °С и 1392°С являются температурами полиморфного пре­вращения железа. Температура плавления железа— 1539°С. Сплавы, содержащие углерод до 2,14 %, называют сталями, а более 2,14 %—чугунами. Стали не содержат хрупкого ледебури­та и имеют при высоких температурах аустенитную структуру, обла­дающую высокой пластичностью. Они являются деформируемыми (ковкими) сплавами (при нормальных и повышенных температурах). Стали с концентрацией углерода до 0,8 % называют доэвтектоидными (структура: Ф+П); 0,8 % — э в т ек т о ид н ы м и (П); более 0,8 % —з а э в те к т о ид н ы ми (П+ЦII). Чугуны содержат в структуре хрупкий ледебурит, имеют более низкие температуры плавления, меньшую усадку и обладают в свя­зи с этим лучшими литейными свойствами. Они являются литейными сплавами. В чугунах с ледебуритом весь углерод находится в свя­занном состоянии — в цементите; такие чугуны называют белыми (излом матово-белый). Белые чугуны с концентрацией углерода до 4,3% называют доэвтектическими (П+Л+ ЦII); 4,3%— эвтектическими (Л); более 4,3% — заэвтектическими (Л+ ЦI). Цементит — неустойчивое химическое соединение; при повышен­ных температурах и длительных выдержках распадается с выделе­нием свободного углерода в виде графита, имеющего низкие твер­дость и прочность. Чем медленнее охлаждение и больше в чугуне кремния, тем полнее протекает графитизация. В сталях и чугунах всегда присутствуют постоянные (полезные, вредные) и случайные примеси. Полезные примеси — марга­нец и кремний; их специально вводят в жидкий металл для раскисления. В углеродистой стали содержание кремния обычно не превы­шает 0,35—0,4%, а марганца 0,5—0,8%. Марганец, кроме того, предупреждает в стали вредное влияние серы. В чугунах марганец и кремний присутствуют в больших количествах; кремний одновре­менно является графитизатором, способствуя выделению графита; марганец, наоборот,—карбидообразующий элемент, повышающий устойчивость цементита. Вредные примеси— сера, фосфор и газы (кислород, азот, водород). Они попадают в металл при выплавке из руд, шихты, печных газов или воздуха. Сера вызывает красноломкость сталей, про­являющуюся при горячей обработке давлением. Марганец, связывая серу в сульфиды МпS, устраняет красноломкость. Вместе с тем суль­фиды нарушают однородность строения стали, снижают пластич­ность, ударную вязкость и усталостную прочность, ухудшают свари­ваемость и коррозионную стойкость. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием. Фосфор упрочняет сталь, растворяясь в феррите, но снижает пластичность и вязкость, особенно при низких температурах, т. е. вызывает хладно­ломкость. При этом он сдвигает порог хладноломкости к более высо­ким температурам. Содержание серы и фосфора строго регламенти­руется—не более 0,025—0,07 % в различных сталях. Чем меньше их концентрация, тем выше качество стали. Для сталей различного ка­чества устанавливается свой допуск на содержание серы и фосфора. Кислород, азот и водород сильно снижают пластичность и вязкость, повышают склонность стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот загрязняют сталь неметаллическими включениями (окислами, нитридами); их скопления являются концентраторами напряжений и существенно снижают предел выносливости. Водород охрупчивает сталь, находясь в твердом растворе. Фазы и структурные составляющие Определение Содержание углерода Свойства Феррит Твердый раствор внедрения углерода в железе-α 0,006 % при 20 °С; 0,02 % при 727 °С σ в =250 МПа; δ =50%; НВ 80—90; магнитен при темпе­ратурах до 768 °С Аустенит Твердый раствор внедрения углерода в железе-γ1 До 2,14 % при 1147°С σв =500 МПа; НВ 170—200; немагнитен Цементит2 Химическое соединение железа с углеродом FeзС (карбид железа) 6,67 % НV 1000; хрупкий Ледебурит (эвтектика) Механическая смесь аустенита и цементита (А+ +Ц). Образуется при 1147 С. При 727 °С—.механи­ческая смесь перлита и цементита (П+Ц) в резуль­тате эвтектоидного превращения аустенита в перлит. НV 800; хрупкий Перлит (эвтектоид) Механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Образуется при полном распаде аустенита при 727 °С. Может иметь: пластинчатое строение зернистое строение 0,8 % НВ 160—180 НВ 180—200 В чугунах влияние вредных примесей не так заметно. Поэтому количество их несколько больше. Сера, при значительных ее кон­центрациях, повышает хрупкость, тормозит графитизацию и ухудша­ет литейные свойства. Фосфор не влияет на процесс графитизации и улучшает жидкотекучесть. Содержание серы допускается до 0,1— 0,2 %, фосфора—до 0,15—0,3 %, но иногда—до 0,5—1,0% (для повышения износостойкости или для художественного литья). Случайные примеси попадают при выплавке из вторично­го сырья или руд отдельных месторождений. В чугун и сталь попа­дают хром, никель, олово, медь, мышьяк и др. Их количество неве­лико и они мало влияют на процессы превращения и свойства. Фазы и структурные составляющие в системе железо—цементит 1 В более широком смысле—твердые растворы на основе соответственно Feα и Feγ. 2 Выделяется из жидкого или твердых раство­ров вследствие уменьшения в них растворимости углерода (по DC, ES и PQ соответственно); цементит, выделяющийся из жидкого расплава, называют первичным (кристаллы наиболее крупные); из аустенита — вторичным; из феррита—третичным (самые дисперс­ные кристаллы). 1.4. Структуры, образующиеся в результате превращения переохлажденного аустенита Структура Температура. °С Строение Определение Свойства Перлитное превращение Перлит Пластинчатое Механическая смесь феррита и цементита НВ 180—250 Сорбит 650—600 Дисперсная механическая смесь феррита и цементита НВ 250—350 Троостит 580—550 Дисперсная механическая смесь феррита и цементита, отличающа­яся от сорбита более тонким строением НВ 350—450 Промежуточное превращение Бейнит: верхний 550—350 Перистое Механическая смесь пересыщен­ного углеродом α-твердого раство­ра и цементита (карбидов) НВ 400—500 (у нижнего бейнита выше твердость, проч­ность, пластичность, вязкость) нижний 350—Мн Игольчатое Мартенситное превращение2 Мартенсит Мн—Мк3 Игольчатое Пересыщенный неравновесный твердый раствор внедрения угле­рода в α-железе (имеет тетрагональную кристаллическую решет­ку, см. рис. 1.1, г) Твердость тем выше, чем больше содержание углерода; в сталях с 0,6—0,7 % С дости­гает НRС 63-65 Остаточный аустенит Если Мк ниже 204 Аустенит, сохраняющийся в ре­зультате не завершившегося до конца мартенситного превращения Нестабилен; при охлаждении ниже Мк (ниже 0 С) превра­щается в мартенсит 1 Заключается в диффузионном распаде аустенита на феррито- цементитную смесь. 2 Бездиффузионное превращение аустенита в результате полиморфного превращения железа без изменения массовой доли углерода. 3 Температуры (точки) начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения. 4 Углерод и легирующие компоненты, кроме кобальта и алюминия, снижают точки Мн и Мк; при содержании углерода в стали более 0,6 % точка Мк ниже 00 С. Критические температуры стали и чугуна Нагрев стали и чугуна под заливку и термическую обработку, а также нагрев стали для обработки давлением производится с учетом так называемых особых температур или критических точек этих сплавов. Критические точки свойственны не только стали и чугуну - они имеются у всех сплавов, а также у ряда веществ. Всем, например, известно, что вода, если ее охлаждать при 0°С превращается в твердое тело—лед, а если нагревать лед, то он при той же температуре (0°С) превратится в жидкость. При 100°С вода закипает и начинает бурно превращаться в пар. Температуры 0 и 100°С для воды являются критическими точками. Таким образом, критическими точками называются те вполне определенные температуры, при которых в процессе нагрева или охлаждения начинают (кончают) резко, скачкообразно изменяться состояние (твердое или жидкое) и свойства сплава (или какого-нибудь вещества). У сталей и чугунов в процессе нагрева и охлаждения наблюдается несколько критических точек. В качестве примера рассмотрим критические температуры стали содержащей 0,2% углерода (сплав I, рис. 42). При температуре около 1550°С эта сталь находится в жидком состоянии. При охлаждении до температуры соответствующей точке 1, лежащей на линии АС, кото­рая характеризует начало затвердевания всех сплавов с содержанием углерода от 0 до 4,3%, указанная сталь начнет кристаллизоваться. При данной температуре в жидкой стали появится новое вещество (новая фа­за) — твердые кристаллы аустенита. Этот момент и бу­дет первым критическим моментом, характеризующим изменение состояния стали при ее охлаждении, а точка 1 будет первой критической точкой (точкой начала кри­сталлизации). При температуре, соответствующей точке 2, затвердевание стали полностью закончится, жид­кое вещество (жидкая фаза) исчезнет, вся сталь перей­дет в твердое состояние, при котором она будет состоять из кристаллов одной твердой структурной составляю­щей (фазы)—кристаллов аустенита. Это будет вторым критическим моментом изменения состояния стали при охлаждении — моментом исчезновения жидкой части, а точка 2 будет второй критической точкой (точкой конца затвердевания). В довольно обширном интервале температур—от точки 2 до точки 3—однородная структура аустенита совершенно устойчива. В этом интервале температур он не подвергается структурным изменениям. Но при тем­пературе, соответствующей точке 3, аустенит оказыва­ется перенасыщенным железом. При этой температуре он начинает распадаться, выделяя по границам своих зерен новую твердую структурную составляющую (но­вую фазу)—феррит (железо), обладающий по сравне­нию с аустенитом, из которого он выделился, совершенно иными свойствами. Следовательно, твердая сталь при температуре, соответствующей точке 3, из однородной (гомогенной) по своей структуре превращается в неод­нородную (гетерогенную), состоящую не из одних кри­сталлов аустенита, а из смеси кристаллов аустенита и кристаллов феррита. Этот момент будет третьим кри­тическим моментом изменения состояния структуры ста­ли при ее охлаждении, а точка 3 будет третьей крити­ческой точкой данной стали (точкой начала распада твердого раствора—аустенита). При температуре, соответствующей точке 4, аустенит стали, выделивший весь избыток феррита в интервале температур от точки 3 до точки 4 и содержащий 0,81% углерода, перестанет существовать и полностью превра­тится в перлит. Следовательно, при температуре, соот­ветствующей точке 4 (727°С), в структуре стали, содер­жащей 0,2% углерода, произойдут коренные изменения; полностью исчезнет аустенит (немагнитная структурная составляющая), а на его месте и из него образуется но­вая структурная составляющая сложного строения — перлит, состоящий из пластинчатых кристаллов феррита и таких же кристаллов новой твердой фазы — карбида железа FезС или цементита. Поэтому точка 4 также будет критической (перлитной) точкой данной стали. Дальнейшее охлаждение стали, содержащей 0,2% угле­рода (от 727°С до комнатных температур), не приведет к видимым под микроскопом изменениям ее структуры. Для стали, содержащей 1,3% углерода (заэвтектоидная сталь), критическими при охлаждении будут сле­дующие точки: точка 5, соответствующая началу кри­сталлизации (она характеризует начало появления твер­дых кристаллов аустенита), точка 6, характеризующая конец затвердевания стали (при температуре, соответ­ствующей этой точке, исчезнет жидкая фаза, вся сталь будет состоять только из кристаллов аустенита), точка 7—начало распада аустенита (из аустенита выде­ляется новая структурная составляющая—цементит), точка 8—конец распада аустенита (при температуре, соответствующей этой точке, аустенит в структуре стали полностью исчезает, из него образуется новая структур­ная составляющая—перлит). Таким образом, в точке 8 в стали, содержащей 1,3% углерода, происходит то же самое, что и в стали, содержащей 0,2% углерода, в точке 4 (при одной и той же температуре 727°С). При дальнейшем охлаждении стали, содержащей 1,3% угле­рода (ниже температуры точки 5), изменений в струк­туре не происходит. В чугунах наблюдаются аналогичные явления. Пока­жем это на примере доэвтектического чугуна, содержа­щего 3% углерода (сплав III). В точке 9 чугун начи­нает затвердевать—в жидком чугуне появляются твер­дые кристаллы аустенита. В точке 10 заканчивается кристаллизация—жидкость исчезает, образуется новая твердая структурная составляющая сложного строе­ния—ледебурит (эвтектика), состоящий из смеси мел­ких кристаллов аустенита и цементита. В точке Л из аустенита чугуна в процессе его охлаждения (от 1147 до 727°С) выделяется весь избыток цементита (по ли­нии ЕС, рис. 42). При достижении содержания углеро­да 0,81% аустенит полностью исчезает, превращаясь чри температуре 727°С в новую структурную составляю­щею—перлит. Следовательно, и в чугуне при температуре 727°С наблюдаются те же явления, что и во всех сталях,—образование перлита. Дальнейшее охлаждение (ниже температуры точки 11) не вызывает изменений в структуре чугуна. Таким образом, при температурах, соответствующих критическим точкам, в процессе охлаждения сталей и чугунов происходят весьма существенные структурные превращения, резко изменяющие все их свойства. Критические точки важно знать при отливке и ковке металлов. При термической обработке особое значение имеют те критические точки, которые характеризуют начало или конец структурных превращений, соверша­ющихся в стали и чугуне при нагреве и охлаждении в твердом состоянии. Из сказанного выше следует, что критические точки тесно связаны с линиями диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов, более того, эти линии соединяют критические точки, лежащие в пределах диаграммы, весьма большого числа сплавов. На линии GS из аустенита доэвтектоидных сталей при охлаждении начинает выделяться феррит. При этом чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем ниже температура начала распада аустенита. В заэвтектоидных сталях, содержа­щих больше углерода (от 0,81 до 2,14%), на наклонной линии ES начинается распад аустенита (при этом из аустенита выделяется не феррит, а цементит). Он начи­нается при тем более низкой температуре, чем меньше углерода содержится в заэвтектоидных сталях. В эвтектоидной стали, точно соответствующей по своему соста­ву (0,8% углерода) точке S, в которой пересекаются наклонные линии GS иES, распад аустенита начинает­ся при самой низкой температуре (727°С) с одновре­менным выделением из аустенита мелких кристаллов (пластинок) феррита и цементита (смесь этих пласти­нок, как известно, образует^ сложную структурную со­ставляющую—перлит). Критические точки, характери­зующие начало распада аустенита сталей при охлаж­дении, называются верхними критическими точками Aз, Aсш). Они лежат на линиях GSи ES диаграммы. Критические точки, которые при медленном охлажде­нии стали и чугуна характеризуют момент полного рас­пада аустенита, т. е. момент образования перлита, для всех сталей и всех чугунов при одной и той же темпе­ратуре лежат на линии PSK. диаграммы. При медлен­ном охлаждении эта температура равна 727°С. Крити­ческие точки, характеризующие при охлаждении пол­ный распад аустенита и образование перлита из аусте­нита, называются нижними критическими точками или точками перлитного превращения A1. Для эвтектоидной стали, содержащей 0,81% углеро­да, верхняя и нижняя критические точки совпадают в точке S, поэтому температура начала и конца распада аустенита у этой стали будет одна и та же (727°С). Все другие стали (за исключением стали, содержащей 0,81% углерода) между верхней и нижней критически­ми точками имеют определенный температурный интер­вал. В этом интервале, начинающемся при температуре верхней критической точки и заканчивающемся при температуре нижней критической точки, и совершаются структурные превращения в твердой стали при ее охла­ждении. Этот температурный интервал называется критическим интервалом. При нагревании железоуглеродистых сплавов все процессы структурных изменений осуществляются в обратном порядке. Так, в доэвтектоидных сталях в процессе их нагрева при температуре нижней критической точки (727°С) перлит переходит в аустенит, при этом температура стали не повышается до тех пор, пока весь перлит не превратится в аустенит. При нагревании стали от нижней до верхней критической точки (в критическом интервале) происходит процесс постепенного растворения феррита стали в аустените. В верхней критической точке (линия GS) растворение феррита полностью заканчивается: феррит в структуре стали исчезает, образуется однородная структура—аустенит. В заэвтектоидных сталях при нагревании наблюдается то же самое, но с некоторой разницей: при температуре нижней критической точки (727°С), как и в доэвтектоидных сталях, перлит превращается в аустенит, но при дальнейшем нагревании в критическом интервале (между нижней и верхней критическими точками) в аустените происходит растворение не феррита, как у доэвтектоидных сталей, а цементита. При температуре, соответствующей верхней критической точке ( линия ES), растворение цементита в аустените полностью заканчивается (при медленном нагреве) и заэвтектоидная сталь становится однородной по структуре, стоящей из кристаллов одного аустенита. Чугуны в твердом состоянии имеют только одну, нижнюю критическую точку при температуре 727°С (линия PSK). При этой температуре в чугунах, как и во всех сталях, при нагревании перлит переходит аустенит. При дальнейшем нагревании твердого чугуна (линия ЕСF диаграммы—линия начала плавления чугуна) в аустените происходит постепенное растворение углерода (цементита), выпавшего из него при охлаждении (наклонная линия СD). Вопросы для самоконтроля: Лекция № 7 Тема: Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов. Цель занятия: Содержание лекции Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением сплава по определенным темпе­ратурным режимам с целью изменить его структуру и свойства. Изменение структуры и свойств сплава (например, стали) при термической обработке основано на свойстве железа перестраивать свою кристаллическую решетку и растворять в ней неодинаковое количество угле­рода. При нагреве стали до 911°С железо имеет объемно-центрированную кристаллическую решетку α-железа, а при температуре 911°С—гранецентрированную решетку γ-железа. Такое изменение кристаллического строения железа при нагреве стали повышает растворимость углерода: в α-железе растворяются всего лишь сотые доли процента углерода, а после аллотропического превращения α -железа в -железо растворимость углерода повышается в сотни раз, достигая максимального значения при температуре 1147°С. При медленном охлаждении стали с 1147 до 727°С происходит распад аустенита с выделением из него равновесной структуры: феррита (твердый раствор углерода в α- железа) и цементита. При температуре 727°С в α-железе растворяется лишь 0,02% С, в то время как в стали углерода может содержаться до 2,14%. Избыточный углерод выделяется из кристаллической решетки α-железа и образует химическое соединение с железом — цементит Fe 3C. При непрерывном охлаждении стали (например, углеродистой) аустенит распадается с образованием неравновесных структур: сорбита (скорость охлаждения до 50°С/с), троостита (до 100°С/с) и мартенсита (150—200°С/с). Сорбит — структурная составляющая стали, представляющая собой смесь феррита и цементита. Сорбит обеспечивает более высокую прочность и износостойкость стали, отличается от перлита более тонкой (дисперсной) структурой. Троостит — это смесь феррита и цементита, отличается от перлита и сорбита более тонким (дисперсным) строением. Стали со структурой троостита обладают повышенными твердостью и прочностью, умеренными пластичностью и вязкостью. Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость стали. Термической обработке подвергают отливки, заготовки, сварные соединения, детали, инструмент, изготовленные из различных материалов: стали, чугуна, алюминиевых, магниевых, титановых и других сплавов. Применяют следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и термомеханическую обработку. Отжиг и нормализация Отжигом называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры с последующим медленным охлаждением. Отжиг проводят с целью подготовить структуру сплава к обработке резанием, закалке и отпуску. Для конструкционных сталей, содержащих углерода до 0,7%, применяют полный отжиг, а для инструментальных (0,7—2% С) — сфероидизирующий отжиг. Полный отжиг понижает твердость, повышает пластичность и снимает остаточные напряжения в стали. Сталь после отжига имеет однородную мелкозернистую структуру. Конструкционные стали нагревают до температуры на 30—50°С выше линии GS, после нагрева сталь медленно охлаждают, чтобы при распаде аустенита получить мягкую и пластичную ферритоперлитовую структуру. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от легированности стали. Углеродистые стали охлаждают при скорости 100—200°С/ч, а легированные—20—70°С/ч. Для обеспечения необходимой скорости охлаждения сталь выдерживают на воздухе или охлаждают вместе с печью. Большое содержание углерода в инструментальных сталях обуславливает их высокую твердость. Для снижения твердости и облегчения обрабатываемости сталей проводят сфероидизирующий отжиг. Сталь при отжиге нагревают на 20—30°С выше линии PSK. При этом стать получает структуру зернистого перлита, в котором цементит имеет округлую (сферическую) форму. Нормализацией называют процесс термической обработки, вызывающий частичное разупрочнение сплавов и снятие остаточных внутренних напряжений. Нормализация аналогична отжигу и отличается от него лишь скоростью охлаждения. Сталь при нормализации нагревают на 50—70°С выше линии QSE, затем сталь охлаждают на воздухе. Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для улучшения обрабатываемости сплавов, структуры сварных швов и для подготовки структуры металла к закалке. Закалка и отпуск Закалкой называют процесс термической обработки, вызывающий повышение прочности, твердости и снижения пластичности сплава. При закалке сталь нагревают до температуры выше линии QSK практически на 30—50°С. После закалки структура стали состоит из аустенита или аустенита и цементита. В большинстве случаев стремятся получить мартенситную структуру, так как она придает стали наибольшую прочность и твердость. Структура мартенсита достигается при наибольшей скорости охлаждения стали. Нагрев и охлаждение при закалке. Оборудованием для нагрева стали служат печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания (газа, мазута, угля и др.). Средой, в которой нагревают сталь, являются : в печах — воздух, продукты сгорания топлива; нейтральный газ; в печах-ваннах — минеральные масла, расплавленные соли и металлы. При нагреве в печах в среде атмосферного воздуха сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина (до 3% массы обрабатываемой детали). Кроме того, происходит частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной (защитной) атмосферой. Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше его свойства после закалки. Однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогревалась по всему объему и получила аустенитную структуру. Поэтому наиболее эффективным по скорости нагрева и предупрежде­нию окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполненных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными солями: NаОН, ВаС12 или 50%КС1+50%Nа2СОз. Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4—5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой. В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность. Если принять охлаждающую способность воды при 20°С за единицу, то охлаждающая способность масла будет равна 0,17—0,44, расплавленного свинца (при 335°С) — 0,05, воздуха — 0,03. При нагреве воды с 20 до 99°С охлаждающая способность ее изменяется от 1 до 0,07. В зоне перлитных превращений (650°С) вода охлаждает в 5—6 раз быстрее, чем масло. Воду применяют для охлаждения углеродистых сталей. В масле охлаждают легированные стали. В процессе резкого охлаждения, особенно в холодной воде, температура по сечению изменяется неравномерно, в результате чего в стали возникают закалочные, напряжения, вызывающие коробление и даже образование трещин. Чтобы избежать образование дефектов при закалке, сталь закаливают в двух средах: сначала резко охлаждают в воде до температуры несколько выше начала мартенситных превращений, а затем более медленно в масле. После закалки сталь имеет структуру мартенсита. Дефекты закалки. Недогрев образуется при нагреве стали до температуры ниже критической. Дефект исправляют отжигом и повторной закалкой. Перегрев возникает при нагреве стали до температуры значительно выше критической или при большой выдержке с оптимальной температурой закалки. Для устранения дефекта перегретую сталь отжигают и вновь закаливают. Пережог является неустранимым браком, получается при нагреве стали до температуры, близкой к температуре плавления. Трещины образуются в результате резкого нагрева или охлаждения сталей, а также при наличии в изделиях концентратов внутренних напряжений: подрезов, вырезок углубления и др. Деформации и коробление устраняют повторным нагревом и охлаждением. Отпуск и старение Отпуском называется процесс термической обработ­ки, при котором закаленная сталь нагревается ниже критической точки Ас , выдерживается при этой темпе­ратуре и затем охлаждается. В процессе отпуска умень­шаются или устраняются внутренние напряжения, по­вышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура. При отпуске в стали происходят определенные струк­турные превращения. Первое превращение совершается при температурах 80—200°С. Из раствора выделяется углерод, при этом исчезает искажение кристаллической решетки. Образующийся в процессе отпуска мартенсит, имеющий кубическую решетку, называют отпущенным. Второе превращение происходит при температурах 200—300°С. Остаточный аустенит переходит в отпущен­ный мартенсит, который является менее напряженной структурой, чем мартенсит закалки. И, наконец, третье превращение происходит при температурах 300—400°С. В этот период завершается процесс выделения углерода из раствора, образуется цементит Fе3С, одновременно уменьшаются внутренние напряжения в стали. При 400°С сталь состоит из ферритно-цементитной смеси (троостит отпуска). При дальнейшем повышении тем­пературы начинается коагуляция—частицы феррита и Цементита разрастаются и приобретают округлую фор­му. Отпущенная при 350—500°С сталь имеет структуру троостита, при 500—600°С—структуру сорбита и при 600—700°С — структуру перлита. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска—низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный. Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с на­гревом до 150—200°С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58—63 HRC). Он применяется преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных ста­лей, а также для деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и из­носостойкости. Среднетемпературный (средний) отпуск осуществля­ется при температурах 350—500°С. Целью этого отпу­ска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижается до 40—50 HRC, предел упругости достигает максимальной величины. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины. Высокотемпературный (высокий) отпуск проводится при температурах 550—680°С. Сталь при этом приоб­ретает структуру сорбита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250—350 НВ, прочность уменьшается в 1,5—2 раза, пластичность и вязкость уве­личиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском на­зывается улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высо­кие показатели прочности, пластичности и вязкости. Улучшению подвергают изделия из конструкционных сталей марок 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полу­оси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, ры­чаги, балки передних осей грузовых автомобилей, а так­же болты, гайки, винты и др.), испытывающие большие нагрузки. При отпуске некоторых легированных сталей в опре­деленном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вязкости, возникает отпускная хруп­кость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцо­вистых сталей, после высокого отпуска быстро охлаж­дают в масле или воде. С этой же целью сталь леги­руют молибденом или вольфрамом (не более 0,6%). Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы. Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента, рекомендуется прово­рь непосредственно после закалки с целью предотвращения образования трещин из-за возникших внутренних напряжений. При заниженных температурах отпуска или сокращении времени выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устранения которой производится повторный отпуск. Повышенная температура пуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повтор­ной их закалкой с последующим отпуском. Температура отпуска определяется по цветам побежалости. Термомеханическая обработка. ТМО — новый метод упрочнения сплавов, заключающийся в совместном пластическом деформировании и термической обработке. Целью ТМО является получение особого структурного состояния, обеспечивающего повышенные прочностные свойства (σв=250—320 кгс/мм2) сплава. Пластическое деформирование осуществляют прокаткой, ковкой, взрывом и др. Химико-термическая обработка стали Химико-термической обработкой называют процесс, при котором происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев металла. Химико-термическая обработка повышает поверхностную твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и другие полезные свойства сплавов. Цементация — это один из видов химико-термической обработки, при котором происходит поверхностное насыщение углеродом стальных деталей с последующей термической обработкой, обеспечивающей повышение твердости и прочности детали. Толщина цементованного слоя составляет 0,5—2,5 мм. Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,10—0,25% С), т. е. стали марок 10, 15, 20/А12, А20, СтЗ, 15Х, 25ХГТ и др. При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 900— 9500С в науглероживающей среде (твердой, жидкой или газообразной), выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. После этого ее подвергают нормализации, закалке и отпуску. Науглероживающей средой являются: твердые карбюризаторы (мелкий древесный уголь в смеси с углекислыми слоями бария), жидкие соляные ванны (смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария) и газы, содержащие углерод (природный, светильный и др.). При цементации содержание углерода в поверхностном слое доводят до 1%. Цементируют детали, работающие в условиях изнашивания при больших давлениях и циклических нагрузках,— шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др. Азотирование — это процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом при температуре 500—600°С. Азотируют в основном легированные стали (например, 35ХЮА, 40ХФА), помещая их в среду аммиака NНз. Азот внедряется в поверхностные слои стали и вступает во взаимодействие с железом и легирующими элементами, образуя нитриды железа Fe2N, хрома Сг2N, вольфрама W2N, алюминия А1N и др. Нитриды легирующих элементов повышают твердость поверхности стали до НRС 70. Азотированию подвергают валы, гильзы, зубчатые колеса, детали турбин и др. В результате азотирования повышается коррозионная стойкость деталей. Цианирование (или нитроцементация) — это одновременное насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом с последующей термообработкой изделия. В результате нитроцементации повышаются твердость и износостойкость детали. Применяют жидкостную и газовую нитроцементацию. Наибольший эффект дает жидкостная с применением триэтаноламина. При температуре 850—870°С триэтаноламин разлагается с выделением углерода и азота. Выделившиеся углерод и азот насыщают поверхностный слой стали. После этого изделия охлаждают до температуры 750—800°С, затем закаливают и отпускают. Твердость поверхностного слоя достигает НRС 62. Диффузионная металлизация заключается в насыщении поверхностного слоя детали алюминием, хромом, бором и другими элементами для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств. Алитирование заключается в насыщении поверхностного слоя алюминием, который на поверхности изделия создает плотную пленку А120з, температура плавления которой 2000°С. Окисление основного металла не происходит при температуре среды до 900°С. Алитирование повышает жаростойкость стали. Хромирование — это насыщение поверхности мягких и высокоуглеродистых сталей хромом, который на поверхности изделия образует твердые растворы карбидов хрома. После хромирования у сталей повышается коррозионная стойкость, жаростойкость и износостойкость (только у высокоуглеродистых) с повышенной поверхностной твердостью. Борирование увеличивает твердость поверхностного слоя стали в 1,5—2 раза по сравнению с закалкой стали на мартенсит. Диффузия бора происходит в расплаве буры при температуре 930—960°С в результате пропускания через расплав тока. Обозначение термообработки на чертеже. В соответствии с ГОСТ 2.310 предусматривают следующие основные правила обозначения термообработки. 1. Если все изделие подвергают одному виду обработки, то об этом делается только запись в технических требованиях чертежа. 2. Если термообработке подвергают отдельные участки изделия, то их отмечают утолщенной штрих пунктирной линией, проводимой на расстоянии 0,8—1 мм от контурной линии, с указанием размеров участков поверхности. При этом показатели свойств материала указывают на полке линии-выноски. Если вид обработки является единственным, гарантирующим требуемые свойства поверхности материала, то его также указывают на полке линии-выноски. 3. При одинаковой обработке симметричных участков или поверхностей изделия они все отмечаются утолщенной штрих пунктирной линией, а показатели свойств материалов указываются только на одной из них. 4. Если обозначение термообрабатываемой поверхности затрудняет чтение чертежа, то допускается делать его на дополнительном упрощенном изображении, выполненном в уменьшенном масштабе. 5. При необходимости указания места испытания твердости на чертеже приводят определяющие его размеры, а на полке линии-выноски наносят соответствующую надпись. 6. Глубину термообработки обозначают буквой h. 7. Глубину термообработки и твердость материала указывают на чертежах предельными значениями. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 8 Тема: Поверхностное упрочнение стали. Цель занятия: Содержание лекции Поверхностное упрочнение стали находит все более широкое применение в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износо­стойкость поверхностного слоя при сохранении доста­точно вязкой сердцевины, способствует повышению дол­говечности и усталостной прочности. Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой произ­водительностью. В ряде случаев они с большой эффек­тивностью используются вместо обычных методов тер­мической обработки. Поверхностная закалка стали Поверхностной называется такая закалка, при кото­рой высокую твердость приобретает лишь часть поверх­ностного слоя стали. Она отличается от всех рассмот­ренных ранее способов закалки методом нагрева. При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. При быстром охла­ждении лишь этот слой подвергается закалке. Осталь­ная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным на­гревом токами высокой частоты. Этот высокопроизводи­тельный, прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации, создает предпосылки для комплексной механи­зации и автоматизации процесса закалки. По данным автомобильного завода им. Лихачева, высокочастот­ная закалка обходится в 2—6 раз дешевле, чем другие процессы поверхностного упрочнения. Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирования вихревых токов. Электромагнитное поле создается индуктором, подключенным через трансфор­матор напряжения к источнику переменного тока. Источниками питания током могут служить машинные генераторы (до 10 тыс. Гц), ламповые (до 100 тыс. Гц)и тиристорные преобразователи (до 10 тыс. Гц). Чем больше частота тока, тем меньше глубина проникнове­ния его в проводник и, следовательно, тем меньше глу­бина закалки. Распределение тока по сечению провод­ника зависит от его природы и свойств. Процесс нагрева токами высокой частоты осущест­вляется следующим образом. Изделие, подлежащее на­греву, помещают внутрь спирали из медной трубки (рис. 55), т. е. в индуктор. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы, который создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле, в результате чего изделие перемагничивается много раз в секунду, в нем возникают короткозамкнутые вихре­вые токи. Вследствие явления поверхностного эффекта токи сосредоточиваются в поверхностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжи­тельность нагрева токами высокой частоты весьма мала—она исчисляется секундами. Таким образом, изде­лие нагревается находящимися в нем электрическими токами, роль индуктора — возбудить эти токи. Способ поверхностной закалки с использованием токов высокой частоты выбирают в зависимости от раз­меров и формы изделия, а также предъявляемых к из­делию требований. При закалке небольших изделий производят нагрев и охлаждение всей их поверхности. Изделие помещают в индуктор и сна­чала нагревают, а затем охлаждают всю поверхность, подлежащую обработке. Охлаждение может быть душе­вым. Для этой цели применяют индукторы, на внутрен­ней поверхности которых имеются многочисленные от­верстия. После окончания нагрева через эти отверстия на поверхность изделия поступает вода и охлаждает его. Закалку изделий значительной длины проводят не­прерывно-последовательным нагревом. Изделие устанавливают в центрах и для равномерности нагрева непрерывно вращают с определенной скоро­стью. Закалка происходит при вертикальном перемеще­нии изделия сверху вниз. При таком перемещении в магнитное поле индуктора последовательно посту­пает один участок изделия за другим и нагревается до температуры закалки. Под индуктором расположено охлаждающее устройство , представляющее собой со­гнутую кольцом трубку с многочисленными отверсти­ями на внутренней поверхности. Через отверстия на на­гретые участки изделия поступает вода и охлаждает их. Так непрерывно-последовательно нагревается и охлаж­дается вся поверхность изделия. При необходимости закалки отдельных частей изде­лия целесообразно применять последовательную закал­ку, при которой обрабатываемая поверхность нагрева­ется и охлаждается по частям. Таким образом осуще­ствляется, например, закалка шейки коленчатого вала, зуба крупномодульного зубчатого колеса, отдельных поверхностей шпинделя и др. После закалки для уменьшения внутренних напряжений изделия под­вергают низкому отпуску (при 160—200°С). Глубина закалки—3—5 мм. Для точной установки изделий в индукторе и обес­печения равномерного нагрева и охлаждения исполь­зуют специальные приспособления, установки, станки-полуавтоматы и автоматы различных конструкций. Для поверхностной закалки крупных изделий в еди­ничном и мелкосерийном производствах, а также при ремонтных работах применяют нагрев пламенем, чаще всего ацетилено-кислородным, температура которого равна 3150°С. Основные способов закалки при нагреве пламенем: стационарного, вращательного, поступательного и комбинированного. Стационарный и вращательный способы закалки вклю­чают две операции: одновременный нагрев всей закали­ваемой поверхности и охлаждение всей нагретой по­верхности. При поступательном и комбинированном спо­собах поверхность подвергается закалке при непрерыв­ном перемещении через зону нагрева и охлаждения. Для нагрева пламенем служат обычные сварочные го­релки, в которых вместо мундштука используют специ­альные наконечники—щелевые и многопламенные. Тол­щина закаленного слоя составляет 2—5 мм, твердость его достигается такая же, как при обычной закалке. В крупносерийном и массовом производствах при установившемся технологическом процессе, когда дли­тельное время изготовляются одни и те же изделия из стали определенных марок, например ведущие колеса гусеничных тракторов, используется поверхностная за­калка в электролите— 14—16%-ном водном растворе кальцинированной соды. Закаливаемое изделие присоединяют к отрицательному полюсу генератора по­стоянного тока и опускают в ванну с электролитом. Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как пра­вило, тот же электролит является и охлаждающей сре­дой. При нагреве в электролите происходят электроли­тические и электроэрозионные процессы, которые очи­щают нагреваемую поверхность изделий от окисных пле­нок, ухудшающих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите—до 150°С/с. Детали сложной формы, ленточные пилы, режущий инструмент (фрезы, сверла), рычаги, оси подвергают импульсной поверхностной закалке. Закаливаемую часть детали за очень короткий промежуток времени нагре­вают до температуры, превышающей температуру обыч­ного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаждают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждаю­щих сред. В результате импульсной закалки получают закаленный «белый» слой, устойчивый при отпуске до температуры 450°С, обладающий мелкозернистой струк­турой, высокой твердостью и износостойкостью. При импульсной поверхностной закалке применяют высокочастотные генераторы, работающие в импульсном режиме, конденсаторы, аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить коррозион­ную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую. В последние годы получила распространение за­калка в псевдоожиженной среде. Псевдоожиженная сре­да (кипящий слой) представляет собой твердые частицы кварцевого песка или другого сыпучего материала, интенсивно перемешиваемого воздушным или газовым потоком. Такую среду можно использовать как для за­калки, так и для охлаждения. В камеру на газораспре­делительную решетку насыпают измельченный кварце­вый песок, под решетку подводят нагретый воздух или газ. Под действием воздуха (газа) твердые частицы приходят в движение, напоминая кипящую жидкость. Детали помещают в кипящий слой. При соприкоснове­нии с твердыми частицами происходит теплоотдача. Интенсивность процесса теплоотдачи можно регулиро­вать путем увеличения или уменьшения количества кварцевого песка и температуры воздуха (газа). До­стоинства этого способа — высокая скорость и равно­мерность нагрева. Обработанные таким способом дета­ли имеют чистую поверхность. Старение—изменение свойств стали с течением вре­мени без заметного изменения микроструктуры. В ре­зультате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость снижаются. Старение приво­дит к изменению размеров и короблению изделий. Если старение протекает при комнатной температуре, его на­зывают естественным, если при повышенной темпера­туре—искусственным. Старению подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, Размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации. Известны два вида старения — термическое и деформационное (механическое). Термическое старение про­исходит в результате изменения растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры. Деформаци­онное старение протекает в сплаве, подвергнутом пла­стической деформации при температуре ниже темпера­туры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего не­сколько минут при температурах 200—350°С. Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий производится после предварительной механической обработки при 100— 180°С с выдержкой в течение 18—35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воз­действуют температурные изменения, влажность и дав­ление воздуха. Оно длится от 3 мес до 2 лет. Естест­венному старению подвергают станины прецизионных станков, корпусные детали весьма ответственного назна­чения, рамы роялей и пианино. Его результатом явля­ется снижение внутреннего напряжения, стабилизация размеров и геометрической формы изделий. Обработка стали холодом В некоторых сталях—углеродистых (при содержа­нии более 0,4—0,5% углерода) и легированных—в за­каленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита—3—12%, а в быстрорежущих — 35% и более. Это объясняется тем, что температура конца мартенситного превращения (Мк) указанных ста­лей ниже нуля градусов, а при закалке охлаждение про­изводят только до комнатной температуры. Остаточный аустенит в закаленной стали снижает ее твердость и при постепенном самопроизвольном распаде вызывает изме­нение размеров изделий из этой стали. Закаленные ста­ли, в структуре которых имеется остаточный аустенит, подвергают охлаждению до температур ниже нуля гра­дусов. Такой процесс называют обработкой холодом. Под действием отрицательных температур остаточный аустенит превращается в мартенсит. Увеличение количе­ства мартенсита способствует повышению твердости, улучшению магнитных характеристик стали, стабилиза­ции размеров, повышению стойкости и усталостной проч­ности изделий из такой стали. Твердость после обра­ботки холодом возрастает на 1—5 HRC и более. Температурный режим обработки холодом опреде­ляется положением нижней мартенситной точки Мк. Более глубокое охлаждение не вызовет дополнительного превращения. Обработку холодом производят в специ­альных камерах с хорошей тепловой изоляцией немедленно после закалки, так как выдержка стабилизирует аустенит и, следовательно, снижает эффект обработки. Необходимую температуру получают с помощью сухого льда (твердая углекислота), жидкого кислорода или жидкого воздуха. Выдержка при низких температурах должна быть непродолжительной. Термообработку с применением холода осуществляют по схеме: закалка — обработка холодом — низкий отпуск. Термомеханическая обработка стали Термомеханической обработкой называется процесс, при котором термическая обработка совмещается с обработкой давлением. При такой обработке сталь нагревают до температуры выше критической точки Ас3 и выдерживают при этой температуре с последующей пластической деформацией аустенита для получения в нем особой мартенситной структуры. Применяются два способа термомеханической обработки— высокотемпературный и низко температурный. При высокотемпературной термомеханической обработки сталь нагревают выше температуры Ас3 , пластически ее деформируют при заданной температуре и закаливают. Степень деформации при этом составляет 20—30%. При низкотемпературной термомеханической обработке сталь нагревают выше температуры точки Ас, охлаждают до температуры относи­ли устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре и закаливают. Степень деформации при этом составляет 75—95%. После закалки при том и другом способе производится низкий отпуск. Первый способ используется для любых сталей, второй — только для легированных, т. е. для сталей с повышен­ной устойчивостью переохлажденного аустенита. Термомеханическая обработка способствует повыше­нию механических свойств стали. Наибольшее упрочне­ние достигается после низкотемпературной термомеха­нической обработки. Так, после обычной закалки и низ­кого отпуска предел прочности стали σв не превышает 2000—2200 МН/м2 (200—220 кгс/мм2), относительное удлинение δ=3—4%, после высокотемпературной тер­момеханической обработки σв=2200—2600 МН/м2 (220—260 кгс/мм2), δ =7—8%, после низкотемператур­ной термомеханической обработки σв=2800—3300 МН/м2 (280—330 кгс/мм2), δ =5—7%. Повышение механических свойств стали в резуль­тате высокотемпературной механической обработки объ­ясняется тем, что при пластической деформации (накле­пе) аустенита создается мелкоблочное строение. В про­цессе последующего быстрого охлаждения (закалки) измельченный при наклепе аустенит превращается в мартенсит тонкого строения. В процессе деформации с большими обжатиями, применяемыми при низкотем­пературной термомеханической обработке, в аустените сильно возрастает общая плотность дислокации, «насле­дуемая» после закалки мартенситом. Большая плот­ность дислокации в мартенсите и обусловливает высо­кие механические свойства стали после этого вида об­работки. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 9 Тема: Углеродистые стали. Цель занятия: Содержание лекции Сталь - основное сырье для производства листового и профильного проката. По способу производства стали разделяют на бессемеровскую, конверторную (с продув­кой кислородом), мартеновскую, электросталь, тигель­ную и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей), по химическому соста­ву—на углеродистые и легированные, по назначению— на конструкционные, инструментальные и стали с осо­быми свойствами. Сталь всегда содержит примеси. Если марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки, то сера и фосфор относятся к вредным примесям, не поддающимся полному удалению. В малом количестве в стали постоянно присутствуют скрытые примеси: кис­лород, водород, азот. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. В зависимости от качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Для повышения чистоты сталей и сплавов осущест­вляют их вспомогательную обработку. Виды обработки обозначаются индексами: ВИ (ВИП)—переплав в вакуумных индукционных печах; Ш (ЭШП)—электрошлаковый переплав; ВД (ВДП)—переплав в вакуумных дуговых печах; ШД — вак; умно-дуговой переплав стали, полученной электрошлаковым переплавом; ЭЛП — электронно-лучевой переплав; ПДП—плазменно-дуговая плавка; ОДП—обычная дуговая плавка. Индексы, обозначающие виды вспомогательной обработки, иногда указываются рядом с маркой стали. Наибольшее распространение в различных отраслях народного хозяйства получили углеродистые стали. В общем объеме производства сталей углеродистые со­ставляют 80%. Углеродистые стали обыкновенного качества Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) относятся к числу наиболее дешевых и ши­роко применяемых. Из них получают до 70% всего про­ката—горячекатаного, сортового и фасонного толсто и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, по­ковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические из­делия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали: штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4—6—валы, винты, зубчатые колеса и шпин­дели. Стали обыкновенного качества хорошо сварива­ются и обрабатываются резанием. В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на три группы: А — поставляемые по механическим свойствам, Б — по­ставляемые по химическому составу и В — поставляемые по механическим свойствам и химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей (прочност­ная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории: группа А—1, 2 и 3-я; группа Б—1, 2-я; группа В—1, 2, 3, 4, 5, 6-я. Группа А включает стали следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст1Гпс, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст2Гпс, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст4Гпс, Ст5пс, Ст6сп, Ст6Гпс, Ст6пс, Ст6сп. Буква А в обозначении марки стали не указывается. Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6—услов­ный номер марки, характеризующий механические свой­ства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности сгв и предел текучести σв и уменьша­ется относительное удлинение δ. Для обозначения сте­пени раскисления после номера марки ставятся индек­сы: кп—кипящая, пс—полуспокойная, сп—спокойная (например: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп). Кипящие стали — низкоуглеродистые, высокопластичные, наиболее пригодные для глубокой вытяжки. Эти стали дешевле спокойной (полностью раскисленной), однако они содержат больше кислорода и склон­ны к повышенной ликвации, что ограничивает область их применения. Стали группы А используют в основном для изго­товления деталей, которые не должны подвергаться тер­мической обработке. Для сталей этой группы предус­мотрены три категории (третья категория—для сталей марок Ст2—Ст6), нормируемые по следующим пока­зателям: 1-я категория—по пределу прочности ств и от­носительному удлинению б; 2-я категория—по пределу. прочности сгв, относительному удлинению б и изгибу в холодном состоянии; 3-я категория—по пределу проч­ности σв, относительному удлинению δ, пределу текуче­сти σт и изгибу в холодном состоянии. Номер соответ­ствующей категории проставляют в конце марки стали, например: Ст3пс2, Ст4кп2, Ст5ГпсЗ. Первую категорию в обозначении марки стали не указывают. Для обозна­чения полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца после номера марки стали ставят букву Г, на­пример: СтЗГпс, Ст4Гпс, Ст5Гпс, Механические свой­ства каждой марки стали группы А определены ГОСТ 380-71, В группу Б входят стали следующих марок: БСт0, БСт1кп, БСт1пс, БСт1сп, БСт1Гпс, БСт2кп, БСт2пс, БСт2сп, БСт2Гпс, БСт3кп, БСт3пс, БСт3сп, БСтЗГпс, БСт4кп, БСт4пс, БСт4сп, БСт4Гпс, БСт6пс, БСт6сп, БСт5Гпс, БСт6пс, БСт6сп. Буква Б, стоящая перед обо­значением марки, означает группу стали. Для стали группы Б предусмотрены две категории. В 1-ю категорию входят стали всех марок, содержащие следующие химические элементы: углерод, марганец, кремний, фосфор, серу, мышьяк, азот, во 2-ю катего­рию—стали марок от БСт1 до БСт6, имеющие в своем составе хром, никель и медь. Конкретное содержа­ние химических элементов для каждой марки стали группы Б указано в ГОСТ 380—71 или в сертификате на поставляемую сталь. В остальном маркировка стали группы Б производится так же, как и стали группы А. Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации. Наибольшую склонность к ликвации проявляют сера, кислород, фосфор, углерод. Ликвация оказывает вредное влияние на качество металла, так как приводит к неравномерности его свойств. Необходимо обратить внимание на следующее: циф­ра в маркировке стали не означает содержание угле­рода, с увеличением цифры увеличивается лишь про­центное содержание углерода. Например, сталь БСтЗкп содержит 0,14—0,22% углерода, БСт6сп—0,38—0,49%. Сталь БСт1 имеет в своем составе наименьшее количе­ство углерода, а сталь БСтб—наибольшее. В группу В входят стали марок ВСт1, ВСт2, ВСтЗ, ВСт4 и ВСт5. Добавляемые к марке индексы пс, сп и кп означают степень раскисления стали, например: ВСт3сп, ВСт3Гпс, ВСт4кп. В обозначении марки полу­спокойной стали с повышенным содержанием марганца после номера указывается буква Г, например: ВСт1Гпс, ВСт2Гпс, ВСт3Гпс, ВСт4Гпс, ВСт5Гпс. Механические свойства сталей группы В должны со­ответствовать нормам, предусмотренным для сталей группы А, для которых дополнительно проводят испы­тания на ударную вязкость. По химическому составу стали этой группы должны соответствовать нормам, предусмотренным для сталей группы Б. Нормирование сталей группы В осуществляется по шести категориям: 1-я—по химическому составу, пределу прочности σв, относительному удлинению δ и изгибу в холодном состо­янии; 2-я—по химическому составу, пределу прочности », пределу текучести σт, относительному удлинению δ и изгибу в холодном состоянии; 3-я—по всем показа­телям, предусмотренным для 2-й категории, и ударной вязкости Ян; 4-я — по всем показателям, предусмотрен­ным для 2-й категории, и ударной вязкости ан при —20°С; 5-я—по всем показателям, предусмотренным для 2-й категории, и ударной вязкости ан при —20°С после механического старения; 6-я—по всем показате­лям, предусмотренным для 2-й категории, и ударной вязкости после механического старения. Все углеродистые стали обыкновенного качества хо­рошо свариваются. В настоящее время признано целе­сообразным подвергать термическому упрочнению (за­калке) любые стали обыкновенного качества, в том чи­сле и низкоуглеродистые. Закалка может выполняться непосредственно после прокатки либо после специаль­ного нагрева. В результате такой обработки значитель­но повышаются механические свойства сталей. За счет термического упрочнения листового проката предел текучести сталей марок СтЗ и СтЗкп возрастает более чем в 1,5 раза, при этом сохраняется высокая пластич­ность (6=15—25%). Вследствие измельчения зерна при закалке повышается ударная вязкость стали. Это по­зволяет использовать дешевые стали обыкновенного качества при низких температурах. Из термически упрочняемых углеродистых сталей рекомендуется изго­товлять магистральные газонефтепроводные трубы, ар­матуру железобетонных конструкций, железнодорожные цистерны, рельсы и вагонные колеса. Наибольшее допустимое содержание вредных при­месей для стали группы Б: серы—до 0,05%, фосфора— до 0,04%; для стали группы В (в готовом прокате); серы — до 0,055 %, фосфора — до 0,045%. Для сталей 4, 5 и 6-й категорий группы В норми­руется также содержание мышьяка—до 0,015% и фос­фора—до 0,05%. При хранении сталь можно маркиро­вать несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используются цвета, указанные в табл. 3. Таблица 3 Цвет маркировки стали обыкновенного качества Марка стали Цвет маркировки Марка стали Цвет маркировки Ст0 Красный и зеленый Ст3Гпс Красный и синий Ст1 Белый и черный Ст4 Черный Ст1Гпс Белый и красный Ст4Гпс Черный и красный Ст2 Желтый Ст5 Зеленый Ст2Гпс Желтый и красный Ст5Гпс Зеленый и белый Ст3 Красный Ст6 Синий Углеродистые качественные конструкционные стали Из углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050—74) производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки. Эти стали являются основ­ным материалом для изготовления таких деталей ма­шин, как валы, шпиндели, оси, зубчатые колеса, шпон­ки, муфты, фланцы, фрикционные диски, винты, гайки, упоры, тяги, цилиндры гидроприводов, эксцентрики,звездочки цепных передач, т. е. деталей различной сте­пени нагружения. Они хорошо обрабатываются давле­нием и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке. Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износо­стойкость и надежность. Качественные конструкционные стали обладают бо­лее высокими механическими свойствами, чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. Но они на 10—15% дороже сталей обыкновенного качества, поэтому используются преимущественно для изготовле­ния более нагруженных деталей. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности). По требованиям к испытанию механических свойств разли­чают пять категорий качественных конструкционных сталей: 1-я -без испытания механических свойств; 2-я -с испытанием механических свойств нормализо­ванных образцов на растяжение и ударную вязкость; 3-я - с испытанием механических свойств нормализо­ванных образцов на растяжение; 4-я - с испытанием механических свойств термически обработанных образ­цов (закалка с отпуском) на растяжение и ударную вязкость; 5-я - с испытанием механических свойств нагартованных и термически обработанных образцов (от­жиг или высокий отпуск) на растяжение. Механические свойства рассматриваемых сталей регламентированы ГОСТ 1050—74. В зависимости от состояния материала стали выпускаются без термиче­ской обработки, термически обработанные (Т) и нагартованные (Н). В соответствии с назначением горячека­таная и кованая стали делятся на подгруппы: а -для горячей обработки давлением; б - для механической обработки резанием на станках; в -для холодного во­лочения. Эти сведения указываются в заказе на полу­чение стали от завода-изготовителя. ГОСТ 1050—74 предусматривает следующие марки качественных конструкционных сталей; 05кп, 08кп,08пс, 08, 10п, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60. Стали марок 65, 70, 75, 80, 85, 60 Г, 65Г и 70Г из ГОСТ 1050—74 перенесены в ГОСТ 14959—79 «Рессорно-пружинные ста­ли». В обозначе­нии марки стали цифра указывает на среднее содержа­ние углерода в сотых долях процента. Например, сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода—0,22—0,30%), сталь 60—0,60% (допустимое количество—0,57—0,65%). В стали 58 (55пп) буквы означают повышенную прокаливаемость. Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструк­ционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора—не более 0,035%. На чертежах марку стали обозначают в штампе, на­пример: Сталь 15пс ГОСТ 1050- или Сталь 45 ГОСТ 1050-. Влияние углерода и примесей на структуру и свойства сталей Кроме железа и углерода стали в своем составе имеют некоторое количество так называемых постоян­ных примесей. Эти примеси оказывают различное вли­яние на структуру, а следовательно, и на свойства ста­лей. Неизбежными спутниками сталей являются сера, фосфор, марганец, кремний, а также углерод—необхо­димый компонент сталей, оказывающий основное влияние на их структуру и свойства. Чем больше углерода, тем выше твер­дость и прочность стали, но тем ниже пластич­ность и вязкост. Наибольшая вели­чина предела прочности σв достигается при содержа­нии углерода около 0,9%. При дальнейшем увели­чении количества углеро­да в структуре стали по­является вторичный це­ментит, располагающий­ся по границам зерен перлита в виде сетки, из-за которого увеличивается твердость, но уменьшается прочность, так как цементит хрупок, снижаются ударная вязкость ан, относительное удлинение δ и относительное суже­ние ψ. Сера попадает в сталь из чугуна, а в чугун — из руды и кокса. В железе она почти нерастворима, а в структуре стали образует химические соединения: с же­лезом—сернистое железо (сульфид железа FeS) или с марганцем—сернистый марганец (сульфид марганца MnS). Эти сульфиды, а также соединения кислорода с железом и с марганцем (FeO, MnO) называют неме­таллическими включениями. Их можно видеть под ме­таллографическим микроскопом на нетравленом микро­шлифе. Сульфид железа (FeS) располагается по границам зерен. Температура плавления его 985°. Температура горячей обработки давлением стали—выше 1000°С, по­этому каждое зерно находится в жидкой «рубашке» рас­плавленной эвтектики (сульфида железа), что служит причиной возникновения трещин. Связь между зернами, разогретыми до температуры выше 1000°С, ослабевает и сталь разрушается. Это явление называют красно­ломкостью, а сталь с повышенным содержанием серы— красноломкой. Красноломкость стали можно устранить путем введения в нее марганца, который, соединяясь с серой, образует сернистый марганец (сульфид мар­ганца MnS). Сульфид марганца плавится при 1620°С, он пластичен и при горячей обработке давлением вытя­гивается в направлении деформации. Но все же и это включение (MnS) в стали нежелательно, так как оно снижает динамическую и усталостную прочность, а так­же износостойкость. Содержание серы строго регламен­тируется в зависимости от качества стали (0,025— 0,06%), что обусловлено склонностью серы к зональной ликвации при затвердевании слитка (скапливание серы в отдельных участках слитка). Сера оказывает благо­приятное влияние на сталь при ее обработке на стан­ках-автоматах, так как способствует хорошему стружкообразованию. Фосфор попадает в сталь так же, как и сера. Атомы фосфора, располагаясь в кристаллической решетке же­леза, сильно искажают ее. Повышая твердость, фосфор значительно снижает пластичность стали, делая ее хрупкой, особенно при температурах ниже нуля. Это явле­ние называют хладноломкостью. Кроме того, фосфор, как и сера, склонен к образованию ликвационных зон, что сказывается отрицательно на свойствах стали. Со­держание фосфора в зависимости от качества стали должно находиться в пределах 0,025—0,07%. Как и се­ра, фосфор улучшает обрабатываемость стали реза­нием. Кремний и марганец в тех количествах, ч которых они содержатся в углеродистых сталях (кремний—до 0,4%, марганец—до 0,08%), не оказывают заметного влияния на их свойства. В сталях присутствуют газы (кислород, азот, водо­род), которые частично растворены и находятся в виде неметаллических включений (окислы и нитриды). Окислы — соединения металла с кислородом, нитриды — со­единения металла с азотом. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 10 Тема: Инструментальные углеродистые стали. Цель занятия: Содержание лекции Инструментальные углеродистые стали Из инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435-) получают горячекатаную, кованую и калиб­рованную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечни­ков, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий ин­струмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного де­формирования. Теплостойкость инструментальных углеродистых ста­лей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следова­тельно режущие свойства и износостойкость. Инструментальные углеродистые стали условно мо­жно разделить на две группы: качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У 11, У 12 и У 13 и высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А. В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных—0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп: 1-я—качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патентированной проволоки и ленты); 2-я—высококачест­венные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы; 3-я—стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников; 4-я—ста­ли всех марок для производства патентированной про­волоки и ленты; 5-я—стали марок У7—У 13 для изго­товления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали марок от У7А до У13А для производства горячекатаной и ко­ваной сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки). Группа стали указывается в зака­зе потребителя. Нормы на поставляемую сталь обуслов­лены ГОСТ 1435—74. Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, значительно превышающей твердость обра­батываемого материала, износостойкостью и теплостой­костью (способностью сохранять свойства при высоких температурах). Измерительный инструмент, изготовлен­ный из такой стали, должен быть твердым и длитель­ное время сохранять заданные размеры и форму. Рабо­чие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой ста­ли, должны иметь высокую твердость, обладать износо­стойкостью при достаточной вязкости. Все это достига­ется путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. Из стали У9 производят деревообрабатывающий ре­жущий инструмент (сверла, фрезы, ножи) и ножовоч­ные полотна для обработки стали. Металлорежущий инструмент (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы, напильники и ходовые винты преци­зионных станков) изготовляют из сталей У 10, У 11 и У12, бритвенные ножи, лезвийный хирургический инст­румент и напильники—из стали У 13, слесарные молот­ки, зубила, губки тисков — из сталей У7 и У8, шаблоны, скобы, детали микрометрического инструмента, гладкие и резьбовые калибры, цанги, фрикционные диски, пру­жины и др.—из сталей У8, У9 и У 10. Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зер­нистый цементит, который способствует лучшей обра­батываемости резанием и уменьшает коробление дета­лей при закалке. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 11 Тема: Легированные стали. Цель занятия: Содержание лекции Легированными называют стали, которые кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфо­ра) содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. В ка­честве легирующих элементов чаще всего применяют никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алю­миний, медь, кобальт, бор. Кремний и марганец, если они специально введены в сталь, также являются леги­рующими элементами. При этом содержание кремния должно быть выше 0,5%, а марганца—выше 0,8%. Подавляющая часть легированных сталей содержит два или несколько легирующих элементов, так как совмест­ное их действие значительнее влияет на изменение свойств стали, чем действие одного элемента, даже если он вводится в большом количестве. Название легированных сталей определяется основ­ными легирующими элементами, входящими в их со­став, например: хромистая, хромомарганцовая, хромоникелевая, хромоникельмолибденовая и т. п. Влияние легирующих элементов на свойства стали зависит от их количества, местоположения в структуре и содержания углерода. Все легирующие элементы в том или ином количестве способны растворяться в кристаллической решетке феррита, образуя при этом так называемый легированный феррит. По отношению к углероду леги­рующие элементы можно разделить на две группы: первая группа—элементы, способные создавать с углеродом стойкие химические соединения—карбиды; к ним относятся титан, ванадий, вольфрам, молибден, хром, марганец и ниобий; вторая группа — элементы, не образующие карбиды; в их число входят кремний, алюминий, никель, медь, кобальт. Некарбидообразующие элементы содержатся в леги­рованных сталях в виде твердого раствора в феррите. Карбидообразующие элементы могут находиться в раз-'личных структурных состояниях: они могут быть рас­творены в феррите либо цементите, например (FeCr)3C, или существовать в виде самостоятельных структурных составляющих—специальных карбидов (WC, МоС и др.). Местоположение карбидообразующих элементов в структуре стали зависит от количества введенных ле­гирующих элементов и содержания углерода. Легирую­щие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку, упрочняют феррит, умень­шают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды отличаются весьма высокой твердостью (70— 75 HRC) и износостойкостью, но обладают значитель­ной хрупкостью. Они играют весьма важную роль в ин­струментальных сталях. При выборе легированных сталей принимаются во внимание экономические показатели. Введение в сталь недефицитных легирующих элементов (марганца, крем­ния и хрома) незначительно повышает ее стоимость. Никель заметно увеличивает стоимость стали. Особенно удорожает сталь введение в нее (даже в незначитель­ных количествах) таких элементов, как кобальт, воль­фрам, молибден, ниобий, бор. После термической обработки (закалки, отпуска) улучшаются механические свойства легированных ста­лей, но в изделиях малых сечений их свойства мало отличаются от механических свойств углеродистой ста­ли. В изделиях крупных сечений (свыше 15 мм) меха­нические свойства легированных сталей—предел теку­чести σт, относительное сужение ψ и ударная вязкость αн—значительно выше, чем углеродистых. Это объяс­няется малой критической скоростью закалки легиро­ванных сталей, а следовательно, лучшей их прокаливаемостью. После термической обработки у них обра­зуются более мелкое зерно и дисперсные структуры. Большая прокаливаемость и малая критическая ско­рость закалки позволяют закаливать эти стали в менее резких охладителях (в масле, на воздухе), что способствует уменьшению деформации деталей и возможно­сти образования трещин. Поэтому легированные стали применяют для изготовления деталей малого сечения со сложной геометрической формой. Без термической обработки эти стали использовать нецелесообразно. Прокаливаемость возрастает с увеличением в стали марганца, хрома, бора, никеля и молибдена. Конкрет­ному сечению стали должно соответствовать определен­ное количество 'легирующих элементов, иначе ухудша­ются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Если содержание хрома или марганца превышает 1%, увеличивается порог хладноломкости стали. Под порогом хладноломкости, или критической температурой хрупкости, понимают температуру перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому и наоборот. Поэтому содержание легирую­щих элементов должно быть минимальным, обеспечи­вающим необходимую сквозную прокаливаемость для конкретного сечения детали и условий охлаждения при закалке. Никель повышает сопротивление стали хрупкому разрушению, увеличивает пластичность и вязкость, уменьшает чувствительность к концентраторам напря­жений и понижает температуру порога хладноломкости. Поскольку никель дорогой металл, его вводят в конст­рукционные стали вместе с хромом и другими элемен­тами в предельно минимальных количествах. После от­пуска легированная сталь обладает более высокой прочностью и твердостью, но меньшей пластичностью и вязкостью, чем углеродистая. Молибден и вольфрам по­вышают прокаливаемость и устойчивость стали против отпуска, способствуют образованию мелкозернистой структуры. Особое влияние молибден оказывает на це­ментированную сталь, так как повышает твердость и прокаливаемость цементированного слоя. Кремний при изотермической закалке обеспечивает высокую вязкость и пониженную чувствительность стали к надрезу. В отожженном и нормализованном состоянии легирован­ная сталь имеет большую прочность, но меньшую пла­стичность, чем углеродистая. В зависимости от области применения легированные стали подразделяют на три группы: конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей ма­шин и конструкций; инструментальные стали, используемые для производства режущих и измерительных инструментов, штампов и пресс-форм; стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами —коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, магнитомягкие, магнитотвердые, с заданным коэффициен­том теплового расширения и др. В зависимости от со­держания вредных примесей различают качественную легированную сталь (не более 0,035% как серы, так и фосфора), высококачественную—А (не более 0,025% того и другого элемента), особовысококачественную- Ш (до 0,015% серы и до 0,025% фосфора). Особовысококачественной считают сталь электрошлакового пере­плава. Буква Ш ставится через дефис в конце марки стали, например 3ОХГС-Ш, 3ОХГСА-Ш. В обозначение марок легированных сталей входят заглавные буквы русского алфавита, соответствующие определенным химическим элементам, содержащимся в стали, и цифры, обозначающие количество легирую­щих элементов и углерода. Так, буквы обозначают: А- -азот К- - кобальт С- - кремний Б- - ниобий Л- - бериллии Т- - титан В- - вольфрам М- - молибден Ф- - ванадий Г- - марганец Н- - никель Х- - хром Д- - медь П- - фосфор Ц- - цирконий Е- - селен Р- -бор Ю- - алюминий Первые одна или две цифры (слева) характеризуют среднее содержание углерода: одна цифра—в десятых долях процента, две цифры—в сотых долях. В марках некоторых инструментальных легированных сталей с со­держанием углерода около 1% цифра не ставится. Цифры после букв означают приблизительное содержа­ние легирующих элементов в целых процентах. При со­держании 'легирующего элемента до 1,5 % цифра после буквы может не проставляться (это делается в исклю­чительных случаях). Например, 40Х означает хроми­стую легированную конструкционную сталь, содержа­щую 0,4% углерода и около 1% хрома; 15Н2М—кон­струкционную легированную никельмолибденовую сталь с содержанием 0,15% углерода, 2% никеля и до 1% молибдена. ГОСТ 4543—71 регламентирует более точ­ный химический состав стали: 0,1—0,18% углерода, 1,5—1,9% никеля и 0,2—0,3% молибдена. Такое несоот­ветствие касается также титана, ванадия, бора, селена и других легирующих элементов, которые добавляются в сталь даже в тысячных долях процента, но оказывают при маркировке. Маркировка высококачественных сталей отличается наличием буквы А, проставляемой в конце марки. На­пример, 18Х2Н4МА означает хромоникельмолибденовую конструкционную легированную высококачественную сталь с содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и до 1% молибдена; 38Х2МЮА—хромоалюминиевую конструкционную высококачественную сталь, имеющую в своем составе 0,38% углерода, 2% хрома, до 1% молибдена и до 1% алюминия. Буква А не ста­вится в обозначении высококачественных инструмен­тальных легированных сталей и сплавов с особыми свойствами. Например, 8Х4ВЗМЗФ2—инструменталь­ная легированная сталь для режущего и измеритель­ного инструмента (0,8% углерода, 4% хрома, 3% воль­фрама, 3% молибдена и 2% ванадия). Иногда в обозначении марок сталей в начале ста­вятся буквы, указывающие области их применения: А — автоматные стали повышенной обрабатываемости резанием (А12, А35), Ш—шарикоподшипниковые ста­ли (ШХ15, ШХ9), Р—быстрорежущие стали (Р18, Р6М5К5), Св—сварочные и наплавочные стали и спла­вы (Св-12ГС, Св-08ХН2ГМТА). Особое внимание сле­дует обратить на букву А, которая может содержаться в начале обозначения марки стали, в середине и в кон­це. Если буква А стоит в начале марки, она указывает область применения стали (автоматная конструкцион­ная сталь повышенной и высокой обрабатываемости ре­занием, например А40ХЕ), если в конце марки, значит сталь высококачественная (например 20Х2Н4А), буква А, стоящая в середине марки, означает азот, например 10Х14АГ15. Стали, предназначенные для специального производства (исследуемые или пробные), часто мар­кируют условно, например по месту их выплавки: Э— «Электросталь», 3—Златоустовский металлургический комбинат, Д—завод «Днепроспецсталь»—ЭИ868, ЭП48, ЗИ, ДИ (И—значит исследовательская, П— пробная). Конструкционные легированные стали Конструкционные легированные стали согласно ГОСТ 4543—71 подразделяются на горячекатаную, ко­ваную, калиброванную и сталь серебрянку, применяемую в термически обработанном состоянии. Стали по­ставляются в прутках, в виде полос и в мотках. Стан­дарт предусматривает 13 групп конструкционных леги­рованных сталей, каждая из которых получила назва­ние по преобладающему в ней легирующему элементу: хромистая—15Х, 15ХА, 20Х, 3ОХ, 3ОХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х; из этой стали изготовляют детали, от которых наряду с высокой износостойкостью требу­ется минимальная деформация при термообработке (шестерни с модулем до 3 мм, шлицевые валы, шпин­дели, работающие на подшипниках скольжения), улуч­шенные и закаленные детали, работающие при средних скоростях и высоких удельных давлениях (шестерни, шпиндели, валы, пиноли, кольца, зубчатые рейки, рото­ры гидронасосов, червяки), нагруженные детали авто­мобилей и тракторов, а также крупные детали, требую­щие высокой прокаливаемости и общей повышенной прочности; марганцовистая -15Г, 20Г, 25Г, 3ОГ, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г, 10Г2, 3ОГ2, 35Г2, 40Г2, 50Г2; из марганцовистой стали в основном производят детали, требующие наряду с повышенной прочностью и износостойкостью наличия пружинящих свойств,—цанги, разрезные кольца, пру­жинные шайбы, фрикционные диски, коленчатые валы, полуоси, цапфы, червяки, шестерни; детали подвергают­ся закалке в масле и отпуску; эта сталь успешно заме­няет дорогостоящие хромоникелевые стали; хромомарганцовая -18ХГ, 35ХГ2, 35ХГ2, 18ХГТ, 20ХГР, 27ХГР, 25ХГТ, 3ОХГТ, 40ХГТР, 35ХГФ, 25ХГМ; хромомарганцовая сталь служит для изготовления де­талей, работающих при больших окружных скоростях, средних и высоких удельных давлениях и больших ударных нагрузках,—шпинделей и валов, работающих на подшипниках скольжения, кулачковых муфт, червя­ков, тяг, шестерен; в зависимости от условий эксплуа­тации детали подвергают улучшению или закалке; хромокремнистая—33ХС, 38ХС, 40ХС; эта сталь применяется для производства деталей, работающих с высокими нагрузками,—шестерен, шлицевых валов, шатунов, червяков; детали подвергаются закалке с низ­ким отпуском, в результате чего повышаются износо­стойкость и твердость (около 450 НВ); хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая — 15ХМ, 20ХМ, 3ОХМ, 3ОХМА. 35ХМ, 38ХМ, 3ОХЗМФ, 40ХМФА; эти стали предназначены для изготовления зубчатых колес, дисков, валов, плунжеров, роторов па­ротурбин и коленчатых валов невысокой мощности; по­сле термической обработки детали из таких сталей об­ладают высокой твердостью, износостойкостью и анти­коррозионными свойствами; хромованадиевая—15ХФ, 40ХФА; легирование хро­мистой стали ванадием улучшает ее механические свой­ства, такая сталь менее склонна к перегреву, из-за малой прокаливаемости ее используют для изготовления ответственных деталей сравнительно небольших сече­ний—шестерен, поршневых колец, распределительных валов; никельмолибденовая—15Н2М (15НМ), 20H2M (20НМ); эта сталь обладает повышенной вязкостью и теплостойкостью, из нее делают котлы, трубы, фланцы; В скобках приведены марки сталей по устаревшему ГОСТ 4543—61. хромоникелевая и хромоникелевая с бором—20ХН, 40ХН, 45ХН, 50ХН, 20ХНР, 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 3ОХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А; эти стали малочувстви­тельны к перегреву при длительной цементации, не склонны к пересыщению поверхностного слоя углеро­дом; в результате совместного действия хрома и никеля повышаются их вязкость, пластичность, вязкость серд­цевины и цементированного слоя; для повышения твер­дости (до 58—62 HRC) хромоникелевые стали подвер­гают закалке с последующей обработкой холодом (—100, —120°С) или промежуточному высокому отпус­ку (600—640°С) с последующей закалкой, однако при обработке холодом снижаются предел выносливости, из­носостойкость и вязкость; у отдельных сталей после отжига не снижается твердость, что затрудняет их обра­ботку резанием, тогда стали приходится подвергать высокому отпуску (630—640°С), снижающему твердость до 217—269 НВ (из таких сталей изготовляют зубча­тые колеса, валы, оси, ролики, клапаны); хромоникеле­вые стали используют для производства крупных дета­лей ответственного назначения, которые при эксплуата­ции несут значительные вибрационные и динамические нагрузки; такие детали можно подвергать глубокому прокаливанию, закалять с охлаждением в масле и даже на воздухе, что значительно уменьшает возможность их коробления; хромокремнемарганцовая и хромокремнемарганцовоникелевая — 20ХГСА, 25ХГСА, 3ОХГС, ЗОХГСА, 35ХГСА, 3ОХГСН2А (3ОХГСНА); хромокремнемарганцовая сталь (хромансиль) обладает высокой прочно­стью и хорошей свариваемостью, ее применяют в виде листов и труб для производства ответственных сталь­ных конструкций в самолетостроении (20ХГС, 25ХГС, ЗОХГС); после улучшения или изотермической закалки резко повышаются механические свойства конструк­ций—σв=1650 МПа (165 кгс/мм2), σ0,2=1300МПа (130 кгс/мм2), δ=9%, ψ=40%, αн==0,4МПа.м (4 кгс-м/см2), снижается их чувствительность к надре­зам; сталь хромансиль склонна к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве, для до­стижения более глубокой прокаливаемости и лучшей вязкости в нее добавляют до 1,8% никеля; сталь 3ОХГСН2А после закалки и низкого отпуска имеет σв =1650 МПа (165 кгс/мм2), σ0,2 =1400 МПа (140 кгс/мм2), δ =9%, αн =0,6 МПа м (6 кгс м/см2); эта сталь получила широкое распространение при изго­товлении ответственных деталей (шестерен, муфт, валов, кулачков, шатунов, деталей самолетов) и сварных конструкций; сталь хромансиль чувствительна к кон­центраторам напряжений, особенно после обычной за­калки и отпуска, сделанные из нее детали становятся хрупкими после гальванического покрытия и травления, а также в результате коррозии под напряжением (из-за насыщения водородом); хромомарганцовоникелевая и хромомарганцовонике-левая с титаном и бором—15ХГН2ТА (15ХГНТА), 20ХГНР, 20ХГНТР, 38ХГН; за счет введения в хромо-марганцовые стали никеля повышается их прокаливае-мость и прочность; такие стали широко применяются в автомобильной и тракторной промышленности; по ме­ханическим и технологическим свойствам они близки к хромоникелевым сталям; хромоникельмолибденовая — 14Х2НЗМА, 20ХН2М (20ХНМ), 3ОХН2МА (3ОХНМА),38Х2Н2МА (38ХНМА), 40ХН2МА (40ХНМА), 40Х2Н2МА (40Х1 НВА), 38ХН3МА, 18ХН4МА (18Х2Н4ВА), 25Х2Н4МА (25Х2Н4ВА); при введении в хромоникелевые стали та­кого легирующего элемента, как молибден, предотвра­щается их склонность к обратимой отпускной хрупко­сти; из хромоникельмолибденовой стали производят де­тали ответственного назначения; после высокого отпу­ска такие детали охлаждают в масле или воде (в за­висимости от размеров детали) для предотвращения отпускной хрупкости, небольшие по размеру детали мо­жно охлаждать на воздухе; хромоникельмолибденованадиевая и хромоникель-ванадиевая—3ОХН2МФА (ЗОХН2ВФА), 36Х2Н2МФА (36ХН1МФА), 38ХНЗМФА, 45ХН2МФА (45ХНМФА), 20ХН4ФА; ванадий, введенный в хромоникелевую сталь. обеспечивает получение мелкозернистой струю уры, спо­собствует повышению механических свойств стали; хро-моникельмолибденовые стали обладают высокой проч­ностью, пластичностью, вязкостью, низким порогом хладноломкости; введение в хромоникельмолибденова-надиевую сталь молибдена позволяет увеличить ее теп­лостойкость, изготовленные из этой стали детали могут работать при температурах до 450°С; недостатком рас­сматриваемых сталей является трудность их обработки резанием; хромоникельмолибденованадиевая и хромо-никелевая стали применяются для изготовления ответ­ственных крупных деталей, работающих в условиях по­вышенных температур—роторов турбин, валов высоко­напряженных трубовоздуходувных машин, деталей ком­прессорных машин и редукторов; высокая прокаливае-мость этих сталей дает возможность упрочнять детали термической обработкой; хромоалюминиевая и хромоалюминиевая молибде­ном—38Х2Ю (38ХЮ), 38Х2МЮА (38ХМЮА); так как эти стали предназначены для изготовления деталей с высокой твердостью, их подвергают азотированию; стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и не содержащие алюминия, после азотирования имеют 600—950 HV (54—66 HRC или 535— 690 НВ); если основными требованиями, предъявляе­мыми к детали, являются высокая твердость и износо­стойкость, азотированию подвергают сталь, содержа­щую алюминий (38Х2МЮА); совместное присутствие алюминия, хрома и молибдена увеличивает твердость азотированного слоя до 1200 HV (72 HRC или 780 НВ). Такой высокой твердостью обладают только твердые сплавы; из хромоалюминиевых сталей с молибденом изготовляют детали ответственного назначения, обла­дающие очень высокой твердостью, износостойкостью, антикоррозионными свойствами, имеющие высокий пре­дел усталости,—валы, работающие на высоких скоро­стях, плунжеры, копиры, зубчатые колеса, роторы паротурбин, коленчатые валы; детали могут быть тонкостен­ными, с большим отношением длины к диаметру. Горячекатаная и кованая стали поставляются как в термически обработанном состоянии (отожженные, высокоотпущенные, нормализованные или нормализо­ванные с высоким отпуском), так и без термообработ­ки, стали калиброванная и серебрянка—нагартованными или термически обработанными (отожженными, отпущенными, нормализованными, закаленными с отпуском). Твердость отожженной или высокоотпущенной стали диаметром (толщиной) свыше 5 мм в зависимости от марки составляет 163—269 НВ, твердость нагартованной стали при таком же диаметре — не более 269 НВ. Механические свойства сталей нормируются ГОСТ 4543—71. Стандартом установлены режимы термиче­ской обработки стали, обеспечивающие достижение определенных механических свойств (σв, σт, δ, ψ, αн). Для удобства хранения и применения концы или торцы сталей маркируют краской (табл. 4). Таблица 4. Краски, применяемые для маркировки конструкционных легированных сталей Группа стали Цвет краски Хромистая Зеленый и желтый Марганцовистая Коричневый и синий Хромомарганцовая Синий и черный Хромокремнистая Синий и красный Хромомолибденовая и хромомо- либденованадиевая Зеленый и фиолетовый Хромованадиевая Зеленый и черный Никельмолибденовая Желтый и фиолетовый Хромоникелевая и хромоникелевая с бором Желтый и черный Хромокремнемарганцовая Красный и фиолетовый Хромоникельмолибденовая Фиолетовый н черный Хромоалтоминиевая и хромоалюминиевая с молибденом Алюминиевый Инструментальные легированные стали Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950—73) применяются для изготовления режущего и измерительного инструмента, а также штампов. Стали, предназначенные для изготовления режущего инстру­мента (резцов, сверл, фрез и др.), должны обладать высокой твердостью (HRC ≥62) и износостойкостью. Если обработка резанием протекает в тяжелых усло­виях (большие скорости резания, обработка твердых металлов, большое сечение снимаемой стружки)', то при этом затрачивается значительная механическая энергия. В процессе резания эта энергия превращается в тепло­вую, вследствие чего режущая кромка инструмента сильно нагревается. При длительном нагреве режущая кромка инструмента, работающего в тяжелых условиях, должна сохранять высокую твердость, поэтому она дол­жна быть выполнена из стали, имеющей повышенную красностойкость или теплостойкость. Условия работы измерительного инструмента (скоб, калибров) близки к условиям работы режущего инструмента при низких режимах резания. Отличие состоит лишь в том, что удельные давления на рабочие поверхности при изме­рении значительно ниже, чем при резании. Для изме­рительного инструмента важны малая деформация при термической обработке и сохранение постоянства раз­меров. В сталях, используемых для изготовления штам­пов, должны сочетаться твердость и вязкость. Штампы для холодного деформирования металлов должны иметь высокую твердость, так как условия их работы близки к условиям работы режущего инструмента. Молотовые штампы в процессе работы подвергаются удару, поэто­му для их изготовления требуется сталь с несколько меньшим содержанием углерода (0,5—0,7 %). У таких штампов должна быть хорошая термостойкость—спо­собность сопротивляться резкому изменению температуры (устойчивость против появления трещин разгара). К штамповым инструментам относятся также пресс-формы для литья под давлением. К материалам, пред­назначенным для их изготовления, предъявляются тре­бования минимальной деформации при термической об­работке и хорошей обрабатываемости резанием. Инструментальные легированные стали содержат карбидообразующие элементы: хром, вольфрам, молиб­ден, марганец, ванадий. Преимущество этих сталей пе­ред углеродистыми инструментальными сталями заклю­чается в том, что они имеют меньшую скорость охлаж­дения при закалке, за счет чего уменьшается опасность образования трещин, деформации и коробления. Кроме того, эти стали закаливаются на большую глубину. Инструментальные легированные стали некоторых марок (например, 9ХС) отличаются большой устойчивостью против отпуска, что важно при работе в условиях повы­шенных температур. Для таких сталей, как, например, ХВГ, ХВСГ и Х12М, характерна минимальная дефор­мация при термической обработке, что имеет большое значение при изготовлении штампов, протяжек, резьбо­вых калибров и других подобных инструментов. Сталь поставляется горячекатаной, кованой, калиброванной и шлифованной (серебрянка). Размеры, допуски и требо­вания к ней нормируются ГОСТ 5950—73. Стандарт предусматривает две группы и пять под­групп инструментальных легированных сталей. Содер­жание как серы, так и фосфора в них не должно пре­вышать 0,03%, содержание серы в стали, полученной методом электрошлакового переплава, не должно быть выше 0,015%. Далее приведены марки инструменталь­ных легированных сталей по каждой из групп и реко­мендуемые области их применения. Стали для режущего и измерительного инструмента Стали неглубокой прокаливаемости: 7ХФ—деревообрабатывающий инструмент (топоры, стамески, долота), инструмент, работающий с ударны­ми нагрузками (зубила, пуансоны); 8ХФ—штампели для холодной обработки, ножи для холодной резки металлов, абразивные матрицы и пуан­соны для холодной обрезки заусенцев, кернеры; 9ХФ — рамные, ленточные и круглые строгальные пилы, ножи, обрезные матрицы и пуансоны для холод­ной работы, кернеры и др.; 11ХФ (11Х)1—метчики, плашки, развертки, сверла и фрезы диаметром до 30 мм; 13Х—бритвенные ножи, лезвия, острый хирургиче­ский инструмент, шаберы, штихели, гравировальный инструмент; ХВ4 (ХВ5)—резцы, фрезы, сверла и развертки для обработки твердых металлов при небольших скоростях резания, валки с закаленной поверхностью, гравиро­вальные резцы, работающие в напряженных условиях; В2Ф—ленточные пилы по металлу и ножовочные полотна. В скобках приведены устаревшие обозначения марок легированных сталей. Стали глубокой прокаливаемости: 9Х1 (9Х) —валки для холодной прокатки, дрессиро­вочные ' валки, клейма, пробойники, холодновысадочные матрицы и пуансоны, деревообрабатывающий инст­румент; Х—зубила для насечки напильников, очень твердые кулачки эксцентриков и пальцев, цилиндрические глад­кие калибры и калиберные кольца, резцы токарные, строгальные и долбежные для лекальных и ремонтных мастерских (участков); 12Х1 (120Х, ЭП430)—измерительный инструмент— плитки, калибры, шаблоны, скобы; 9ХС, ХГС—сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для хо­лодных работ; ХГС—валки для холодной прокатки, холодновысадочные матрицы и пуансоны, вырубочные штампы диа­метром (толщиной) до 70 мм; ХВГ—измерительный и режущий инструмент, для которого недопустимо повышенное коробление при за­калке, резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики и развертки, плашки, фасонные резцы и другие виды специального инструмента, холодновысадочные матри­цы и пуансоны, технологическая оснастка; 9ХВГ—резьбовые калибры, лекалы сложной фор­мы, сложные и точные штампы для холодных работ (при термообработке не должны подвергаться объем­ным изменениям и короблению); ХВСГ—круглые плашки, развертки, фасонные рез­цы и другой режущий инструмент; 8Х6НФТ (95Х6НФТ), 9Х5ВФ—ножи для деревооб­рабатывающих станков, строгальные пилы, фрезы, свер­ла и другой деревообрабатывающий инструмент; 8Х4ВЗМ3Ф2 (ЭП570) —деревообрабатывающий ин­струмент, работающий в тяжелых условиях с нагревом режущей кромки, режущий (вырубной) инструмент для обработки металлов в холодном состоянии (ножи труборазрубочных прессов, гильотин и ножниц), инструмент для холодной пластической деформации (шлиценакатные ролики, пуансоны, матрицы, накатники). Дрессировка — отделочная операция в производстве тонких полос. Стали для штампового инструмента Стали для инструмента, применяемого для деформи­рования в холодном состоянии: Х6ВФ—резьбонакатный инструмент (ролики и плашки), ручные ножовочные полотна, бритвы, матри­цы, пуансоны, зубонакатники и другой инструмент, предназначенный для холодной деформации, фрезы и ножи для обработки древесины; Х12, Х12ВМ— штампы для холодной обработки с высокой устойчивостью против истирания (преимуще­ственно с рабочей частью округлой формы), не подвер­гающиеся сильным ударам и толчкам, волочильные до­ски и волоки, глазки для калибрования пруткового ме­талла под накатку резьбы, гибочные и формовочные штампы, секции кузовных штампов, матрицы и пуан­соны вырубочных и просечных штампов, штамповки активной части электрических машин и электромагнит­ных систем электрических аппаратов; Х12М, Х12Ф1 - предназначены для тех же целей, что и стали марок Х12, Х12ВМ; кроме того, из этих ста­лей изготовляют профильные ролики сложных форм, секции кузовных штампов сложных форм, сложные дыропрошивочные матрицы, используемые при формовке листового металла, эталонные шестерни, накатные плашки, волоки, матрицы и пуансоны вырубных про­сечных штампов со сложной конфигурацией; 7ХГ2ВМ— штампы объемного холодного деформиро­вания и вырубной инструмент сложной конфигурации, применяемые в производстве изделий из цветных спла­вов и малопрочных конструкционных сталей; 6Х6ВЗМФС (55Х6ВЗСМФ, ЭП569) — резьбонакатные ролики, зубонакатники, шлиценакатники, обрезные матрицы, пуансоны и другой инструмент для холодной пластической деформации металлов повышенной твер­дости, ножи труборазрубочных машин, гильотинных ножниц для резки высокопрочных сталей и сплавов, рубильные ножи для деревообрабатывающей промышлен­ности, шарошки для разрушения горных пород и другие аналогичные инструменты. Стали для инструмента, применяемого для дефор­мирования в горячем состоянии: 7Х3, 8Х3 - инструмент (пуансоны, матрицы) для го­рячей высадки (крепежа и заготовок из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей), детали штампов (матрицы, пуансоны, выталкиватели) для горячего прессования и выдавливания материалов на кривошипных прессах при мелкосерийном производстве, гибочные, обрезные и просечные штампы; 5ХНМ - молотовые штампы паровоздушных и пнев­матических молотов (масса падающих частей—свыше 3 т), прессовые штампы и штампы машинной скорост­ной штамповки, используемые при горячем деформиро­вании легких цветных сплавов, блоки матриц для вста­вок горизонтально-ковочных машин; 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС (40ХСМФ) - моло­товые штампы паровоздушных и пневматических моло­тов (масса падающих частей—до 3 т), применяемых при деформировании легированных конструкционных и нержавеющих сталей, прессовый инструмент для обра­ботки алюминиевых сплавов; 4Х5МФС - мелкие молотовые штампы, крупные (толщиной или диаметром более 200 мм) молотовые или прессовые вставки для горячего деформирования кон­струкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства; 4Х5В2ФС (ЭИ958), 4Х5МФ1С (ЭП572)—пресс-формы для литья под давлением цинковых, алюминие­вых и магниевых сплавов, молотовые и прессовые встав­ки (толщиной или диаметром до 250 мм) для горячего деформирования конструкционных сталей, инструмент для высадки заготовок из легированных конструкцион­ных и жаропрочных материалов на горизонтально-ко­вочных машинах; 4Х3ВМФ (ЗИ-2) — мелкие молотовые штампы, молотовые и прессовые вставки (толщиной или диаметром до 400 мм), инструмент для горизонтально-ковочных машин, предназначенных для горячего деформирования конструкционных и жаропрочных сталей, инструмент для высокоскоростной машинной штамповки конструк­ционных сталей; 4Х4ВМФС (ДИ-22) — инструмент для высокоскоро­стной машинной штамповки и высадки на горизонталь-во-ковочных машинах, вставки штампов для горячего деформирования легированных конструкционных и жа­ропрочных материалов на молотах и кривошипных прессах (сталь 4Х4ВМФС применяется вместо менее теплостойких сталей марок 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С, 4ХЗВМФ), пресс-формы для литья под давлением мед­ных сплавов; ХЗМЗФ — инструмент (преимущественно мелкий) для горячего деформирования на кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах, подвергающийся в процессе работы интенсивному охлаждению, пресс-формы для литья под давлением медных сплавов; Х2В8Ф — инструмент и пресс-формы для горячего прессования и литья под давлением медных сплавов; 4Х2В5МФ (ЗИ959)— тяжелонагруженный прессо­вый инструмент для горячего деформирования легиро­ванных конструкционных и жаропрочных материалов (мелкие вставки окончательного штампового ручья, мелкие вставные знаки, матрицы и пуансоны для вы­давливания); 4Х2В2МФС (ЭП641, 45Х2СВ2МФ), 5ХЗВЗФМС (ДИ-23) — тяжелонагруженный прессовый инструмент (прошивные и формирующие пуансоны и матрицы), ин­струмент для высадки на горизонтально-ковочных ма­шинах, вставки штампов напряженных кострукций для горячего объемного деформирования конструкционных и жаропрочных материалов (эти стали применяются вместо менее теплостойких сталей марок ЗХ2В8Ф и 4Х2В5МФ). Наиболее высокую прокаливаемость и теплостой­кость имеет сталь марки 5ХЗВЗМФС. Стали для ударного инструмента: 4ХС—зубила, обжимки, ножницы для горячей и хо­лодной резки металла, штампы горячей вытяжки; 6ХС—пневматические зубила, штампы небольших размеров для холодной штамповки, рубильные ножи; 4ХВ2С — пневматический инструмент, зубила, об­жимки; 5ХВ2С, 6ХВ2С—инструмент для холодной обработ­ки металла, ножи, резьбонакатные плашки, пуансоны и обжимные матрицы, деревообрабатывающий инстру­мент, предназначенный для длительной работы; 6ХВГ—пуансоны сложной формы для холодной прошивки фигурных отверстий в листовом и полосовом материале, небольшие штампы для горячей штамповки деталей сложной формы. Инструментальные быстрорежущие стали. Инструментальные быстрорежущие стали получили такое название потому, что изготовленные из них инст­рументы могут работать при больших скоростях резания, не теряя своих свойств. Чем больше скорость реза­ния, тем выше температура разогрева режущей части инструмента. Углеродистые, а также большинство леги­рованных инструментальных сталей при температурах 250—300°С теряют свою твердость вследствие измене­ния структуры, поэтому не могут использоваться для изготовления инструмента, работающего при больших скоростях резания. Замечательное свойство быстрорежущих сталей — высокая красностойкость, т. е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при нагре­вании до 600—650°С. Это свойство выделяет быстро­режущие стали из числа всех других инструментальных сталей. Красностойкость определяется в основном дву­мя факторами: химическим составом и термической об­работкой. Быстрорежущие стали имеют сложный химический состав. Наиболее важным легирующим элемен­том их является вольфрам (6—18%). Они содержат также ванадий (1—5%). Вольфрам и ванадий почти целиком находятся в виде карбидов, которые, раство­ряясь в кристаллической решетке железа, обеспечивают красностойкость сталей. Во все быстрорежущие стали входит хром (3—4,5%), большая часть которого рас­творяется в кристаллической решетке железа. Содер­жащиеся в быстрорежущих сталях легирующие эле­менты уменьшают критическую скорость закалки, в ре­зультате чего стали становятся самозакаливающими­ся—они закаливаются даже при охлаждении на воз­духе. Некоторые быстрорежущие стали содержат ко­бальт, который повышает их красностойкость, так как препятствует разрастанию карбидов при нагревании. Однако с увеличением содержания кобальта и ванадия шлифуемость сталей ухудшается, повышается их чув­ствительность к обезуглероживанию. Для того чтобы придать быстрорежущим сталям высокие режущие свойства, их подвергают термической обработке по спе­циальному режиму, который отличается от термической обработки других инструментальных сталей. Для быстрорежущих сталей принят следующий принцип маркировки: в начале марки стоит буква Р, следующая за ней цифра указывает среднее содержа­ние вольфрама в процентах, содержание ванадня (в процентах) показывает цифра, стоящая за буквой Ф, молибдена—цифра за буквой М, кобальта—цифра за буквой К. Содержание хрома в марке не указывает­ся, так как оно примерно одинаково у сталей всех ма­рок. Если ванадия содержится менее 2%, он также не указывается. Быстрорежущие стали имеют в своем со­ставе от 0,7 до 1,55% углерода (тем выше, чем больше содержится ванадия). Например, марка стали Р 18К5Ф2, это значит, что сталь содержит 18% вольфрама, 5% ко­бальта, 2% ванадия ГОСТ 19265—73 предусматривает 14 марок быстро­режущих сталей, которые условно можно разделить на две группы: первая группа—стали, не содержащие кобальта, вторая группа—стали, содержащие повышен­ное количество кобальта и ванадия. Согласно стандарту быстрорежущие стали подразделяются на горячеката­ную кованую, калиброванную и серебрянку. Нормы на химический состав распространяются на лист, ленту, Поковки, штамповки и другую продукцию. ГОСТ 19265—73 нормирует также твердость, макроструктуру, карбидную неоднородность, глубину обезуглероженного слоя и другие параметры сталей. Далее приведены марки быстрорежущих сталей, их краткие характеристики и области применения. Р18—удовлетворительная прочность и шлифуемость, широкий интервал оптимальных закалочных тем­ператур; Предназначена для изготовления всех видов режущего инструмента, используемого при обработке конструкционных материалов Р12—близка по свойствам к стали марки Р18, но имеет более высокую износостойкость и повышенную пластичность При горячем деформировании, шлифуемость удовлетворительная; назначение—такое же, как – и стали марки Р18; Р9-повышенная износостойкость и пластичность при температурах горячей, деформации, более узкий ин­тервал закалочных температур, шлифуемость ниже, чем у стали марки PI8; применяется для изготовления инструмента простой формы, но требующего сложной шлифовальной обработки; таким инстру­ментом обрабатывают обычные конструкционные материалы; Р6М3 - повышенная прочность, склонность к обезуглероживанию, повышенная пластичность при горячем деформировании, узкий интервал оптимальных- закалоч­ных температур, шлифуемость ниже, чем у стали марки Р9; из этой марки изготавливают инструмент небольшого сечения, а также инструмент, работающий с ударными нагрузками при обработке обычных конструкционных материалов; Р6М5—повышенная прочность, значительная склон­ность к обезуглероживанию, более узкий интервал опти­мальных закалочных температур, чем у стали марки PI8, шлифуемость удовлетворительная; назначение та­кое же, как и стали марки PI8, однако сталь Р6М5 предпочтительнее использовать для изготовления резь­бонарезного инструмента, работающего с ударными на­грузками; Р18Ф2—повышенная износостойкость, более низкая, чем у стали PI8, шлифуемость; из этой стали изготов­ляют инструмент для обработки материалов повышен­ной твердости и вязкости; Р14Ф4, Р9Ф5—повышенная износостойкость, низ­кая шлифуемость; предназначены для изготовления ин­струмента, работающего со снятием небольшой стружки (чистовая обработка) при обработке материалов, обла­дающих абразивными свойствами в условиях нормаль­ного нагрева режущей кромки; Р18К8Ф2, Р9М4К8, P6M5K6 -повышенная вторич­ная твердость, износостойкость пониженная, но луч­шая, тем у стали марки Р14Ф4, шлифуемость; изготов­ляемый из этих сталей инструмент применяется для об­работки высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного нагрева ре­жущей кромки; Р10К5Ф5- повышенная вторичная твердость, высо­кая износостойкость, шлифуемость низкая; инструмент из этой стали предназначен для обработки высокопроч­ных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, а также материалов, обладающие абразивными свой­ствами в условиях повышенного нагрева режущей кромки; Р9К5—повышенная вторичная твердость, но пони­женная, близкая стали марки Р9 шлифуемость; инструмент из стали марки Р9К5 используется для обработки сталей и сплавов повышенной твердости и вяз­кости, а также для работы с ударными нагрузками. Р9К10—повышенная вторичная твердость, шлифуемость, как у стали марки Р9К5; из этой стали изготовляют режущий инструмент для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей, а также сталей с повышенной твердостью и вязкостью. Стоимость быстрорежущих сталей примерно в пять раз выше стоимости других легированных инструмен­тальных сталей, поэтому ее следует применять в кон­кретных условиях, повышающих производительность труда или требующих определенной стойкости инстру­мента. Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием Обработка металлов резанием — одна из наиболее трудоемких и дорогостоящих операций. На эту опера­цию приходится 40% заводской себестоимости произ­водства машин. С появлением автоматизированных ме­таллорежущих станков возникла проблема стружкоудаления. Дробление стружки, ее транспортировка оказы­вают весьма существенное влияние на производитель­ность труда. В связи с этим созданы специальные авто­матные стали, способные образовывать ломкую йегко сходящую и легко удаляемую стружку. Это стали по­вышенной и высокой обрабатываемости резанием. В процессе их обработки получается чистая поверх­ность, снижается износ металлорежущего инструмента. Высокая обрабатываемость таких сталей достигается за счет увеличения содержания серы и фосфора (до 0,35%), а также введения свинца (до 0,35%). ГОСТ 1414—предусматривает 20 марок автоматных сталей, которые объединены в шесть групп: 1-я—углеродистые сернистые All, A12, А20, АЗО и А40Г; 2-я—углероди­стая свинец содержащая АС40; 3-я — углеродистые сернисто-селенистые А35Е и А45Е; 4-я — хромистая сернисто-селенистая А40ХЕ; 5-я — сернисто-марганцовистые свинец содержащие АС 14, АС35Г2 и АС45Г2; 6-я—леги­рованные свинецсодержащие АС12ХН, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АСЗОХМ; АС38ХГМ, АС40ХГНМ. Буквы в марках сталей обозначают: А — автоматная сернистая, AC—автоматная свинецсодержащая. В ос­тальном обозначения соответствуют принятым ГОСТ 4543-. Автоматные стали применяются в крупносерийном и массовом производствах. Из них изготовляют детали неответственного назначения для автомобильной и трак­торной промышленности (крепеж, оси, втулки и др.). Вопросы для самоконтроля: Лекция № 12 Тема: Рессорно-пружинные стали. Стали для подшипников. Теплоустойчивые стали. Цель занятия: Содержание лекции Рессорно-пружинные стали Рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959—78) ис­пользуются для изготовления пружин, рессор, пружин­ных шайб, гибких мембран, сильфонов и других ана­логичных деталей, которые должны обладать высоким пределом упругости, усталостной стойкостью к много­кратным нагружениям, достаточными пластическими свойствами. Эти стали выпускаются в виде проволоки и полос различного сечения в соответствии с ГОСТами 7419.1—78—7419.8—78, 2283—79, 16135—70, 9389-75. 14963—78, 1071—67 и 11850—72. В зависимости от основного легирующего элемента они подразделяются на углеродистые—65, 70, 75, 85; марганцовые—60Г, 65Г, 70Г, 55ГС; кремнистые — 50С2, 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70СЗА; хромомарганцовые—50ХГ, 50ХГА, 55ХГР; хромованадиевую—50ХФА; хромомарганцово-ванадиевую — 50ХГФА; хромокремневанадиевую — 60С2ХФА; хромокремнистые — 60С2ХА, 50ХСА; воль-фрамокремнистую — 65С2ВА; никелькремнистую — 60С2Н2А; кремнемарганцовую—60СГА и хромокремни-стую — 70С2ХА. Сталь поставляется горячекатаной, отожженной или высокоотпущенной и без термической обработки. Твер­дость и механические свойства стали, а также качество проката нормированы ГОСТ 14959—79. Стали для изготовления шариковых и роликовых подшипников Шариковые и роликовые подшипники изготовляются из высококачественных сталей (ГОСТ 801—78), спо­собных противостоять сложным сосредоточенным и пе­ременным напряжениям, возникающим в зоне контакта шариков или роликов с поверхностью беговых дорожек колец подшипников качения. Сильфоны -тонкостенные трубки с поперечной гофрирован­ной поверхностью. Они служат компенсаторами температурных из­менений, упругими разделителями сред, чувствительными элементами датчиков, воспринимающими разность давлений газов или. жидко­стей. Стандарт предусматривает четыре марки сталей! ШХ6, ШХ9, ШХ15 и ШХ15СГ. Для прецизионных под­шипников (ГОСТ 21022—75) сталь производится вакуумно-дуговым и электрошлаковым переплавом (ШХ15Ц1 и ШХ15-ШД соответственно). Для изготов­ления подшипников предназначены цементуемые и цианируемые стали марок 20Х2Н4А, 20Х2Н4А-Ш, 20ХЗГ2Ф и 18ХГТ. Из сталей марок 12Х13, 20Х13 и 30Х13 (ГОСТ 5632—72) изготовляются коррозионно-стойкие подшип­ники. Содержание серы в сталях допускается в преде­лах до 0,02%, фосфора—до 0,027%. Кроме подшипни­ков из высококачественных сталей можно выполнять детали, от которых требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (детали на­сосов высокого давления, копиры, ролики, пальцы, хра­повые механизмы.) Теплоустойчивые стали Теплоустойчивые стали (ГОСТ 20072—74)—леги­рованные перлитного и мартенситного классов—пред­назначены для изготовления деталей, работающих в на­груженном состоянии при температурах до 873 К (600°С) в течение длительного времени. Стандарт рас­пространяется на слитки, все виды проката, поковки и штамповки. По видам обработки стали подразделяются на горячекатаную, кованую диаметром (толщиной) до 200 мм и калиброванную (калиброванную шлифован­ную), поставляемые в прутках, полосах и мотках. По состоянию материала различают стали без термической обработки, термически обработанную—Т и нагартованную—Н (предназначенную для изготовления калибро­ванной стали). В зависимости от назначения горячека­таная и кованая стали разделены на подгруппы: для горячей обработки давлением, для холодной механиче­ской обработки (обточки, строжки, фрезерования и дру­гих видов обработки по всей поверхности) и для холод­ного волочения (подката). ГОСТ 20072—74 введен взамен ГОСТ 10500—63 на теплоустойчивую сталь и ГОСТ 5632—72—на стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ-И 12Х8ВФ. В ГОСТ 20072—74 приведены рекомендуемые обла­сти применения по каждой марке теплоустойчивой ста­ли, а также интервалы рабочих температур: 12МХ—производство труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давле­ния, поковок для паровых котлов и паропроводов, де­талей цилиндров газовых турбин; до 783 К (510°С); 12Х1МФ (12ХМФ) —назначение то же, что и стали марки 12МХ; 843—858 К (570—585°С); 20Х1М1Ф1ТР (ЭИ182)—изготовление крепежных деталей турбин и фланцевых соединений паропроводов и аппаратуры; до 773—853 К (500—580°С)'; 20Х1М1Ф1БР (20ХМФБР, ЭП44)—назначение и ра­бочие температуры те же, что и стали марки 20Х1М1Ф1ТР; 25Х1МФ (ЭИ10)—изготовление болтов, плоских пружин, шпилек и других крепежных деталей; до 783 К (510°С); 25Х2М1Ф (ЭИ723)—назначение то же, что и стали 25Х1МФ; 793—823 К (520—550°С); 18ХЗМВ (ЭИ578) — изготовление труб для гидрогенизационных установок; до 723—773 К (450—500°С); 20ХЗМВФ (ЭИ415, ЭИ579) — производство роторов, дисков, поковок, болтов, труб высокого давления для химической аппаратуры и гидрогенизационных устано­вок; до 773—833 К (500—560°С); 15Х5 (Х5) — изготовление труб, деталей насосов, ло­паток турбомашин, подвесок котлов; до 873 К (600°С); 15Х5М (Х5М), 15Х5ВФ (Х5ВФ)—производство кор­пусов и внутренних элементов аппаратуры нефтеперера­батывающих заводов, крекинговых труб, деталей насо­сов, задвижек, крепежа; 873 К (600°С); 12Х8ВФ (1Х8ВФ)—изготовление труб печей, аппа­ратов и коммуникаций нефтезаводов; до 773 К (500°С). В скобках приведены обозначения марок сталей по старому стандарту. Сталь каждой марки имеет определенный срок ра­боты (от 1000 до 100 тыс. ч). В стандарте приведены режимы термической обработки и зависящие от нее ме­ханические свойства по каждой марке теплоустойчивой стали. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 13 Тема: Стали и сплавы с особыми свойствами. Прецизионные сплавы Цель занятия: Содержание лекции Стали и сплавы с особыми свойствами В современной технике используются металлы и сплавы с самыми различными свойствами. Среди этих материалов важное место занимают высоколегирован­ные стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные сплавы (ГОСТ 5632—72). В зависимости от основных свойств эти стали и сплавы классифицируют­ся по трем группам. Первая группа—коррозионно-стойкие (нержавею­щие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосфер­ной, почвенной, щелочной, кислотой, солевой), межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Далее приведены марки сталей и сплавов, входящих в эту группу, рекомендуемые области их применения, основные свойства: 12Х18Н10Т при изготовлении сварных конструкций, не подвергающихся в процессе эксплуатации действию ударных нагрузок при температурах не ниже —20°С, работающих в более агрессивных средах, чем среды, рекомендуемые для стали марки 08Х17Т; не рекомендует­ся применение стали при температурах 400—700°С; 15Х28 (Х28, ЭИ349) - назначение то же, 20Х13 (2Х13), 08Х13 (0Х13), 12Х13 (1Х13); 25Х13Н2 (2Х14Н2, ЭИ474) — изготовление деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся удар­ным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), деталей, работающих в слабоагрессивных средах (при атмосферных осадках, в водных растворах солей, органических кислот); высо­кая коррозионная стойкость обеспечивается после тер­мической обработки и полировки; сталь 25Х13Н2 обла­дает наилучшей обрабатываемостью резанием; 30Х13 (3Х13), 40Х13 (4Х13)—производство режу­щего, мерительного и хирургического инструмента, пру­жин, карбюраторных игл, клапанных пластин компрес­соров, предметов домашнего обихода; повышенная твер­дость достигается закалкой с низким отпуском, после чего стали шлифуют и полируют; 14Х17Н12 (1Х17Н2, ЭИ268)—применяется в основ­ном в химической и авиационной промышленности; об­ладает достаточно удовлетворительными технологиче­скими свойствами; наибольшая коррозионная стойкость обеспечивается после закалки с высоким отпуском; 95Х18 (9Х18, ЭИ229)—производство шарикопод­шипников высокой твердости для нефтяного оборудова­ния, ножей высшего класса, различных втулок и дета­лей, испытывающих сильный износ; подвергается за­калке с низким отпуском; 12Х17 (X 17) — изготовление предметов домашнего обихода, кухонной утвари, оборудования для предприятий пищевой и легкой промышленности; не рекоменду­ется для производства сварных конструкций; применя­ется в отожженном состоянии; 08Х17Т (ОХ17Т, ЭИ645)—назначение то же, что и стали марки 12Х17; рекомендуется в качестве замени­теля сталей марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т при изготовлении конструкций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок, работающих при температурах не ниже —20°С; 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439)—производство теплообменной аппаратуры (труб, соединительных фланцев, венти­лей, клапанов, кранов), работающей в агрессивных сре­дах; используется в качестве заменителя стали марки что и ста­ли марки 15Х25Т, используется также для спаев со стеклом; сварные соединения этой стали склонны к межкристаллитной коррозии; 20Х13Н4Г9 (2Х13Н4Г9, ЭИ100)—применяется в ка­честве заменителя холоднокатаных сталей марок 12Х18Н9 и 17Х18Н9 при производстве прочных и лег­ких конструкций, соединяемых точечной электросваркой (сварные соединения, выполненные другими методами, подвержены межкристаллитной коррозии); хорошо со­противляется атмосферной коррозии; 10Х14АГ15 (Х14АГ15, ДИ-13), 10Х14П4НЗ (Х14Г14НЗ, ДИ-6)—назначение то же, что стали мар­ки 20Х13Н4Г9, кроме того, из сталей этих марок де­лают предметы домашнего обихода и стиральные ма­шины. 15Н8Ю (Х15Н9Ю, ЭИ904) — производство изде­лий, работающих в атмосферных условиях, уксуснокис­лых и других средах, а также упругих элементов; по­вышенная прочность достигается после отпуска при температурах 750 и 850°С; 07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП288)—назначение то же, что и стали марки 09Х15Н8Ю; 08Х17Н5МЗ (Х17Н5МЗ, ЭИ925) — назначение то же, что и стали марки 09Х15Н8Ю; может использоваться в сернокислых средах, хорошо сваривается; 08Х18Г8Н2Т - может заменить стали марок 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т при изготовлении сварной ап­паратуры, работающей в агрессивных средах в хими­ческой, пищевой и других отраслях промышленности; обладает более высокой прочностью, чем заменяемые ею стали; 20Х17Н2 (2Х17Н2) - изготовление тяжелонагружен­ных деталей, работающих на истирание и на удар в слабоагрессивных средах; обладает высокой твердо­стью (свыше 45 HRC); 08Х22Н6Т (ОХ22Н5Т, ЭП53) - рекомендуется в ка­честве заменителя сталей марок 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т при изготовлении сварной аппаратуры для химической, пищевой и других отраслей промышленно­сти, работающей при температурах не выше 300°С; об­ладает более высокой прочностью, чем заменяемые ею стали; 12Х21Н5Т (1Х21Н5Т, ЭИ811) — производство свар­ных и паяных конструкций, работающих в агрессивных средах; обладает более высокой прочностью, чем сталь 08Х22Н6Т, и лучшей способностью к пайке по сравне­нию со сталью 08Х18Н10Т; 08Х21Н6М2Т (ОХ21Н6М2Т, ЭП54) -изготовление деталей и сварных конструкций, работающих в средах повышенной агрессивности (уксуснокислых, сернокис­лых и фосфорнокислых); имеет более высокую проч­ность, чем сталь марки 10Х17Н13М2Т, и является ее за­менителем; 10Х14Г14Н4Т (Х14Г14НЗТ; ЭИ711)—рекомендуется в качестве заменителя стали марки 12Х18Н10Т при про­изводстве оборудования, работающего в средах слабой агрессивности, а также при низких температурах (до —196°С); удовлетворительно сопротивляется межкристаллитной коррозии; 12Х17Г9АН4 (Х17Г9АН4, ЭИ878) — изготовление деталей, работающих в атмосферных условиях; реко­мендуется как заменитель сталей марок 12Х18Н9 и 12Х18Н10Т 15Х17АГ14 (Х17АГ14, ЭП213)— используется как заменитель стали марки 12Х18Н9 при изготовлении из­делий, работающих в средах слабой агрессивности; хо­рошо сопротивляется атмосферной коррозии; 10Х17Н13М2Т (Х17Н13М2Т, ЭИ448), 10Х17Н13МЗТ (Х17Н13МЗТ. ЭИ432) —производство сварных конструк­ций, работающих в условиях действия кипящей фосфор­ной, серной и 10%-ной уксусной кислот, а также в сер­нокислых средах; 08Х17Н15МЗТ (ОХ17Н16МЗТ, ЭИ580)—назначение то же, что и стали марки 10Х17Н13М2Т; обладает более высокой стойкостью против точечной коррозии, чем сталь 10Х17Н13М2Т, в средах, содержащих ионы хлора; ОЗХ17Н14М3 (ОООХ17Н13М2)— применяется для тех же целей, что и стали марок 08Х17Н15М3Т и 10Х17Н13М2Т; имеет более высокую стойкость против межкристаллитной и ножевой коррозии, чем указанные ОЗХ16Н15М3 (ООХ16Н15МЗ, ЭИ844), ОЗХ16Н15МЗБ (ООХ16Н15МЗБ, ЭИ844Б)—назначение то же, что и сталей марок 08Х17Н15МЗТ и 10Х17Н13М2Т; обладают более высокой стойкостью против точечной коррозии, чем сталь марки ОЗХ17Н14МЗ; 15Х18Н12С4ТЮ (ЭИ564)—изготовление сварных изделий, работающих в воздушной и агрессивных сре­дах, в частности в концентрированной азотной кислоте; эта сталь не склонна к трещинообразованию и коррозии под напряжением; 08Х10Н20Т2 (ОХ10Н20Т2)—немагнитная сталь, ре­комендуется для производства крупногабаритных дета­лей, работающих в морской воде; 04Х18Н10 (ООХ18Н10, ЭИ842, ЭП550)—обладает высокой стойкостью к межкристаллитной коррозии; из­готовленные из этой стали изделия могут работать в азотной кислоте и азотнокислых средах при повышен­ных температурах; О3Х18Н11 — применяется для изготов­ления изделий, работающих в средах высокой агрессив­ности; имеет более высокую стойкость к межкристал­литной и ножевой коррозии по сравнению со сталью марки 12Х18Н12Б, ОЗХ18Н12 (ОООХ18Н12)— используется для изго­товления изделий, работающих в средах высокой агрес­сивности, а также изделий для электронной промыш­ленности; 08Х18Н10 —применя­ются в виде холоднокатаного листа и ленты повышен­ной прочности для изготовления различных конструк­ций, а также деталей, подвергаемых закалке; хорошо свариваются точечной сваркой (при других методах сварки склонны к межкристаллитной коррозии); 17Х18Н9 (2Х18Н9) — используется для тех же це­лей, что и сталь марки 12Х18Н9, обладает более высо­кой прочностью; 12Х18Н10Е (Х18Н10Е, ЭП47)— назначение то же, что и стали марки 12Х18Н9; имеет такую же коррози­онную стойкость, как и сталь марки 12Х18Н9, но обла­дает лучшей обрабатываемостью резанием; 08Х18Н10Т (ОХ18Н10Т, ЭИ914)—изготовление из­делий, работающих в средах более высокой агрессив­ности, чем среды, допускаемые для сталей марок 12Х18Н10Т и 12Х18Н12Т, по сравнению со сталями этих марок имеет повышенную сопротивляемость межкристаллитной коррозии; 12Х18Н10Т (Х18Н10Т), 12Х18Н9Т (Х18Н9Т)—про­изводство сварной аппаратуры для различных отраслей промышленности; 06Х18Н11 (ОХ18Н11, ЭИ684)—может применяться для тех же целей, что и сталь марки 08Х18Н10; 08Х18Н12Т (ОХ18Н12Т)—назначение то же, что и стали марки 08Х18Н10; обладает высокой сопротивляе­мостью межкристаллитной коррозии; 12Х18Н12Т (Х18Н12Т)— назначение то же, что и стали марки 08Х18Н10; 08Х18Н12Б (ОХ18Н12Б, ЭИ402) — используется для тех же целей, что и сталь марки 08Х18Н10; имеет повы­шенную стойкость против точечной коррозии и более высокую стойкость при работе в азотной кислоте, чем сталь марки 12Х18Н10Т; 06ХН28МДТ (ОХ23Н28МЗДЗТ, ЭИ943) — производ­ство сварных конструкций, эксплуатируемых при темпе­ратурах до 80°С в серной кислоте различной концен­трации, в кислых и сернокислых средах, кроме 55%-ной уксусной и фосфорной кислот; ОЗХН28МДТ (ОООХ23Н28МЗДЗТ, ЭП516)—приме­няется для тех же целей, что и сталь марки 06ХН28МДТ; обладает повышенной стойкостью к меж­кристаллитной и ножевой коррозии; 09Х16Н4Б (1Х16Н4Б, ЭП56) — изготовление высоко­прочных штампосварных конструкций, работающих в агрессивных средах; большая коррозионная стойкость достигается после закалки с низким отпуском; 08Х17Н13М2Т (ОХ17Н13М2Т)—назначение то же, что и стали марки 10Х17Н13М2Т; отличается стойко­стью против коррозии, в том числе межкристаллитной; 09Х17Н7Ю (ОХ17Н7Ю)—изготовление крыльевых устройств, рулей и кронштейнов, работающих в морской воде; наибольшая коррозионная стойкость обеспечива­ется после двукратного отпуска на 740—760°С; 09Х17Н7Ю1 (ОХ17Н7Ю1)—производство судовых валов, работающих в морской воде; коррозионная стой­кость достигается, как и у стали марки 09Х17Н7Ю; 08Х17Н6Т (ДИ-21)—используется в качестве заменителя сталей марок 09Х17НЮ7 и 09Х17Н7Ю1, обла­дает более высокой стойкостью против межкристаллит­ной коррозии, чем заменяемые стали; 07Х21Г7АН5 (Х21Г7АН5, ЭП222)—изготовление сварных изделий, работающих при криогенных темпе­ратурах до —253°С и в средах средней агрессивности; Крио — от греческого kryos — холод, мороз, лед. ОЗХ21Н21М4ГБ (ООХ20Н20М4Б, ЭИ35) — производ­ство сварных конструкций и узлов, работающих в усло­виях действия горячей фосфорной кислоты с примесью фтористых сернистых соединений (серной кислоты низ­кой концентрации с температурой не выше 80°С, азот­ной кислоты с температурой до 95°С); характеризуется хорошей свариваемостью; ХН65МВ (ЭП567)—изготовление сварных конструк­ций, работающих при повышенных температурах в сер­нокислых и солянокислых средах, в концентрированной уксусной кислоте и других весьма агрессивных средах; Н70МФ (ЭП496) — производство сварных конструк­ций, работающих при высоких температурах в соляной, серной, фосфорной кислотах и других средах восстано­вительного характера; этот сплав устойчив к межкри­сталлитной коррозии; 08Х18Т1 (ОХ18Т1)—применяется для тех же целей, что и стали марок 12Х17 и 08Х17Т, но преимущественно при изготовлении штампуемых изделий; может заменить стали марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т; 06ХН28МТ (ОХ23Н28М2Т, ЭИ628)' — изготовление сварных конструкций и узлов, работающих в менее агрессивных средах, чем изделия из стали марки 06ХН28МДТ; удовлетворительная сопротивляемость межкристаллитной коррозии. Вторая группа—жаростойкие стали и сплавы: 40Х9С2 (4Х9С2) — изготовление клапанов автомо­бильных, тракторных и дизельных моторов, труб реку­ператоров, теплообменников, колосников, работающих при температурах до 850°С; устойчива против серосодержащих сред; 40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107)—изготовление кла­панов моторов; устойчива против серосодержащих сред, температура начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде Тн составляет 850°С; ЗОХ13Н7С2 (ЗХ13Н7С2, ЭИ72) — изготовление кла­панов автомобильных моторов; Тв==950°'С; 15Х6СЮ (Х6СЮ, ЭИ428)—производство деталей котельных установок и труб; Тн=700°С; 12Х13 (1Х13)—изготовление деталей турбин и кот­лов, а также труб; Тн=700°С; 10Х13СЮ (1Х12СЮ, ЭИ404)—изготовление клапа­нов автотракторных моторов, различных деталей, рабо­тающих при повышенных температурах; устойчива про­тив серосодержащих сред; 12Х17 (Х17), 08Х17Т (ОХ17Т, ЭИ645), 08Х18Т1 (ОХ18Т1)—производство теплообменных аппаратов, оборудования для предприятий пищевой промышленно­сти, труб; Тн=900°С; 15Х18СЮ (Х18СЮ, ЭИ484)-производство труб пиролизных2 установок, различной аппаратуры и дета­лей, работающих в серосодержащих средах; 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) — изготовление различной аппаратуры, деталей, чехлов термопар, электродов искровых зажигательных свечей, труб пиролизных установок, теплообменных аппаратов; Тн== 1050°С; 15Х28 (Х28, ЭИ349)—назначение то же, что и ста­ли марки 15Х25Т; Тн=1100—1150°С; 08Х20Н14С2 (ОХ20Н14С2, ЭИ732)—изготовление труб, работающих в условиях науглероживающих сред; Тн=1000—1050°С; 20Х20Н14С2 (Х20Н14С2, ЭИ211)—производство печных конвейеров и ящиков для цементации; устой­чива к науглероживающим средам; Тн==1000—1050°С; 20Х23Н13 (Х23Н13, ЭИЗ 19)—изготовление труб пи­ролиза метана и пирометрических трубок, склонна к охрупчиванию при температурах 600—800°С; макси­мальная температура, рекомендуемая для применения в течение длительного времени, Т мах= 1000°С; Тн= =1050°С; 09Х14Н16Б (ЭИ694)—производство труб для паро­перегревателей и установок сверхвысокого давления; Тмах=650°С; Тн=850°С; 1 Теплообменные аппараты (рекуператоры, регенераторы и сме­сительные теплообменники) предназначены для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (теплоноситель) к среде с более низкой температурой (нагреваемое тело). 2 Пиролиз — слово греческого происхождения, означает огонь, разложение, распад. Пиролиз протекает под действием высоких температур (несколько сотен градусов). При этом происходит рас­пад органических соединений, сопровождающийся их деструкцией — разрушением структуры, в результате чего изменяются их свойства. 08Х18Н10 (ОХ18Н10), 12Х18Н9 (X18H9J, 08Х18Н10Т (ОХ18Н10Т, ЭИ914), 12Х18Н10Т (Х18Н10Т), 12Х18Н9Т (Х18Н9Т)—изготовление труб и деталей печной арма­туры, теплообменных аппаратов, муфелей, реторт, па­трубков, коллекторов, выхлопных систем, электродов искровых зажигательных систем; применяются в тех случаях, когда не могут использоваться безникелевые стали; Тмах=800°С; Тн=850°С; 36Х18Н25С2 (4Х18Н25С2)—изготовление печных конвейеров и других нагруженных деталей, работающих в науглероживающих средах; Тмах= 1000°С; Тн= 1100°С; 10Х23Н18 (ОХ23Н18), 20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417)— изготовление труб, деталей, установок для конверсии метана и пиролиза, листовых деталей; склонны к охруп­чиванию при температурах 600—800°С; Тмах=1000°С; 12Х25Н16Г7АР (Х25Н16Г7АР, ЭИ835)—изготовле­ние деталей газопроводных систем (из тонких листов, ленты, сортового проката); может применяться в каче­стве заменителя жаростойких сплавов на никелевой основе; Тмах=1050°С; Тн=ПОО°С; 55Х20Г9АН4 (ЭПЗОЗ), 45Х22Н4МЗ (ЭП48)—изго­товление клапанов автомобильных моторов; Тн=9500С 20Х25Н20С2 (Х25Н20С2, ЭИ283) — изготовление подвесок и опор для котлов, труб электролизных и пи­ролизных установок; склонна к охрупчиванию при тем­пературах 600—800°С; Тмах=1050°С; Тн=1100°С; ХН38ВТ (ЭИ703) — изготовление деталей газовых систем; рекомендуется для замены жаростойкого сплава марки ХН78Т; Тмах==1000°С; 7в=1050°С; ХН28ВМАБ (ЭП126)—производство листовых дета­лей турбин; Тмах=800—1000°С; Тн=1100°С; ХН60Ю (ЭИ559А) — изготовление деталей газопро­водных систем и аппаратуры; Тмах== 1200°С; Тн=1250°С; ХН75МБТЮ (ЭИ602) — применяется для тех же це­лей, что и сплав ХН60Ю; Тмах=1050°С; Тн==1100°С; ХН78Т (ЭИ435) — изготовление деталей газопровод­ных систем, сортовых деталей и труб; неустойчива в се­росодержащих средах; Тмах= 1100°С; Тн==1150°С; ХН60ВТ (ЭИ868) — изготовление листовых деталей двигателей; Тмах== 1000°С; Тн=11ОО°С; ХН70Ю (ЭИ652) — изготовление деталей газопро­водных систем; неустойчива в серосодержащих средах; Тмах== 1200°С; Тн— более 1250°. Третья группа—жаропрочные стали и сплавы 40Х9С2 (4Х9С2), 40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107)— изготовление клапанов моторов и крепежных деталей; 11Х11Н2В2МФ (Х12Н2ВМФ,ЭИ962), 13Х11Н2В2МФ (1Х12Н2ВМФ, ЭИ861), 16Х11Н2В2МФ (2Х12Н2ВМФ, ЭИ962А) — изготовление дисков компрессоров, лопаток и других нагруженных деталей; 20Х13 (2Х13), 12Х13 (1Х13)—производство лопаток паровых турбин, клапанов, болтов, труб; 13Х14НЗВ2ФР (Х14НВФР, ЭИ736) — изготовление высоконагруженных деталей, дисков, валов, стяжных болтов, лопаток и других деталей, работающих в усло­виях повышенной влажности; 15Х11МФ (1Х11МФ)—производство рабочих и на­правляющих лопаток паровых турбин; 15Х12ВНМФ (1Х12ВНМФ, ЭИ802) — производство роторов, дисков, лопаток, болтов; 45Х22Н4МЗ (ЭП48), 55Х20Г9АН4 (ЭПЗОЗ) — изго­товление клапанов моторов; 18Х12ВМБФР (2Х12ВМБФР, ЭИ993) — изготовле­ние поковок, турбинных лопаток, крепежных деталей; 08Х13, (0Х13, ЭИ496)—производство лопаток паро­вых турбин, клапанов, болтов, труб; 37Х12Н8Г8МФБ (4Х12Н8Г8МФБ, ЭИ481) — произ­водство дисков турбин; 10Х11Н20ТЗР (Х12Н20ТЗР, ЭИ696), 10Х11Н20Т2Р (Х12Н20Т2Р, ЭИ696А) — изготовление деталей турбин (из поковок, сортового проката, листа); 10Х11 Н23ТЗМР (Х12Н22ТЗМР, ЭПЗЗ) — изготовле­ние пружин и крепежных деталей; 09Х16Н4Б (1Х16Н4Б, ЭП56), 09Х14Н19В2БР (1Х14Н18В2БР, ЭИ695Р) — производство труб паро­перегревателей, трубопроводов установок сверхвысокого давления и листового проката; 18Х11МНФБ (2Х11МФБН, ЭП291), 20Х12ВНМФ (2Х12ВНМФ, ЭП428)—изготовление высоконагружен­ных деталей, лопаток паровых турбин, деталей Клапа­нов, поковок, дисков, роторов паровых и газовых тур­бин; 09Х14Н16Б (1Х14Н16Б, ЭИ694)— производство труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверх­высокого давления (из листового проката); 09Х14Н19В2БР1 (1Х14Н18В2БР1, ЭИ726)—произ­водство роторов, дисков, лопаток турбин; 45Х14Н14В2М (4Х14Н14В2М, ЭИ69)— изготовление клапанов моторов, поковок, деталей трубопроводов; 14Х17Н2 (1Х17Н2, ЭИ268) — производство рабочих лопаток турбин, дисков, валов, втулок; 40Х15Н7Г7Ф2МС (4Х15Н7Г7Ф2МС, ЭИ388)—изго­товление лопаток газовых турбин и крепежных дета­лей; 08Х15Н24В4ТР (ЭП164)—изготовление рабочих и направляющих лопаток, крепежных деталей, дисков га­зовых турбин; 08Х16Н13М2Б (1Х16Н13М2Б, ЭИ680) — производ­ство поковок для дисков и роторов, лопаток, болтов; 09Х16Н15МЗБ (Х16Н15МЗБ, ЭИ847) — производство труб пароперегревателей и трубопроводов высокого давления; 12Х18Н10Т (Х18Н10Т), 12Х18Н12Т (Х18Н12Т), 12Х18Н9Т (Х18Н9Т)—изготовление деталей выхлоп­ных систем и труб (из листового и сортового проката); сталь 12Х18Н12Т более стабильна при эксплуатации, чем сталь марки 12Х18Н10Т; 31Х19Н9МВБТ (ЭИ572) — производство роторов, дисков, болтов; 10Х23Н18 (ОХ23Н 18)—производство труб и арма­туры, работающей при пониженных нагрузках; при тем­пературах 600—800°С склонна к охрупчиванию; 20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417)—изготовление деталей машин для химической и нефтяной промышленности, газопроводов, камер сгорания; из этой стали можно из­готовлять нагревательные приборы сопротивления; 12Х25Н16Г7АР (Х25Н16Г7АР, ЭИ835) — изготовле­ние деталей (из листового и сортового проката), рабо­тающих при умеренных напряжениях; заменяет сплавы ХН75МБТЮ (ЭИ602) и ХН78Т (ЭИ435); ХН35ВТ (ЭИ612)—производство лопаток газовых турбин, дисков, роторов, крепежных деталей; ХН35ВТЮ (ЭИ787) — производство дисков, лопаток турбин, компрессоров; может использоваться взамен сплавов ЭИ437А и ЭИ437Б; ХН38ВТ (ЭИ703) — изготовление деталей (из листо­вого проката), работающих при умеренных напряже­ниях; применяется взамен сплава ХН78Т; ХН60Ю (ЭИ559А) — изготовление деталей турбин (из листового проката), работающих при умеренных на­пряжениях, а также нагревательных приборов сопро­тивления; ХН70ВМЮТ (ЭИ765) — производство лопаток и кре­пежных деталей; ХН70ВМТЮ (ЭИ617)—производство лопаток тур­бин; ХН32Т (ЭП670) — изготовление газоотводящих труб и деталей (из листового проката) для высокотемпера­турных нефтехимических установок; ХН80ТБЮ (ЭИ607) -— изготовление лопаток и кре­пежных деталей турбин; ХН70МВТЮБ (ЭИ598) — производство лопаток тур­бин; ХН70Ю (ЭИ652) — изготовление деталей (из 'листо­вого проката) и газопроводов, работающих при уме­ренных напряжениях, а также нагревательных элемен­тов сопротивления; ХН78Т (ЭИ435)—изготовление труб, работающих при температурах до 1000°С; ХН67МВТЮ (ЭП202) — производство лопаток, кор­пусов, дисков, деталей турбин (из листового проката); ХН75МБТЮ (ЭИ602) — изготовление деталей тур­бин (из листового проката); ХН77ТЮР (ЭИ437Б) — производство дисков и лопа­ток турбин; ХН60ВТ (ЭИ868) — изготовление деталей турбин (из листового проката); ХН57МТВЮ (ЭП590) — изготовление лопаток, кор­пусов и других деталей турбин; ХН55МВЮ (ЭП454), ХН62МВКЮ (ЭИ867)—произ­водство лопаток и дисков турбин; ХН65ВМТЮ (ЭИ893) — производство крепежных деталей, рабочих и направляющих лопаток газовых тур­бин; ХН56МВТЮ (ЭП199)—изготовление высоконагру­женных и других деталей, штуцеров, фланцев (из ли­стового проката); ХН70ВМТЮФ (ЭИ826), ХН75ВМЮ (ЭИ827)', ХН56ВМКЮ (ЭП109), ХН55ВМТКЮ (ЭИ929) — произ­водство лопаток турбин; ХН77ТЮРУ1 (ЭИ437БУ) - изготовление дисков и лопаток турбин с ограниченным сроком действия. 1 Буква У указывает на отличие стали по массовой доле угле­рода, титана и алюминия от сплава марки ХН77ТЮР. ГОСТ 5632—72 рекомендует оптимальные интервалы температур, при которых детали, изготовленные из пе­речисленных выше сталей и сплавов, обладают наиболь­шей надежностью в работе. Кроме того, в стандарте для каждой марки стали или сплава указаны темпера­тура начала интенсивного окалинообразования и срок работы деталей из них (кратковременный, ограничен­ный, длительный и весьма длительный). За кратковре­менный срок работы условно принимают время службы детали до 100 ч, ограниченный—до 1000 ч, длитель­ный—до 10 тыс. ч и весьма длительный—до 100 тыс. ч. Прецизионные сплавы Прецизионные сплавы (ГОСТ 10994—74) характе­ризуются высокой чистотой компонентов, их точным со­отношением. Специальная (прецизионная) технология их получения обеспечивает достижение заданного уро­вня физических свойств этих сплавов. Маркировка прецизионных сплавов немного отлича­ется от маркировки легированных сталей и сплавов. Цифра слева означает среднее содержание (в процен­тах) проставленного за нею элемента. Например, 79НЗМ означает, что сплав содержит 79% никеля и3% молибдена. Буква А в конце марки ставится для того, чтобы показать, что сплав изготовляется с суженными пределами химического состава (например, 42НХТЮА). Буквы, стоящие после обозначения марки через дефис, характеризуют специальный способ выплавки сплава; ВИ — вакуумно-индукционный; ЭЛ — электронно-луче­вой; П—плазменный; Ш—электрошлаковый; ВД— вакуумно-дуговой. Например, 58Н-ВИ означает, что сплав, состоящий из 58% никеля, выплавлен вакуумно-индукционным способом. Если в обозначении марки че­рез дефис проставлена буква Н, то это значит, что сплав применяется для изготовления нагревательных элементов (например, Х15Н60-Н). ГОСТ 10994—74 регламентирует химический состав, основные физические свойства и области применения каждого сплава. Прецизионные сплавы в зависимости от основных свойств подразделяются на семь групп: 1-я—сплавы с высокой магнитной проницаемостью (магнитомягкие)—45Н, 50Н, 50НХС, 40Н, 50НП, 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП. 68НМП, 76НХД, 79НМ, 80НХС, 77НМД, 80Н2М, 68НМ, 79НЗМ, 47НК, 47НКХ, 64Н, 40НКМ, 52Н, 47НД, 16Х (ЭП638), 36КНМ, 83НФ, 27КХ, 49К2Ф, 49КФ, 49К2ФА. Эти сплавы предназна­чены для производства сердечников междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при по­вышенных индукциях без подмагничивания или с не­большим подмагничиванием, сердечников импульсных трансформаторов и магнитных головок, аппаратуры свя­зи, сердечников помехоподавляющих проводов зажига­ния автомобилей, сердечников магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, элементов вычислительных аппаратов счетно-решающих машин и других деталей для электротехнической, радиотехнической и электрон­ной промышленности, а также приборостроения; 2-я—сплавы магнитотвердые 52К10Ф, 52К.11Ф, 52К.12Ф, 52К13Ф, 35КХ4Ф, 35КХ6Ф, 35КХ8Ф, 25КФ14Н, 35К.Ф10Н. Из этих сплавов изготовляют малогабаритные постоянные магниты и активную часть гистерезисных двигателей 1; 1Гистерезисный двигатель работает за счет использования коэрцитивной силы, действующей при перемагничивании сплава (коэрцитивная сила—электродвижущая сила, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного ферро­магнетика). 3-я — сплавы с заданным температурным коэффици­ентом линейного расширения—36Н, 32НКД, 29НК, ЗОНКД, 38НКД, 47НХ, 48НХ, 47НЗХ, ЗЗНК, 47НД, 47НХР, 42Н, 42НА, 18ХТФ. 18ХМТФ, 52Н, 58Н-ВИ, 35НКТ, 32НК-ВИ, 39Н, 36НХ, 34НК. Эти сплавы при­меняются для изготовления деталей приборов очень вы­сокой точности, работающих в различных климатиче­ских условиях, вакуумных спаев элементов радиоэлек­тронной аппаратуры со стеклами и сапфиром, пружин герметических контактов, штриховых мер длины, дета­лей приборов, работающих при повышенных нагрузках, деталей с полированной поверхностью и малой жестко­стью формы, конструкций и трубопроводов, работающих при низких температурах (до —258°С); 4-я—сплавы с заданными свойствами упругости— 40КХНМ, . 40КНХМВТЮ, 36НХТЮ, 36НХТЮ5М, 36НХТЮ8М, 68НХВКТЮ, 17НХГТ, 97НЛ, 42НХТЮ, 42НХТЮА, 44НХТЮ, 43НКТЮ. Эти сплавы исполь­зуются для изготовления упругих чувствительных эле­ментов и деталей приборов, работающих при темпера­турах от —196 до +500°С, заводных пружин и волосковых спиралей часовых механизмов, витых цилиндриче­ских пружин, кернов электроизмерительных приборов, деталей для хирургического инструмента, токоведущих и силовых чувствительных элементов; 5-я — сверхпроводящие сплавы — 65БТ и 35БТ. Они предназначены для производства соленоидов, кабелей и других устройств, сверхпроводящих композиционных материалов (проволоки марок СКМС и СКМДС), сверхпроводящих магнитных систем; 6-я—сплавы с заданным электрическим сопротив­лением—Н50К10, Х13Ю4, ОХ23Ю5, ОХ23Ю5А, ОХ27Ю5А, Х15Н60-Н, Х15Н60-Н-ВИ, Х20Н80-Н, Х20Н80-Н-ВИ, Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80-ВИ, Х20Н80-ВИ, Х15Н60-ВИ. 1 Маркировка сплавов с заданным электрическим сопротивле­нием осуществляется так же, как и легированных сталей. Из этих сплавов изготовляют термо­датчики и термочувствительные элементы, проволоку и ленту для нагревательных элементов промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов тепло­вого действия, бытовых приборов и лабораторных рео­статов, ответственные детали вакуумных приборов, со­единители для изделий электронной техники, микропроволоку для резисторов неответственного назначения. Рабочая температура нагревательных элементов спла­вов 1000—1300°С; 7-я — термобиметаллы — ТБ2013 ТБ1613 ТБ1523 ТБ1423 1Термобиметаллы представляют собой материалы, состоящие из двух и более слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линей­ного расширения, разность которых обеспечивает их упругую деформацию при изменении температуры. Они служат для изготовления термочувствительных элемен­тов приборов -тепловых реле, реле защиты, предохра­нителей, термометров, компенсаторов, реле-регуляторов, импульсных датчиков и предохранителей. 2 В марках термобиметаллов в скобках указаны образующие их сплавы - в числителе — активный слой, в знаменателе — пас­сивный. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 14 Тема: Сплавы цветных металлов. Медь и ее сплавы. Цель занятия: Содержание лекции Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современ­ного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, ти­тан и другие металлы и их сплавы являются незамени­мыми материалами для приборостроительной и электро­технической промышленности, самолетостроения и ра­диоэлектроники, ядерной и космической отраслей тех­ники. Медь и ее сплавы Медь относится к числу металлов, известных с глу­бокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в сво­бодном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и ее сплавы сыграли большую роль в развитии материальной куль­туры. В настоящее время медь широко используется в электромашиностроении, при строительстве линий электропередач, для изготовления оборудования теле­графной и телефонной связи, радио- и телевизионной аппаратуры. Из меди изготовляют провода, кабели, шины и другие токопроводящие изделия. Большое ко­личество меди идет на производство бронзы, латуни и Других медных, а также алюминиевых и железных спла­вов. Медь обладает высокой электропроводностью и теп­лопроводностью, прочностью, вязкостью и коррозионной бойкостью. Физические свойства ее обусловлены струк­турой. Она имеет кубическую гранецентрированную пространственную решетку. Температура плавления 1083°С, кипения 2360°С. Средний предел прочности зависит от вида обработки и составляет от 220 до 420 МПа (22—45 кгс/мм2), относительное удлинение—4-б0% твердость—35—130 НВ, плотность—8,94 г/см3, при 20°С удельная теплоемкость равна 0,092 кал/(ч х°С), теплопроводность—0,94 кал/(с х см °С), удельное электрическое сопротивление—0,0178 Ом/мм х 2м), линейная усадка—2,1%. Прочность меди увеличивается в 1,5 ра­за после холодной деформации (наклепа), но при этом относительное удлинение ее снижается до 8—10%.В зависимости от степени чистоты и состояния поверхности цвет меди изменяется от светло-розового до красного ГОСТ 859—78 (СТ СЭВ 226—75) предусматривает следующие марки меди: катодная—МВ4к, М00к, МОку, МОк, М1к; бескислородная — МООб, МОб, М1б; катодная переплавленная—Mly, Ml; раскисленная—М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, М3 (для раскисления используется фосфористая медь). Обладая замечательными свойствами, медь в то же время как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т. е. вводят в ее состав такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и др., за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. Химические элементы, вводимые в сплавы на основе меди и других цветных металлов и их условные обозначения: Алюминий — А (Ал) Кадмий -Кд Рутиний - -Ру Барий -Бр Кобальт - К (Ко) Самарий - -С (Сам) Ванадий Вам Кремний - Кр (К) Свинец -С (ВнМ, Вэл) Лантан -Ла Селен -Ст Висмут -Ви Литий -Лэ Серебро - -Ср Вольфрам В Лютеций -Люм Скандий - - Скм Гадолиний -Гм Магний -Mг Сурьма -Су Галлий Гл Марганец - Мц (Мр) Таллий -Тл Гафний -Гф (ГФМ, ГФИ) Медь Мышьяк -М —Мш Тантал Теллур -ТТ -Т Неодим -Нм Тербий - -Тем Германий -Г Никель -Н Титан -Ти Гольмий -ГОМ Ниобий -Нб Торий - То Диспрозий -ДИМ Олово -О Тулий -ТУМ Европий Железо -Ев -Ж Осмий Палладий -Ос -Пд Фосфор – Хром -Ф -Х(Хр) Золото -Зл Платина -Пл Церий -Ц Индий -Ин Празеодим -П(Пр) Цинк -Ц Иридий Иттерби Иттрий -И -Итм -Им (Ум) Рений Родий Ртуть -Ре -Рд -Р Цирконий -Эрбий -ЦЭВ -Эрм По химическому составу медные сплавы подразде­ляют на латуни, бронзы и медноникелевые, по техноло­гическому назначению- на деформируемые, используе­мые для производства полуфабрикатов (проволоки, ли­ста, полос, профиля), и литейные, применяемые для литья деталей. Латуни—сплавы меди с цинком и другими компо­нентами. Латуни, содержащие кроме цинка другие ле­гирующие элементы, называются сложными, или специ­альными, и именуются по вводимым, кроме цинка, ле­гирующим компонентам. Например: железомарганцовая (ЛЖМц59-М), алюминиевоникелькремнистомарганцовая (ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5) и др. В обозначении марок латуней принята буквенно-цифровая система. Первая буква означает «латунь», остальные буквы соответствуют условным обозначе­ниям химических элементов, входящих в латунь; пер­вая цифра указывает на содержание меди, остальные цифры—на содержание других легирующих элементов. Содержание цинка в обозначении марки не указывается. Для того чтобы определить содержание цинка в латуни, необходимо от 100% вычесть процентное содержание меди и других химических элементов, входящих в дан­ную латунь. Например: томпак Л90—это латунь, со­держащая 90% меди, остальное—цинк; латунь алюми­ниевая ЛА77-2—77% меди, 2% алюминия, остальное— цинк; латунь алюминиевоникелькремнистомарганцовая ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5—75% меди, 2% алюминия, 2,5% никеля, 0,5% кремния, 0,5% марганца, осталь­ное—цинк. Для обозначения марок латуней по СТСЭВ 379—76 приняты латинские буквы. За латинской бук­вой, соответствующей химическому элементу, следует цифра, определяющая его процентную долю. Например: CuZn40—40% цинка, остальное—медь; CuZn28 Sni— 28% цинка, 1% олова, остальное—медь; CuZn40AlMn— 40% цинка, 1% алюминия, около 1% марганца, осталь­ное — медь. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабатываются литьем, давлением и резанием. По технологическому назначению их подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные. Латуни, обрабаты­ваемые давлением, нормируются ГОСТ 15527—70 (СТ СЭВ 379—76 и СТ СЭВ 2621—80). Из них изготовляют полуфабрикаты (листы, ленты, полосы, трубы конденсаторов и теплообменников, проволоку, прутки, фольгу поковки, штамповки), медали и значки, художественные изделия, музыкальные инструменты, сильфоны, гибкие шланги, застежки-молнии, подшипники скольжения разную фурнитуру. Далее приводятся марки этих ла-туней, их основные свойства и области применения: Л96—томпак (CuZn5), Л90—томпак, Л85—полутомпак, Л80—полутомпак (CuZn20)—очень хорошо деформируются в холодном состоянии, пригодны для ковки, чеканки, эмалирования не склонны к коррозионному растрескиванию; Л70 (CuZn30)—очень хорошо деформируется в холодном состоянии, пригодна для пайки и нанесения на сталь (плакирования); Л68 (CuZn32)—очень хорошо деформируется в хо­лодном состоянии холодной высадкой; Л63 (CuZn37)—деформируется в холодном состоя­нии глубокой вытяжкой, волочением, прокаткой, чекан­кой, изгибом, пригодна для пайки и сварки, хорошо по­лируется; Л60 (CuZn40)хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии, пригодна для ковки и глубокой вытяжки; ЛА77-2 (CuZn20A12)—алюминиевая, обладает сред­ней прочностью и хорошей коррозионной стойкостью; ЛАЖ60-1-1 (CuZn38All, Мп2Ре1)—алюминиевожелезная, горячедеформируемая, обладает высокой проч­ностью, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам, нечувствительна к масляной коррозии; ЛАН59-3-2 — алюминиевоникелевая, предназначена для изготовления труб и прутков; ЛЖМц59-1-1 —железомарганцовая, используется для производства полос, труб, прутков и проволоки; ЛН65-5—никелевая, применяется для изготовления Листов, лент, труб и проволоки; ЛМц58-2 (CuZn40Mnl)—марганцовая, высокой прочности, пригодна для пайки, коррозионно-стойкая; ЛМцА57-3-1 (Си2п40А11Мп)—марганцовоалюминиевая, обладает средней прочностью и высокой вязко­стью, коррозионно-стойкая; Л090-1—томпак оловянный, применяется для про­изводства лент, полос и проволоки; В скобках приведены обозначения марок латуней по СТ С 379—76. ЛЦ40МцЗА (ЛМцА57-3-1; К, Ц —марганцовоалюминиевая; ЛЦ38Мц2С2 (ЛМцС58-2-2; П, К) — марганцовосвинцовая; ЛЦЗОАЗ (ЛА67-2,5; П, К) — алюминиевая; ЛЦ25С2 (ЛВОС; П) —оловянносвинцовая; ЛЦ23А6ЖЗМц2 (ЛАЖМцбб-6-3-2; П, К, Ц)-~ алюминиевожелезомарганцовая; ЛЦ16К4 (ЛК80-ЭЛ; П, К)—кремнистая. В скобках приведены обозначения марок бронз по ГОСТ 493—54, буквы после обозначения марки указывают на способ литья: П—в песчаную форму, К—в кокиль. ГОСТ17711—80 кроме химического состава норми­рует механические свойства медноцинковых сплавов: предел прочности в—от 146 до 705 МПа (от 15 до 72 кгс/мм2), относительное удлинение -от 6 до 20%, твердость—от 587 до 1600 МПа (от 60 до 165 кгс/мм2). Бронзы—сплавы на основе меди, в которых в каче­стве добавок используются олово, алюминий, бериллий кремний, свинец, хром и другие элементы. Как и лату­ни, бронзы подразделяются на литейные и деформируе­мые. В обозначении марок бронз принята та же систе­ма, что и у латуней, только в начале проставляются буквы Бр, означающие -«бронза». Безоловянные литейные бронзы в чушках применя­ются в качестве шихтового материала для получения бронз по ГОСТ 493—79. Этот стандарт полностью со­ответствует рекомендациям СЭВ (PC 1586—75). ГОСТ 493—79 предусмотрены марки безоловянных бронз, а также изделия, изготовляемые из этих бронз: БрА9Мц2Л (БрАМц9-2Л; П, К) , БрА10Мц2Л (БрАМцЮ-2; П, К)—антифрикционные детали и арма­тура, работающая в пресной воде, жидком топливе и паре при температурах до 250°С; БрА9ЖЗЛ (БрАЖ9-4Л; П, К), БрА10ЖЗМц2 (БрАЖМцЮ-3-1,5; П, К) — антифрикционные детали и арматура; БрА10Ж4Н4Л (БрАЖН10-4-4Л; П, К)—детали для машин, используемых в химической и пищевой промышленности, а также детали, работающие при повы­шенных температурах; БрА11ЖбНб (БрАЖН 11-6-6; П, К)—арматура я антифрикционные детали; БрА9Ж4Н4Мц1 (П, К)—арматура, работающая в морской воде; БрСЗ0 (БрСЗ0; К), БрСуЗНЗЦЗС20Ф (К), БрА7Мц15ЖЗН2Ц2 (П) — антифрикционные детали. Стандарт устанавливает химический состав и меха­нические свойства безоловянных бронз: предел прочно­сти в - от 58,7 до 607МПа (от 6 до 62 кгс/мм2), отно­сительное удлинение —от 2 до 20%, твердость—от 245 до 1666 МПа (от 25 до 170 кгс/мм2). Химический состав и механические свойства оловян­ных литейных бронз регламентированы ГОСТ 613—79 (стандарт изменен в соответствии с рекомендациями СЭВ PC 1586—75). Эти бронзы получают литьем в песчаные формы или в кокиль. Стандартом предус­мотрены марки оловянных бронз, а также изготовляе­мые из них изделия: БрОЗЦ12С5 (БрОЦСЗ-12-5)—арматура общего назначения; БрОЗЦ7С5Н1 (БрОЦСНЗ-75-1)—детали, работаю­щие в масле, паре и в пресной воде; Бр04Ц7С5 (БрОЦСЗ,5-7-5)—арматура и антифрик­ционные детали; Бр04Ц4С17 (БрОЦС4-4-17)—антифрикционные де­тали; Бр05Ц5С5 (БрОЦС5-5-6)—арматура, антифрик­ционные детали, вкладыши подшипников; Бр05С25—биметаллические подшипники скольже­ния; БрОбЦбСЗ—арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников; Бр08Ц4—арматура, фасонные части трубопрово­дов, насосы, работающие в морской воде; БрО10Ф—узлы трения, высоконагруженные дета­ли шнековых приводов, нажимные и шпиндельные гай­ки, венцы червячных шестерен; Бр010Ц2—арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников, детали трения, облицовка гребных валов; БрОЮС10—подшипники скольжения, работающие в условиях высоких удельных давлений. ГОСТ 5017—74 (СТ СЭВ 376—76) определяет хими­ческий состав оловянных бронз, обрабатываемых дав­лением, их свойства, предусматривает марки этих бронз и изготовляемые из них изделия: БрОФ8-0,3— проволока для сеток, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности; БрОФ7-0,2 (CuSn8) —прутки для различных отраслей промышленности; БрОФ6,5-0,4—проволока для сеток, применяемых в целлюлозно-бумажной промышленности, пружины , ленты, полосы и детали для машиностроения; БрОФ6,5-0,15 (CuSn6)—ленты, полосы, прутки подшипники скольжения, трубы для биметаллических сталебронзовых втулок; БрОФ4-0,25 (CuSn4)—трубки для аппаратов и при­боров; БрОФ2-0,25 (CuSn2) — винты, ленты для гибких шлангов, токопроводящие детали; кроме того, ата бронза используется в качестве присадочного матери­ала для сварки; БрОЦ4-3 (CuSn4Zn3) —ленты, полосы, прутки н проволока для пружин; БрОЦС4-2,5 (CuSn4Zn4Pb3); БрОЦС4-4-4 (CuSn42Zn4Pb4) —ленты и полосы для прокладок во втулках и подшипниках скольжения. Все эти бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, бронзы БрОФ8-0,3, БрОФ7-0,2, Бр6,5-0,4 и БрОФ6,5-0,15, кроме того, имеют хорошую износостой­кость, их пружинящие свойства делают их пригодными для пайки и сварки; бронзы БрОФ4-0,25 и БрОФ2-0,25— хорошо обрабатываются резанием, поддаются пайке и сварке, бронзы БрОЦ4-3 и БрОЦС4-4-2,5 обладают ан­тифрикционными свойствами, обрабатываются реза­нием, пригодны для пайки. Химический состав безоловянных бронз, обрабаты­ваемых давлением, нормируется ГОСТ 18175—78 (для бронз определенных марок соответствует СТ СЭВ 377—76). Стандарт устанавливает марки и назначение этих бронз. Бериллиевые бронзы: БрБ2 (CuBe2Ni[Co]), БрБНТ1,7 (CuBel,7NiTi), БрБНТ1,9 (CuBe2NiTi), БрБНТ1,9Мг— обладают высокой прочностью и износостойкостью, хо­рошими пружинящими и антифрикционными свойства­ми, средней электропроводностью и теплопроводностью, деформируются в закаленном состоянии. Из этих бронз изготовляют пружины и пружинящие детали ответст­венного назначения, износостойкие детали всех видов, неискрящий инструмент. Кремниевые бронзы: БрКМцЗ-1 (CuSi3MnlJ—коррозионно-стойкая, жаро­прочная, имеет высокое сопротивление сжатию, пригод­на для сварки; применяется для изготовления деталей для химических аппаратов, пружин и пружинящих де­талей, сварных конструкций и деталей для судострое­ния; БpKHl-3—обладает высокими механическими, тех­нологическими и антифрикционными свойствами, коррозионностойкая; предназначена для производства от­ветственных деталей в моторостроении, а также на­правляющих втулок. Марганцовая бронза БрМц5 имеет высокие механи­ческие свойства, хорошо деформируется в горячем и хо­лодном состояниях, коррозионно-стойкая, жаропрочная Из этой бронзы изготовляют детали, работающие пои повышенных температурах. Кадмиевая и магниевая бронзы БрКд1 (CuCd1) и БрМгО,3 отличаются высокой электропроводностью и жаропрочностью. Их используют при производстве коллекторов электродвигателей и де­талей машин контактной сварки. Серебряная бронза БрСр0,1 (CuAg0,1) предназначена для изготовления коммутаторов, коллекторных колец и обмотки роторов турбогенераторов, хромовая бронза (CuCrl)—для про­изводства сварочных электродов, электродеталей и обо­рудования сварочных машин. Из теллуровой бронзы (CuFeP) выполняют детали, обрабатываемые на авто­матах, элементы телетехнических, радиотехнических электротехнических и электронных устройств. Из безоловянистых бронз, обрабатываемых давлением, изго­товляют полуфабрикаты: листы, полосы, ленты, прутки, профили, трубы, проволоку и поковки. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 15 Тема: Сплавы алюминия и цинка. Цель занятия: Содержание лекции Алюминий и его сплавы Алюминий сравнительно молодой металл. Название его происходит от латинского слова alumen—так 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож. По распространенности в природе алюминий занимает третье место после кислорода и кремния и первое место среди металлов. По использованию в технике он занимает второе место после железа. В ближайшее время мировое производство алюминия достигнет 15 млн. т в год. В России над технологией получения алюминия во второй половине прошлого века работал известный ученый-химик Н. Н. Бекетов, трудами которого воспользовались немцы, построившие первый алюминиевый завод в Гмелингине. В начале XX в. над способами получения алюминия работали русские ученые А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский: П. П. Федотьев и др., но их труды нашли применение только после Великой Октябрьской социалистической революции. Первый алюминиевый завод в нашей стране был пущен в эксплуатацию в 1932 г. на базе Волховской гидростанции. Строительство Днепрогэса позволило запустить в 1933 г. второй алюминиевый завод. В настоящее время в Советском Союзе действует большое количество мощных алюминиевых комбинатов, оснащенных новейшей техникой. Производство алюминия — сложный технологический процесс. В свободном виде алюминий вследствие своей активности не встречается. Его получают из минералов—бокситов, нефелинов и алунитов, при этом сначала производят глинозем, а затем из глинозема путем электролиза получают алюминий. Для производства алюминия требуется огромное количество электроэнергии. Поэтому только широкомасштабное строительство электростанций в нашей стране позволяет вырабатывать его в необходимом для промышленности количестве. Алюминий представляет собой серебристо-белый пластичный металл. В воздушной среде он быстро покрывается окисной пленкой, которая надежно защищает его от коррозии. Алюминий химически стоек против азотной и органических кислот, но разрушается щелочами, а также соляной и серной кислотами. Важнейшее свойство алюминия — небольшая плотность —2,7 г/см3, т. е. он в три раза легче железа. Температура плавления его 660°С, теплоемкость — 0,222 кал/г, теплопроводность при 20°С—0,52 кал/(см-с-°С), удельное электрическое сопротивление при 0°С —0,286 Ом/(мм2 • м). Механические свойства алюминия невысоки: сопротивление на разрыв—50—90 МПа (5—9 кгс/мм2), относительное удлинение—25—45%, твердость—13—28 НВ. Высокая пластичность (максимальная пластичность достигается отжигом при температурах 350— 410°С) этого металла позволяет прокатывать его в очень тонкие листы (фольга имеет толщину до 0,005 мм). Алюминий хорошо сваривается, однако трудно обрабатывается резанием, имеет большую линейную усадку—1,8%. Для повышения прочности в алюминий вводят кремний, марганец, медь и другие компоненты. Кристаллическая решетка алюминия — куб с центрированными гранями, а =0,404 Н-м (4,04 А). Значительные природные запасы алюминия, его небольшая плотность, высокие антикоррозионные свойства, хорошая электропроводность способствовали широкому распространению этого металла в различных отраслях техники. Алюминий и его сплавы необходимы для самолето-и машиностроения, строительства зданий, линий электропередач, подвижного состава железных дорог. В металлургии алюминий служит для получения чистых редких металлов, а также для раскисления стали. Из него изготовляют различные емкости и арматуру для химической промышленности. В пищевой промышленно¬сти применяется упаковочная фольга из алюминия и его сплавов (для обертки кондитерских и молочных изделий). Широкое признание получила алюминиевая по¬суда. Алюминий хорошо подвергается различным тонким покрытиям и окраске, поэтому его используют как декоративный материал. Исходным материалом для получения алюминиевых сплавов является первичный алюминий (иногда с добавками вторичного—металлолома). Первичный алюминий нормируется ГОСТ 11069—74 (СТ СЭВ 951—78). Этот стандарт распространяется на алюминий, изготовляемый в форме чушек, слитков, катанки и ленты. В зависимости от химического состава первичный алюминий подразделяется на алюминий особой, высокой и технической чистоты. Марки первичного алюминия особой чистоты—А999, высокой чистоты—А995 (А499, 995Р) 1, А99 (А199.99Р), А97, А95 (А199, 95Р), технической чистоты—А85 (А199.85Р), А8 (А199,8Р), А7 (А199,7Р), А7Е (А99, 7ЕР), А6 (А99, 6Р),А5 (А99, 5Р), А5Е (А99, 5ЕР), АО (A99P). Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Литейные алюминиевые сплавы в чушках (рафинированные и нерафинированные), предназначенные для изготовления фасонного литья и подшихтовки при получении сплавов по ГОСТ 2685— 75, нормируются ГОСТ 1583—73 (учтены рекомендации СЭВ PC 1591—73, PC 1593—73 и PC 1504—68). Стандарт предусматривает химический состав сплавов, технические требования к ним, правила приемки, методы испытаний, маркировки, упаковки, транспортирования, хранения и определения газовой пористости. Марки этих сплавов: АК7 (АЛ94), АК7п (АЛ94п), АК9 (АЛ44), АК9с, АК12, AK4M4 (АЛ154), АК5М2 (АЛ34), АК5М2п (АЛ34п), АК5М7 (АЛ 104), АК6М7 (АЛ104с), АК7М (AlSi7Cul)\ AK7M2 (АЛ144), АК7М2п (АЛ144п), АК8МЗ (AlSi8Cu3), AK9M2 (AlSi9Cu2), АК4М2Ц6 (АЛ 124), АК12ММгН (АЛЗО), АК12М2МгН (АЛ25), АК21М2, 5Н2.5 (ВКЖЛС-2). В скобках приведены обозначения марок алюминия по ГОС 1583—65. Сплавы, в обозначении марок которых имеется буква «п» предназначены для изготовления пищевой посуды. Механические свойства сплавов зависят от их химического состава и способов получения. Химический состав основных компонентов, входящих в сплав, можно определить по марке. Например: сплав АК12 содержит 12% кремния, остальное—алюминий; АК7М2п— 7% кремния, 2% меди, остальное— алюминий, АК21М2,5Н2,5—21% кремния, 2,5% меди, 2,5% никеля, остальное — алюминий. Алюминиевые литейные сплавы, применяемые для изготовления фасонных отливок, нормируются ГОСТ 2685—75 (учтены рекомендации СЭВ PC 1591—73). Стандарт предусматривает пять групп сплавов: на основе системы алюминий—кремний—АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9, АЛ9-1, АЛ34 (ВАЛ5), АК9 (АЛ4В), АК7 (АЛ9В); на основе системы алюминий — кремний — медь — АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АК5М2 (АЛЗВ),АК5М7 (АМОВ), AK7M2 (АЛ14В), AK4M4 (АЛ15В); на основе системы алюминий—медь—АЛ7, АЛ 19, АЛЗЗ (ВАЛ1); на основе системы алюминий—магний—АЛ8, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28; на основе системы алюминий—прочие компоненты— АЛ1, АЛ 11, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛЗО, АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2), АК4М2Ц6 (АЛ 17В). Буква В в конце марки сплава означает, что для его изготовления используются алюминиевые литейные сплавы в чушках по ГОСТ 1583—73. Для каждого сплава стандартом определены виды термической обработки и способы литья, обеспечивающие получение сплавов с необходимыми механическими свойствами. Сплав алюминия с кремнием — силумин (в чушках), используемый для производства литейных и обрабатываемых давлением алюминиевых сплавов, нормируется ГОСТ 1521—76 (соответствует рекомендации СЭВ PC 1591—73). Кроме алюминия (основа) и кремния (10-13%) в этот сплав входят: железо—0,2—0,7%, марганец—0,05—0,5%, кальций—0,07—0,2%, титан— 0,05-0,2%, медь—0,03% и цинк — 0,08%. Силумин изготовляется четырех марок—СИЛ-00, СИЛ-0,СИЛ-1 и СИЛ-2. Увеличение номера в обозначении марки сплава указывает на рост примесей в нем. На силумин, которому присваивается Знак качества, нормы примесей стандартом ужесточены. На поверхность чушек силумина несмываемой и невыцветаемой цветной краской наносится буква С, цвет которой соответствует определенной марке: синий—СИЛ-00, белый—СИЛ-0 красный— СИЛ-1, черный— СИЛ-2. Алюминиевые деформируемые сплавы в чушках предназначенные для обработки давлением и для подшихтовки при получении других алюминиевых сплавов нормируются ГОСТ 1131—76. Сплавы для обработки давлением состоят из алюминия (основа), легирующих элементов (медь—5% магний—0,1—2,8%, марганец—0,1—0,7%, кремний— 0,8—2,2%, цинк—2—6,5%) и небольшого количества примесей. Марки этих сплавов: ВД1, АВД1, АВД1-1 АКМ, В95-1, В95-2, АКМЦ. В состав сплавов для подшихтовки входят: алюминий (основа), легирующие элементы (медь—3—7%, магний—1—2,6%; для некоторых сплавов марганец—1—1,2%, никель—1,5%, железо—1,3%, кремний—1,2, хром—0,35, цирконий— 0,2%) и небольшое количество примесей. Марки этих сплавов: ВДч (ВД), АК4ч (ВАК4), АК6ч (ВАК6). На чушки наносят полосы различного цвета, соответствующего определенной марке сплава (по стандарту). Алюминий и алюминиевые деформируемые сплавы, предназначенные для изготовления полуфабрикатов (листов, лент, полос, плит, профилей, панелей, прутков. труб, проволоки, штамповок и поковок) методом горячей и холодной деформации, а также слитков и слябов, нормируются ГОСТ 4784—74 (СТ СЭВ 730—77 и 996— 78). Стандарт соответствует рекомендации СЭВ PG 1581—72. В зависимости от химического состава стандартом предусмотрены следующие марки этих металлов: Адоч2 (А199,98), АДч(А199,95)—алюминий высокой чистоты; АД000(А199,8),АД00 (А199,7), АД00Е(А199,7Е), АДО(А199,5), АДОЕ(А199,5Е), АД1, АДС (А199), АД—алюминий технической чистоты; В скобках приведены новые обозначения марок алюминиевых сплавов для подшихтовки. Алюминиевые антифрикционные сплавы, применяемые для изготовления монометаллических и биметаллических подшипников методом литья, а также моно-металлических и биметаллических лент и полос путем прокатки с последующей штамповкой из них вкладышей, нормируются ГОСТ 14113—78. В зависимости от химического состава стандартом предусмотрены следующие марки этих сплавов с указанием назначения каждого сплава: АО3-7, А09-2—отливки монометаллических вкладышей и втулок; А06-1, А09-1, А020-1—биметаллические ленты и вкладыши; толщина антифрикционного слоя—1 мм; АН2,5—отливки вкладышей, монометаллические и биметаллические ленты; толщина антифрикционного слоя — менее 0,5 мм; АСМ, АМСТ—биметаллические ленты и вкладыши; толщина антифрикционного слоя — менее 0,5 мм. Стандартом определены условия работы изделий, изготовленных из сплавов этих марок: нагрузка—от 19,5 до 39,2 МН/м2 (200—400 кгс/см2), скорость скольжения—от 10 до 20 м/с, температура—от 100 до 120°С, твердость—от 200 до 320 НВ. Цинк и его сплавы Сплав цинка с медью—латунь—был известен еще Древним грекам и египтянам. Однако получить чистый цинк долгое время не удавалось. Выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в. Цинк—металл светло-серо-голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200°С, при нагревании до 100—150°С становится пластичным. В соответствии с ГОСТ 3640—79 (СТ СЭВ 224—75) Цинк изготовляется и поставляется в виде чушек и блоков массой до 25 кг. Стандарт устанавливает марки Цинка и области их применения: ЦВ00 (содержание цинка— 99,997%)—для научных целей, получения химических реактивов, изготовления изделий для электротехнической промышленности; ЦВ0 (Zn99,995)-для полиграфической и автомобильной промышленности; ЦВ1, ЦВ (Zn99,99)-для производства отливок под давлением, предназначенных для изготовления деталей особо ответственного назначения, авиационных и автомобильных приборов, для получения окиси цинка, цинкового порошка и чистых реактивов; Ц0А (Zn99,98), ЦО (Zn99,975)-для изготовления цинковых листов, цинковых сплавов, обрабатываемых давлением, ответственных отливок, получаемых под давлением, порошков, белил, лигатуры, для горячего и гальванического цинкования; Ц1С (Zn99,96), Ц1 (Zn99,95), Ц2С (Zn98,6), Ц2 (Zn98,7), ЦЗС (Zn98,5), ЦЗ (Zn97,5)--для различных целей. В промышленности широко применяются цинковые сплавы: латуни, цинковые бронзы, сплавы для покрытия стальных изделий, изготовления гальванических элементов, типографские и др. Цинковые сплавы в чушках для литья под давлением нормируются ГОСТ 19424—74. Эти сплавы используются в автомобиле- и приборостроении и других отраслях промышленности. Стандартом установлены марки сплавов, их химический состав, определены изготовляемые из них изделия: ЦАМ4-10—особо ответственные детали; ЦАМ4-1—ответственные детали; ЦАМ4- 1в — неответственные детали; ЦА4о—ответственные детали с устойчивыми размерами; ЦА4—неответственные детали с устойчивыми размерами. Цинковые антифрикционные сплавы, предназначенные для производства монометаллических и биметаллических изделий, а также полуфабрикатов методами литья и обработки давлением, нормируются ГОСТ 21437—75. В скобках приведены обозначения марок бронз по СТ СЭВ 377—76. Механические свойства сплавов зависят от их химического состава: предел прочности σв=250 –350 МПа (25—35 кгс/мм2), относительное удлинение δ =0,4—10%, твердость 85—100 НВ. Стандарт устанавливает марки этих сплавов, области их применения и условия работы: ЦАМ9-1,5Л—отливка монометаллических вкладышей, втулок и ползунов; допустимые нагрузка— 10МПа (100 кгс/см2), скорость скольжения—8 м/с, температура 80°С; если биметаллические детали получают методом литья при наличии металлического каркаса, то нагрузка, скорость скольжения и температура могут быть увеличены до 20 МПа (200 кгс/см2), 10 м/с и 100°С соответственно; ЦАМ9-1,5 — получение биметаллической ленты (сплав цинка со сталью и дюралюминием) методом прокатки, лента предназначена для изготовления вкладышей путем штамповки; допустимые нагрузка—до 25 МПа (250 кгс/см2), скорость скольжения—до 15 м/с, температура 100°С; ЦАМ10-5Л—отливка подшипников и втулок; допустимые нагрузка—10 МПа (100 кгс/см2), скорость скольжения—8 м/с, температура 80°С; ЦАМ10-5—прокатка полос для направляющих скольжения металлорежущих станков и других изделий; рабочие нагрузка—до 20 МПа (200 кгс/см2), скорость скольжения—до 8 м/с, температура 80°С. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 16 Тема: Сплавы магния и титана. Цель занятия: Содержание лекции Магний открыт в прошлом веке. Он широко распространен в природе (в земной коре его содержится около 2,1%), но в свободном виде не встречается. Мощные скопления образуют карбонаты магния — магнезит и доломит. Магний входит в состав карналлита, многих горных пород, в виде хлоридов и сульфатов он растворен в озерной и морской воде. Промышленный магний получают электролитическим способом из магнезита, доломита, карналлита, морской воды и отходов различного производства (особенно при извлечении титана из руд) по схеме: получение чистых безводных солей магния, электролиз этих солей в расплавленном состоянии и рафинирование магния. Магний -пластичный металл серебристо-белого Цвета. Это один из наиболее легких цветных металлов, его плотность составляет 1,74 г/см3. Температура плавления магния 651°С. Он имеет компактную гексагональную кристаллическую решетку. Магний неустойчив против коррозии, особенно во влажной среде (поверхностная окисная пленка не защищает его), растворим во многих минеральных и органических кислотах, горюч (сгорая, дает ослепительное пламя), самовоспламеняем (однако магний в виде слитков неогнеопасен) устойчив против щелочей, фтористых солей, плавиковой кислоты. Механические свойства его зависят от чистоты и способа изготовления образцов для испытания (литые, деформированные). Предел прочности магния σв =110—196 МПа (11,5—20 кгс/мм2), относительное удлинение δ==8—11,5%, твердость—35—130 НВ. Чистый магний как конструкционный материал не применяется. В промышленности используются магниевые сплавы. В металлургии с помощью магния осуществляют раскисление и обессеривание некоторых металлов и сплавов, модифицируют серый чугун с целью получения графита шаровидной формы, производят трудно восстанавливаемые металлы (например, титан), смеси порошка магния с окислителями служат для изготовления осветительных и зажигательных ракет в реактивной технике и пиротехнике, соединения магния применяют в производстве строительных материалов (цемента, ксилолита, фибролита и др.). Первичный магний в чушках предназначен для переплавки в слитки, производства сплавов и других целей (ГОСТ 804—72, СТ СЭВ 1268—78). Стандарт предусматривает три марки первичного магния: Мг96, Мг95 (Mg99,95), Mr90 (Mg99,9). Массовая доля примесей в каждом из этих металлов соответственно составляет 0,04, 0,05 и 0,1%. Свойства магния значительно улучшаются за счет легирования. Алюминий и цинк с массовой долей до 7% повышают его механические свойства, марганец улучшает его сопротивление коррозии и свариваемость, цирконий, введенный в сплав вместе с цинком, измельчает зерно, повышает механические свойства и сопротивление коррозии, торий улучшает жаропрочность, бериллий уменьшает окисляемость при плавке, литье и термической обработке. ГОСТ 2581—78 нормирует магниевые сплавы, применяемые для производства фасонного литья и слитков, обрабатываемых давлением. В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие марки этих сплавов: ММ2, ММ2ч, МАЗЦ, МА5Ц1, МА5Ц1ч, МА6ЦЗ, МА6ЦЗч, МАЗЦ, МА8Цч, МА8Цон, МА10Ш, МЦр1НЗ, М85. Их основные компоненты: алюминий—3—10%, цинк—0,2—3%, марганец—0,2— 1 5%, а в сплаве марки МЦр1НЗ—цирконий—0,4— 1,1%'и неодим—2,6—3,2%. ГОСТ 2856—79 установлены марки магниевых ли¬тейных сплавов, предназначенных для изготовления фасонных отливок: МЛЗ, МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6, МЛ8, МЛ9, МАЮ, МЛН, МЛ12, МЛ15, МЛ 19. Буквы «пч» означают повышенную чистоту, «он»—общее назначение. Основные компоненты: алюминий-—2,5—10,2%, марганец—0,1—0,5%, цинк— 01—6,6%, цирконий—0,4—1,1%, кадмий—0,2—0,8%, индий—0,2—0,8%, лантан—0,6—1,2%, неодим-1,6— 2,8%, иттрий—1,4—2,2%. ГОСТ 14957—76 (в зависимости от химического состава) установлены марки магниевых деформируемых сплавов, предназначенных для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, полос, труб, проволоки, штамповок и поковок) методом горячей деформации, а также слитков и слябов: МА1 (2311), МА2 (2321), МА2-1 (2323), МА2-1пч (2325), МА5 (2351), МА8 (2361), МА8пч (2365), МАИ (2371), МА14 (2374), МА15 (2375), МА17(2377), МА19 (2379), МА20 (2381). Основные компоненты: алюминий—3—9,2%, марганец—0,2—2,5%, цинк—0,2—7%, цирконий— 0,05—0,9%, неодим—1,4—3,5%, никель—0,1—0,22%, кадмий—0,2—2%, лантан—0,8—1,1%, церий-0,12— 1,5%. В скобках приведены рекомендуемые стандартом цифровые обозначения марок магниевых деформируемых сплавов. Титан и его сплавы Титан—металл серебристо-белого цвета. Это -дин из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61%) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см3), тугоплавок (температура плавления 1665°С), весьма прочен и пластичен. На поверхности его образуется стойкая окисная пленка, за счет которой он хорошо сопротивляется коррозии в пресной и морской воде, а также в некоторых кислотах. Титан устойчив против кавитационной коррозии и под напряжением. При температурах до 882°С он имеет гексагональную плотно упакованную решетку, при более высоких температурах—объемно-центрированный куб Механические свойства листового титана зависят от химического состава и способа термической обработки Предел прочности его—300—1200 МПа (30— 120 кгс/мм2), относительное удлинение -4—30%. Предел прочности титановых сплавов—350—1000 МПа (35—100 кгс/мм2), относительное удлинение -4—10%. Вредными примесями титана являются азот, углерод, кислород и водород. Они снижают его пластичность и свариваемость, повышают твердость и прочность, ухудшают сопротивление коррозии. При температурах свыше 500°С титан и его сплавы легко окисляются, поглощая водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость). При нагревании до температуры выше 800°С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, - эта способность его используется в металлургии для раскисления стали. Титан хорошо обрабатывается давлением и сваривается, но плохо поддается резанию. Он служит легирующим элементом для других цветных металлов и для стали. Благодаря своим замечательным свойствам титан и его сплавы нашли широкое применение в самолето-, ракето- и судостроении. Из титана и его сплавов изготовляют полуфабрикаты: листы, трубы, прутки и проволоку. Двуокись титана применяется при производстве белил и эмалей. Основными промышленными минералами для получения титана являются: ильменит, рутил, неровскит и сфен (титанит). Промышленный титан один из самых молодых конструкционных материалов. В нашей стране его производство начато в 1954 г. Технология получения титана сложна, трудоемка и длительна: сначала вырабатывают титановую губку, затем путем переплавки в вакуумных печах из нее производят ковкий титан. Губчатый титан, получаемый магниетермическим способом (ГОСТ 17746—79), служит исходным материалом для производства титановых сплавов и других целей. В зависимости от химического состава и механических свойств стандартом установлены следующие марки губчатого титана: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-12, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Тв. В обозначении марок буквы ТГ означают—титан губчатый, Тв—твердый; цифры означают твердость по Бринеллю. В конце обозначения марки губчатого титана, отмеченного государственным Знаком качества, добавляется буква А, например- ТГ-130А. В губчатый титан входят примеси: железо-до 0,2%, кремнии—до 0,04%, никель-до 005% угле род-до 0,05% хлор-до 0,12%, азот-до 004% кислород-до 0,1% (титан ТГ-Тв имеет более широкий допуск по массовой доле примесей). Для изготовления полуфабрикатов предназначены титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением (ГОСТ19807-74). В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие их марки: ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ22, ПТ-7М, ПТ-ЭВ, ПТ-1М. Основные элементы: алюминий-0,2-0,7%, марганец-0,2-2%, молибден- 0,5-5,5%, ванадий- 0,8-5,5%,цикроний- 0,8-3%, хром- 0,5-2,3%, олово-2-3%, кремний -0,15-0,4%, железо –0,2-1,5%. Железо, кремний и цирконий в зависимости от марки сплава могут быть основными компонентами или примесями. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 17 Тема: Композиционные материалы Цель занятия: Содержание лекции Композиционные материалы — это конструкционные материалы, получаемые путем объемного сочетания компонентов с различными свойствами и границей раз­дела между ними. Компонент, непрерывный в объеме композиционно­го материала, называется матрицей (связующим). Другие компоненты —упрочнители (арматура, наполнители) распределены в объеме матрицы. Композиционные материалы классифицируют по основным признакам: типу матрицы; виду армирующего элемента; особенностям макростроения; методам получения. По типу материала матрицы различают: • полимерные композиты (термопласты, реактогогасты и их смеси); • металлические (в том числе материалы, получаемые методами порошковой металлургии); • неорганические (неорганические полимеры, нералы, углерод, керамика); • комбинированные (полиматричные). Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и распределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Непосред­ственно определяет термическую и коррозионную стойкость, электрические и теплозащитные свойства, склонность к старению, технологию изготовления и другие характеристики композиционного материала и изделий из него. По виду армирующих элементов (наполнителей) композиты классифицируют в зависимости от: • геометрических размеров арматуры (наполнителей); • порядка их расположения в матрице; • целей армирования. Армирующие элементы (наполнители) вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств: увеличения прочности, жесткости и пластичности; из­менения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях по объему материала и отдельных местах изделия из него. Целесообразно различать собственно наполнители и армирующие элементы. Наполнители — это преимущественно дисперсные и коротковолокнистые вещества, введение которых позволяет достичь не более чем дву­кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) — это высокопрочные стержни, волокна и ткани, которые способствуют повышенной прочности материала в 2—10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы. В композиционном материале могут находиться и наполнители, и армирующие элементы. По макростроению композиционные материалы раз­личают в соответствии с геометрическими параметрами относительного расположения компонентов друг к дру­гу. По методам получения композиты подразделяют на материалы, формируемые путем соединения компонен­тов: • в твердой или жидкой фазах; • с использованием газофазных процессов; • в вязкотекучем состоянии; • при помощи разнообразных комбинаций фазовых состояний компонентов. Чаще всего при изготовлении композита применяют последовательные или параллельные технологические операции с компонентами, находящимися в различных фазовых состояниях. Жидкофазными компонентами — растворами и рас­плавами матричного материала — пропитывают армату­ру. Твердофазные компоненты соединяют в композици­онный материал прессованием, уплотнением взрывом, диффузионной сваркой. К газофазным технологическим процессам относят нанесение металлических или кера­мических матричных покрытий на армирующие эле­менты — волокна, ткани. В вязкотекучем состоянии пе­рерабатывают большинство композитов на полимерной матрице. Направления использования композиционных матери­алов. Создание и применение композитов - один из наиболее перспективных путей обеспечения производ­ства конструкционными материалами, решения задач повышения эксплуатационных параметров техники, экономии ресурсов. Современные композиционные материалы сочетают высокие прочностные свойства с легкостью и долговеч­ностью. Их использование в машинах и оборудовании позволяет снизить массу конструкции на 25—50 %, тру­доемкость их изготовления — в 1,5—3 раза. За счет при­менения композитов можно в несколько раз увеличить эксплуатационный ресурс технического объекта, снизить до минимума потери от коррозии, расход топлива, и т. д. Определились две области эффективного использо­вания композиционных материалов: • в качестве заменителей дефицитных традиционных материалов (цветных металлов, натуральных тка­ней и др.), когда используется недефицитное или вторичное сырье: древесные опилки, отходы син­тетических волокон и тканей, сельхозяйственного и химического производств. Из них изготовляют древесно-полимерные, волокнисто-армированные листовые материалы для отделки интерьера кабин и кузовов автомобилей, утеплительные и звукоизоляционные панели, разнообразные малонагруженные детали агрегатов и механизмов; • в качестве конструкционных материалов с уникаль­ными эксплуатационными свойствами. Они наибо­лее широко используются для изготовления ответ­ственных изделий, в первую очередь в авиации, автомобилестроении и электронике. Доля композиционных материалов в автомобилях в ближай­шие годы может достигнуть 65 %. Из композитов изготовляют не боящиеся коррозии рамы, рессо­ры, бамперы, узлы трения. Композиционные материалы на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), объединяющее все компоненты материала в единую структуру. К композиционным материалам на полимерной мат­рице относятся: • пластмассы — материалы, основу которых состав­ляют полимеры, находящиеся во время формова­ния в вязкотекучем или высокоэластическом со­стоянии; • пластики, армированные волокнами, тканями объемными элементами; • металлопласты, состоящие из чередующихся слоев металла и полимерного материала; • микрокапсулы — твердые оболочки, содержащие малые объемы жидких или газообразных веществ; • сотопласты и другие. В настоящее время номенклатура КПМ насчитыва­ет сотни наименований, объединяющих материалы с уникальными удельной прочностью и коррозионной стойкостью, регулируемыми магнитными и электриче­скими характеристиками, разнообразными функцио­нальными свойствами. Предельная температура исполь­зования КПМ соответствует 200—400°С, однако сочетание высокой прочности и стойкости к коррозии делает их перспективным материалом для автомобиле­строения. Наполненные пластики, в качестве наполнителей по­лимерной матрицы таких материалов применяют твер­дые, жидкие и газообразные вещества. Конструкционные (общетехнические) пластики — КПМ с матрицей из термопластов, содержащей твердые наполнители преимущественно неметаллической при­роды. Они предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин: зубчатых колес, подшипников, уплотнителей, корпусов. Металлонаполненные пластики — КПМ, содержащие в качестве наполнителя металлические порошки. Их применяют вместо цветных металлов для изготовления подшипников, уплотнителей, электрических контактов (взамен драгоценных металлов). Графитопласты — КПМ, содержащие в качестве на­полнителя природный и искусственный графит или кар­бонизированные продукты (кокс, термоантрацит и т. п.). Характерным представителем графитонаполненных полиамидов является АТМ-2 — антифрикционный самосмазывающийся материал на основе капрона. Саженаполненные каучуки применяют при производ­стве шинных протекторов, которые обладают высоки­ми показателями износостойкости и выносливости при многократных деформациях. Противокоррозионные пластики — КПМ, содержащие ингибиторы коррозии. Они выполняют в машинах ос­новную функцию конструкционного материала и обла­дают дополнительными функциональными свойствами, предохраняя от коррозии сопряженные металлические детали. Чехление деталей в ингибиторную полиэтилено­вую пленку обеспечивает их защиту от коррозии в тече­ние 3—7 лет. Пенопласты, поропласты — КПМ, содержащие ком­поненты в газовой фазе; Их применяют с целью защи­ты машин, оборудования от нежелательного теплового воздействия окружающей среды (теплоизоляционные материалы), а также для поглощения шумов внутри по­мещения или (и) защиты его от проникновения звука извне (акустические и звукопоглощающие материалы). Микрокапсулы — твердые оболочки, содержащие ма­лые объемы (10~6— 1 мм3) веществ в газовой, жидкой или твердой фазе. Полые полимерные микросферы широко используются в автомобильной промышленности США для облегчения кузовов машин. Армированные пластики — обширная группа конст­рукционных полимерных материалов, содержащих в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые, тка­невые, сетчатые и листовые материалы. Волокнистые пластики — промышленность выпуска­ет высокопрочные волокна широкой номенклатуры — Угольные, борные, оксидные, полимерные и др. Харак­терными представителями волокнистых пластиков яв­ляются следующие материалы: • стеклопластики — материалы на полимерной мат­рице, армированной стеклянным волокном. Высокая прочность сочетается со сравнительно низкими плотностью и теплопроводностью, высокими электроизоляционными характеристиками. Их применяют в транспортном машиностроении для изготовления кузовов автомобилей, цистерн и др.. • асбапластики — теплостойкие КПМ, матрица ко­торых наполнена асбестовыми материалами. Они длительное время сохраняют механические свой­ства при температурах до 400°С. Из асбопластиков изготовляют лопатки ротационных, насосов, тор­мозные колодки, элементы тепловой защиты дви­гателей; • волокниты — пресс-материалы, состоящие из руб­леного волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой. Волокиты, содержащие хлопковое или химическое волокно, называются органоволокнитами, углеродное — карбоволокнитами, борное — бороволокнитами и т. д. Из волокнитов изготовляют детали с высоким сопротивле­нием ударным нагрузкам: корпуса и крышки агрегатов, шестерни, втулки и др.; • углеродопласты (карбопласты, углепласты) —КПМ, содержащие в качестве упрочняющего на­полнителя углеродные волокна. Это прочные, же­сткие, термически и химически устойчивые мате­риалы с высокими электро- и теплопроводностью, низким значением коэффициента трения. Их при­меняют для изготовления деталей автомобилей, чтобы предупредить влияние внешнего электромагнитного поля на работоспособность электронных устройств, а также для защиты радиоаппаратуры от излучения двигателя; • боропластики (бороволокниты) — композицион­ные материалы на матрице из термопластичных и термореактивных полимеров, содержащие волок­ на бора в качестве упрочняющего наполнителя. Они отличаются очень высокой прочностью, жест­костью и термостойкостью. Из них изготовляют несущие детали (рули, обшивка крыльев, лопатки вентиляторов). Слоистые армированные пластики включают в себя некоторые из перечисленных материалов с наполните­лями в виде ткани (стеклопластики, асбопластики, уг­леродопласты), а также следующие материалы: • текстолиты — материалы, состоящие из слоев ткани, пропитанной термореактивной синтети­ческой смолой. Различают текстолиты на основе хлопчатобумажной ткани, стеклотекстолиты (стеклоткань), асботекстолиты (асбестовая ткань), органотекстолиты (ткань из синтетических волокон), карботекстолиты (угольная ткань). Из текстолитов изготовляют крупногабаритные изделия сложной формы (например, из стеклотекстоли­та — корпуса судов), вкладыши подшипников, электротехнические изделия. Асботекстолиты применяют как фрикционный материал; • гетинакс — слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Он отличается высокими механическими и электроизоляционными свойствами, поэтому его применяют в основном при изготовлении электротехнических изделий; • металлопласт — конструкционный материал, со­стоящий из металлического листа, покрытого с одной или двух сторон слоем полимера, например, полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида. Их применяют для защиты от коррозии и декоративной отделки стен и крыш зданий, в производстве кузовов автомобилей, холодильников и т. д.; • древесно-слоистые пластики — материалы, получаемые «горячим» прессованием тонких листов древесины — шпона, пропитанных синтетическими термореактивными смолами. Их применяют в качестве конструкционного и антифрикционного материала; • нетканые материалы — текстильные материалы из натуральных и химических волокон, изготовленные без применения процессов ткачества, например, прошиванием волокнистого холста пряжей (вязально-прошивные материалы), прокалыванием холста иглами с зазубринами (иглопробивные), проклеиванием волокнистого холста связующим (клееные) и другими методами. Применяемые в автомобилях изделия из нетканых материалов: фильтры, утепляющие прокладки, обивочные материалы; • древесные плиты — КПМ, формуемый из древесных стружек или волокон с небольшим содержанием синтетического связующего. Древесноволокнистые плиты вырабатывают путем отлива на сетке волокнистой древесной массы, получаемой при механическом истирании древесины массы, с добавлением 4—8 % синтетической смолы. ДВП — хороший акустический материал. Древесностружечные плиты изготовляют прессованием древесной стружки и связующего. Для повышения стойкости против влаги, огня, насекомых и микроорганизмов в состав плит вводят гидрофобизирующие вещества, антипирены, антисептики и др. Номенклатура конструкционных полимерных материалов непрерывно пополняется (в значительной мере благодаря гибридным материалам). Например, тонкие листы алюминия, армированные волокна бора склеива­ют послойно с органопластиками, получая материал с уникальной вибростойкостью. Композиционные материалы на металлической матри­це (КММ) значительно превосходят по эксплуатацион­ным характеристикам металлы и сплавы, в частности, по жаростойкости, жесткости, удельной прочности. Взаимодействие матрицы и усиливающих компонентов КММ протекает главным образом в форме диффузии и химических реакций. Номенклатура КММ делится на следующие группы: • дисперсно-упрочненные материалы, армированные частицами (в том числе — псевдосплавы, полученные методом порошковой металлургии); • эвтектические композиционные материалы — спла­вы с направленной кристаллизацией эвтектиче­ских структур; • волокнистые материалы, армированные дискретными, или непрерывными волокнами. Дисперсно-упрочненные материалы — когда в металли­ческой матрице равномерно распределены частицы уп­рочняющей фазы сверхмалых размеров. Такие матери­алы формуются спеканием мелкодисперсных частиц оксидов, карбидов и других тугоплавких соединений, которые при высоких температурах не растворяются в матрице. Технология формования изделий из таких КММ относится к области порошковой металлургии и включает операции получения порошковых смесей, их прессования в форме, спекания, деформирования и тер­мообработки заготовок. КММ из спеченного алюминиевого порошка (СПП) превосходят по прочности все промышленные алюми­ниевые сплавы. Материалы на основе меди, упрочнен­ные оксидами, карбидами, приобретают жаропрочность, которая сочетается с высокой электропроводностью, присущей медной матрице. Они используются для изготовления электроконтактов. Псевдосплавы состоят из металлических фаз, не образующих растворы и не вступающих в химические соединения. Технология их формирования также относится к области порошковой металлургии. Порошковые смеси подвергаются пропитке расплавом легкоплавкого компонента псевдосплава. Температура пропитки находится в интервале температур плавления тугоплавкого легкоплавкого компонентов. Номенклатура псевдосплавов включает материал предназначенные для решения задач триботехним Материалы на основе вольфрама (W-Cu и W-Ag), молибдена (Мо-Cu) и никеля (Ni-Ag) сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Псевдосплавы на основе железа (Fe-Cu, Fe-C-Cu и др.) износе стойки, хорошо работают при воздействии ударных нагрузок; содержащие свинец и серебро — применяются для изготовления самосмазывающихся подшипников. Эвтектические композиционные материалы — сплавы эвтектического состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные (методами направленной кристаллизации) волокнистые или пластинчатые кристалл. Номенклатуру эвтектических КММ делят на две части: • материалы конструкционного назначения — на основе легких сплавов, жаропрочные — на основе тугоплавких металлов (например, сплавы на основе алюминия применяют для изготовления высокопрочных электрических проводов; сплавы основе никеля и кобальта — для изготовления: лопаток и крепежных деталей газотурбинных двигателей); • материалы с особыми физическими свойствами — полупроводниковые, ферромагнитные и др., при­меняются в электронной технике для изготовле­ния бесконтактных переменных сопротивлений, переключателей электрических цепей; магнитные КММ применяют для изготовления магнитопроводов, носителей информации (магнитные диски). Волокнистые материалы — КММ, армированные во­локнами, обладают необычайно высокими механичес­кими характеристиками. Технология их формирования включает процессы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыления или осаждения, а также пропитки. Все это обусловливает оптимальную реализацию свойств волокон в технических изделиях. Номенклатура волокнистых КММ включает множе­ство материалов на матрицах из алюминия, магния, ти­тана, меди, никеля, кобальта и др., предназначенных для авиационной, космической и других областей техники, где высокая первоначальная стоимость разработки ма­териалов окупается за счет выигрыша в их эксплуатаци­онных характеристиках. Керамические композиционные материалы (ККМ) — у которых матрица выполнена из керамического матери­ала, полученного из неметаллического минерального сырья (глин, оксидов и других соединений). Дисперсные ККМ состоят из матрицы и частиц метал­лического наполнителя, равномерно распределенных по объему материала. В армированных ККМ волокнообразный металлический наполнитель может быть располо­жен произвольно и ориентированно. Металлокерамтеские материалы на основе кремния или алюминия используют для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания. В фирмах «Дженерал моторе» и «Форд моторе» получены положительные ре­зультаты испытаний металлокерамического блока цилиндров. Аналогичные работы проводят фирмы «Дай­млер Бенц», «Порше». Японская фирма «НГК Спарк Плагс» испытала двигатель, который полностью выпол­нен из керамических материалов. Слоистыми ККМ являются конструкции, состоящие из металлической основы с нанесенным керамическим покрытием. Керамический компонент такого материа­ла может быть нанесен на металл эмалированием, газо­пламенным напылением, разложением солей металлов с последующим их окислением. Углеродуглеродные композиционные материалы (УКМ), армирующий каркас которых изготовляют из углеродных волокон, а матрицу — из монолитного уг­лерода. В России производятся композиты на пилоуглеродной матрице УКМ-1 (армирован углеграфитовый тка­нью УУТ-2), УКМ-2 (армирован карбонизированным углепластиком); графиты, уплотненные гидроуглеро­дом — ГМЗ-ПУ, ПГ-50-ПУ, ЭГ-О-ПУ (получают осаждением пироуглерода в порах графита путем термиче­ского разложения газообразных углеводородов), и др. Углерод-углеродные композиционные материалы применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур (прокладки и уплотнения теплообменной аппаратуры и т. д.). Вопросы для самоконтроля: 1. Что называется композиционными материалами? 2. По каким параметрам классифицируются композиционные материалы? 3. Область применения композиционных мате­риалов. Лекция № 18 Тема: Неметаллические материалы. Защитные материалы. Цель занятия: Содержание лекции Уплотнительные материалы К уплотнительным относятся и набивные материалы. Прокла­дочные материалы применяют для уплотнения разъемных частей двигателей, картеров трансмиссии и других узлов автомобилей с целью их герметизации. Прокладки иногда используют при регули­ровках отдельных сочленений. Набивочные материалы применяют для герметизации зазоров между подвижными деталями механиз­мов, а также для защиты узлов трения от пыли, грязи и воды. Уп­лотнительные прокладки подразделяют на прокладки с полимер­ной и металлической основой. К материалам на полимерной основе относятся бумага, асбест, резина, фибра, пергамент, а на металли­ческой основе - алюминий, медь, латунь, свинец, углеродистая сталь, высоколегированная сталь, армкожелезо. Бумажные материалы. Бумага - тонколистовой волокнистый материал. Бумагу, масса 1 м2 которой превышает 250 г, называют картоном. Основными полуфабрикатами для изготовления обыч­ных видов бумаги и картона служат целлюлоза, древесная масса, полуцеллюлоза, бумажная макулатура, волокна хлопка, пеньки и др. К а р т о н подразделяется (ГОСТ 17926—80) на тарный, для полиграфического производства, фильтровальный, для легкой про­мышленности, технический, строительный. Технический картон включает водонепроницаемый картон, обивочный, водостойкий, прокладочный, термоизоляционный прокладочный, электроизоля­ционный, прессшпан и другие виды картона. Прокладочный картон — картон с ограниченными показателя­ми впитываемости жидкости и линейной деформации при увлажне­нии, предназначенный для изготовления уплотнит ельных прокла­док. Он является (ГОСТ 9347-74) сравнительно эластичным, бен-зомаслостойким материалом и выпускается промышленностью толщиной 0,2; 0,25; 0,5; 0,8; 1,0; 1,5 мм. Влажность прокладоч­ного картона должна быть не более 8—10 %, впитываемость воды за 24 ч - не более 120 %, а бензина и масла - соответственно не бо­лее 20 и 25 %. Поверхность картона не должна иметь складок, ше­роховатостей, давленых мест и дыр. Пергамент (ГОСТ 1341-84) представляет собой прозрач­ную масло- и жиронепроницаемую и влагостойкую бумагу, получае­мую обработкой серной кислотой непроклеенной бумаги с после­дующей ее нейтрализацией раствором щелочи. Фибра — это твердый монолитный материал, образующийся в результате обработки нескольких слоев бумаги — основы — пергаментирующим реагентом. Различают (по ГОСТ 17926-80) сле­дующие разновидности фибры: склеенная, высокопрочная, кислородостойкая, огнестойкая, техническая, электротехническая, поде­лочная и др. Техническая фибра - это легкоштампуемая прочная фибра с ограниченной водопоглощаемостью, предназначенная для деталей машин и приборов. Выпускается фибра в соответствии с требованиями ГОСТ 14613-83. Общим недостатком всех бумажных материалов является их относительно невысокая теплостойкость: при температурах выше 130—140 °С бумага и картон становятся хрупкими и теряют гиб­кость; при 180 °С начинается обугливание, а при 240-250 °С про­исходит разложение бумажных волокон. Асбестовые материалы. Асбест - название минералов волокни­стого строения, обладающих способностью расщепляться на гибкие и тонкие волокна. (Предполагают, что нитевидные волокна состоят из макромолекул.) Плотность кускового асбеста 2000-2500 кг/м3, а асбестовых изделий (без наполнителей) 1000-2000 кг/м3. Асбест не горит, об­ладает хорошими электротеплоизоляционными свойствами и высо­кой теплостойкостью. Без существенных изменений своих свойств выдерживает нагрев до 300 °С; при нагреве до 386 °С асбест теря­ет из своего состава адсорбционную воду, вследствие чего снижает­ся его прочность и гибкость. Эта потеря воды обратима: при нахож­дении во влажной среде первоначальные свойства асбеста восста­навливаются. При нагреве выше 450 °С начинается необратимая по­теря конституционной воды, т. е. входящей в его состав, которая заканчивается при 700-800° С. В результате асбест делается непроч­ным и легко растирается в порошок. При 1500 °С асбест плавится. Прочность асбеста на разрыв изменяется в зависимости от темпера­туры - от 315-320 кгс/см2 при 20 ° С до 70-80 кгс/см2 при 600 °С. Высокая теплостойкость асбеста предопределяет его примене­ние на автомобилях в качестве уплотнительных материалов, рабо­тающих при повышенных температурах и давлениях 50-60 кгс/см2 (например, прокладки на глушителях, элементы фрикционных сое­динений и т. п.). При использовании асбеста в качестве прокладок для головки цилиндров его заключают в медную или стальную обо­лочку (фольгу), чтобы исключить непосредственное соприкосно­вение асбеста с горячими газами. Повреждение этой оболочки приво­дит к контакту с горячими газами, потере ими конституционной воды и быстрому разрушению. Асбостальные листы (ГОСТ 12856-84) выпускаются пяти марок: ЛА-1, ЛА-1А, ЛА-2, ЛА-ЗА, ЛА-ЗБ, размеры которых: длина 215—875 мм, ширина 500, толщина 1,4—1,75 мм. Для различного вспомогательного оборудования используются асбестовый картон, асбестовые ткани (ГОСТ 6107-78), асбестовые шнуры и нити (ГОСТ 1779-83), асбестовые ленты (ГОСТ 14256-78), паронит, а также измельченный .асбест для теплоизоляционных ра­бот. Асбестовый картон (ГОСТ 2850-80) на основе хризотилового асбеста выпускается следующих марок: КАОН-1, КАОН-2 - картон асбестовый общего назначения; КАП — картон асбестовый прокладочный. Картон марки КАП применяют в качестве мягкого сердечника в комбинированном уплотнении для стыков: "головка блока - блок цилиндров" карбюраторных и дизель­ных двигателей с максимальным давлением в камерах сгорания до 7МПа (70 кгс/см2); "головка блока - выпускной коллектор" карбюраторных и дизельных двигателей. Паронит представляет собой прокладочный листовой мате­риал из вальцованного асбеста с каучуковым связующим и мине­ральными наполнителями примерного состава: асбеста 60—75 %, каучука с серой 12-13 %, минеральных наполнителей (глины, по­левого шпата, талька и т. п.) - остальное. Паронит по ГОСТ 481-80 выпускают следующих марок: ПОН, ПОН-1, ПМБ, ПМБ-1, ПК, ПЭ. Параметр шероховатости уплотняемых поверхностей по ГОСТ 2789-73 должен быть не более 40 мкм (Rz). При изготовлении прокладок более 1500 мм допускается сты­ковка паронита в "ласточкин хвост" или внахлестку. Для склеива­ния применяют клей 88Н. Склеенные части выдерживают в течение 2 ч под давлением 0,5 МПа при (20 ± 5) °С. Пробковые материалы изготовляют прессованием коры проб­кового дуба и применяют для уплотнения соединений, работающих при небольшом напряжении в среде воды или нефтепродуктов: крышек клапанной коробки двигателей, стаканов фильтра топлив­ного насоса, фильтра вентиляции картера двигателя, крышек коро­мысел и т. п., а также в качестве набивки сальников игольчатого ти­па. Войлочные материалы. Войлок представляет собой листовой материал, изготовленный из волокон шерсти. Технический войлок подразделяется на тонкошерстный (ГОСТ 288-), полугрубошер­стный (ГОСТ 6308-) и грубошерстный (ГОСТ 6418-). Вой­лок — пористый материал, в котором воздушные поры составляют не менее 75 % объема. Плотность войлока колеблется от 200 до 430 кг/м3. Войлок обладает высокими тепло-, звукоизолирующими и амортизирующими свойствами. Термическая стойкость войло­ка не превышает 75 ° С. Волокна шерсти войлока разрушаются от действия грибков и моли, легко разрушаются от воздействия щелочей, но стойки про­тив кислот. Изоляционные материалы При ремонте электрооборудования применяют различные электроизоляционные лаки, слюду, миканит, изоляцион­ную ленту и бумагу, лакоткани, а также различные пластмассы (тек­столит электротехнический, гетинакс электротехнический и др.), резину и прессшпан. Изоляционные лаки изготовляются на основе асфальтобитумных (БТ-980, -987, -988, -999), глифталевых (ГФ-95), канифоль­ных (КФ-965), полиуретановых (УР-973, -976) и других пленкообразователей (табл. 11.5). Применяют МЛ-92 и БТ-99 как покрывные лаки при ремонте электрооборудования, БТ-980, -987, -988 и ГФ-95 как пропиточные для пропитки изоляции обмоток электродвигателей и трансформа­торов; ВЛ-941 — как электроизоляционные для покрытия медных проводов; УР-973 предназначен для эмалирования проводов, а УР-976 — для получения влагостойкого электроизоляционного пок­рытия; лак ВЛ-941 (ГОСТ 10760-76) - для изготовления эмали. рованных проводов. Слюда является алюмосиликатным прозрачным минералом, способным к расщеплению на тонкие гибкие пластины. Ниже при­ведены свойства слюды. Микалента (ГОСТ 4268-75) применяется в электрических ма­шинах и аппаратах в качестве электроизоляционного материала. Микалента изготавливается типов 51, 52, 53, 54, 55, 56 и 57 по ГОСТ 25045-81 толщиной 0,08-0,17 мм. Изоляционная лента (ГОСТ 2162-78) представляет собой мит­каль, пропитанный с одной или двух сторон мягкой сырой резино­вой смесью. Липкая изоляционная лента (ТУ МХП 1898-55) представляет собой поливинилхлорипный пленочный пластикат, покрытый слоем перхлорвинилового клея. Назначение выпускаемых полимерных пленок для электротехнической промышленности приведено в табл. 11.5. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 19 Тема: Коррозия металлов и меры борьбы с ней. Цель занятия: Содержание лекции Сущность и виды коррозии Коррозией называется разрушение металла вследст­вие химического или электрохимического действия внешней среды, с которой металл соприкасается. Название этого вида разрушения металла происходит от латинского слова «соггоsio», что значит «разъедание». Коррозия изменяет вид, цвет, форму, механические и физические свойства металла. Рис. 33. Виды коррозионных разрушений: а — общее; б — местное; в — транскристаллитное; г — интеркристаллитное (1- металл, 2 - продукты коррозии) Коррозия всегда начинается с поверхности металла, но развитие ее может происходить по-разному. В зависимости от характера распространения коррозию разделяют на общую (равномерную), местную (в виде пятен, точек или очагов), по границам зерен (интеркристаллитную) и по определенным кристаллографическим направлениям в них (транскристаллитную (рис. 33). Нередко встречаются смешанные случаи корро­зионного разрушения. Различные металлы и сплавы испытывают коррозию в раз­личных средах. Среда, в которой один металл или сплав не коррозирует, для другого может оказаться опасной. Вследст­вие этого существует большое число коррозионных процессов, характер которых определяется свойствами металла и окру­жающей его среды. В зависимости от характера среды, вызы­вающей коррозию, все эти процессы делятся на два вида: 1) химическая коррозия, 2)газовой кор­розией, 3) электрохимическая коррозия. Химическая коррозия может возникнуть при дей­ствии на металл сухой газовой среды или жидкостей-не­электролитов (масло, бензин, смола и т. п.). Под действием подобной среды на поверхности металла появляется пленка химического соединения, чаще всего - окислов. Если эта плен­ка остается сплошной и прочной, то она является защит­ной, так как предохраняет металл от дальнейшего непосред­ственного контакта со средой, вследствие чего процесс корро­зии прекращается. При пористой или непрочной пленке кор­розия продолжается и приводит к разрушению металла. Характерным примером металла, покрытого тонкой защит­ной пленкой, предохраняющей его от коррозии, служит алю­миний. Наличием плотной и прочной пленки окиси А1а0з и объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия. Железо и углеродистые стали покрываются непрочной пленкой окислов, не предохраняющей их от дальнейшего окис­ления. Коррозию в среде сухих газов называют газовой кор­розией. Типичным примером последней является коррозия в воздухе при отсутствии влаги (в присутствии влаги корро­зия в воздухе относится к электрохимической коррозии). Это­му виду коррозии подвержены сталь и чугун, которые окисля­ются воздухом или продуктами сгорания. При высоких темпе­ратурах процесс газовой коррозии сильно интенсифицируется, вследствие чего от нее часто страдают детали паровых котлов, турбин, двигателей внутреннего сгорания и т. п. Продуктом газовой коррозии стали является окалина, об­разующаяся при нагреве выше 300° С и особенно интенсивно - выше 570° С. Наличие окалины может сильно ускорить корро­зию стали (иногда в 30—40 раз). Поэтому при постройке и ремонте судов необходимо применять металл, тщательно очи­щенный от окалины. Химическую коррозию в неэлектролитах можно наблюдать в нефтяных, бензиновых или масляных танках, баках и т. п. Следует заметить, что коррозионное действие на сталь оказы­вает не сама нефть, а растворенные в ней сернистые соедине­ния (например, сероводород, выделяясь из нефти, вызывает интенсивную коррозию верхней части бака). Электрохимическая коррозия имеет место при контакте металла с электролитами—жидкостями, проводящи­ми электрический ток (например, водой или водными раство­рами солей, кислот или щелочей) или влажными газами. Электролитом является также морская, речная и озерная во­да, в которой всегда растворены различные соли. Поэтому электрохимическая коррозия нередко встречается на флоте, как в подводной части судов, так и в надводных и внутренних конструкциях. Рис. 34. Схема электрохимической коррозии. (Заштрихованы области ме­талла, разрушенные коррозией. Стрелки указывают направление электриче­ского тока) Процесс электрохимической коррозии можно пояснить сле­дующим образом. Погрузим в электролит два электрода, из­готовленные из различных металлов А и В (рис. 34,а) и соединим их между собой проводником. Мы получим гальваниче­ский элемент, в котором один из металлов будет анодом, а другой - катодом. Появление электрического тока в этом элементе объясняется тем, что при взаимодействии металла и электролита положительно заряженные ионы металла перехо­дят в раствор, а отрицательно заряженные электроны остают­ся в металле; так как каждый металл обладает различной способностью к растворению в данном электролите, в них воз­никают различные электродные потенциалы. Тот металл, ко­торый в данном электролите имеет более отрицательный электродный потенциал (например, А), становится анодом и выделяет в раствор положительные ионы; освобождающиеся при этом электроны создают электрический ток от А к В. Вы­ходя на поверхность электрода В, электроны ассимилируются ионами водорода (положительно заряженными) или молеку­лами кислорода и воды. При определенных условиях этот про­цесс может продолжаться до полного растворения металла А, который испытывает постепенное коррозионное разрушение. Электродным потенциалом называется разность потенциалов, возникаю­щая между металлом и электролитом. Эта величина может служить мерой химической активности металлов в данном электролите (при данной темпе­ратуре), так как чем ниже потенциал металла по сравнению с потенциалом граничащего с ним электролита, то есть чем более отрицателен электродный потенциал металла, тем легче переход его ионов в электролит. Из двух металлов А и В, образующих гальваническую па­ру, разрушающимся анодом всегда будет тот, который имеет в данном электролите более отрицательный электродный по­тенциал. В качестве примера приведем последовательность ряда металлов в порядке убывания отрицательности их по­тенциала в трехпроцентном растворе Na Cl — среде, в которой часто наблюдается коррозия: магний, марганец, цинк, алюми­ний, кадмий, железо, кобальт, свинец, олово, висмут, сурьма, никель, медь, серебро. Из этого ряда видно, что при сочетании железа или алюминия с медью разрушаться будет железо или алюминий, которые имеют более отрицательные потенциалы, чем медь, а при сочетании тех же металлов с цинком, анодом, испытывающим коррозию, будет цинк. Электрохимическая коррозия наблюдается на практике во многих случаях. Она возникает при контакте изделий, изго­товленных из разных металлов, с проводящей электрический ток жидкой средой (рис. 34,6) или при контакте с электроли­том изделия, изготовленного из неоднородного в химическом или структурном отношении металла (рис. 34,в). В последнем случае на поверхности контакта создается большое число микрогальванических элементов, вызывающих коррозионное разрушение металла. Электрохимическая коррозия поражает металлические ча­сти судна: наружную обшивку, палубы, набор корпуса, штев­ни, переборки, металлический рангоут (мачты и стрелы), стальной такелаж и пр. Весьма интенсивно этот вид коррозии развивается в под­водных частях судна, если они изготовлены из различных металлов. Так, например, известны случаи очень быстрого разрушения алюминиевой обшивки судна, листы которой бы­ли скреплены медными заклепками. Нельзя также алюминие­вую обшивку присоединять к стальным штевням, килям и дру­гим выходящим наружу стальным элементам корпуса, так как это приводит к интенсивной коррозии стали. На интенсивность электрохимической коррозии оказывает влияние большое число факторов, которые делятся на внут­ренние и внешние. К числу внутренних относятся факторы, определяю­щие однородность металла, из которого изготовлена подвер­гающаяся коррозии деталь или конструкция. Если отдельные детали последней должны быть изготовлены из различных металлов, то желательно, чтобы эти металлы имели близкие электродные потенциалы. При изготовлении соприкасающихся с электролитом изделий из одного металла нужно стремиться к возможно большей химической и структурной однородности его. Внешними факторами, влияющими на протекание коррозионного процесса, являются природа электролита, его однородность, скорость течения, температура, а также нали­чие в нем особых веществ, ускоряющих или замедляющих кор­розию. В зависимости от их действия эти вещества называют стимуляторами (ускорителями) или ингиби­торами (замедлителями) коррозии. Защита металлов от коррозии. В настоящее время на практике применяются различные способы защиты от коррозии: неметаллические и металличе­ские покрытия, защитные пленки, легирование, обработка кор­розионной среды, электрохимическая защита. Неметаллические покрытия и защитные пленки осуществляют механическое предохранение метал­ла от контакта с агрессивной средой. В качестве неметаллических покрытий применяют краски, лаки, смолы, пластмассы, резину, бетон и др. Для временной защиты неокрашенных металлических поверхностей во время хранения и транспортирования их покрывают антикоррозий­ными смазками. Для металлических покрытий используют цинк, свинец, олово, никель, хром, алюминий, медь, кадмий и дру­гие металлы, а также некоторые сплавы. Если электродный потенциал покрытия менее отрицателен, чем у металла, на который оно нанесено, то покрытие создает лишь механиче­скую преграду, препятствующую контакту металла с коррози­онной средой. В этом случае покрытие должно быть целост­ным, без пор, трещин, сквозных царапин и пр., так как при одновременном контакте электролита с металлом и покрыти­ем анодом, разрушающимся от коррозии, будет являться ме­талл. По отношению к стали таким покрытием является олово, которое надежно предохраняет ее от коррозии лишь при пол­ной целостности полуды, а при повреждении этого слоя, на­оборот, усиливает коррозию стали. В противоположность этому покрытия, электродный потен­циал которых более отрицателен, чем у основного металла изделия, защищают его от коррозии и при нарушении целост­ности, так как в образующейся при этом гальванической паре служат анодом; они способны осуществлять не только меха­ническую, но и электрохимическую защиту изделий. Таким покрытием для стали является, например, цинк. Основные способы нанесения металлических покрытий таковы: 1. Погружение изделия в ванну с расплавленным метал­лом покрытия (горячий способ); применяется при лужении (покрытии оловом), цинковании, покрытии свинцом и алюми­нием. 2. Электролитическое осаждение покрытия из раствора со­ли соответствующего металла; применяется при цинковании, кадмировании, хромировании, никелировании. 3. Плакирование (совместная прокатка металла и покры­тия в горячем состоянии); применяется для защиты прокат­ных изделий, главным образом листов; этим способом сталь­ные листы защищают медью или нержавеющей сталью, дуралюминиевые — чистым алюминием. Защитные пленки, обладающие высоким сопротив­лением коррозии, искусственно создаются на поверхности из­делия путем специальной химической обработки. Обычно эти пленки являются окисными. Одним из распространенных спо­собов образования защитных пленок на стали является окси­дирование (или воронение), которое осуществляется путем по­гружения изделий в нагретый до кипения окисляющий раствор (например, водный раствор едкого натра и азотистокислого натрия). Возникающая при этом тонкая (от 0,0001 до 0,01 мм) пленка черно-синего цвета хорошо защищает изде­лия от коррозии на воздухе, но не надежна при действии воды. Легирование представляет собой хорошее, но доро­гое средство предотвращения коррозии. Оно заключается в том, что при плавке в состав сплава вводят элементы, способ­ствующие возникновению на его поверхности естественной, прочной и стойкой защитной пленки. В качестве примера мож­но указать на нержавеющие стали, содержащие 12—20% Cr. Хром легко образует защитный окисный слой и передает это свойство стали, если входит в нее в достаточном количестве. Такое же действие оказывают на сталь и некоторые другие элементы, повышающие ее коррозионною стойкость (кремний, алюминий и др.). Кроме того, некоторые легирующие элементы повышают коррозионные свойства стали тем, что придают ей однофазную (аустенитную) структуру взамен двухфазной (феррито-цементитной) у углеродистой стали. При однофазной аустенитной структуре сталь устойчива против коррозии. Примером подоб­ной стали служит нержавеющая хромоникелевая сталь (со­держащая 18% Cr и 9%Ni). Обработка коррозионной среды обычно со­стоит в незначительном изменении ее химического состава, но в некоторых случаях этот метод позволяет заметно снизить, а иногда обезвредить ее агрессивное действие на металл. По­этому он широко применяется для защиты от коррозии ко­тельных установок, систем водоснабжения и т. п. Примером эффективного применения этого метода может служить деаэрация питательной воды — удаление из нее кислорода и других растворенных в ней газов, усиливающих се коррозионные свойства. Для этой цели применяют специальные аппараты — деаэраторы, в которых протекающая вода подогревается, от­чего растворимость газов в ней уменьшается, и она освобож­дается от них; газы поднимаются вверх и отсасываются. Если воду пропускать через слой стальной стружки, то также про­исходит деаэрация, стружка при этом ржавеет, на что расхо­дуется кислород, содержащийся в воде. Освобождение пита­тельной воды от кислорода и свободной углекислоты может практически ликвидировать ее коррозионное действие на сталь. Распространенным примером обработки коррозионной сре­ды является также добавка в нее небольшого количества ин­гибитора—вещества, сильно тормозящего или прекращающе­го коррозионный процесс в данной среде. В настоящее время известно большое число ингибиторов, защитное действие кото­рых проявляется в различных агрессивных средах. В качестве примера укажем на натриевые соли фосфорной кислоты (тринатрийфосфат или динатрийфосфат), которые используются как ингибиторы коррозии котлов и одновременно служат «антинакипином» (то есть не дают накипи оседать на стенках прочными пластами). Электрохимическая защита состоит в том, что конструкцию, подлежащую защите от коррозии, превращают в катод. Этого добиваются одним из следующих приемов, по­лучивших названия протекторной и катодной защиты. Протекторная защита заключается в присоедине­нии к конструкции протектора — бруска или полосы ме­талла, потенциал которого в данном растворе отрицательнее, чем у материалов всех частей защищаемой конструкции; бла­годаря этому протектор служит анодом, а детали конструк­ции - катодом. Этим методом можно сохранить от коррозион­ного разрушения изделия, состоящие из деталей, изготовлен­ных из различных металлов. Протекторы используют для защиты внутренних поверхностей танкеров, а также наружных частей судов. На рис. 35,а показано расположение протекторов в кормовой оконечности дна, защищающих от коррозии детали из различных металлов. В качестве материала для протекторов в настоящее время используют алюминиевые или магниевые сплавь с цинком и кальцием. Катодная защита отличается тем, что через конст­рукцию и протекторные бруски (аноды) пропускают постоян­ный ток низкого напряжения (6—12 в), причем отрицатель­ный полюс соединяют с конструкцией, а положительный — с брусками. Это позволяет в качестве анодов применять более стойкие, малорастворимые металлы, например железокремниевые сплавы, и дает возможность регулировать защитный ток, при необходимости увеличивая его и добиваясь равномер­ного распределения его по всей конструкции. На рис. 35,б показана схема катодной защиты корпуса судна. Вдоль каждого из бортов судна на изолирующих опоpax закреплены аноды 1. Каждый анод через отдельный регулировочный реостат 2 и переключатель 3 присое­динен к положительному полюсу источника постоянного тока. Отрица­тельный полюс соединен с корпусом судна. Рис 35. Электрическая защита от коррозии: а - протекторная защита кормовой оконечности судна (1 — гребной вал, 2 — винт, 3—руль, 4 — обшивка, 5 — протектор), б - схема катодной защиты корпуса судна (1—анод, 2 — регулировочный реостат, 3 — переключатель; 4 — амперметр, 5 — вольт­метр, 6 — выпрямитель, 7- преобразователь) Под действием тока части корпуса становятся катодом и не коррозируют. Следует заметить, что катодная защита дает наибольший эффект в морской воде, которая лучше проводит электрический ток, чем речная. Вопросы для самоконтроля: Лекция № 20 Тема: Баббиты. Антифрикционные латуни и бронзы, чугуны. Цель занятия: Содержание лекции Антифрикционные материалы используются для из­готовления деталей, работающих в условиях трения (скольжения): подшипников, втулок, направляющих, вкладышей. Условно эти материалы делятся на сплавы на основе олова, свинца, меди, железа, цинка и алюми­ния; спеченные сплавы—бронзографит, железографит; пластмассы—текстолит, фторопласт, древеснослоистые пластики и сложные композиции—металл—пласт­масса и др. Такие материалы должны обладать хоро­шей прирабатываемостыо, износостойкостью, низким коэффициентом трения при работе в паре с материалом изделия, малой склонностью к заеданию (схватыва­нию), способностью обеспечивать равномерную смазку трущихся поверхностей, прочной; но относительно вяз­кой и пластичной основой, удерживающей твердые опор­ные включения. В предыдущей главе говорилось об алюминиевых антифрикционных сплавах (ГОСТ 14113—78), предна­значенных для изготовления монометаллических и би­металлических подшипников, и цинковых антифрикци­онных материалах (ГОСТ 21437—75), применяемых для производства биметаллических и монометаллических изделий. Рассмотрим другие антифрикционные мате­риалы. Баббиты Широко распространенным антифрикционным легко­плавким материалом являются баббиты. Особенность баббитов — они не оставляют надиров на поверхностях сопрягаемых деталей. Их основные компоненты— пластичные олово и свинец, в которые добавляют более твердые материалы — медь, сурьму и никель. Кальциевые баббиты в чушках (ГОСТ 1209-) применяются для заливки подшипников скольжения. Их основу составляет свинец, в который добавляют каль­ций—0,3—1,15%, натрий—0,2—0,9%, магний—0,01— 009%, олово—1,5—2,1% и алюминий—до0,2%.Масса чушек—от 24 до 28 кг. В зависимости от химического состава стандарт определяет следующие марки этих баббитов и области их применения: БКА—заливка буксовых подшипников вагонов и тендеров на железных дорогах; БК2 — заливка вкладышей коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей (по ГОСТ 9340—78); БК2Ш—подшихтовка сплавов при заливке вкла­дышей коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей. Для заливки подшипников скольжения и других де­талей служат оловянные и свинцовые баббиты (ГОСТ 1320 -). В зависимости от химического состава стан­дарт предусматривает следующие марки этих баббитов и примерное их назначение: Б88—заливка подшипников, работающих при боль­ших скоростях и высоких динамических нагрузках, а также для нижней половины крейцкопфных подшип­ников малооборотных дизелей; Б83, Б83С—заливка подшипников, работающих при больших скоростях и высоких динамических нагрузках (подшипники турбин, крейцкопфные, мотылевые, рамовые малооборотных дизелей, опорные подшипники греб­ных валов); БН—заливка подшипников, работающих при сред­них скоростях и нагрузках (подшипники дизелей, ком­прессоров, судовых водопроводов); Б16—заливка упорно-осевых подшипников электро­возов, путевых машин, деталей паровозов и других тя­желых машин; БС6—заливка подшипников автотракторных двига­телей. Баббиты марок Б88, Б83 и Б83С имеют оловянную, а Б16, БН и БС6—свинцовую основу. Основные ком­поненты: олово—5,5—17%, свинец—1—1,5%,сурьма— °,5~-17%, медь—0,1—6,5%, кадмий—0,1—1,2%, никель—0,1—0,5% и мышьяк—0,5—0,9%. Механические и физические свойства баббитов зависят от марок сплава. Удельное давление составляет (200—745)х 104 Па (76—200 кгс/см2), окружная скорость—30—50 м/с , рабочая температура—от 70 до 75°С, плотность7,35— 10,05 г/см3, твердость — 15—30 НВ, предел текучести при сжатии—70—85 МПа (7—8,6 кгс/мм2), предел прочности при сжатии—110—145 МПа (11— 14,7 кгс/мм2), температура плавления—от 280 до 400°С, температура заливки—от 380 до 500°С. Антифрикционные латуни и бронзы Для изготовления монометаллических подшипников применяются антифрикционные латуни (ГОСТы 17711— 80, 17711—72 и 15527—70) следующих марок: ЛЦ40С (ЛС59-1Л), ЛЦ40Сд (ЛС59-1ЛД)-свинцовые ЛЦ40Мц1,5 (ЛМЦ58-2Л)- марганцовая, ЛЦ38Мц2С2 (ЛМцС58-2-2) - марганцовосвинцовая, ЛЦ25С2 (ЛВОС) - оловянносвинцовая, ЛЦ23А6ЖЗМц2 (ЛАЖМцбб-6-3-2) - алюминиевожелезомарганцовая, ЛЦ16К4 (ЛК80-ЗЛ)—кремнистая. Оловянные бронзы (ГОСТ 614—73) марок БрОЗЦ8С4Н1, БрОЗЦ13С4, Бр04Ц7С5 и Бр05Ц6С5 предназначены для изготовления различных антифрик­ционных деталей. Для изготовления антифрикционных монометаллических деталей и вкладышей, в том числе высоконагруженных подшипников скольжения, служат оловянные литейные бронзы (ГОСТ 613—79): БрО4Ц7С5, БрО4ЦС4С17 БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрО6Ц6СЗ, БрО10Ц2 Антифрикционные чугуны В качестве антифрикционных используются чугуны (отливки) по ГОСТ 1585—. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в узлах трения со смазкой. Стандарт определяет марки антифрикционных чугунов, их химический состав, характеристики, назна­чение, форму, размер и распределение графита, диспер­сность перлита, характер распределения фосфидной эв­тектики, твердость и предельные режимы эксплуатации деталей из этих чугунов. Основой их является железо, постоянные компоненты: углерод—2,2—6,0%, кремний-0,5-4,0%, марганец-0,2-12,5%. Допускаются примеси: фосфор—от 0,1 до 1%, сера—от 0,03 до 0,2%. Марки антифрикционных чугунов, их характеристи­ки и назначение: АЧС-1—перлитный чугун, легированный хромом (0,2—0,4%) и медью (0,8—1,6%); предназначен для изготовления деталей, работающих в паре с закаленным или нормализованным валом; АЧС-2—перлитный чугун, легированный хромом (0,2—0,4%), никелем (0,2—0,4%), титаном (0,03— О ]'%) и медью (0,3—0,5%); назначение—такое же, как и чугуна марки АЧС-1; АЧС-3—перлитно-ферритный чугун, легированный титаном (до 0,3%) и медью (0,3—0,5%); детали из та­кого чугуна могут работать в паре как с «сырым», так и с термически обработанным валом; АЧС-4—перлитный чугун, легированный сурьмой (0,04—0,40%); используется для изготовления деталей, работающих в паре с закаленным или нормализован­ным валом; АЧС-5—аустенитный чугун, легированный марган­цем (7,5—12,5%) и алюминием (0,4—0,8%); из этого чугуна изготовляют детали, работающие в особо нагру­женных узлах трения в паре с закаленным или норма­лизованным валом; АЧС-6—перлитный пористый чугун, легированный свинцом (0,5—1,0%) и фосфором (0,5—1,0%); рекомен­дуется для производства деталей, работающих в узлах трения с температурой до 300°С в паре с «сырым» валом; АЧВ-1—перлитный чугун с шаровидным графитом; детали из такого чугуна могут работать в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с зака­ленным или нормализованным валом; АЧВ-2—перлитно-ферритный чугун с шаровидным графитом; изготовленные из этого чугуна детали хоро­шо работают в условиях трения с повышенными окруж­ными скоростями в паре с «сырым» валом; АЧК-1—перлитный чугун с хлопьевидным графи­том, легированный медью (1,0—1,5%); предназначен Для изготовления деталей, работающих в паре с терми­чески обработанным валом; АЧК-2—ферритно-перлитный и перлитно-ферритный чугун с хлопьевидным графитом; детали из этого чугу­на работают в паре с «сырым» валом. Буквы в обозначениях марок чугунов означают АЧ — антифрикционный чугун. С — серый чугун с пластинчатым графитом, В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом, К — ковкий чугун с хлопьевидным (компактным) графитом. Твердость отливок из антифрикционных чугунов (от 100 до 290 НВ) зависит от их состояния и условий тер­мической обработки. Предельные режимы работы дета­лей из этих чугунов в узлах трения: удельное давление (50-3000) х 104Па (5—300 кгс/см2), окружная скорость—0,3—10 м/с. Условия использования анти­фрикционных чугунов в узлах трения: тщательный мон­таж (точное сопряжение трущихся поверхностей и от­сутствие перекоса); непрерывная тщательная смазка, не допускающая искрений или значительного нагрева узла трения; повышение зазоров по сравнению с установлен­ными для бронзы до 15—30%, при значительном нагре­ве узла трения—до 50%; приработка на холостом ходу и постепенное повышение рабочих нагрузок. Углеродные (углеграфитные) антифрикционные материалы. Углеродные (углеграфитные) антифрикционные ма­териалы предназначены для изготовления деталей (под­шипников скольжения, уплотнительных устройств, поршневых колец и др.), работающих в узлах трения без смазки при температурах от —200 до +2000°С и скоростях скольжения до 100 м/с, а также в агрессив­ных средах. Свойства их зависят от химического соста­ва и способа получения: плотность—1,4—3,2 г/см3, предел прочности при сжатии —60—270 МПа (600— 2700 кгс/см2), при изгибе—22—120 МПа (220— 1200 кгс/см2), модуль упругости при сжатии—600— 1700 МПа (6000—17000 кгс/см2), твердость по Шору— 42—75, допустимая рабочая температура в окислитель­ной среде—от 180 до 450°С, в восстановительной и нейтральной средах—от 200 до 1500°С. При работе в ва­кууме и в среде осушенных газов свойства этих мате­риалов ухудшаются. К углеродным антифрикционным материалам относятся: углеродные обожженные материалы (ТУ 48-20-4-72 марок АО-1500 и АО-600 (цифра означает усилие прессования. при котором получен материал, в кгс/см2); после пропитки сплавом С05, содержащим 95% свинца и 5% олова, или баббитом Б83 этим материалам присва­иваются марки: АО-1500-С05, АО-600-С05, АО-1500-Б83 и АО-600-Б83; углеродные графитизированные материалы (ТУ 48-20-4—72) марок АГ-1500, АГ-600 и ЭГО (после про­питки сплавом С05, баббитом Б83 и бронзой БрСЗО— ДП500-С05, АГ600-С05, АГ1500-Б83, АГ600-Б83, АГ1500-БрСЗО, ЭГО-Б83); графитофторопластовые антифрикционные матери­алы марок 7В-2А (ЦМТУ 01-57—69), АФГМ (ЦМТУ 01-45—69) и АФГ-80ВС (ЦМТУ 01-46—69), состоящие из композиций на основе фтороплас.та-4 и углеродистых наполнителей; графитопластовые антифрикционные материалы ма­рок: АМС-1 (ТУ 48-20-7—72), АМС-3 (ЦМТУ 01-53—69) и АМС-5 на эпоксидно-кремнийорганической связующей основе; эти материалы предназначены для изготов­ления деталей, работающих в узлах трения при 180—200°С, а кратковременно—при температурах до 320°С; антифрикционные частично графитизированные ма­териалы (ТУ 48-01-05—71) марок НИГРАН и НИГРАН-В; в них сочетаются свойства обожженных и графитизированных материалов, подвергнутых дополни­тельной пропитке полимерными связующими; детали из этих материалов могут работать в узлах сухого трения и в агрессивных средах при температурах до 300°С. Антифрикционные твердые покрытия (твердые смазки) К антифрикционным твердым покрытиям относятся материалы, обладающие малым коэффициентом тре­ния, свойства которых не изменяются при высоких и низких температурах, при работе в вакууме, а также при воздействии агрессивных сред. Это—графит, ди­сульфид молибдена, нитрид бора, флотацианин меди, фторопласт-4 и др. В чистом виде они обладают невы­сокой износостойкостью и недостаточной прочностью, поэтому могут работать только в малонагруженных узлах трения при небольших скоростях, что обусловило ограниченное их применение. Антифрикционные твердые покрытия выпускаются в виде порошков, пластичных смазок и высыхающих композиций. Антифрикционные порошки втирают в поверхности трения. Такой способ не обеспечивает длительной работы узла трения, поэтому процесс втирания приходится повторять через определенные промежутки времени. Более эффективным является ротапринтный метод нанесения порошка. В узел трения монтируется вспомогательный валик (или шестерня), который пои постоянном контакте с трущейся поверхностью непре­рывно наносит порошок на основной вал, зубчатую пару или направляющую. Разработан также магнитодинамический метод вне­сения порошков в узлы трения при температурах до 900°С. Марки твердых антифрикционных покрытий; ВНИИ НП-209 (ТУ 38.10186—70) —антифрикцион­ное дисульфидмолибденовое покрытие на основе кремнийорганического связующего; применяется для узлов трения (скольжения) при возвратно-поступательном движении; рабочие температуры—от —70 до +850°С, в вакууме—до 900°С; ВНИИ НП-212 (ТУ 38.1.254—69)—антифрикцион­ное дисульфидмолибденовое покрытие на основе мочевиноформальдегидной смолы; предназначено для пар трения, работающих при больших удельных нагрузках и низких скоростях при температурах от —70 до + 150°С в атмосферных условиях и в вакууме; ВНИИ НП-213 (ТУ 38.10187—70)—антифрикцион­ное дисульфидмолибденовое покрытие на основе крем-нийорганического связующего; используется в узлах трения (скольжения), резьбовых парах, а также для предохранения от спекания трущихся пар; рабочие тем­пературы—от —70 до +350°С; ВНИИ НП-229 (ТУ 38.1.170—65)—антифрикцион­ное дисульфидмолибденовое покрытие на основе сили­ката натрия; предназначено для узлов трения (сколь­жения), работающих при температурах от —00 до +350°С' ВНИИ НП-230 (ТУ38.1.144—67)—антифрикцион­ное дисульфидмолибденовое радиационно стойкое по­крытие на основе эпоксидной смолы; применяется в уз­лах трения (скольжения) с ограниченным ресурсом в условиях радиационного облучения при температурах от —60 до +250°С. Антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими на­грузками и скоростями, применяются антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти матери­алы обладают небольшим коэффициентом трения, высо­кой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая (в сотни раз ниже, чем у металлов) теплопроводность, значительный (в де­сятки раз больше, чем у металлов) коэффициент терми­ческого расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами. Текстолит (ГОСТ 5—78) — слоистый пластмассовый материал, состоящий из хлопчатобумажного наполни­теля и связующей термореактивной фенолформальдегидной (крезолоальдегидной, ксиленолоальдегидной) или другой (из смеси фенольного сырья) смолы. Тек­столит служит хорошим заменителем дорогостоящих цветных металлов. Его используют при изготовлении подшипников скольжения и накладок для направляю­щих различных профилей. Как конструкционный мате­риал он применяется в самолето- и приборостроении, в автомобильной и электротехнической промышленно­сти. Текстолитовые подшипники могут работать со смазкой и без нее, их можно смачивать водой. Детали из текстолита противостоят многим активным средам: органическим растворителям, маслам, бензину, слабым кислотам. Марки текстолита: ПТК и ПТ—текстолит первого и второго сортов, предназначенный для изго­товления подшипников скольжения общего назначения; ПТМ-1, ПТМ-2—предназначен для изготовления вкла­дышей подшипников прокатных станов; ПТК-С — анти­фрикционный текстолит, имеющий плотность 1,4 г/см3 и предел прочности при сжатии 250 МПа (2500 кгс/см2); ПТГ-1-графитизированный текстолит с пределом проч­ности при сжатии 200 МПа (2000 кгс/см2) и ударной вязкостью 30 кДж/м2. Древеснослоистые пластики (ДСП) —спрессованный слоистый материал из древесного шпона, пропитанный небольшим количеством фенолформальдегидной смолы. Для изготовления дейдвудных подшипников использу­ется древеснослоистый пластик марки ДСП-А, в каче­стве конструкционных антифрикционных материалов, заменяющих цветные металлы, а также для изготовле­ния деталей, работающих в узлах трения (втулок, под­шипников, шестерен и др.), применяются пластики ма­рок ДСП-Б, ДСП-В, ДСП-Г; для изготовления лесо­пильных рам и других нагруженных деталей—ДСП-Б-м, ДСП-В-м и ДСП-Г-м. В морской воде хорошо ра­ботают дейдвудные (судовые) подшипники из древесно-текстолитового пластика Д5ТСП (ТУ 13-137—73). Этот пластик, состоящий из шпона и хлопчатобумажной тка­ни, пропитан фенольным связующим и подвергнут горя­чему прессованию. Антифрикционные резиновые подшипники, предста­вляющие собой металлические втулки (арматуру) с на­несенным на них слоем резины определенного анти­фрикционного состава, надежно работают с водяной смазкой. Они используются в качестве опор гребных валов (судовые подшипники диаметром 30—240 мм, ГОСТ 7199—77), погружных насосов, турбобуров (ГОСТ 4671—76), водяных турбин и других узлов машин, экс­плуатируемых в водной среде. По сравнению с метал­лическими и древеснослоистыми такие подшипники бо­лее износостойки. Величина их допустимых нагрузок зависит от частоты вращения вала, смазки и других условий эксплуатации узла трения. Хорошими антифрикционными свойствами обладает фторопласт-4. Однако он недостаточно прочен и износо­стоек. Более эффективно его применение в сложной комбинации с другими материалами. В узлах сухого трения без смазки при больших на­грузках и скоростях скольжения хорошо работают металлофторопластовые подшипники. Их изготовляют из стальной ленты (сталь 08кп или 10кп), покрытой с обе­их сторон слоем меди Ml или латуни Л90. На ленте спекается высокопористый бронзовый слой из сфериче­ского бронзового порошка (9—11% сурьмы). Пористый слой пропитывается путем втирания композиции, состо­ящей из 75% суспензии фторопласта-4ДВ (ТУ П-40— 59) и 25% дисульфидмолибдена. Готовая лента поставляется по ТУ 27-01-01—71. Такие подшипники рабо­тают при температурах от —200 до +280°С. Из антифрикционных биметаллических материалов и из метапластовых композиций производят стандарт­ные втулки и вкладыши. Тонкостенные вкладыши ко­ренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей изготовляют (по ГОСТ 9340—71) сталеалюминиевыми (сталь 08кп или 10, алюминиевый сплав А09-1 или А020-1), сталебронзовыми (сталь 10, бронза БрСЗО), сталебаббитовыми (сталь 10 или 15, баббит Б83, Б89), бронзобаббитовыми (бронза БрОЗЦ12С5, баббит БК-2). Вкладыши коренных и шатунных подшинников тракторов и комбайновых двигателей выпол­няют (по ГОСТ 9170—78) из сталеалюминиевых лент (сталь 08кп; алюминиевый сплав АСМ, А020-1). Вопросы для самоконтроля: Лекция № 21 Тема: Фрикционные материалы. Цель занятия: Содержание лекции Фрикционные материалы применяются в тормозах и механизмах плавной передачи вращения трением. Их основная особенность—высокий коэффициент трения. В качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной темпера­турой трения до 300°С используются тормозные тканые асбестовые ленты (ГОСТ 1198—78), Ширина лент— 13—200 мм, толщина—4—12 мм, длина—до 50 м. В зависимости от пропитки и назначения асбестовые тормозные ленты делятся на три типа: ЛАТ-Г (с масляно-смоляной пропиткой)—для мало­нагруженных тормозных механизмов различных кранов и других тормозных и фрикционных устройств, работа­ющих при давлении до 113-Ю4 Па (11,5 кгс/см2); ЛАТ-2 (с масляной пропиткой)—для тормозных механизмов тракторов, автомашин, комбайнов, работа­ющих при давлении до 490-Ю4 Па (50 кгс/см2); ЛАТ-3 (с каучуковой пропиткой) — для тормозных узлов якорно-швартовных судовых механизмов, работа­ющих при давлении до 1180-Ю4 Па (120 кгс/см2). Коэффициент трения асбестовых лент составляет: по стали—0,3—0,5, по чугуну—до 0,41; плотность—1,2— 1,65 г/см3. Для тормозных узлов, работающих при поверхност­ной температуре трения до 200°С без масла, предназначены асбестовые эластичные материалы (ГОС115960—79), выпускаемые в виде вальцованных лент трех марок: ЭМ-1—для тормозных и фрикционных узлов строи­тельно-дорожного и подъемно-транспортного оборудо­вания, прессов и других машин, работающих при дав­лении до 147-Ю4 Па (15 кгс/см2); ЭМ-2—для тормозных узлов тракторов, сельскохо­зяйственных и других машин, работающих при давле­нии до 245-Ю4 Па (25 кгс/см2); ЭМ-3—для тормозных узлов мотороллеров и мото­циклов, работающих при давлении до 79-Ю4 Па (8 кгс/см2). Эластичность лент проверяется путем их изгиба на 180° вокруг круглой оправки с диаметром, равным 40 толщинам испытуемой ленты. Плотность лент—2— 2,25 г/см3, коэффициент трения по стали — 0,4—0,44. Для узлов трения автомобилей, самолетов, тракто­ров, металлорежущих и текстильных станков, подъем­но-транспортного оборудования и тепловозов выпуска­ются фрикционные асбестовые накладки (ГОСТ 1786— 80) — формованные, прессованные, тканые, картонно-бакелитовые и спирально навитые. Они могут эксплуа­тироваться во всех климатических зонах. Стандарт пре­дусматривает 168 типоразмеров накладок. В нем приве­дены их наружные и внутренние диаметры, толщина, допустимые температуры при длительной и кратковре­менной эксплуатации, передаваемый крутящий момент, допустимая частота вращения, удельное давление. Твер­дость накладок—170—360 НВ, коэффициент трения по чугуну—0,28—0,55, линейный износ по чугуну—0,88— 0,22 мм, теплостойкость—до (167—480). Ю6 Па (17— 49 кгс/мм2)', увеличение массы в жидких средах (вода, масло) — до 1 %. Накладки обозначаются десятизначным номером, на­пример: 25 7111 5602—для демпфера руля, 25 7112 4317—для фрикциона лущильного станка, 25 7113 1164—для предохранительной муфты. Ресурс накла­док, работающих в узлах трения, достаточно высок. На­пример, для автомобилей с дизелями он составляет 6 тыс. моточасов, легковых автомобилей—125 тыс, км, грузовых автомобилей — 75 тыс. км при эксплуатации на дорогах первой категории (для дорог второй кате­гории ресурс снижается на 20%, третьей категории— на 40%). В качестве теплоизоляционного материала, а также материала для изготовления тормозных и фрикционных деталей используется асботекстолит марок А Б и Г (ГОСТ 5—78). Теплостойким фрикционным материалом является ретинакс (ГОСТ 10851—73). Он выпускается двух ма­рок: А—асбестосмоляная композиция с включениями латунной проволоки, предназначенная для работы с чу­гуном ЧНМХ при поверхностной температуре трения до 1100°С, скорости скольжения до 50 м/с и давлении до 250 • 104 Па (25 кгс/см2); плотность ретинакса марки А—2,4—2,8 г/см3, предел прочности при срезе—до 23 МПа (230 кгс/см2) и при сжатии—56 МПа ,(560 кгс/см2), твердость — 35—56 НВ; Б — асбестосмоляная композиция, предназначенная для работы с серым чугуном и легированными сталями при температурах до 700°С, скорости скольжения 10 м/с и давлении 150 • 104 Па (15 кгс/см2); ретинакс этой мар­ки выпускается с государственным Знаком качества и первой категории; свойства ретинакса марки Б со Зна­ком качества и первой категории соответственно: плот­ность—2,13 и 2,45 г/см3, предел прочности при срезе— 25,5 и 19,5 МПа (255 и 195 кгс/см2), при сжатии 71 и 57,5 МПа (710 и 575 кгс/см2), твердость—25 и 50 НВ, линейный износ при работе с чугуном марки СЧ 15 за 2ч—не более 0,16 и 0,19 мм. Коэффициент трения ретинакса существенно изменя­ется в зависимости от температуры. Наименьший коэф­фициент трения—в интервале температур от 400 до 700°С. Высокими фрикционными свойствами обладают ма­териалы, получаемые методом порошковой металлургии (металлокерамические). Они имеют высокий коэффи­циент трения, хорошую износостойкость и теплостой­кость. Такие материалы применяются в узлах трения самолетов, автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и оборудования. Наиболее рас­пространенными металлокерамическими фрикционными материалами являются: МК-5—состоит из 9% олова, 9% свинца, 4% желе­за, 7% графита, остальное—медь; применяется в гид­ротрансмиссиях автомобилей, тракторов, тепловозов и других машин; ФМК-11—15% меди, 9% графита, 3% двуокиси кремния, 6% сернокислого бария, 3% асбеста, остальное – железо. МКВ-50А—10% меди, 8% графита, 3% асбеста, 5% карбида кремния, 5% карбида бора, остальное - железо. СМК-80—23% меди, 6,5—10% марганца, 2—5% ди­сульфида молибдена, 6—12% нитрида бора, осталь­ное — железо; ФАБ—8% свинца, 7% графита, 5% железа, 11% алюминия, остальное—медь. Основные свойства этих материалов: плотность— 5—7 г/см3, предел прочности при растяжении—19,5— 98 МПа (2—10 кгс/мм2), при сжатии — 147—490 МПа (15—50 кгс/мм2), твердость—15—100 НВ, коэффициент линейного расширения при 25—500°С—10,9—22. Металлокерамические фрикционные материалы мо­гут работать в узлах сухого трения и в масле. Для ра­боты в масле ВНИИ порошковой металлургии Бело­русского политехнического института созданы металлокерамические фрикционные материалы марок М-106 (для муфт включения и муфт предельного момента) и М-140 (для гидротрансмиссий тяжело нагруженных ма­шин). Твердость этих материалов 37—49 НВ, ударная вязкость—28—50 кДж/м2 (28—50 кгс-см/см2), при на­грузке 6 МПа (60 кгс/см2) и скорости скольжения 8 м/с коэффициент трения составляет 0,06—0,12, износ на единицу мощности — 1,8—2,3 мкм см2/ (кгс м с). Вопросы для самоконтроля: