ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ h c b d k q b g o l …левой части...

ОСНОВЫМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ(металлообработка)

РекомендованоФедеральным государственным учреждением«Федеральный институт развития образования»в качестве учебника для использования в учебном процессеобразовательных учреждений, реализующих программыначального профессионального образования

Регистрационный номер рецензии 205от 28 апреля 2009 г. ФГУ «ФИРО»

8�е издание, стереотипное

УЧЕБНИК

Под редакцией В.Н.Заплатина

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ГАПОУ Свердловской области

«Уральский

политехнический

колледж

» ГАПОУ Свердловской области



колледж

»

ISBN 978-5-4468-4122-6

УДК 620.22(075.32)ББК 30.3я722

О-753

А в т о р ы:В. Н. Заплатин, Ю. И. Сапожников, А. В. Дубов, Е. М. Духнеев

Р е ц е н з е н т ы:преподаватель высшей категории ГОУ ПУ № 6, г. Москва З. Ф. Самкова;

технический директор ОАО «Кировградский завод твердых сплавов»А. В. Ульянов

© Заплатин В. Н., Сапожников Ю. И., Дубов А. В.,Духнеев Е. М., 2013

© Заплатина Т. А. (наследница Заплатина В. Н.), 2016© Образовательно-издательский центр «Академия», 2013© Оформление. Издательский центр «Академия», 2013

УДК 620.22(075.32)ББК 30.3я722

Основы материаловедения (металлообработка) : учебникдля студ. учреждений сред. проф. образования / [В. Н. Запла-тин, Ю. И. Сапожников, А. В. Дубов и др.] ; под ред. В. Н. Зап-латина. — 8-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Акаде-мия», 2017. — 272 с.

ISBN 978-5-4468-4122-6Рассмотрены металлические и неметаллические, конструкционные и

инструментальные, композиционные, горюче-смазочные и другие виды ма-териалов. Дана информация об их строении, свойствах и областях приме-нения. Особое внимание уделено вопросам снижения материалоемкостипроизводства.

Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональ-ной дисциплины «Основы материаловедения» в соответствии с ФГОССПО для профессий, связанных с металлообработкой.

К данному учебнику выпущено электронное приложение «Основыматериаловедения».

Для студентов учреждений среднего профессионального образования.

Î-753

Оригинал-макет данного издания является собственностьюИздательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом

без согласия правообладателя запрещается




колледж




колледж

»

Уважаемый читатель!

Данный учебник является частью учебно-методического комп-лекта по дисциплинам общепрофессионального цикла для техни-ческих профессий.

Учебник предназначен для изучения общепрофессиональнойдисциплины «Основы материаловедения».

Учебно-методические комплекты нового поколения включают всебя традиционные и инновационные учебные материалы, позво-ляющие обеспечить изучение общеобразовательных и общепро-фессиональных дисциплин и профессиональных модулей. Каждыйкомплект содержит учебники и учебные пособия, средства обуче-ния и контроля, необходимые для освоения общих и профессио-нальных компетенций, в том числе и с учетом требований работо-дателя.

Учебные издания дополняются электронными образовательны-ми ресурсами. Электронные ресурсы содержат теоретические ипрактические модули с интерактивными упражнениями и трена-жерами, мультимедийные объекты, ссылки на дополнительныематериалы и ресурсы в Интернете. В них включены терминологи-ческий словарь и электронный журнал, в котором фиксируютсяосновные параметры учебного процесса: время работы, результатвыполнения контрольных и практических заданий. Электронныересурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адап-тированы к различным учебным программам.




колледж




колледж

»

4

Введение

Все вещества состоят из химических элементов (водород, кис-лород, сера, фосфор, железо, медь и др.). Свойства химическихэлементов зависят от заряда атомных ядер, из которых они состо-ят. В настоящее время известно 117 химических элементов. Соеди-няясь различными связями (ионная, электрическая, ковалентная,металлическая и межмолекулярная) друг с другом, химические эле-менты образуют молекулы простых или сложных веществ, в кото-рые могут входить от двух до сотен тысяч атомов. Это предопреде-лило создание веществ с различными свойствами и характеристи-ками, получение искусственным путем материалов, которые могутбыть использованы в науке и технике.

Материалы — это вещества, полученные из сырья и служащиедля производства полуфабрикатов, производственных и строитель-ных деталей и готовых изделий (например, металлы и их сплавы,кирпич, древесина, кожа, полимеры, бумага, натуральные и хими-ческие волокна и др.). Материалы являются естественной основойпродукции. Доля стоимости материалов составляет 40 … 70 % всехзатрат на изготовление готовых изделий, а для автоматизированно-го производства достигает 80 %.

Материаловедение — наука о связях между составом, строе-нием и свойствами материалов, закономерностях их измененийвследствие физико-механических и других видов воздействий, атакже путях получения (производства) материалов, улучшения ихсвойств и эффективности использования.

Современное материаловедение как наука начало складывать-ся в ХIХ в. Основу производства стали и чугуна заложило металло-ведение. В развитии металловедения велика роль русских ученых-металлургов П. П. Аносова, Д. К. Чернова, А. А. Байкова и Н. С. Кур-накова.

Работая на уральских металлургических заводах, П. П. Аносоввпервые в мире применил для изучения структуры металлов мик-роскоп, установил зависимость свойств металлов от кристалличес-кого строения, раскрыл секрет производства булатной стали и за-ложил основы производства высококачественной стали.




колледж




колледж

»

Ученый Д.К.Чернов открыл критические температуры фазовыхпревращений железоуглеродистых сплавов, разработал теориютермической обработки сталей, исследовал и дал описание сталь-ного слитка. Кроме того, Д. К. Чернов явился основоположникомтеории кристаллизации стали при переходе из жидкого состоянияв твердое. Кристалл Чернова и в настоящее время является пред-метом исследования ученых-металлургов.

Российский ученый-металлург А. А. Байков разработал теориюметаллургических процессов и методы исследования свойств ихимического состава металлов и сплавов. Его работы «Высококаче-ственная сталь и ее характеристика», «Восстановление и окисле-ние металлов» и многие другие внесли основополагающий вклад вразвитие черной металлургии. Кроме того, А. А. Байков использо-вал специальный метод изучения строения металлов при высокойтемпературе, который до сих пор применяется при металлургичес-ких исследованиях.

Советский ученый Н. С. Курнаков является основоположникомфизико-химического анализа металлов и сплавов. Он установил за-висимость между кристаллическим строением, структурой и свой-ствами сплавов, был не только теоретиком, но и организаторомметаллургических (алюминий, магний) производств в России. Фи-зико-химическая теория исследования металлов и сплавов, разра-ботанная Н. С. Курнаковым, в настоящее время широко применя-ется в металлографических лабораториях.

Наряду с российскими учеными вклад в развитие материаловеде-ния внесли Р.О.Аустен и Г.К.Сорби (Англия), А.Мартенс (Германия),Л.Ж.Труст (Франция), Ю.А.Бринелль (Швеция), С.П.Роквелл (США)и др. Благодаря их исследованиям были систематизированы сведе-ния о различных конструкционных материалах, применяемых вовсех отраслях промышленного производства и строительства.

При механической обработке квалифицированный рабочийдолжен знать марку и механические свойства применяемого мате-риала, уметь выбирать материал режущего инструмента, опреде-лять режимы резания. При научном подходе к выбору режимоврезания с учетом свойств обрабатываемого материала при высо-кой производительности можно получить высококачественнуюдеталь, а незнание этих данных приведет к низкому качеству,преждевременной поломке или выходу из строя режущего инстру-мента. Поэтому токари, слесари, фрезеровщики должны знать всеконструкционные материалы, применяемые не только в токарно-винторезном станке, но и в другом металлообрабатывающем и об-служиваемом ими оборудовании.




колледж




колледж

»

6

Глава 1

ПОНЯТИЕ О МЕТАЛЛИЧЕСКИХМАТЕРИАЛАХ

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯМЕТАЛЛОВ

Определение металлов можно дать с позиций химии, физики итехники.

В химии металлы — это химические элементы, находящиеся влевой части периодической системы элементов Д. И. Менделеева,которые обладают особым механизмом взаимодействия валентныхэлектронов (ионов) с ядром как в самих металлах, так и при вступ-лении в химические реакции с другими элементами, в том числе сметаллами.

Физика характеризует металлы как твердые тела, обладающиецветом, блеском, способностью к плавкости (расплавлению) и зат-вердеванию (кристаллизации), тепло- и электропроводностью, маг-нитными и другими свойствами.

В технике металлы — это конструкционные материалы, обладаю-щие высокой обрабатываемостью (ковкостью, штампуемостью,обрабатываемостью резанием, паяемостью, свариваемостью и др.),прочностью, твердостью, ударной вязкостью и рядом других ценныхсвойств, благодаря которым они находят широкое применение.

Русский ученый М. В. Ломоносов (1711 — 1765), исследуя метал-лы и неметаллы в своем труде «Первые основания металлургии илирудных дел», дал металлам определение: «Металлом называетсясветлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим толькошесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец». Это опре-деление М. В. Ломоносов дал в 1773 г., когда известны были толькошесть металлов.

Из металлов, добываемых из недр земли, получают большуюгруппу конструкционных материалов, применяемых в различныхотраслях промышленности. В природе одни металлы встречаютсяв чистом, самородном виде, другие — в виде оксидов (соединений




колледж




колледж

»

7

металла с кислородом), нитридов и сульфидов, из которых состо-ят различные руды этих металлов.

Самыми распространенными металлами, применяемыми в каче-стве конструкционных материалов, являются железо, алюминий,медь и сплавы на основе этих металлов.

К металлам относятся более 80 элементов периодической систе-мы Менделеева. Все эти металлы подразделяются на две большиегруппы: черные металлы и цветные металлы.

Характерными признаками черных металлов являются темно-се-рый цвет, блеск, высокие плотность и температура плавления, твер-дость, прочность, вязкость и полиморфизм (аллотропия). По физико-химическим свойствам черные металлы подразделяют на пять групп:

железистые (железо, кобальт, никель, марганец);тугоплавкие (вольфрам, рений, тантал, молибден, нио-бий, ванадий, хром, титан и др.);урановые — актиниды (уран, торий, плутоний и др.);редкоземельные — лантаниды (лантан, церий, иттрий,скандий и др.);щелочно-земельные (литий, натрий, калий, кальций и др.).

Из этих пяти групп черных металлов особенно широкое приме-нение в промышленном производстве находят железистые и туго-плавкие металлы.

Железистые металлы, кроме марганца, называют еще ферро-магнетиками. Ферромагнетики способны намагничиваться и при-тягивать металлы своей группы.

К тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуруплавления выше температуры плавления железа (1 539 °С): титан —1 667 °С, ванадий — 1 902 °С, хром — 1 903 °С, молибден — 2 615 °С,ниобий — 2 460 °С, тантал — 2 980 °С, вольфрам — 3 410 °С. Туго-плавкие металлы в основном применяются как легирующие эле-менты в производстве жаропрочных, жаростойких, теплостойкихи специальных сплавов, в том числе твердых сплавов и высоколе-гированных сталей.

1.2. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Атомно-кристаллическая структура металлов. Как известно,все вещества состоят из атомов, в том числе и металлы. Каждыйметалл (химический элемент) может находиться в газообразном,




колледж




колледж

»

8

Рис. 1.1. Схема расположения элементарных геометрических ячеекв атомных решетках металлов и сплавов

жидком или твердом агрегатных состояниях. Каждое агрегатноесостояние будет иметь свои особенности, отличные друг от друга.В газообразном металле расстояние между атомами велико, силывзаимодействия малы и атомы хаотично перемещаются в про-странстве; газ стремится к расширению в сторону большего объе-ма. При понижении температуры и давления вещество переходитв жидкое состояние. Свойства жидкого вещества резко отличают-ся от свойств газообразного. В жидком металле атомы сохраняютлишь так называемый ближний порядок атомов, т. е. в объеме рас-положено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема.При понижении температуры жидкий металл переходит в твердоесостояние, которое имеет строгую закономерность расположенияатомов.

Если условно провести вертикальные и горизонтальные линиисвязи через центры атомов, можно увидеть, что у металлов в твер-дом состоянии атомы расположены в строго определенном по-рядке и представляют собой множество раз повторяющиеся эле-ментарные геометрические фигуры — параллелепипеды (рис. 1.1).

Наименьшую геометрическую фигуру называют элементарнойячейкой. Элементарные ячейки, расположенные на горизонталь-ных и вертикальных кристаллографических плоскостях (рис. 1.2),образуют пространственную кристаллическую решетку.




колледж




колледж

»

9

Элементарные кристаллические решетки характеризуют сле-дующие основные параметры: расстояние между атомами поосям координат (по линиям связи), углы между линиями связи,координационное число — число атомов, находящихся на наибо-лее близком и равном расстоянии от любого атома в решетке.Форму элементарной ячейки рассматривают по кристаллографи-ческим плоскостям в трех измерениях.

Таким образом, любой металл можно представить не как одно-родную цельную массу, а как массу, сложенную из множестваэлементарных ячеек. Блок элементарных атомных кристалличес-ких ячеек образует атомно-кристаллическую ячейку (решетку).Если выделить эту элементарную ячейку, то в зависимости отметалла получим следующие типы кристаллических ячеек (рис.1.3): куб (К), объемно-центрированный куб (ОЦК), гранецентри-рованный куб (ГЦК), гексагональная плотноупакованная ячейка(ГПУ), гексагональная простая ячейка (Г) и др.

Простая кубическая ячейка (рис. 1.3, а) характерна для неме-таллов, которые обладают наибольшими плотностью и удельнымвесом, и имеет восемь атомов, которые расположены в каждойвершине куба.

Объемно-центрированная кубическая ячейка (рис. 1.3, б ) со-стоит из восьми атомов, которые расположены по одному атому вкаждой вершине куба, и одного, находящегося в центре куба наравных расстояниях от его граней. Эту форму атомной кристал-лической ячейки имеют железо модификации Fe-α, ванадий, воль-фрам, молибден, тантал и хром, т. е. в основном черные металлы.

Рис. 1.2. Расположение кристаллографических плоскостей:1 и 2 — соответственно горизонтальная и вертикальная кристаллографиче�ские плоскости




колледж




колледж

»

10

Гранецентрированная кубическая ячейка (рис. 1.3, в) имеет 14атомов — по одному атому в каждой вершине куба (восемь атомов)и по одному атому в центре каждой грани (шесть атомов). Гранецен-трированную кубическую ячейку имеют алюминий, железо модифи-кации Fe-γ, золото, кобальт, медь, никель, платина и серебро, в основ-ном это цветные металлы и часть черных металлов.

Гексагональная плотноупакованная ячейка (рис. 1.3, г) состоитиз 17 атомов. Форма геометрического тела, которую образуют этиатомы, является шестигранной призмой. При этом по шесть атомоврасположены в каждой вершине верхнего и нижнего оснований, поодному атому в центре этих оснований и три атома в центре одной ихтрех граней (через грань). Гексагональную плотноупакованную ячей-ку имеют бериллий, кадмий, магний, ванадий, тантал.

Простая гексагональная ячейка (рис. 1.3, д) состоит из 12 ато-мов, которые расположены в вершинах верхнего и нижнего осно-

Рис. 1.3. Геометрические формы элементарных кристаллических ячеек:а — куб; б — объемно�центрированный куб; в — гранецентрированный куб; г —гексагональная плотноупакованная ячейка; д — гексагональная простая ячейка




колледж




колледж

»

11

ваний шестигранной призмы. Такую кристаллическую ячейку име-ют ртуть и цинк.

Связь между атомами в кристаллической решетке и между ре-шетками осуществляется за счет так называемой металлическойсвязи. От прочности этой связи зависят прочность и твердость ме-таллов. Чем выше эта связь, тем бо́льшую прочность и твердостьимеют металлы. Механизм связи между атомами в решетке и меж-ду решетками имеет сложную физико-химическую природу.

В практике идеальное расположение кристаллических решетокобычно не наблюдается. Кристаллы, образуемые кристаллически-ми решетками, имеют искаженную геометрическую форму и раз-личную величину.

Анизотропия металлов. Анизотропия (от гр. anisos — неравныйи tropos — направление) — неодинаковость физических свойствсреды (тела) в различных направлениях. Анизотропия предполага-ет зависимость свойств металлов от направления по плоскостяматомно-кристаллических решеток. Чем больше в плоскости атомов,тем выше свойства металлов. В горизонтальных плоскостях в лю-бой форме атомно-кристаллических решеток больше, чем в верти-кальных плоскостях. Следовательно, прочность металлов, испытан-ная в горизонтальном направлении, выше, чем в вертикальном.Анизотропия проявляется в процессе обработки конструкционныхматериалов давлением (проката, волочения, штамповки и другихтехнологических способов получения заготовок и изделий).

На рис. 1.2 кристаллографические плоскости совпадают слиниями связи, проходящими через атомы металла. Форма элемен-тарной кристаллической ячейки, расстояние между атомами ипрочность металлической связи определяют физические, механи-ческие и технологические свойства металлов. Если исследуемыйметалл рассматривать по трем кристаллографическими плоско-стям, по линиям связи между атомами, то можно заметить, чтосвойства по этим трем измерениям будут различны. Число атомовв этих плоскостях неодинаково. Металлическая связь между гори-зонтально и вертикально расположенными атомами также неоди-накова. Это, в свою очередь, приводит к различной прочности ме-таллов в продольном и поперечном направлениях. Например, пре-дел прочности меди в продольном направлении будет в 2 раза боль-ше, чем в поперечном.

Все металлы анизотропны, так как они состоят из кристаллов.Кристаллическое строение металлов обусловливает пластическуюдеформацию, т. е. изменение внешней формы и размеров под дей-ствием нагрузок без разрушения. Способность металлов и сплавов




колледж




колледж

»

12

пластически деформироваться положена в основу их обработкидавлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка и прессование).При обработке давлением, например прокатке (рис. 1.4, а), проис-ходит перемещение одного слоя атомных решеток по другому покристаллографическим плоскостям (рис. 1.4, б).

В процессе деформации металла при прокатке происходит нетолько изменение поперечных и продольных размеров заготовок,но и изменение микроструктуры металла.

Зерна под действием давления прокатных валков искажаются,приобретая продолговатую или пластинчатую форму, а затем пре-образуются в волокна. Изменение микроструктуры металла в про-цессе деформации условно показано на рис. 1.5.

Процесс кристаллизации. Рассмотрим, как происходит образо-вание кристаллов у чистых металлов. Установлено, что процесскристаллизации металлов из жидкого состояния в твердое идет вдве стадии:

образование центров кристаллизации;рост кристаллов вокруг этих центров (рис. 1.6).

Далее вновь появляются новые центры, и происходит росттвердой фазы вокруг первичных и вторичных центров. Процесс

Рис. 1.4. Схема деформации металлов и сплавов (прокатка):а — деформация; б — скольжение металлов по кристаллографическим плоско�стям в процессе деформации; 1 — кристаллографические плоскости

Рис. 1.5. Изменение микроструктуры металла в процессе деформации:а — микроструктура металла до деформации; б — микроструктура металлапосле первой операции деформации; в — микроструктура металла после окон�чательной деформации




колледж




колледж

»

13

происходит до того момента, пока образованные таким образомкристаллы не будут соприкасаться друг с другом и не будет нали-чия жидкой фазы металла (см. рис. 1.6, г — е). Когда образованиекристалла идет в жидкой фазе (в расплавленном металле), он бу-дет иметь правильную форму, т. е. состоять из определенных гео-метрических фигур правильной формы. Когда кристаллы начина-ют соприкасаться друг с другом, а процесс затвердевания еще незакончен, тогда происходят искажения формы зерен. В практи-ке замечено, что когда идет быстрое охлаждение, образуютсямелкие зерна — мелкозернистая структура. При медленном ох-лаждении появление новых центров кристаллизации замедляет-ся, но происходит рост зерна вокруг первичных центров кристал-лизации. В этом случае металл будет иметь крупнозернистуюструктуру.

Процесс образования кристаллов в жидком состоянии и пере-хода металла в твердое состояние называется первичной кристал-лизацией. Величина и форма зерна влияет на механические свой-ства металлов. Чем зерна мельче и чем правильнее их форма, тембо́льшую твердость и прочность будет иметь металл. Чем зернабольше и чем искаженнее их форма, тем ниже твердость и проч-ность металла.

Рис. 1.6. Процесс кристаллизации металлов и сплавов:а — е — последовательные этапы процесса




колледж




колледж

»

14

Аллотропия металлов. Такие металлы, как железо, кобальт, ни-кель и др., обладают способностью изменять кристаллическую ре-шетку при нагревании в твердом состоянии. Процесс изменениякристаллических решеток в твердом состоянии называется вторич-ной кристаллизацией, или аллотропией, а состояние вещества (ме-талла) при наличии нескольких кристаллических решеток при из-менении параметров (давления, температуры) — аллотропически-ми модификациями, или полиморфизмом. Такие металлы, как же-лезо, молибден, вольфрам, литий в твердом состоянии при нор-мальной температуре имеют объемно-центрированную кубичес-кую ячейку; алюминий, медь, серебро в твердом состоянии принормальной температуре имеют форму гранецентрированной ку-бической ячейки.

На рис. 1.7 представлены кривые нагрева и охлаждения метал-ла (на примере марганца). Аллотропные состояния (модификации),имеющие те или иные кубические ячейки, обозначаются гречески-ми буквами. Первоначальное аллотропное состояние при нормаль-ной температуре обозначается буквой α, при дальнейших повыше-нии температуры и перекристаллизации металла — буквами β, γ, δи т. д. При охлаждении металлов и сплавов процесс аллотропногопревращения происходит в обратном порядке, как правило при техже температурах.

Перестройка атомных ячеек, а вместе с ними атомных решетокпроисходит всегда при каких-либо постоянных температурах. Эти

Рис. 1.7. Кривые нагрева (а) и охлаждения (б) марганца:t — температура; τ — время




колледж




колледж

»

15

температуры получили название критических температур. На ди-аграммах (графиках) критические температуры обозначаются со-ответствующими точками, которые называются критическими точ-ками. При образовании новой кристаллической решетки происхо-дит изменение свойств металлов.

Знание критических точек у различных металлов имеет боль-шое практическое значение. При охлаждении металла аллотроп-ные изменения происходят при более низкой температуре, чемпри нагревании. Аллотропные изменения некоторых металлов рас-смотрены в табл. 1.1.

Явление аллотропного превращения основано на устойчивомсостоянии кристаллических решеток при определенных тем-пературах (интервале температур). Новые аллотропные состоя-ния образуются при зарождении центров кристаллизации и даль-нейшем росте этих центров (кристаллов), как это имеет место припереходе металлов из жидкого состояния в твердое. Большинствоцветных металлов аллотропными свойствами не обладают.

воллатемхыротокеняипортоллА.1.1ацилбаТ

ллатеМ яанпортоллАамроф

лавретнИхиксечитирк

рутарепметоговичйотсу(С°,)яиняотсос

амроФхиксечиллатсирк)кеечя(котешер

)oC(тьлабоK ab

054оД54 …0 1 084

яаньланогаскеГ-ориртнеценарГ

яаннав

)nM(ценаграМ a

b

g

d

007оД

07 …0 1 970

1 70 …9 1 341

1 41 …3 1 442

яанжолсяаксечибуKяаннаргогонм

яанжолсяаксечибуKяаннаргогонм

яаньланогартеТяаннавориртнецнарг

яаксечибуK-ориртнец-онмеъбо

яаннав

)iT(натиТ gb

288оД88 …2 1 066

яаньланогаскеГяаксечибуK

-ориртнец-онмеъбояаннав




колледж




колледж

»

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется металлами?2. Какими характерными свойствами обладают металлы?3. На какие две основные группы подразделяют металлы? Назо�

вите их отличительные особенности.4. На какие группы подразделяют черные металлы? Дайте их ха�

рактеристику.5. Какие черные металлы входят в железистую и тугоплавкую

группы? Где применяются эти металлы?6. Какова природа кристаллического строения металлов?7. Перечислите и охарактеризуйте виды кристаллических ячеек

металлов.8. Дайте определение анизотропии металла.9. Как происходит кристаллизация металлов?

10. Раскройте процесс образования кристаллов.11. Что такое аллотропия металлов?12. Какова аллотропия марганца?




колледж




колледж

»

17

Глава 2

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.МЕТОДЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ

2.1. ГРУППЫ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ(КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ)

Чтобы правильно выбрать марку конструкционного материала,режимы обработки заготовок, квалифицированный рабочий дол-жен знать основные свойства металлов (конструкционных матери-алов) и их сплавов.

Все свойства конструкционных материалов подразделяются наследующие группы: физические, химические, механические, тех-нологические и эксплуатационные (рис. 2.1).

2.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВИ СПЛАВОВ

Физические свойства — свойства конструкционных материа-лов, которые определяют состояние вещества при определенныхусловиях (нормальной или повышенной температуре, нагреваниидо жидкого и охлаждении до кристаллического состояния), поведе-ние в электрическом или магнитном поле, при пропускании элек-трического тока или теплоты и т. д.

К физическим свойствам относятся цвет, плотность, плавкость(температура плавления), кристаллизация (температура затвер-девания), линейное и объемное расширение при нагревании,электро- и теплопроводность, теплоемкость, способность намаг-ничиваться и др.

Физические свойства имеют различные единицы измерения,которые дают сравнительную характеристику конструкционныхматериалов. Знание физических свойств металлов и их сплавовдает возможность научно обосновывать выбор технологии обра-ботки и условия эксплуатации.




колледж




колледж

»

18

Рис. 2.1. Классификация свойств металлов и сплавов




колледж




колледж

»

19

Физические характеристики в производственных условиях(конструирование, технология, экспериментирование и эксплуа-тация) являются основными показателями, определяющими кон-кретное применение различных конструкционных материалов вовсех отраслях науки и техники.

2.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВИ СПЛАВОВ

Общие характеристики. В материаловедении под химическимисвойствами понимают характер взаимодействия атомов металловс другими металлами или неметаллами в процессе кристаллизации(затвердевания). В зависимости от механизма взаимодействия ато-мов соединяемых веществ образуются различные химическиеструктуры (сплавы).

Рассмотрим химические свойства не с точки зрения механиз-ма взаимодействия атомов соединяемых веществ, а с точки зре-ния механизма активности или инертности к внешней среде,взаимодействия с этой средой свободных поверхностей деталей,механизмов, машин и различных сооружений. Благодаря взаимо-действию с внешней средой на свободных поверхностях конст-рукционных материалов происходят изменения химического со-става. Эти изменения проявляются в различных формах в зависи-мости от степени активности материалов. Наиболее активно хи-мическое взаимодействие происходит с кислородом и водой(происходит окисление). При этом железо покрывается толстымкоричневым слоем коррозии (ржавчины), медь — зеленым нале-том, алюминий — серой пленкой, свинец быстро тускнеет и т. д.

При нагревании железо и железоуглеродистые сплавы активноокисляются, превращаясь в окалину. Особенно это происходит всреде каких-нибудь газов. При активном образовании окалины приповышенной температуре уменьшается объем и масса металла.Этот процесс называется угаром металла. Из-за низкой химичес-кой стойкости некоторых конструкционных материалов (сталей,чугунов) особенно активно идет химическое изменение или разру-шение и окисление поверхности деталей в таких средах, как воз-дух, морская вода, кислоты, щелочи и др.

Коррозия металлов. Коррозия (от лат. corrosio — разъеда-ние) — это разрушение поверхностного слоя металлов под воз-действием окружающей среды (рабочего тела). В процессе корро-зии происходит потускнение поверхности, разъедание, травление




колледж




колледж

»

20

и разрушение металла. Эти процессы ограничивают применениеметаллов.

Разрушение поверхности металла коррозией может быть вызва-но несколькими причинами: искаженной формой атомно-кристал-лической структуры, химической неоднородностью (ликвацией), ос-таточными напряжениями, окружающими физическими условиямии другими многочисленными факторами. Скорость процесса корро-зии можно уменьшить или вообще приостановить, если точно опре-делить ее природу, меняя физические условия работы деталей и ме-ханизмов или химический состав металла, его структуру.

В зависимости от рабочей среды, в которой постоянно находят-ся детали, механизмы и конструкции из металлов и их сплавов,процессы коррозии подразделяются:

на газовую коррозию (в сухих газах);атмосферную коррозию (в условиях открытой атмосфе-ры, влажного естественного воздуха);коррозию в жидких растворах (воде, электролитах, не-электролитах, нефти и нефтепродуктах);почвенную коррозию.

Коррозионные разрушения металлов и сплавов бывают следу-ющих видов (рис. 2.2):

общая, или сплошная, коррозия поверхности металлов;язвенная коррозия;структурно-избирательная коррозия;межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия;местная коррозия;коррозия под напряжением;

Рис. 2.2. Виды коррозионных разрушений металлов и сплавов:а — сплошная равномерная коррозия; б — сплошная неравномерная коррозия;в — язвенная коррозия; г — подповерхностная коррозия; д — избирательнаякоррозия; е — межкристаллитная коррозия




колледж




колледж

»

21

щелевая коррозия;биокоррозия.

Все виды коррозии, изображенные на рис. 2.2, характерны тем,что в конструкциях происходит постепенное разрушение поверх-ности металла. В одних случаях это скрытое коррозионное разру-шение, в других открытое. В зависимости от структуры сплава,химической прочности зерен и правильной или искаженной атом-ной кристаллической решетки, а также неоднородности по хими-ческому составу (ликвации) кислород избирательно взаимодей-ствует с металлом. Практика показывает, что структуры твердыхрастворов (аустенит) и химических соединений (карбид) обладаютболее высокой коррозионной стойкостью, чем структура механи-ческих смесей и структура твердого раствора феррита. Особенноопасными являются подповерхностная, язвенная и межкристал-литная коррозия. Эти виды коррозии разрушают металл, что мо-жет привести к поломке деталей (конструкций).

По механизму воздействия на металл коррозия подразделяетсяна химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит под воздействием на повер-хность металлов и сплавов сухого воздуха, газов, жидкостей, невзаимодействующих с электрическим током, различных нефтепро-дуктов и расплавленных солей. В результате воздействия перечис-ленных факторов поверхность металла покрывается тонкой оксид-ной пленкой. У некоторых металлов оксидная пленка плотная ипрочная и при нормальных условиях препятствует дальнейшемураспространению коррозии. Такие защитные оксидные пленки на-зываются природными.

Под действием высоких температур оксидная пленка теряет за-щитные свойства, металл угорает и мелкие детали могут полностьюразрушиться. Так как химическая коррозия проникает по грани-цам зерен на большую глубину и разъедает эти зерна, изменяякристаллографическую структуру металла, то с течением времениоксидная пленка увеличивается, трескается и отслаивается. Сталь-ные и чугунные детали покрываются ржавчиной. Ежегодно толщи-на ее увеличивается. Стальные детали под воздействием сухой ат-мосферы со временем полностью могут разрушиться.

У таких металлов, как алюминий, свинец, никель, хром и др., вобычных атмосферных условиях оксидная пленка тонкая, плотнаяи прочная, и атомы кислорода не могут через пленку диффундиро-вать. Такими свойствами обладает железо как основной составнойэлемент в сталях и чугунах. Эти сплавы первоначально имеютплотную оксидную пленку, но с низкой прочностью, поэтому она




колледж




колледж

»

22

быстро растрескивается под действием механических колебаний,смены температур, нагрева и охлаждения и отслаивается. В связис этим стали и чугуны активно коррозируют в любых условиях.Следствием этого является большая естественная убыль различныхстальных конструкций и сооружений, станков, машин и механиз-мов. Для их восстановления требуются миллионы тонн вновь вы-плавленных конструкционных материалов — сталей и чугунов.

Электрохимическая коррозия — это образование множествамельчайших гальванических элементов (пар) под действием тока,при котором происходят движение электронов металла в электро-лит и разрушение этого металла.

Сущность электрохимической коррозии металлов заключаетсяв том, что она протекает в различных жидкостях, проводящихэлектрический ток. В обычных условиях вода впитывает из атмо-сферы различные соли с образованием слабых электролитов. Меж-ду металлом и электролитами образуется электрическая пара (галь-ванический элемент). Под ее воздействием происходит медленноепостоянное разрушение (коррозия) металла. При этом атомы, на-ходящиеся в узлах кристаллических решеток металла (конструк-ций и сооружений), вступая в контакт с жидким раствором (элек-тролитом), переходят в этот раствор, образуя коррозию. Электро-химической коррозии подвергаются все металлические конструк-ции, сооружения, машины, находящиеся под открытым небом, таккак они постоянно взаимодействуют с влагой (водой), а также ме-таллы, находящиеся в почве (трубопроводы, опоры линий электро-передачи, мосты и т. д).

Методы защиты металлов от коррозии. В практике разработа-ны различные эффективные методы защиты металлов от корро-зии, которые широко применяются в различных отраслях промыш-ленности и строительстве.

Неметаллические покрытия являются наилучшей временнойзащитой изделий машиностроения от коррозии. Как правило, вэтом случае применяют густые консервационные материалы: за-щитные масла и смазки. Защитные смазки для изделий в машино-строении применяют для транспортировки и хранения, а также дляконсервации.

Использование защитных смазок сводится к временной изоля-ции металла от коррозионной среды. Защитить металлические по-верхности изделий от коррозии маслами и смазками полностью неудается. В процессе транспортировки и временного хранения изде-лия обертывают в промасленную или пропарафинированную бума-гу для изоляции от влажного воздуха, атмосферных осадков и т. д.




колледж




колледж

»

23

Для повышения антикоррозионной защиты металлических по-верхностей изделий в масла и смазки вводят ингибиторы, которыеподавляют, нейтрализуют или временно замедляют процесс корро-зии. Применение смазок и масел предохраняет металлические по-верхности машинной техники, используемой сезонно (машинысельскохозяйственного назначения, военная и аварийная техника),и запасных частей к ней. Для защиты металлических поверхностейприменяют смазку ГОИ-54, вазелин, кремний органический, вазе-лин технический, органический и др.

Лакокрасочные покрытия и фенолформальдегидные смолы изо-лируют металл от контакта с рабочей средой, увеличивают элект-рическое сопротивление, защищая металл от химического и элек-трохимического воздействия. Эти покрытия должны обладатьбольшой механической прочностью, газо- и водонепроницаемос-тью. Лакокрасочными покрытиями предохраняют от коррозии по-чти все сооружения, эксплуатируемые в атмосфере, а также стан-ки, трубопроводы, батареи отопления и т. д. Различные трубопро-воды, контактирующие с агрессивной средой, покрывают смолами.В отдельных случаях используют покрытия пластмассами.

Металлические покрытия также защищают металлы от кор-розии. Одним из способов получения многослойных антикоррози-онных покрытий является плакирование. Этот вид покрытий зак-лючается в прокатке листов (труб), лент и других изделий с метал-лами, устойчивыми к коррозии. В качестве металлов, предохраня-ющих от коррозии, применяют медь, алюминий, хром и тонкие ли-сты коррозионно-стойкой стали. Получаемый в процессе прокататонкий наружный слой металла (с одной или двух сторон) устойчивк химической и электрохимической коррозии.

Другой способ получения многослойного металлического по-крытия — лужение (окунание в жидкий расплавленный металл)медью, оловом, цинком и др.

В практике широко применяется производство листов, ленты,проволоки и другой продукции в виде луженых, хромированных,оцинкованных, алитированных и других видов проката, а такжепроизводство труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием идругими металлами (сталь — медь, сталь — латунь, сталь — бронза,сталь — никель и др.). К этому типу покрытий относится также ме-таллизация поверхности стальных деталей и заготовок методом на-пыления расплавленного антикоррозионного металла с помощьюпистолета или электрической дуги (плазменное покрытие).

К разновидностям многослойных металлических покрытий от-носятся также гальванические покрытия. При гальванических по-




колледж




колледж

»

24

крытиях изделия основного металла, соединенного с отрицатель-ным потенциалом, опускают в электролит, содержащий соли кор-розионно-стойкого металла (медь, цинк, хром, никель и др.) илипластины из чистого металла. Эти пластины (или электролиты) за-ряжаются положительным потенциалом. Под действием разностипотенциалов в электролит (пластины металла) выпадают электро-ны, которые оседают на основном (покрываемом) металле, предох-раняя его от коррозии. Достоинством гальванических покрытийявляется равномерное образование на поверхности деталей корро-зионно-стойкого металла — металла покрытия. Этим методом про-изводят меднение, хромирование, цинкование, никелирование, се-ребрение, золочение и др.

К разновидности металлических антикоррозионных покрытийотносятся также диффузионные покрытия — насыщение защища-емых поверхностей на небольшую глубину коррозионно-стойкимиметаллами: хромом, алюминием, серой и другими элементами. Этотметод получил название химико-термической обработки (ХТО).

Легирование — один из наиболее эффективных методов полу-чения коррозионно-стойких конструкционных материалов. Прилегировании в конструкционные материалы в процессе плавки до-бавляются коррозионно-стойкие металлы и неметаллы. Легирую-щие элементы, составляющие сплав, образуют на поверхностяхконструкционных материалов прочные и плотные оксидные плен-ки, предохраняющие металлы от коррозии, или образуют с желе-зом структуру аустенита, который обладает высокой стойкостью ккоррозии. В практике в качестве коррозионно-стойких конструк-ционных материалов выпускают хромистые, хромоникелевые, хро-моникелевые с титаном и другие легированные стали и сплавы.

Химические покрытия нашли широкое применение в машино-строении. Сущность химических покрытий заключается в образо-вании на поверхности деталей пленки, состоящей из металла дета-ли и присадочного материала.

В машиностроении применяются следующие виды химическихпокрытий: воронение, оксидирование и фосфатирование.

Воронение заключается в нагреве детали до температуры270 … 290 °С и протирании ее минеральным маслом. Разновидно-стью воронения является нагрев деталей до температуры 450 …550 °С и неоднократное опускание их в минеральное масло. Послекаждого съема детали тщательно насухо протирают.

В процессе воронения на поверхности деталей образуется плен-ка, состоящая из солей железа темно-синего или черного цвета.В связи с тем что пленка солей железа, образуемая при воронении,




колледж




колледж

»

25

плотная и прочная, она не пропускает атомы кислорода и воды, пред-охраняя поверхность деталей от коррозионного разрушения.

Оксидирование заключается в кипячении деталей в водном раст-воре селитры, едкого натра или пероксида марганца. На поверхно-сти деталей, также как и при воронении, образуется прочная, плот-ная пленка синего или черного цвета, из магнитного оксида железа(Fе3O4), предохраняющая детали от коррозии.

Фосфатирование заключается в обработке деталей в смеси фос-форной кислоты и железистых и марганцевых солей. При этом наповерхности деталей образуется пленка, состоящая из фосфатажелеза и фосфата марганца. Пленка не растворяется в воде, непропускает кислород, механически прочная и надежно защищаетдетали от коррозии. Цвет детали — черный.

Протекторная защита — это наиболее эффективный методзащиты сооружений из стали и чугуна (мосты, нефтепроводы, га-зопроводы, теплосистемы и другие объекты, имеющие важное на-родно-хозяйственное значение), для которых применение перечи-сленных методов защиты от коррозии невозможно из-за их высо-кой стоимости или больших габаритных размеров этих сооруже-ний. Сущность этого метода заключается в том, что металлическаяконструкция (котел) подключается в сеть постоянного тока (бата-рея) к отрицательному потенциалу — катоду. Рядом с металличе-ским сооружением на глубину промерзания в водоносные слои по-мещается пластина активного металла (цинк, свинец, магний и др.).Эта пластина соединяется с положительным потенциалом — ано-дом. Под действием ЭДС электроны катода (пластины, соединеннойс отрицательным потенциалом) переходят к аноду. Пластины, разру-шаясь, предохраняют основной металл от разрушения.

Центральный научно-исследовательский институт конструкци-онных материалов «Прометей» разработал и предложил большуюсерию протекторных сплавов и конструкций протекторов, которыеуспешно применяются в судостроении, нефтедобывающей, нефтя-ной, газовой промышленности, машиностроении и коммунальномхозяйстве.

В настоящее время Богословский алюминиевый завод (Сверд-ловская область) освоил выпуск алюминиевых сплавов, которыепредназначены для производства протекторов широкого диапазо-на (марки АП-1, АП-2, АП-3 и др.). Из этих сплавов выпускают про-текторы различных типов и конструкций: П-КОА-10, П-КОА-3(одинарные), П-ККА-13, П-ПОА-10 (конечные), П-КЛА-15 (линей-ные). Выпуск протекторов различных конструкций и назначенийпредусматривают ГОСТ 26251—84* и ТУ 48-0102-113/0—90.




колледж




колледж

»

26

Протекторы характеризуются следующими параметрами: срокслужбы от 1 до 50 лет; зона защитного действия от 1 до 300 м2.Срок службы зависит от массы протектора. На основании прове-денных исследований электрохимических характеристик алюми-ниевых протекторов в пластовых и подтоварных водах для нефте-газовых устройств разработана система протекторной защиты откоррозии на срок службы не менее 10 лет при диаметре трубопро-водов не менее 320 мм (система ПАКР). Эта система предназначе-на для протекторной защиты внутренних поверхностей резервуа-ров внутренних систем от электрохимической коррозии при лю-бом уровне жидкой фазы.

Система состоит из протяженного гальванического анода — про-тектора, составленного из отдельных стержней, соединенных междусобой электросваркой. Анод (протектор) размещается на днище ре-зервуара. При уровне воды более 2 м стержни размещаются верти-кально. Скорость анодного растворения не более 4 кг анодов в год.Срок службы не менее 5 лет. Степень защиты не менее 95 %.

Схема протекторной защиты металлов от коррозии представле-на на рис. 2.3.

Контроль коррозионных разрушений. С целью определенияобъема коррозионных разрушений изделий из металла проводятразличные испытания:

лабораторные — в искусственных условиях;в природных условиях — в почве, атмосфере, пресныхводоемах и море;эксплуатационные — в естественных условиях работысооружений, машин, трубопроводов и т. д.;ускоренные — имитация естественных условий работыпри условии ускорения во времени.

Оценку коррозионных разрушений осуществляют определе-нием потери массы металла или по толщине разрушенного ме-талла.

Рис. 2.3. Протекторная защита металли�ческих конструкций и сооружений:1 — защищаемая металлическая конструкция(катод); 2 — пластина активно коррозирующе�го металла (анод); 3 — источник ЭДС (бата�рея постоянного тока)




колледж




колледж

»

27

По коррозионной стойкости металлы классифицируют в соот-ветствии с действующими стандартами по десятибалльной шкале игруппам стойкости (табл. 2.1).

Оценка коррозии по десятибалльной шкале не допускается вслучаях коррозионного растрескивания и межкристаллитной кор-розии изделий.

Кроме того, по коррозионной стойкости металлы подразделяют-ся на активно коррозирующие в атмосферных условиях и воде,медленно коррозирующие в атмосферных условиях и воде, корро-зионно-стойкие в атмосферных условиях и воде, а также особуюгруппу конструкционных материалов составляют сплавы, работа-ющие в активных средах (кислотах, щелочах, газовой среде) и привысоких температурах.

2.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВИ СПЛАВОВ

Механические свойства — это группа свойств, которые харак-теризуют способность конструкционных материалов выдерживать(или не выдерживать) различные механические нагрузки: проч-

П р и м е ч а н и е. При скорости коррозии металлов от 0,5 мм/год и выше оцен-ка коррозионной стойкости производится по группам, а ниже 0,5 мм/год — по бал-лам стойкости.

воллатемитсокйотсйонноизоррокыппурГ.1.2ацилбаТелакшйоньллабитяседоп

аппурГ акитсиреткараХ ,аллатемиизоррокьтсорокСдог/мм ллаБ

1 еикйотсоннешревоС 100,0еенеМ500,0од100,0еелоБ

12

2 еикйотсамьсеВ 10,0»500,0»50,0»10,0»

34

3 еикйотС 10,0»50,0»5,0»1,0»

56

4 еикйотс-оннежиноП 0,1»5,0»0,5»0,1»

78

5 еикйотсолаМ 0,01»0,5» 9

6 еикйотсеН 0,01еелоБ 01




колледж




колледж

»

28

ность, пластичность, упругость, твердость и ударную вязкость. Подвоздействием механических нагрузок детали машин и механизмымогут разрушаться (или не разрушаться) в зависимости от механи-ческих характеристик.

Для определения механических характеристик конструкцион-ные материалы подвергают следующим видам механических испы-таний: испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, уста-лость, динамические испытания (на удар), испытание при повтор-но-переменных нагрузках.

Напряжения и виды деформаций, возникающие в деталях ма-шин и механизмах в процессе их работы. Напряжение — это от-ношение нагрузки к площади поперечного сечения детали, воспри-нимающей эту нагрузку (нагрузка измеряется в ньютонах (Н) иликилограмм-силах (кгс), а площадь поперечного сечения деталей вквадратных метрах (м2)).

Деформация — это изменение формы и размеров (или разру-шение) деталей под действием нагрузок. В зависимости от направ-ления действия механических нагрузок различают следующиевиды деформации деталей и механизмов:

деформация сжатия, которую испытывают шобот и бабакузнечного молота, пресса, пуансон и матрица, а такжезаготовки в процессе ковки, штамповки и прессования(рис. 2.4, а);деформация растяжения, которую испытывает тросподъемного крана (рис. 2.4, б );деформация кручения, которую испытывают шпиндельсверлильного и токарного станков, ходовые винты, ва-лы и др. (рис. 2.4, в);деформация сдвига или среза, которую можно наблю-дать при механической обработке деталей на металлоре-жущих станках, зубчатых зацеплениях, шпонках, шпиль-ках, штифтах, образующих неподвижные соединения(посадки) деталей и механизмов и т. д. (рис. 2.4, г);деформация изгиба, характерная для стрелы подъемно-мостового крана, пролетов различных мостов и т.д. (рис.2.4, д).

В зависимости от физико-механической природы конструк-ционных материалов различают упругие и пластические дефор-мации. При упругих деформациях форма и размеры деталейпосле снятия нагрузки возвращаются в исходное состояние.При пластических деформациях происходит изменение разме-




колледж




колледж

»

29

ров и формы деталей после прекращения нагрузки (остаточнаядеформация).

При одинаковых нагрузках и сечениях детали машин, изготов-ленные из различных конструкционных материалов, деформиру-ются по-разному. Например, стальной трос диаметром 10 мм раз-рушается при нагрузке 5 т, алюминиевая проволока этого же диа-метра разрушается при нагрузке 1 т.

Рис. 2.4. Виды деформации деталей машин и механизмов, возника�ющих в процессе работы:

а — сжатие; б — растяжение; в — кручение; г — сдвиг (срез); д — изгиб; Р, Р1,Р2 — нагрузки




колледж




колледж

»

30

Прочность конструкционных материалов. Показателем рабо-тоспособности троса (подъема груза) является прочность конст-рукционного материала.

Прочность — это способность конструкционных материаловвыдерживать (или не выдерживать) различные механические на-грузки не разрушаясь (или разрушаясь). Например, трос подъем-ного крана, изготовленный из стали, поднимает и перемещает грузопределенной массы в пределах установленной для данной маркистали прочности. Железнодорожный мост рассчитан на строго за-данную грузоподъемность. Прочность определяется пределомпрочности при растяжении (временным сопротивлением), кото-рый характеризует напряжения или деформации, соответствую-щие максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки.

Предел прочности σв, МПа/м2, определяется по формуле

σв = Pmax/F0,

где Pmax — наибольшая нагрузка, МПа (кгс/мм2); F0 — площадьпоперечного сечения образца (детали) до растяжения, м2. Эта ве-личина также называется временным сопротивлением разрыву.

Пластичность конструкционных материалов. Пластичность —это способность конструкционных материалов изменять своюформу и размеры под действием нагрузки и сохранять остаточнуюдеформацию после снятия нагрузки. Пластичность — свойство, об-ратное упругости. Пластичность характеризуется относительнымудлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение δ, %, показывает, на сколько увели-чилась длина образца в процессе растяжения, и определяется поформуле

1 0

0

100,l l

l

-d =

где l0 — длина образца до растяжения, мм; l1 — длина образца пос-ле растяжения, мм.

Относительное сужение ψ, %, показывает, на сколько процен-тов уменьшится площадь поперечного сечения образца после рас-тяжения, и определяется по формуле

0 1

0

100,F F

F

-y =

где F0 — площадь поперечного сечения образца до растяжения,мм2; F1 — площадь поперечного сечения образца после растяже-ния, мм2.




колледж




колледж

»

31

Величина пластичности зависит от физико-механическихсвойств конструкционных материалов, их хрупкости. Хрупкие мате-риалы при растяжении или других видах деформаций разрушают-ся без удлинения (изгиба), внезапно (например, серые чугуны), по-этому хрупкость является отрицательным свойством материалов.

Свойство пластичности широко используется в производстведеталей из конструкционных материалов методом деформирова-ния (прокатки, волочения, ковки, штамповки, слесарных операцийи др.). При этом металл в горячем состоянии деформированию под-вергается значительно легче, чем в холодном состоянии. При де-формировании в холодном состоянии заготовки получают наклеп(упрочнение). Повышается твердость, прочность, ударная вяз-кость. Устраняется хрупкость, уменьшается пластичность. Пригорячем деформировании конструкционные материалы повышаютмеханические свойства: твердость, пластичность, прочность иударную вязкость; устраняется хрупкость. При деформированиикак в холодном, так и в горячем состоянии пластическая деформа-ция происходит по следующим физическим законам:

наименьшего сопротивления металла;постоянства объема;расширения металла при нагревании и сужения его приохлаждении;поверхностного трения.

Эти важные технологические законы учитываются при выборетехнологических режимов горячего и холодного деформирования.

В практике конструкционные материалы должны обладать вы-сокой прочностью, некоторой пластичностью. Отсутствие пластич-ности приводит к внезапному разрушению деталей. Примеры пре-делов прочности, относительного удлинения и сужения некоторыхматериалов приведены в табл. 2.2.

Твердость конструкционных материалов. Твердость — это спо-собность конструкционных материалов противостоять проникаю-щим нагрузкам. Свойство твердости проявляется при обработкематериалов резанием, в подшипниках качения и скольжения, зуб-чатых зацеплениях и различных трущихся деталях и механизмах.Чем выше твердость деталей и инструмента, тем выше износо-стойкость и надежность работы механизмов и стойкость режущихинструментов. В зависимости от твердости обрабатываемого мате-риала выбираются режимы обработки заготовок резанием. Твер-дость режущего инструмента обусловливает их стойкость (времяработы от заточки до заточки). Конструкционные материалы в




колледж




колледж

»

32

хыротокенитсончитсалпиитсончорпыледерП.2.2ацилбаТволаиретамхынноицкуртснок

)аппург(акраМогонноицкуртснок

алаиретам

ледерПитсончорп sв,

мм/сгк(аПМ 2)

еоньлетисонтОеиненилду d %,

еоньлетисонтОеинежус y %,

ьлатСяатсидорелгуокзин

0корам( —8 )01

33 …0 0533( …3 )53

3 …1 33 5 …5 06

ьлатСяатсидорелгуокосыв

7корам( —5 )58

1 01 …0 1 05111( …0 )511

…8 9 03

яатсичьдеМ)к1Макрам(

22 …0 0422( …2 )42

4 …5 05 57

)08Лакрам(ьнутаЛ 023)23(

25 07

йыреснугуЧ)03ЧСакрам(

003)03(

— —

сыром состоянии имеют низкую твердость. Для повышения изно-состойкости деталей и инструмента их подвергают различным ви-дам термической или химико-термической обработки, в процессекоторой твердость повышается в 2 — 3 раза. В металловедении оп-ределение твердости конструкционных материалов основано навдавливании в испытуемый образец какого-либо наконечника (ин-дентора) под нагрузкой. В практике определения твердости метал-лов широкое применение нашли методы Бринелля, Роквелла, Вик-керса, микротвердости, упругой отдачи, ударного отпечатка и ме-тод царапания (резания).

Определение твердости металлов и сплавов по методу Бри-нелля проводится на шариковых твердомерах типа ТШ (рис. 2.5).Определение твердости конструкционных материалов в сыромсостоянии (до закалки) по методу Бринелля предусматриваетГОСТ 9012—59*. Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВи числовым индексом, полученным в результате испытания. На-пример, 150 НВ.

Определение твердости конструкционных материалов вдавли-ванием в образцы алмазного конуса (шкалы А и С) или стальногозакаленного шарика (шкала В) под определенной нагрузкой (пред-варительной и основной) называется методом Роквелла (ГОСТ9013—59*). Твердость по методу Роквелла определяется на прибо-




колледж




колледж

»

33

рах типа ТК (с электрическим приводом) и ТВ (с ручным приво-дом). На рис. 2.6 представлен твердомер типа ТК. Твердость, изме-ренная по методу Роквелла, обозначается символами НRC, НRАили НRВ (А, В, С — соответствующие шкалы, зависящие от вели-чины нагрузки) и цифрами (значения твердости). Нагрузка выби-рается в зависимости от толщины и условий твердости испытуе-мых деталей. Так, стальные закаленные детали толщиной не менее1 мм испытываются при предварительной нагрузке 100 Н (10 кгс)и основной нагрузке 1 400 Н (140 кгс). Общая нагрузка при этом со-ставит 1 500 Н, или 150 кгс.

Методом Виккерса (ГОСТ 2999—75*) определяют твердость хи-мико-термически обработанных, а также тонких закаленных дета-лей путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды поднагрузкой 9,807 … 980 Н (1 … 100 кгс). Твердость по Виккерсу обо-значается буквами НV и определяется по формуле

Рис. 2.5. Твердомер Бринелля:а — общий вид прибора; б — схема испытания; в — измерение диаметра от�печатка с помощью микрометрической лупы; 1 — образец; 2 — шарик; 3 —лунка; 4 — шкала лупы; P — нагрузка на шарик; D — диаметр шарика; d — ди�аметр лунки; t — толщина образца




колледж




колледж

»

34

2 2

2 sin2HV 1,854 ,

P P

d d

a

= =

где d — среднее арифметическое значение длин двух диагоналейотпечатка после снятия груза, мм; α — угол между противополож-ными гранями пирамиды, равный 136 °С.

На рис. 2.7 приведен твердомер типа ТВ для определения твердо-сти по методу Виккерса. При измерении твердости по методу Вик-керса основными параметрами являются нагрузка P = 294,2 Н(30 кгс) и время выдержки 10…15 с.

В этом случае твердость по Виккерсу обозначается индексомНV и числом твердости (например, 350 НV). При других условияхнагрузка и время выдержки даются после символа твердости (на-пример, запись 200 НV 10 — 25 означает, что твердость образца поВиккерсу составляет 200 единиц при нагрузке 100,07 Н (10 кгс) ивремени выдержки 25 с.

Рис. 2.6. Твердомер Роквелла:а — общий вид прибора; б — шкала прибора




колледж




колледж

»

35

Числовое значение твердости по Бринеллю и Виккерсу в преде-лах 100…450 единиц приблизительно совпадает с истинной твердо-стью конструкционных материалов.

В других случаях общего точного перевода чисел твердости поВиккерсу в числа твердости по другим методам или в прочностьпри растяжении не существует.

Выпускаются также универсальные приборы нового поколениядля определения твердости одновременно по методу Виккерса иБринелля — приборы мод. 2137ТУ, ХПО-250 и др.

Ударная вязкость. Способность конструкционных материаловсопротивляться ударным нагрузкам называется ударной вяз-костью (ударной прочностью). В процессе работы большинстводеталей машин и механизмов испытывают ударные нагрузки, ко-торые также называются динамическими нагрузками. Для оп-ределения условий работы конструкционных материалов притех или иных динамических нагрузках существует метод испы-тания материалов на ударный изгиб при различных температу-рах (ГОСТ 9454—78*). Ударная вязкость (прочность) определяет-ся на специальном приборе, называемом маятниковым копром(рис. 2.8).

Рис. 2.7. Твердомер Виккерса:а — общий вид прибора; б — схема испытания; P — нагрузка, действующая напирамиду; d — диагональ отпечатка




колледж




колледж

»

36

Для определения ударной вязкости материалов изготавливаютспециальные образцы с концентраторами напряжений, которыеиспытывают на маятниковых копрах. Образцы изготавливают сU-, V-, T-образными концентраторами. Образцы устанавливают наопоры маятникового копра посредине концентраторов напряже-ний. Далее разрушают образец. В результате разрушения опреде-ляют полную работу K, затраченную на разрушение образца приударе (работа удара), или ударную вязкость КС.

Таким образом, под ударной вязкостью понимают работу удара,отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца вместе концентратора. Ударную вязкость обозначают КСU, КСVили КСТ в зависимости от вида концентратора (U-образный кон-центратор с радиусом 1 мм; V-образный концентратор с радиусом0,25 мм; Т — трещина усталости, образованная в основании надре-за). Ударная вязкость KC, Дж/м2 (кгс · м/см2), вычисляется по фор-муле

КС = K/S0,

где К — работа удара, Дж/м2 (кгс · м/см2); S0 — начальная площадьпоперечного сечения образца в месте концентратора, м2 (см2).

Рис. 2.8. Маятниковый копер:а — общий вид прибора; б — U�образный концентратор напряжения; в — V�об�разный концентратор напряжения; 1 — испытуемая деталь; a — угол подъемамаятника; b — угол отклонения маятника после разрушения образца




колледж




колледж

»

37

При определении ударной вязкости, отличной от нормальнойтемпературы, указывают цифровой индекс, соответствующий тем-пературе испытания. Например, КСU 20 означает, что испытаниепроведено при температуре 20 °С.

Примеры ударной вязкости некоторых конструкционных мате-риалов приведены в табл. 2.3.

Испытание конструкционных материалов на усталость. Про-цесс накопления напряжений в деталях и механизмах при знако-переменных нагрузках, приводящих к разрушению, называется ус-талостью. Свойство конструкционных материалов, обратное уста-лости, называется выносливостью. В целях определения усталости(выносливости) детали и механизмы подвергают лабораторным ис-пытаниям, которые регламентируются ГОСТ 25.502—79. Для опре-деления усталости разработана методика, по которой испытаниюподвергают 15 образцов конструкционного материала. Каждыйобразец подвергают нагрузке до полного разрушения или опреде-ленного числа циклов (знакопеременных нагрузок). При испыта-нии определяют предел выносливости и по соответствующим па-раметрам (нагрузкам) определяют гарантийный срок службы (чис-ло циклов), время работы деталей машин и механизмов. В про-цессе эксплуатации на эти детали и механизмы даются соответ-ствующие рекомендации.

2.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕСВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Технологические свойства. Технологические свойства — этогруппа свойств, которые определяют способность конструкцион-

хынноицкуртснокхыротокеньтсокзявяанрадУ.3.2ацилбаТволаиретам

илатсакраМьтсокзявяанрадУ

мс/жД,UCK 2,2ирп 0 С°

илатсакраМьтсокзявяанрадУ

мс/жД,UCK 2,2ирп 0 С°

пк2тСпс5тС

80тС

2 …4 4617532

5154Х51

0217 …6 0811 …1 651

П р и м е ч а н и е. Ударная вязкость образцов приведена в нормализованном со-стоянии.




колледж




колледж

»

38

ных материалов подвергаться различным видам обработки в холод-ном и горячем состоянии. В основе этих свойств лежат физико-ме-ханические особенности конструкционных материалов, которые иопределяют технологичность заготовок в процессе изготовленияразличных деталей и инструмента. К технологическим свойствамотносятся обрабатываемость резанием, деформируемость (ков-кость, штампуемость, способность к загибу, перегибу, отбортовке,получению двойного кровельного замка и т. д.), свариваемость,литейные свойства, паяемость, упрочняемость и др. Технологичес-кие свойства характеризуют поведение материалов в процессеизготовления из них деталей.

Свариваемость — способность конструкционных материаловобразовывать прочные, неразъемные соединения путем местногорасплавления соединяемых деталей и их последующего охлажде-ния. Вид сварки зависит от источника нагрева. Сварка бывает га-зовая, дуговая, электроконтактная, ультразвуковая, электрошлако-вая, кузнечная и др.

Деформируемость — это способность заготовок восприни-мать пластическую деформацию в процессе технологических опе-раций: гибки, ковки, штамповки, волочения, проката и прессова-ния без нарушения ее целостности. Деформируемость зависит отхимического состава, механических свойств, скорости деформа-ции, а также температуры и величины деформации при каждойоперации. Оценка деформируемости при различных видах опера-ций давлением проводится методом технологических проб, испы-таний.

Технологические испытания не дают числовых данных по каче-ству деформированности конструкционных материалов.

Литейные свойства — это способность конструкционных ма-териалов образовывать качественные отливки без трещин, короб-ления, усадочных раковин и т. д. К ним относятся жидкотекучесть,усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — это способность конструкционного мате-риала в жидком состоянии заполнять полости, узкие и тонкие ме-ста литейной формы и давать четкое объемное изображение очер-таний отливок. Жидкотекучесть зависит от химического составасплава, температуры заливки, вязкости и поверхностного натяже-ния. На жидкотекучесть влияет также качество полости формы,шероховатость ее стенок, их теплопроводность и характер атмо-сферы в самой форме. Например, жидкотекучесть металла в пес-чаных сухих формах значительно выше, чем в сырых и металли-ческих формах.




колледж




колледж

»

39

Усадка — это свойство конструкционных материалов умень-шаться в объемных и линейных размерах при затвердевании отли-вок. Величина усадки выражается в процентах. Усадка зависит отхимического состава конструкционных материалов и температурыих заливки. При повышении температуры сплава усадка отливкиувеличивается. Усадка различных конструкционных материалов ко-леблется в пределах 1 … 2 %. Например, литейный серый чугун име-ет величину усадки 1 %, сталь — 2 %, сплавы цветных металлов —1,5 %. Усадка сопровождается образованием в отливках усадочныхраковин и рыхлости. Для компенсации усадки, предотвращения уса-дочных раковин и рыхлости литейную форму конструируют такимобразом, чтобы ее полость постоянно подпитывалась жидким метал-лом, т. е. делают дополнительные устройства — прибыли.

Ликвация — неоднородность по химическому составу в отлив-ках, образуемая в процессе кристаллизации сплава. Химическаянеоднородность наблюдается как в отдельных частях отливки (зо-нальная ликвация), так и внутри отдельных зерен (внутрикристал-лическая ликвация).

Внутрикристаллическая ликвация устраняется путем термичес-кой обработки, а зональная — механическим перемешиваниемжидкого металла в процессе его заливки в форму. Большое влия-ние на ликвацию оказывает также скорость охлаждения отливки.При быстром равномерном охлаждении отливки ликвация не на-блюдается. Кроме того, практикуют охлаждение жидкого металлаи его затвердевание по направлению прибыли. Разнородность похимическому составу в этом случае образуется в прибыли. Такимобразом, прибыль является универсальным устройством, котороепредотвращает явный брак в отливках, образуемый усадкой, ко-роблением и ликвацией.

Паяемость — это способность конструкционных материаловобразовывать прочные и герметичные соединения путем паяния.В необходимых случаях (например, в радиотехнике и электротех-нике) спаянные соединения должны обладать определеннымифизическими свойствами: электропроводностью, индуктивно-стью и т. д.

Упрочняемость — это способность конструкционных матери-алов улучшать механические свойства в процессе термической ихимико-термической обработки. К упрочняемости относятся зака-ливаемость, прокаливаемость и незакаливаемость.

Закаливаемость — это способность конструкционных матери-алов воспринимать закалку. Этой способностью обладают все уг-леродистые и легированные стали с массовой долей углерода свы-




колледж




колледж

»

40

ше 0,3 %, а также чугуны, сплавы цветных металлов, латуни, брон-зы, силумины и др.

Прокаливаемость — это способность конструкционных мате-риалов воспринимать закалку на определенную глубину. Прокали-ваемость характеризуется глубиной закалки, которая определяет-ся на стандартных образцах по ГОСТ 5657—69. Испытанию под-вергают цилиндрические образцы диаметром 25 мм, длиной 120 ммс заплечиками. Их закаливают с торца и через определенные раз-мерные интервалы по методу Роквелла замеряют твердость. Про-каливаемость зависит от химического состава конструкционногоматериала, температуры нагрева и способа охлаждения. Например,углерод в конструкционных сталях, начиная от массовой доли 0,3 %и выше, способствует увеличению прокаливаемости. Хром, крем-ний и марганец также способствуют увеличению прокаливаемос-ти легированных сталей. Высокую прокаливаемость имеют углеро-дистые инструментальные стали с массовой долей углерода0,7 … 1,3 %.

Примеры прокаливаемости стали в зависимости от их химичес-кого состава представлены на рис. 2.9 (заштрихованные элементыпоказывают глубину прокаливаемости).

Незакаливаемость — способность конструкционных материа-лов в процессе термической обработки не воспринимать закалку(например, углеродистые и другие стали с массовой долей углеродаменее 0,3 %). Свойство незакаливаемости отдельных конструкцион-ных материалов широко используется при сварке. Чем выше неза-каливаемость металла соединяемых деталей и электродов, тем вышекачество сварного соединения. Если отдельные стали обладают ус-тойчивым свойством незакаливаемости, то как бы их ни нагревалии ни охлаждали, детали из этих сталей закалку вообще не восприни-мают.

Рис. 2.9. Глубина прокаливаемости стали в зависимости от ее хими�ческого состава:

а — углеродистые стали (низкая прокаливаемость); б — хромоникелевые стали(средняя прокаливаемость); в — легированные стали (высокая прокаливае�мость); г — хромоникелевые стали с повышенным содержанием хрома (повы�шенная прокаливаемость)




колледж




колледж

»

41

Эксплуатационные свойства. Эксплуатационные, или служеб-ные, свойства — это группа свойств, которые определяют долго-вечность и надежность работы изделий в процессе их эксплуата-ции. К ним относятся износостойкость, циклическая вязкость,жаропрочность, хладностойкость, антифрикционность, прираба-тываемость и др. Эти свойства определяются специальными испы-таниями в зависимости от условий работы машин и механизмов.В основу эксплуатационных свойств положены физико-механи-ческие и химические свойства конструкционных материалов. Фи-зико-химическая природа этих материалов определяет надежностьи долговечность работы деталей и механизмов.

Износостойкость — способность конструкционных матери-алов сопротивляться абразивному изнашиванию трущихся повер-хностей деталей и инструмента во время работы. Например, пе-редняя поверхность режущих инструментов, по которой сходитстружка, при механической обработке (точении, сверлении, фре-зеровании и т. д.) постоянно подвергается высокому трению,вследствие чего происходит изнашивание этой поверхности ирежущей кромки резца.

Режущие элементы затупляются. Чем выше износостойкостьматериала резца, тем выше стойкость режущего инструмента, т. е.непосредственное машинное время работы данным инструментом.Требования высокой износостойкости предъявляются ко всем тру-щимся поверхностям деталей, инструменту и механизмам в про-цессе работы.

Поверхности зацепления зубчатых передач, фрикционныхмуфт, кулачковых механизмов, зеркало цилиндров двигателейвнутреннего сгорания и т. д., как правило, должны иметь высокуюизносостойкость. Высокая износостойкость деталей, инструментаи механизмов достигается путем термической и химико-термичес-кой обработки.

Циклическая вязкость — это способность конструкционныхматериалов выдерживать динамические знакопеременные нагруз-ки не разрушаясь. Примером высокой циклической вязкости могутслужить рессоры автомобиля, торсионы и пружины. Эти деталиработают при высоких динамических нагрузках в сложных услови-ях и длительное время не разрушаются.

Постоянные толчки на стыках рельсов, неровностях автодороги неравномерное движение поездов деформируют рессоры и пру-жины в прямом и обратном направлениях. Благодаря высокой цик-лической вязкости рессоры и пружины длительное время не раз-рушаются, что определяет их надежность.




колледж




колледж

»

42

Разновидностью циклической вязкости являются демпферныесвойства некоторых конструкционных материалов.

Демпфирование — способность гасить, рассеивать колебания инаправленные нагрузки. Особенно высокими демпферными свой-ствами обладают серые литейные и ковкие чугуны, благодаря чемуони широко применяются в производстве высоконагруженных де-талей машин и конструкций (станины станков, кронштейны, кожу-хи и т. д.).

Жаропрочность — способность конструкционных материаловвыдерживать высокие механические нагрузки в процессе работыпри температурах, начиная от 0,3 температуры плавления и выше.Жаропрочность зависит от тугоплавкости химических компонентовконструкционных материалов. Многие детали современных двига-телей, турбин, металлургических печей и силовых установок привысоких температурах несут большие нагрузки. При этом в конст-рукционных материалах ослабевают межатомные связи, уменьша-ются упругость, твердость, вязкость, и детали постепенно разруша-ются. Углеродистые стали практически не имеют жаропрочности.С добавлением в них алюминия, магния и титана в небольших объемахжаропрочность повышается до 300…600 °С. С добавлением в сплавникеля и кобальта жаропрочность повышается до 700… 1 000 °С.

Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность ме-таллов и сплавов противостоять образованию коррозии под действи-ем температуры в среде воздуха, газа и пара. В практике принятаэксплуатационная жаростойкость — стойкость при длительной ра-боте деталей и конструкций при температуре 600…650 °С. Углероди-стые стали и чугуны имеют низкую жаростойкость. Легированныестали, чугуны, сплавы, содержащие хром, никель, титан, вольфрами ванадий, имеют жаростойкость 800… 1 000 °С и выше. Жаростой-кость определяют глубиной коррозии (окалиной). Кроме того, стан-дартом устанавливается продолжительность работы деталей и кон-струкций в газовой среде (воздухе) при повышенной температуре.Жаростойкость металлов и сплавов определяют по специальнойметодике согласно ГОСТ 6130—71.

Хладностойкость — свойство конструкционных материаловсохранять вязкость при отрицательных температурах от 0 до −269 °С. Воздействию низких температур подвергаются газо- и неф-тепроводы, мосты, рельсы и другие сооружения, эксплуатируемыев северных районах, где температура может достигать −60 °С; ле-тательные аппараты, работающие при температурах от 0 до−183 °С; детали, узлы и механизмы холодильной и криогенной тех-ники, эксплуатируемые в условиях температур до −269 °С.




колледж




колледж

»

43

Хладноломкость — это свойство материала хрупко разрушать-ся при пониженных температурах и терять вязкость. Понижениетемпературы приводит к хрупкому разрушению конструкционныхматериалов. Высокой хладноломкостью обладают углеродистыеконструкционные стали и чугуны. Алюминий, титан и их сплавы,никелевые стали обладают более высокой хладностойкостью. Длядеталей и конструкций, работающих при отрицательных темпера-турах, с целью уменьшения хладноломкости и получения высокойхладностойкости применяют специальные легированные стали иновые материалы — композиты.

Антифрикционность — способность конструкционных матери-алов образовывать низкое трение соприкасающихся (трущихся) по-верхностей деталей в процессе их работы. Низкий коэффициенттрения и высокое скольжение обеспечивают антифрикционностьконструкционных материалов. В практике выпускаются специаль-ные материалы, которые идут на изготовление узлов трения. Эти ма-териалы называются антифрикционными. Они широко применяют-ся для изготовления подшипников скольжения в современных ма-шинах, механизмах и приборах. Антифрикционные материалы об-ладают устойчивостью к вибрации, бесшумностью в работе и при-рабатываемостью. В качестве антифрикционных материалов широ-кое применение нашли чугуны, бронзы и баббиты. В целях устране-ния нагрева при трении и увеличения антифрикционности в меха-низмах используются смазывающие материалы.

Фрикционность — способность конструкционных материаловк образованию высокого трения соприкасающихся поверхностейдеталей в процессе их работы. Фрикционность используется в тор-мозных устройствах и механизмах и для передачи крутящего мо-мента (фрикционные муфты, диски сцепления, тормозные бараба-ны и системы и т. д.).

Материалы, предназначенные для изготовления тормозных уст-ройств, должны обладать высоким коэффициентом трения, мини-мальным износом, теплостойкостью, прирабатываемостью и высо-кой прочностью. В качестве фрикционных материалов применяют-ся многокомпонентные металлические и неметаллические пласти-ны, диски и накладки, спеченные или спрессованные с асбестом,графитом, металлической стружкой или проволокой.

Прирабатываемость — способность конструкционных мате-риалов пластически деформироваться в процессе работы в узлахтрения, увеличивать площадь контакта, снижать давление и темпе-ратуру на трущихся поверхностях в узлах трения и сохранять гра-ничную смазку.




колледж




колледж

»

44

Хорошая прирабатываемость обеспечивает надежную работуподшипников скольжения и качения при работе в паре с сырымили закаленным валом и других трущихся деталей и механизмов,повышая их долговечность. С целью обеспечения надежности идолговечности работы машин и механизмов после их изготовленияпроводится обкатка на холостом ходу. А после сдачи станка в экс-плуатацию в первый период (рекомендуют для машин) осуществ-ляют работу на малых оборотах или скоростях. В этих случаях про-исходит плавная прирабатываемость всех узлов и агрегатов ма-шин, станков и механизмов.

Эксплуатационные свойства в технике еще получили названиетриботехнические характеристики.

2.6. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВБЕЗ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

В современной практике широко применяется безобразцовый(внелабораторный) контроль качества не только соединяемых дета-лей (изделий), но и отдельных полуфабрикатов, конструкций и со-оружений. В практике этот метод известен как неразрушающий(без разрушения деталей) контроль качества деталей, изделий иконструкций, который широко применяется в условиях производ-ства и эксплуатации различных систем.

Этот метод используют для определения внешних и внутреннихдефектов без разрушения деталей, к которым относятся узлы и из-делия в крупногабаритных машинах, соединенных между собой раз-личными видами сварки, паянием, болтовыми и резьбовыми соеди-нениями, клепкой. Кроме того, безобразцовому контролю подверга-ют отливки, прокат, поковку и штамповку. Широкое применение на-шел безобразцовый контроль различных трубопроводов (газо-, неф-те-, водопроводов и трубопроводов) для других рабочих тел, как хи-мически активных, так и нейтральных (пассивных).

С помощью этого метода определяется химический состав раз-личных металлов и сплавов, из которых изготовлены изделия, несо-ответствие которого стандарту может приводить к дефектам в про-цессе эксплуатации.

По ГОСТ 15467—79* возможные дефекты в деталях, изделиях иконструкциях из конструкционных материалов подразделяются наследующие виды: явные, скрытые, критические, значительные и ма-лозначительные.




колледж




колледж

»

45

Большинство дефектов можно обнаружить неразрушающимметодом контроля. Неразрушающие методы контроля по сравне-нию с образцовым контролем качества изделий имеют большиепреимущества и более эффективны. Эти методы позволяют эконо-мить конструкционные материалы, быстро и качественно опреде-лять дефекты. По ГОСТ 18353—79 физические неразрушающиеметоды контроля качества изделий и конструкций подразделяют-ся на следующие виды: акустический, вихревой, магнитный, опти-ческий, проникающими веществами, радиоволновой, радиографи-ческий, тепловой и электрический. Кроме того, каждый из пере-численных видов контроля подразделяется с учетом взаимодейст-вия изучаемого объекта с физическими полями, воздействующимина эти объекты, их параметрами, а также способами получения ин-формации.

Неразрушающие методы контроля качества деталей и обнару-жения в них дефектов проводятся по следующей технологическойсхеме: помещение исследуемого объекта в контролируемую среду;выявление с помощью приборов дефектов (состава материала, внеш-них параметров, погрешности форм и размеров и т. д.); преобразо-вание полученных параметров в показатели, удобные для расшиф-ровки и расшифровка полученных данных.

Методы неразрушающего контроля подразделяются на следую-щие виды:

внешний контроль;контроль технологических режимов;физический (инструментальный) контроль.

Внешний контроль — это визуальный осмотр изделия (дета-ли), сварного или иного соединения. Внешний контроль иногдапроводят с помощью лупы или специального микроскопа. Повнешнему осмотру определяют, прежде всего, качество отливки,поковки, проката, сварки и т. д. В изделиях, полученных прокатом,ковкой и литьем, при внешнем осмотре выявляются следующиедефекты: расслоение, вырыв, свищи, флокены, инородные метал-лические и неметаллические включения, кованые трещины, отпе-чатки литейной формы, дефекты и искажения поверхности иформы прокатанных, кованых и литых изделий, чешуйчатость,рябизна, остатки окалины, заусенцы и другие дефекты, понижа-ющие качество изделий в целом и ухудшающие их эксплуатаци-онные свойства.

При внешнем осмотре отливок обнаруживаются следующие де-фекты: узорчатая поверхность, пригар, шероховатость поверхно-




колледж




колледж

»

46

сти (следы материалов земляной литьевой формы), вскипы, обра-зованные кипением заливаемого в форму металла, недоливы, ужи-мы, усадочные раковины, трещины, газовые раковины, несоответ-ствующие форме, размерам, и несоосность. Дефекты, обнаружен-ные внешним осмотром, могут быть как устранимыми, так и неус-транимыми (брак).

В сварных соединениях, например в различных трубопроводах(нефтегазовая, химическая промышленность, жилищно-комму-нальное хозяйство и другие отрасли), внешний контроль являетсяособенно важным. Невооруженным глазом или с помощью лупыпроводят внешний осмотр сварного шва, выявляя типичные дефек-ты при сварке: перекос соединяемых деталей со смещением кро-мок, неравномерный (ослабленный или чрезмерно усиленный)шов, непровар, трещины, ноздреватость, кратеры и др. Часть этихдефектов связана с нарушением технологии сварки, часть — с низ-кой квалификацией сварщика, а часть — с качеством металла сва-риваемых деталей и их внутренними дефектами.

Контроль технологических режимов — это контроль соблю-дения всех режимов производства полуфабрикатов (литья, прока-та, волочения, ковки, сварки, паяния, винтового и клепаного соеди-нений и др.). В каждом производстве есть свои особенности техно-логических процессов, за которыми следят по приборам или про-водят автоматический контроль или внешнее наблюдение. В случаенарушения технологии для предотвращения дефектов (брака) да-ется определенная команда или делаются соответствующие выво-ды. Контроль технологических режимов обеспечивает получениекачественных деталей, изделий и конструкций из различных мате-риалов. При сварке важным параметром является выбор электро-да и величины сварочного тока, а также проведение отжига свар-ного шва и околошовной зоны, при литье — температура заливкисплава, конструкции литейной формы и технологические опера-ции, проводимые после охлаждения отливок (отжиг, нормализа-ция, механическая обработка).

Физические (инструментальные) методы контроля основа-ны на применении переносных электронно-вычислительных (илишкальных) приборов. Например, переносным прибором МЭИ-Т7можно определить механические свойства сварного шва, крупно-габаритного проката, отливок, емкостей без вырезки образцов, т.е.без разрушения.

Физические методы контроля позволяют определить как наруж-ные, так и внутренние дефекты деталей, узлов, изделий и сооруже-ний.




колледж




колледж

»

47

Каждый из физических методов имеет свои особенности и раз-новидности. Например, радиационный метод контроля имеет триразновидности:

радиографический — позволяет выявлять и докумен-тально фиксировать дефекты;радиоскопический — позволяет выявлять дефекты и на-блюдать за ними на экране монитора (прибора);радиометрический — основан на проникновении γ-излу-чений в исследуемый узел. В случае внутренних дефектовприборы фиксируют и дают показания на соответствую-щей шкале прибора.

Акустический метод контроля основан на звуковых или ульт-развуковых колебаниях контролируемых участков. Этот метод так-же имеет несколько разновидностей.

Для контроля качества сварных соединений применяют такжеметод «красок», с помощью которого выявляют дефекты, не об-наруженные при внешнем осмотре.

Контроль паяных и сварных соединений на плотность (герме-тичность) проверяют методом смачивания керосином или методомстатического гидравлического или пневматического (воздухом)давления (опрессовка). При опрессовке давление создается в 1,5 —2 раза выше рабочего давления трубопроводов. Применяется так-же метод течеискания (истечения) рабочих тел в трубопроводах.

Наиболее широкое применение нашел метод ультразвуковойдефектоскопии, которым определяются внутренние дефекты свар-ных соединений как в основном металле, так и в металле шва, атакже толщина коррозионного повреждения в трубопроводах раз-личного назначения и ответственных металлоконструкциях. Этообычно малогабаритные приборы, работающие как от сети пере-менного тока, так и от аккумуляторной батареи (мод. 26М6,26DLРLVS, 25I27DL и др.).

Цифровые толщиномеры, ультразвуковые дефектоскопы могутбыть как многорежимные с 40 и более блоками памяти, с диспле-ем для проверки формы волны и внутренним коллектором данныхна несколько тысяч контрольных точек, так и простые двухступен-чатые низко- и высокотемпературные (до 500 °С). Это различныемодели приборов, выпускаемые фирмой Panametrics (США).

В ряде случаев находят применение видеокамеры с автомати-ческой подачей (движением), которые фиксируют и передаютинформацию о внутренних повреждениях (трещины, сколы, кор-розия, инородные тела и др.) на видеомагнитофон.




колледж




колледж

»

48

С помощью корреляционного акустического течеискателямод. LC-2100 методом корреляции акустических колебаний, произ-водимых утечкой рабочей жидкости (нефть, нефтепродукты, водаи другие жидкости), наиболее эффективно определяется местопо-ложение дефектов в трубопроводе.

Портативный течеискатель, имеющий малые габаритные раз-меры, позволяет в полевых условиях определять дефекты труб,производить распечатку информации на портативном принтере ссохранением данных измерений, а также их обработку накомпьютере.

В практику дефектоскопии вошли передвижные аварийно-диаг-ностические лаборатории (на колесах) для различных трубопрово-дов. Это техника нового поколения, применяемая для диагностиро-вания и дефектоскопии трубопроводов различного назначения.Передвижные лаборатории дают возможность стабильного обес-печения нефтепродуктами, водой, теплом, а также в кратчайшиесроки позволяют устранять в сетях аварии. Оборудование немец-кой фирмы Seba dunatroniks и других фирм монтируют на шассиотечественных автомобилей ЗИЛ-33102, УАЗ-3303, ГАЗ-6611 и др.

Благодаря систематической дефектоскопии и диагностике со-стояния около 150 000 км трубопроводов в Российской Федерацииработают в безаварийном режиме, стабильно обеспечивая про-мышленные предприятия и коммунальное хозяйство газом, теп-лом, водой.

Физические методы контроля с помощью ультразвуковых де-фектоскопов, измерительных технологий, ультразвуковых толщи-номеров и течеискателей, смонтированных на передвижных лабо-раториях, дают большой экономический эффект в различных от-раслях экономики.


1. Назовите группы свойств конструкционных материалов.2. Каковы физические свойства конструкционных материалов?3. Какие свойства относятся к химическим свойствам металлов?4. Перечислите механические свойства материалов, их методы

определения, условные обозначения и единицы измерения.Приведите примеры.

5. Дайте определение и характеристику предела прочности, отно�сительного удлинения и относительного сужения и приведитепримеры этих свойств различных конструкционных материа�лов.




колледж




колледж

»

6. Перечислите виды деформаций деталей машин в процессеработы.

7. Что называется твердостью?8. Перечислите методы определения твердости конструкционных

материалов и дайте их краткую характеристику.9. Что называется ударной вязкостью?

10. Раскройте сущность выявления дефектов без разрушениядеталей.

11. Перечислите технологические свойства конструкционных ма�териалов.

12. Дайте определение деформируемости конструкционных мате�риалов.

13. Что такое свариваемость?14. Перечислите виды сварных соединений, получаемые при

сварке конструкционных материалов.15. Раскройте сущность процесса коррозии металлов и сплавов.16. Перечислите виды коррозионных разрушений в зависимости

от рабочей среды.




колледж




колледж

»

50

Глава 3

ПОНЯТИЕ И ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

3.1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ВИДЫ СПЛАВОВ

Из-за низких механических свойств чистые металлы как конст-рукционные материалы в машиностроении находят ограниченноеприменение по сравнению со сплавами.

Сплав — это конструкционный материал, полученный путемсплавления нескольких химических элементов (металлов и неме-таллов) и обладающий свойствами, присущими основному сплав-ляемому элементу. Металлический сплав может быть получен нетолько сплавлением химических элементов, но и такими способа-ми, как спекание, электролиз, диффузия, плазменное напыление,возгонка и др. Конструкционный материал, полученный не сплав-лением, называется псевдосплавом. Если сплав имеет в своемсоставе 50 % металла и более, то он называется металлическимсплавом. Металлический сплав имеет более высокие механичес-кие и технологические свойства по сравнению с неметалличес-ким сплавом. Химические элементы, образующие сплав, называ-ются компонентами. По своему составу сплавы могут быть двух-компонентными (металл + металл, металл + неметалл), трех- и бо-лее компонентными. Внутреннее строение сплавов определяетсяформой связи между компонентами. Двухкомпонентные сплавыпри нагревании (охлаждении) в силу особенностей взаимодей-ствия друг с другом ведут себя неадекватно и, в связи с этим,имеют различное физическое строение и свойства.

К промышленным сплавам, которые находят широкое примене-ние, относятся чугун и сталь — сплавы железа с углеродом; ла-тунь — сплав меди с цинком; бронза — сплав меди с оловом и др.

Сплавы имеют атомно-кристаллическое строение, обладают ал-лотропией (полиморфизмом) и, по сравнению с чистыми металлами,более высокими механическими и технологическими свойствами.




колледж




колледж

»

51

Форма металлической связи сплавляемых химических элемен-тов влияет на образование структуры сплава, их атомно-кристал-лическую решетку.

Фазы. Сплавам, так же как и чистым металлам, характерноатомно-кристаллическое строение. Сплав в твердом состоянииможет иметь различную связь атомно-кристаллических решеток.Жидкое или твердое состояние химических компонентов, образу-ющих сплав при определенной температуре и давлении, называет-ся системой.

Однородная часть системы, отделенная от других частей услов-ной границей (линией), называется фазой.

Жидкая фаза характеризуется тем, что атомные кристалличес-кие решетки сплавляемых компонентов распадаются и компонен-ты растворяются друг в друге или не растворяются и присутству-ют в сплаве самостоятельно. Эта закономерность присуща многимсплавам.

Твердая фаза — это однородная часть сплава с определеннымиатомно-кристаллическим строением и массовой долей сплавляе-мых компонентов. Атомные решетки сплавляемых компонентоввзаимодействуют в строго определенном порядке. Атомные решет-ки химических элементов, образующих сплав в твердом состоянии,образуют мелкие кристаллы — структуры.

В зависимости от внутреннего строения сплавов и металличес-кой или химической связи между сплавляемыми элементами спла-вы подразделяются на две группы: однородные сплавы и неодно-родные сплавы. Однородные сплавы имеют общие атомные крис-таллические решетки, в которые входят атомы сплавляемых компо-нентов. Неоднородные сплавы имеют самостоятельные кристалли-ческие решетки сплавляемых компонентов.

По характеру взаимодействия сплавляемых компонентов втвердой фазе различают механические смеси, твердые растворы ихимические соединения.

Механическая смесь сплавляемых компонентов А и Б (рис. 3.1, а)образуется тогда, когда атомные кристаллические решетки сохра-няются и не вступают в химическую реакцию с образованием ка-кого-либо нового соединения. Связь между атомными решеткамиосуществляется за счет металлической связи. Механическая смесьсплава будет неоднородного типа, т. е. сплавляемые компоненты Аи Б в сплаве будут самостоятельными и чередоваться между собойв зависимости от их соотношения.

Свойства механической смеси зависят от свойств сплавляемыхкомпонентов А и Б. Как правило, эти микроструктуры имеют отно-




колледж




колледж

»

52

сительно высокую твердость, прочность, ударную вязкость, хоро-шо обрабатываются резанием.

Твердые растворы в зависимости от взаимодействия атомовподразделяются на твердые растворы внедрения и твердые раство-ры замещения (рис. 3.1, б ).

На рис. 3.1, б, I показана атомно-кристаллическая решетка твер-дого раствора замещения. Атомно-кристаллическая решетка ос-новного компонента А в форме объемно-центрированного куба(девять атомов) сохранилась, но три атома этого компонента заме-щены атомами сплавляемого компонента Б.

На рис. 3.1, б, II показана атомно-кристаллическая решеткатвердого раствора внедрения. При этом виде образования сплава

Рис. 3.1. Схематическое изображение структуры сплава:а — механическая смесь; б — твердый раствор (I — раствор замещения; II —раствор внедрения); в — химическое соединение; А, Б — сплавляемые ком�поненты




колледж




колледж

»

53

атомно-кристаллическая решетка основного компонента А сохра-няется. Атомно-кристаллическая решетка сплавляемого компонен-та Б разрушается, и его отдельные атомы внедряются в простран-ство атомно-кристаллической решетки основного компонента А.Таким образом, в атомно-кристаллической решетке твердого раст-вора внедрения девять атомов, как в основном компоненте А, плюсдва-три атома компонента Б.

Твердые растворы по своим свойствам наиболее близки к свой-ствам основного компонента. Они имеют низкую твердость, высо-кую плотность, ударную вязкость, прочность, хорошо деформиру-ются в холодном и горячем состоянии. Микроструктура большин-ства конструкционных и инструментальных сталей представляет со-бой твердые растворы внедрения и замещения.

Химические соединения сплава образуются тогда, когда атом-но-кристаллические решетки сплавляемых компонентов А и Б рас-падаются. Отдельные атомы этих компонентов образуют новыеатомные решетки, которые по своему типу, форме и числу атомовотличаются от атомно-кристаллических решеток сплавляемых ком-понентов.

Химические соединения в сплаве образуются при строго опре-деленном массовом соотношении сплавляемых компонентов А и Б.Например, химическое соединение углерода с железом образует-ся при массовой доле углерода, равной 6,67 %.

Свойства химических соединений также резко отличаются отсвойств сплавляемых компонентов. Химические соединения, какправило, очень твердые, хрупкие, тугоплавкие, имеют мелкозерни-стую или игольчатую микроструктуру. На рис. 3.1, в показана атом-но-кристаллическая ячейка химического соединения углерода сжелезом. Это сложная ромбическая пространственная атомно-кри-сталлическая решетка, состоящая из атомов железа и атомов угле-рода (компонентов А и Б).

В практике чаще всего в сплаве наблюдается смесь несколькихсоединений (микроструктур), например механическая смесь хими-ческого соединения и твердого раствора или механическая смесьдвух твердых растворов.

Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов. Любое из-менение химического состава сплава влечет за собой изменениефизических параметров: температуры, давления и структуры. Из-менение этих параметров на границах фаз происходит скачкооб-разно или замедленно.

В практике металловедения для определения температур, дав-ления, структуры и взаимодействия сплавляемых компонентов




колледж




колледж

»

54

применяют графики — диаграммы состояния сплавов. Для этогонагревают (охлаждают) сплав в закрытом тигле с помощью тер-мопары, по прибору наблюдают поведение этого сплава и по на-блюдениям строят соответствующие графики. На диаграммах со-стояния отображаются только условия, когда сплав имеет посто-янные параметры, — равновесие, поэтому в научной литературедиаграммы состояния также называют диаграммами равновесия.

В связи с тем что сплавляемые компоненты (металлы и неметал-лы) обладают аллотропией, при нагревании (охлаждении) в сплавахпроисходят аллотропные изменения. Аллотропные измененияможно наблюдать при лабораторных исследованиях с помощьютермического метода, а иногда визуально (цвет сплава становитсяярче или, наоборот, тускнеет, или длительное время остается по-стоянным).

Любое изменение в металле при нагревании (охлаждении) ха-рактеризуется определенной температурой, которая называетсякритической температурой. Критические температуры на прямойотражаются соответствующими точками, которые называютсякритическими точками. Если рассматривать любой металл илисплав в одном измерении (температура нагрева), то графическаяхарактеристика будет отображена в виде вертикальной прямой, накоторой указывают критические температуры (точки). Если состо-яние металла или сплава рассматривать в двух измерениях (темпе-ратура нагрева (охлаждения) и время нагрева (охлаждения), тографик будет изображен в двух координатах (ось ординат и осьабсцисс).

Для примера рассмотрим состояние чистого железа при нагре-вании и охлаждении. На рис. 3.2 приведены критические темпера-туры чистого железа при нагревании (охлаждении). Железо име-ет следующие критические точки (температуры): 768; 910; 1 392 и1 539 °С. При температуре 910 °С Fе-α (α-железо) переходит в Fе-β(β-железо). При температуре 1 392 °С Fе-β переходит в Fe-γ (γ-же-лезо). При температуре 1 539 °С Fe-γ начинает медленно расплав-ляться с поглощением энергии (температуры).

При всех критических температурах на диаграммах показанызадержки перекристаллизации (горизонтальные участки). При ох-лаждении железа процесс перекристаллизации происходит в об-ратном порядке.

Для двухкомпонентных сплавов диаграмма состояния — этографическое изображение состояния сплавов в двух измерениях:температура нагрева (охлаждения) и химический состав сплава(концентрация). Температуру нагрева (охлаждения) откладывают




колледж




колледж

»

55

по оси ординат, по оси абсцисс откладывают массовую долю сплав-ляемых компонентов (концентрация).

Для примера рассмотрим диаграмму состояния двухкомпонент-ного сплава свинец — сурьма (рис. 3.3). На оси абсцисс слева берем100 % свинца (Pb), справа — 100 % сурьмы (Sb). Свинец и сурьма вжидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, втвердом состоянии — образуют механическую смесь сплавляемыхкомпонентов.

При нагревании (охлаждении) сплава от твердого состояния дотемпературы плавления (а при охлаждении от жидкого состояниядо температуры затвердевания) в сплаве происходит образованиемеханических смесей (эвтектика) и расплавление при различныхтемпературах.

Возьмем чистый свинец. При нормальной температуре и до тем-пературы 245 °С в свинце никаких изменений внутреннего строе-ния не происходит, и свинец будет иметь структуру Рb-α (α-сви-нец). При температуре 245 °С Рb-α перестраивается в Рb-β (β-сви-нец). Эта структура остается до температуры 327 °С. При темпера-туре 327 °С свинец начинает расплавляться. При расплавлении засчет поглощения энергии (температуры) температура свинца оста-ется постоянной — 327 °С. При охлаждении свинца процесс про-исходит в обратном порядке.

Рис. 3.2. Кривые нагрева и охлаждения железа:t — температура; t — время




колледж




колледж

»

56

Рис. 3.3. Кривые охлаждения и структуры (а, б, в, д, е), диаграмма состояния (г) сплавов свинец—сурьма:1 — температура ликвидуса; 2 — температура солидуса; АВС — линия ликвидуса; DBE — линия солидуса; Ж — жидкость; Эвт. —эвтектика




колледж




колледж

»

57

При нагревании сурьмы до температуры 245 °С никаких из-менений в металле не происходит. Структура сурьмы будет Sb-α(α-сурьма). При температуре 245 °С Sb-α переходит в Sb-β. Притемпературе 631°С сурьма начинает расплавляться. В связи с темчто при расплавлении происходит большое поглощение теплоты,температура расплавления сурьмы на 8…10 °С будет ниже. При ох-лаждении процесс идет в обратном порядке. Далее рассмотрим по-ведение типовых сплавов свинца и сурьмы: 95 % Рb + 5 % Sb; 87 %Рb + 13 % Sb; 60 % Рb + 40 % Sb. Для составления диаграммы состо-яния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма строим кривыенагрева (охлаждения).

При нагревании (охлаждении) 100 % Pb (рис. 3.3, а) при темпера-туре 327 °С на графике будет горизонтальный участок. При нагрева-нии (охлаждении) сплава 95 % Рb + 5 % Sb (рис. 3.3, б) при темпера-туре 245 °С на графике будет горизонтальный участок. Далее принагревании (охлаждении) при температуре 300 °С будет перегибкривой, при этой температуре сплав начнет расплавляться (при на-гревании) или кристаллизоваться (при охлаждении). При нагрева-нии (охлаждении) сплава 87 % Рb + 13 % Sb (рис. 3.3, в) при темпера-туре 245 °С также будет горизонтальный участок. При этой темпе-ратуре сплав начинает плавиться и заканчивает расплавление притемпературе 245 °С.

При нагревании (охлаждении) сплава 60 % Рb + 40 % Sb (рис. 3.3, д)до температуры 245 °С в структуре сплава никаких изменений непроисходит. При температуре 245 °С свинец начинает расплавлять-ся — на графике будет горизонтальный участок. При дальнейшемнагревании (охлаждении) при температуре 350 °С сплав расплавля-ется (при нагревании) или начинает кристаллизоваться (при ох-лаждении).

При нагревании (охлаждении) 100 % сурьмы (рис. 3.3, е) дотемпературы 631 °С сплав будет иметь твердую фазу, и при тем-пературе 631 °С на графике будет горизонтальный участок, сурь-ма начинает расплавляться. За счет поглощения энергии расплав-ление сурьмы происходит при температуре несколько ниже631 °С.

Для наглядного изображения характеристики сплава свинец —сурьма строим следующий график. На оси ординат откладываемтемпературы нагрева (охлаждения) от нормальной температуры.На этой оси будем откладывать критические точки для 100 %свинца. На оси абсцисс откладываем массовую долю в сплавесвинца и сурьмы. Справа проводим ось температур для 100 % со-держания сурьмы. Далее на оси ординат проектируем критичес-




колледж




колледж

»

58

кие точки, полученные в результате нагрева рассмотренных ра-нее сплавов.

Как видим из графиков, первое фазовое изменение сплавовпроисходит при температуре 245 °С. Проводим горизонтальнуюпрямую DE, соответствующую этой температуре. На оси темпера-тур свинца проектируем точку, соответствующую температуре327 °С — температуре плавления чистого свинца. Полученнуюточку обозначим буквой А.

На оси температур сурьмы проектируем точку, соответствую-щую 631 °С — температуре плавления сурьмы. Полученную точкуобозначим буквой С. На оси абсцисс из точки, соответствующей87 % Рb и 13 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр (пунктиром) догоризонтальной прямой DE (температура расплавления данногосплава). Точку А (критическую температуру 327 °С) на оси ординатсоединяем с критической точкой, лежащей на горизонтальной пря-мой, соответствующей температуре плавления данного сплава(87 % Рb + 13 % Sb). Полученную точку обозначим буквой В.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 95 % Рb и 5 % Sb,восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком АВ.В данной точке имеем критическую температуру 300 °С — темпе-ратуру плавления (затвердевания) сплава 95 % Pb + 5 % Sb.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 60 % Рb и 40 % Sb,восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком ВС,получаем точку, которая соответствует критической температуре350 °С — плавления (затвердевания) сплава 60 % Pb + 40 % Sb.

Таким образом, мы получили диаграмму состояния двухкомпо-нентного сплава свинец — сурьма. Все сплавы Рb — Sb независимоот массовой доли компонентов до температуры 245 °C имеют твер-дую фазу — механическая смесь. Сплав по линии DВЕ начинаетмедленно расплавляться при нагревании и затвердевает при охлаж-дении. Эту линию называют линией солидуса (от лат. solidus — твер-дый). По линии АВС сплавы расплавляются при нагревании, при ох-лаждении начинают медленно кристаллизоваться. Эта линия назы-вается линией ликвидуса (от лат. liquidus — жидкий). Между лини-ями DBE и линией АВС сплавы находятся в полужидком состоянии.

Сплав с 87 % Рb и 13 % Sb имеет самую низкую температуруплавления (затвердевания). Этот сплав, так же как и чистые метал-лы, плавится при одной температуре. Такие сплавы получили на-звание эвтектических сплавов.

Эвтектика — мелкодисперсная механическая смесь двух компо-нентов, образовавшаяся при температуре плавления (кристаллиза-ции), значительно ниже температуры плавления сплавляемых ком-




колледж




колледж

»

59

понентов в процессе затвердевания. Левее эвтектики сплавы назы-ваются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рассмотрим фазовые состояния сплава свинец — сурьма. Вышелинии АВС сплав находится в жидком состоянии (жидкая фаза),между линией АВ и DB — в полужидком (Pb + жидкость). Нижелини DB сплав состоит из механической смеси свинца и эвтекти-ки. Между линиями ВС и ВЕ сплав будет иметь полужидкую фазуи кристаллы сурьмы. Ниже линии ВЕ сплав будет состоять измеханической смеси (эвтектика и сурьма).

Диаграмма состояния сплава Pb — Sb относится к типу диа-грамм, в которых сплавляемые компоненты неограниченно раст-воряются в жидком состоянии и не растворяются в твердом состо-янии, образуя механические смеси (эвтектика).

Анализируя диаграмму состояния сплавов, можно изучить сле-дующие характеристики: температуру плавления (кристаллиза-ции), виды структур сплавов, способность образовывать ликвацию,режимы термообработки и обработки давлением. При изучениидиаграмм состояния двухкомпонентных сплавов следует обращатьвнимание на превращение компонентов сплавов в кристалличес-ком (твердом) состоянии.

В связи с этим различают следующие особенности аллотропныхизменений сплавов (типовые диаграммы состояния):

диаграммы состояния первого рода — для сплавов, ком-поненты которых полностью растворяются в жидкомсостоянии, ограниченно растворяются в твердом состо-янии и образуют механические смеси (Pb — Sb, Sn — Znи др.);диаграммы состояния второго рода — для сплавов, ком-поненты которых полностью растворяются в жидком итвердом состоянии с образованием твердых растворов(Ag— Au, Cu — Ni; Fe — V и др.);диаграммы состояния третьего рода — для сплавов, ком-поненты которых неограниченно растворяются в жид-ком состоянии, практически не растворяются в твердомсостоянии и образуют механические смеси (эвтектика) сполиморфным превращением (первичным и вторичным)структурно-фазового состава;диаграммы состояния четвертого рода — для сплавов,компоненты которых в жидком состоянии растворяютсядруг в друге, а в твердом состоянии образуют устойчи-вые или неустойчивые химические соединения.




колледж




колледж

»

60

3.2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железо. Железо относится к главному химическому элементув группе черных металлов. В чистом виде железо в природе невстречается, а встречается в виде оксидов, образующих так назы-ваемую железную руду с различным содержанием железа.

Кристаллическая решетка железа — ОЦК, но при повышениитемпературы она меняется. При нагревании до температуры150 … 250 °С чистое железо, взаимодействуя с кислородом, покры-вается оксидной пленкой. Технически чистое железо пластично.При незначительных массовых долях примесей (не более 0,01 %)пластичность резко уменьшается. Чистое железо в связи с низки-ми механическими свойствами практического применения не на-ходит.

Металлургическая промышленность для научных исследованийпроизводит несколько сортов технически чистого железа: чистей-шее, электролитическое, карбональное, техническое.

Указанные сорта чистого железа имеют различные механичес-кие свойства. Например, предел прочности σв = 180 … 320 МПа(18 … 32 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 30 …50 % зависятот сорта железа. Пластичность железа зависит от температурыиспытания.

При незначительном нагревании чистое железо становитсяхрупким. Исследования показали, что железо имеет три зоныхрупкости:

до 270 °С — железо хладноломкое;540 … 720 °С — железо синеломкое;1 080 … 1 265 °С — железо красноломкое.

Свойства хрупкости у железа проявляются в зависимости оттипа атомной кристаллической решетки и ее параметров. Хими-ческие элементы (примеси) увеличивают или понижают темпера-туру ломкости (синеломкости) железа. Так, например, кислородувеличивает, а углерод и марганец понижают температуру ломко-сти. Кроме того, практика показывает, что прочность и пластич-ность железа зависят от способа производства исследуемых образ-цов. Литые образцы имеют пониженную прочность и пластичностьпо сравнению с образцами, полученными деформированием (про-каткой, ковкой). Деформируемое железо прочнее литого.

Железо в твердом состоянии в зависимости от температуры мо-жет находиться в двух модификациях: α-железо и γ-железо. При




колледж




колледж

»

61

нагревании и охлаждении происходят аллотропные превращения,в результате которых идет перестройка атомных решеток. Крометого, важным фактором является способность железа растворятьуглерод, азот и водород, а также различные металлы. При этом сметаллами образуются твердые растворы замещения, а с углеро-дом, азотом и водородом — растворы внедрения.

Особую роль в образовании твердых растворов внедрения игра-ет углерод, который растворяется как в α-железе, так и в γ-желе-зе. Наибольшая растворимость углерода в γ-железе составляет2,14 % (на диаграмме состояния Fе — Fе3С критическая температу-ра 1 147 °С).

Чистое железо получить практически невозможно. В настоящеевремя получают железо с массовой долей различных примесей от0,01 %. Например, Армко-железо — техническое железо, получае-мое в мартеновских печах и применяемое для научных исследова-ний, — имеет массовую долю примесей 0,1 … 0,2 %.

Практика показывает, что углерод, сплавляясь с железом, спо-собствует резкому возрастанию механических свойств — увеличи-ваются твердость, износостойкость, упругость и прочность. Умень-шается пластичность и ударная вязкость. В связи с этим в практи-ке широкое применение нашли сплавы железа с углеродом и дру-гими элементами.

Характеристика железоуглеродистых сплавов. Железоуглеро-дистым сплавом называется сплав железа, насыщенный углеродоми другими химическими элементами в процессе доменной плавкиили иного металлургического процесса. Железоуглеродистые спла-вы являются основными конструкционными материалами и пред-ставляют большую группу, как по объему производства, так и помногообразию различных марок.

Железоуглеродистые сплавы по физико-химическим и механи-ческим свойствам подразделяются на две большие группы: стали ичугуны.

Сталь — это сплав железа с углеродом, в котором массоваядоля углерода составляет до 2,14 % (теоретически). На практикеобычно массовая доля углерода составляет 1,3…1,5 %. Углеродистаясталь — это деформируемый, ковкий и прочный конструкционныйматериал, предел прочности которого достигает 1 150 МПа, твер-дость — 285 НВ и относительное удлинение — 32 %. Сталь имеетхорошую обрабатываемость резанием, сваривается и обрабатыва-ется давлением.

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором массовая доляуглерода составляет 2,14… 6,67 % (теоретически). На практике при-




колледж




колледж

»

62

меняются чугуны с массовой долей углерода 2,5 … 5,0 %. Свойствачугуна зависят от его структуры, т. е. от взаимодействия углеродас железом.

В зависимости от структуры чугун будет обладать теми или ины-ми физико-механическими свойствами. При наличии зернистойструктуры чугун будет обладать высокой твердостью и прочнос-тью, а также высокой обрабатываемостью.

Бо́льшая часть товарного чугуна перерабатывается в сталь.Фазы и структуры железоуглеродистых сплавов. Железоугле-

родистый сплав в зависимости от физических условий (температу-ра, давление) может находиться в трех фазовых состояниях: жид-кой, полужидкой и твердой фазе. Каждая из этих фаз, несмотря наоднородность химического состава, имеет различные физическиеи механические свойства. При изучении свойств железоуглероди-стых сплавов научно-практический интерес представляют различ-ные структуры твердой фазы, которые при взаимодействии с угле-родом образуют железо (например, химическое соединение це-ментит, твердые растворы аустенит и феррит, механические сме-си перлит и ледебурит).

Цементит — это химическое соединение углерода с железом(карбид железа) Fe3C. Структура цементита представляет собойсложную ромбическую атомно-кристаллическую решетку со сла-бой металлической связью. Температура начала плавления цемен-тита — 1 147 °С, конца плавления — 1 600 °С. Цементит с различны-ми химическими элементами, находящимися в железоуглеродис-тых сплавах, образует твердые растворы замещения. При опреде-ленных условиях (температура и высокое давление) цементит рас-падается на свободный углерод (графит).

Цементит — ферромагнетик, аллотропных изменений не имеет,при температуре 217 °С теряет магнитные свойства. Количество уг-лерода в цементите всегда постоянно и составляет 6,67 %. Цемен-тит — это самая твердая (700 … 800 НВ) и хрупкая структурная со-ставляющая железоуглеродистых сплавов, режет стекло, не под-дается обработке резанием. Пластичность цементита равна нулю.В изломе цементит имеет мелкозернистое или игольчатое строе-ние, белый блестящий цвет и является типичной структурой белыхпередельных чугунов.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железе.Это малонауглероженное железо с массовой долей углерода до0,02 %. Феррит имеет твердость 60 … 80 НВ, предел прочностипри растяжении σв = 250 МПа (25 кгс/мм2), относительное удли-нение при разрыве δ ≤ 50 % и является микроструктурой низко-




колледж




колледж

»

63

углеродистых сталей, которая представляет собой крупные свет-лые зерна.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе.Максимальная концентрация углерода в аустените составляет2,14 %, твердость — 170 … 220 НВ. Аустенит образуется при темпе-ратуре 727 °С и имеет неустойчивую структуру, при охлаждениираспадается. Структура аустенита обладает высокими механичес-кими (прочность, пластичность, вязкость, твердость) и технологи-ческими свойствами.

Перлит — механическая смесь твердого раствора феррита и хи-мического соединения цементита. Такая смесь получила названиеэвтектоида (легкораспадающийся). Перлит имеет мелкопластинча-тую или зернистую структуру.

Рис. 3.4. Микроструктура углеродистых сталей:а — доэвтектоидная сталь — феррит + перлит; б — эвтектоидная сталь — пер�лит; в — заэвтектоидная сталь — перлит + цементит вторичный

Рис. 3.5. Микроструктура белых чугунов:а — доэвтектический чугун — перлит + ледебурит + цементит; б — эвтектиче�ский чугун — ледебурит; в — заэвтектический чугун — ледебурит + цементитпервичный




колледж




колледж

»

64

Массовая доля углерода в перлите составляет 0,83 %, твердость —200 … 240 НВ, предел прочности при растяжении σв = 1 100 …1 150 МПа (110… 115 кгс/мм2). Перлит — структура неустойчивая,при температуре 727 °С распадается на аустенит.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита. Ле-дебурит (эвтектика) содержит 4,3 % углерода, плавится при посто-янной температуре 1 147 °С.

Сталь с массовой долей углерода 0,83 % называется эвтектоид-ной, менее 0,83 % — доэвтектоидной и более 0,83 % — заэвтектоид-ной. Микроструктуры эвтектоидной (перлит), доэвтектоидной(феррит + перлит) и заэвтектоидной (перлит + цементит вторич-ный) сталей представлены на рис. 3.4.

Чугун с массовой долей углерода 4,3 % называется эвтекти-ческим, с массовой долей углерода менее 4,3 % — доэвтектиче-ским, с массовой долей углерода более 4,3 % — заэвтектическим(рис. 3.5).

3.3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВНА СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХСПЛАВОВ

Железоуглеродистый сплав кроме железа и углерода (постоян-ных компонентов) содержит полезные, вредные и постоянные(технологические) примеси, которые оказывают различные влия-ния на свойства конструкционных материалов.

Углерод в железоуглеродистом сплаве может находиться в видекарбида железа Fe3C (цементита) либо в виде графита.

Углерод является основным сплавляемым компонентом, кото-рый специально вводят для увеличения прочности, твердости иулучшения технологических и эксплуатационных свойств конст-рукционных материалов. Влияние углерода на свойства конструк-ционных материалов зависит от состояния или взаимодействия егос железом, т. е. от образования той или иной структуры железоуг-леродистого сплава.

Если при взаимодействии углерода с железом образуется це-ментит, то сплав будет иметь высокие твердость, хрупкость и прак-тически не будет поддаваться обработке резанием.

Если углерод, взаимодействуя с железом, образует структурымеханических смесей (перлита или феррита), то сплав будет иметьвысокие механические и технологические свойства.




колледж




колледж

»

65

Кремний и марганец в железоуглеродистых сплавах являютсяполезными примесями. Кремний в сплав попадает частично изруды, а основная масса — в процессе плавки при раскислениисплава.

Раскисление — это процесс удаления вредных включений окси-да железа (FeO) путем введения раскислителей (марганца, кремнияи различных ферросплавов). Раскислители, соединяясь с оксидомжелеза, образуют шлаки, которые подлежат удалению. Незначи-тельная часть раскислителей остается в железоуглеродистом спла-ве. Как правило, раскислению подлежит большинство сталей и чу-гунов.

Кремний полностью растворяется в основной структуре сплавас образованием твердого раствора, повышает предел текучести,уменьшает хрупкость. Высокое содержание кремния (1… 2 %) при-дает стали упругость. Кроме того, кремний способствует преобра-зованию углерода из структуры цементита в свободный углерод ввиде графита, уменьшая при этом твердость и хрупкость сплавов.

Марганец попадает в сплав при переработке марганцевых руд, атакже в процессе раскисления. Марганец образует с железом твер-дый раствор, а также способствует образованию химического со-единения, поэтому он повышает твердость, износостойкость, проч-ность. Высокое содержание марганца способствует образованиюцементита, что приводит к повышению твердости и хрупкости спла-ва. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы.

Сера и фосфор в железоуглеродистых сплавах являются вред-ными примесями.

Фосфор попадает в сплав из руды. Исходный чугун, как прави-ло, имеет высокую массовую долю фосфора. Фосфор ограниченнорастворяется в железе, а его избыточное содержание приводит кобразованию фосфида железа — очень хрупкого соединения. Фос-фор, растворяясь в железе, резко снижает его плотность и приво-дит к хрупкости в холодном состоянии. Это свойство называетсяхладноломкостью сплавов. Фосфор также приводит к повышениютвердости и уменьшению прочности. Марганец, взаимодействуя сфосфором в процессе раскисления, удаляет его с образованиемшлаков.

В отдельных случаях фосфор может быть полезен, так какулучшает обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, а при на-личии незначительного количества меди повышает коррозионнуюстойкость.

Сера попадает в сплав из руд, а также из топлива в процессе егогорения. Не растворяясь в железе, сера образует с ним легко-




колледж




колледж

»

66

плавкую и очень хрупкую механическую смесь (эвтектику) и дела-ет сплав хрупким в районе температур красного каления (это свой-ство получило название красноломкости), поэтому железоуглеро-дистые сплавы с высоким содержанием серы не подвергаются го-рячей обработке давлением.

При высоком содержании в сплаве углерода наличие серы по-вышает его твердость и хрупкость, ухудшает литейные свойства,снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку металла при охлаж-дении отливок и склонность к образованию микротрещин. Вредноевлияние серы нейтрализуется марганцем. При введении в сплавнезначительной массовой доли марганца образуется соединение ссерой — сульфид марганца (MnS) вместо легкоплавкого сульфидажелеза (FeS). Сульфид марганца частично удаляется вместе сошлаком.

В железоуглеродистых сплавах могут находиться с очень низ-кой массовой долей различные газы: азот, водород и кислород. Этихимические элементы являются скрытыми примесями. Из-за слож-ности их химического анализа массовую долю этих элементов неопределяют и в технических условиях не нормируют.

Кроме того, в незначительных количествах встречаются раз-личные металлы (олово, цинк, сурьма, свинец, никель, медь, хроми др.) — случайные примеси. Эти группы металлов попадают какиз руд, так и из перерабатываемого при металлургическом процес-се стального лома.

Все перечисленные случайные примеси являются неизбежнымследствием технологического процесса, т. е. специально не добав-ляются. В связи с этим получаемые стали с незначительной массо-вой долей никеля, меди, хрома и других металлов не рассматрива-ют как легированные стали.

Кроме естественных, постоянных, скрытых и случайных хими-ческих элементов в железоуглеродистый сплав (особенно в сталь)вводят специальные химические элементы с целью изменения мик-роструктуры сплава, физико-химических и других свойств.

Специально вводимые в железоуглеродистый сплав химическиеэлементы называют легирующими элементами, а сплавы, получен-ные на их основе, — легированными сплавами (сталями и чугуна-ми).

В качестве легирующих элементов вводят алюминий, ванадий,вольфрам, молибден, медь, кобальт, кремний, никель, тантал, титан,хром и др.

Государственные стандарты строго регламентируют массовуюдолю полезных и вредных примесей в железоуглеродистых сплавах.




колледж




колледж

»

67

В сталях, как правило, содержание этих элементов, %, ограничи-вается следующими верхними пределами:

Марганец ............................................................................................. 0,8Кремний ............................................................................................... 0,5Фосфор ................................................................................................ 0,05Сера ...................................................................................................... 0,05

В чугунах по государственным стандартам допускается болеевысокая массовая доля, %, полезных и вредных примесей (в зави-симости от групп и марок):

Марганец ................................................................................. 0,3 … 1,5Кремний .................................................................................... 0,3 … 5,0Фосфор ..................................................................................... 0,20… 0,65Сера ........................................................................................... 0,08 … 0,12

3.4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Диаграмма состояния железо — углерод — это наглядное уни-версальное графическое изображение физико-химических про-цессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах.

Так как практическое применение находят железоуглеродистыесплавы с массовой долей углерода до 6,69 %, рассмотрим диа-граммы состояния этих сплавов. В металловедении практическоеприменение нашли два вида диаграмм состояния железо — угле-род: стабильная диаграмма — железо — графит (свободный угле-род) и метастабильная диаграмма — железо — цементит (карбиджелеза).

Железо — это аллотропное вещество. Углерод также обладаеталлотропией (полиморфизмом).

В природе углерод, находясь в твердом агрегатном состоянии,может существовать в форме графита и в форме алмаза. При нор-мальных условиях графит является более устойчивой формой су-ществования. При повышении температуры и давления графитприобретает структуру алмаза. Следовательно, алмаз — это мета-стабильная модификация графита. Графит имеет гексагональнуюатомно-кристаллическую решетку.

В связи с тем что железоуглеродистый сплав состоит из двуххимических веществ, обладающих аллотропией (полиморфизмом),это свойство сохраняется и в сплаве. Таким образом, благодаря




колледж




колледж

»

68

полиморфизму железоуглеродистый сплав будет иметь следующиефазы или структуры:

жидкая фаза (Ж);полужидкая фаза (Ж + Ф; Ж + А; Ж + Ц);структура феррита (Ф или Fe-α);структура аустенита (А или Fе-γ);структура цементита (Ц);структура ледебурита (Л);структура перлита (П).

Следует отметить, что феррит, аустенит и ледебурит образуют-ся при первичной кристаллизации, а перлит образуется при вто-ричной кристаллизации. Кроме того, цементит в сплаве можетбыть трех модификаций: первичный (выпадает из жидкого раство-ра); вторичный (выпадает из аустенита); третичный (выпадает изферрита).

Рассмотрим диаграмму состояния сплава железо — углерод(рис. 3.6). По диаграмме можно определить структуру сплавов какпосле медленного охлаждения, так и после нагрева.

Критическая точка А соответствует температуре плавленияжелеза (1 539 °С). Критическая точка D — температуре плавленияцементита (1 600 °С). Точки H и Р показывают массовую долюуглерода в феррите: Н — при температуре 1 499 °С (высокотемпе-ратурная концентрация), Р — при температуре 727 °С (низкотем-пературная концентрация). Полиморфное превращение в железепроисходит в точках G и N. Критическая точка Е показывает наи-большую массовую долю растворимости углерода в структуре аус-тенита — 2,14 % (наибольшую концентрацию). Температуре рас-плавления сплава (1 147 °С) с массовой долей углерода 4,3 % принагревании соответствует точка С. При охлаждении в этой точкевыделяется ледебурит — механическая смесь первичного цементи-та и аустенита (эвтектика). Критическая точка F соответствуетвыделению 100 % первичного цементита (температура 1 147 °С).

Соединяя характерные точки, соответствующие фазовым со-стояниям микроструктур, с критическими точками железа, получа-ем поверхности раздела (границы), которые раскрывают все физи-ко-химические процессы, происходящие в железоуглеродистыхсплавах при нагревании (охлаждении). Рассмотрим эти линии (гра-ницы) для сплава с массовой долей углерода 6,67 %.

По достижении температур, соответствующих линии АВСD (ли-ния ликвидуса), стали и чугуны при нагревании расплавляются и




колледж




колледж

»

69 Рис. 3.6. Диаграмма состояния сплава железо— углерод




колледж




колледж

»

70

при охлаждении начинают затвердевать. Выше этой линии будетжидкая фаза, ниже — полужидкая.

При температурах, образующих линию АНJЕСF (линия солиду-са), стали и чугуны начинают плавиться при нагревании и за-твердевают при охлаждении.

Линия РSК лежит на горизонтальной прямой, соответствующейтемпературе 727 °С, при которой происходит первое аллотропноепревращение (первичная кристаллизация). Второе аллотропное пре-вращение (вторичная кристаллизация) происходит по линии GSE.

Линия КFD — линия 100 % химического соединения углерода сжелезом (цементит). Линия QPG — линия низкоуглеродистоготвердого раствора феррита и третичного цементита.

Геометрическая фигура АВJHN показывает область перитекти-ческого1 превращения сплава.

Диаграмма состояния железо — графит (Fe — С) представляетсобой диаграмму, аналогичную диаграмме железо —цементит. Дляболее наглядного изучения диаграммы состояния железо —графиткритические точки накладывают на диаграмму железо — цементит,что дает возможность более глубоко понять физико-химическиепроцессы в обоих сплавах. На рис. 3.6 диаграмма состояния спла-ва Fe—C показана пунктирной линией.

В сплаве железо — графит несколько изменяются критическиетемпературы аллотропных превращений. Например, эвтектоидноепревращение происходит при температуре 738 °С при массовойдоле углерода 0,7 % (S′ ). В этом случае эвтектоид называется гра-фитовым, состоящим из феррита и графита. Штриховыми линия-ми показаны границы раздела состояния системы. При температу-ре 1 153 °С (линия E′C′F′ ) структура начинает расплавляться собразованием жидкого раствора и первичного графита. ЛинияS′Е′ — граница выделения вторичного графита из аустенита. Ли-ния С′D′ — граница полного расплавления первичного графита.При температуре 1 153 °С образуется эвтектика с массовой долейуглерода 4,26 %, имеющая структуру аустенита и графита. Такаяструктура называется графитовой.

Железоуглеродистые сплавы кристаллизуются при условиимедленного охлаждения и наличия в сплаве графитизирующихкомпонентов (см. диаграмму состояния). Быстрота охлаждения же-лезоуглеродистых сплавов способствует образованию сплава же-лезо — цементит.

1 Перитектика — жидкий раствор, который может находиться при данномдавлении в равновесии с двумя и более фазами.




колледж




колледж

»

71

Зная конкретную массовую долю углерода в углеродистых ста-лях и чугунах, по диаграмме Fе — Fе3С на горизонтальной оси на-ходим соответствующую точку. Из этой точки восстанавливаемперпендикуляры, а пересечения перпендикуляров с любыми плос-костями раздела (линиями) дадут нам критические точки для кон-кретных марок сталей и чугунов.

Рассмотрим пример определения температуры перекристалли-зации и плавления стали марки 40 с массовой долей углерода 0,4 %.

На диаграмме железо — цементит на оси ординат (концентра-ция углерода) из точки, соответствующей 0,4 % углерода, восста-навливаем перпендикуляр I— I. Перпендикуляр пересекает кривыедиаграммы железо — цементит, образуя критические точки.

Сталь марки 40 с массовой долей углерода 0,4 % при нормаль-ных условиях и до температуры 727 °С (рис. 3.7) будет иметь струк-туру 50 % феррита + 50 % перлита. В процессе нагревания при тем-пературе 727 °С (точка 1) структура перлита будет медленно распа-даться, образуя структуру аустенита. В связи с тем что в процессераспада структур происходит интенсивное поглощение энергии(теплоты), на кривой будет горизонтальный участок 1 — 1 ′. Послеполного распада перлита в структуре стали до температуры 760 °Сникаких изменений не происходит, сталь медленно нагревается (надиаграмме наклонная кривая 1 ′—2 ), структура стали будет феррит+ аустенит. При пересечении перпендикуляра I—I (см. рис. 3.6) с ли-нией GS (точка 2) начинает распадаться структура феррита в струк-

Рис. 3.7. Кривые нагрева (а) и охлаждения (б) стали марки 40:t — температура; t — время; Ф — феррит; А — аустенит; П — перлит; Ж — жид�кость; 1 — 5, 1¢— 5¢ — критические точки, соответствующие аллотропным пре�вращениям




колледж




колледж

»

72

туру аустенита. На диаграмме будет горизонтальный участок 2 —2 ′(cм. рис. 3.7), так как пока происходит распад феррита в аусте-нит, температура постоянная (происходит поглощение энергии).При дальнейшем нагревании в точке 2 до точки 3 (от 760 °С до1 480 °С) структура стали будет постоянной — аустенит. В точке 3(1 480 °С) происходит расплавление части аустенита. Пока частьаустенита расплавляется, температура стали остается постоянной,и на кривой будет горизонтальный участок 3 — 3 ′. Между точками3 и 4 структура стали будет аустенит + жидкая фаза.

В точке 4 при температуре 1 500 °С (на рис. 3.6 пересечение с го-ризонтальной прямой JВ) происходит перестройка структур остав-шегося аустенита в феррит. На кривой будет горизонтальный уча-сток 4 — 4 ′ (см. рис. 3.7). До точки 5 (1 520 °С) структура стали бу-дет феррит + жидкая фаза.

В точке 5 оставшийся феррит начинает медленно расплавлять-ся, и температура стали остается постоянной (1 520 °С), на кривойбудет снова горизонтальный участок 5 — 5 ′. Выше линии 5 — 5 ′сталь будет иметь жидкую фазу. При охлаждении процесс проис-ходит в обратном порядке (см. рис. 3.7, б ).

Аналогично структуры и критические точки (температуры) оп-ределяются по диаграмме Fe— Fe3C для любой марки стали и чугу-на. Кроме того, по диаграмме определяются температуры горячейобработки давлением и температуры различной термической и хи-мико-термической обработки.


1. Что называется сплавом?2. Раскройте понятия механической смеси, твердого раствора и

химического соединения. Приведите примеры.3. В каких координатах строится диаграмма состояния двойных

сплавов?4. Дайте краткую характеристику диаграммы состояния сплава

свинец — сурьма.5. Раскройте применение диаграмм состояния двойных сплавов.6. Дайте краткую характеристику железа.7. Дайте определение стали и чугуна.8. Раскройте влияние полезных и вредных примесей на свой�

ства сталей и чугунов.9. Какие химические элементы вводят в стали и чугуны с целью

улучшения их свойств?10. Назовите механические смеси и твердые растворы железоуг�

леродистых сплавов и дайте их характеристику.




колледж




колледж

»

11. Охарактеризуйте процесс перекристаллизации и расплавле�ния сталей с массовой долей углерода 0,1; 0,5; 0,8; 1 %, чугу�нов — 2,5; 3,5; 5 %. Какие микроструктуры будут иметь этистали и чугуны при нагревании?

12. Какой основной химический элемент является обязательнымкомпонентом в сталях и чугунах и какова его массовая доля?




колледж




колледж

»

74

Глава 4

ЧУГУНЫ

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своей физико-хими-ческой природе может быть различным в зависимости от перера-батываемой железной руды.

Практика показала, что если железная руда в своем составеимеет высокое содержание марганца, то получается чугун соструктурой цементита. Этот чугун получил название белого. Белыйчугун является основным сырьем в производстве стали. В связи сэтим он получил название передельного чугуна.

Если чугун имеет структуру перлит + ледебурит или ледебурит ++ цементит, то такой чугун называется половинчатым.

Если переплавляется железная руда с низким содержаниеммарганца, но с высоким содержанием кремния, то выплавляемыйв доменных печах чугун будет иметь структуру феррит + перлит.Такие чугуны получили название литейных серых чугунов.

Белый передельный чугун идет на переработку в сталь в конвер-терах, дуговых и индукционных печах, а также мартеновских пе-чах. Из половинчатого чугуна путем длительного отжига получаютковкий чугун. Высокопрочные и специальные чугуны получаютпутем введения в литейный серый чугун модификаторов, находя-щихся в расплавленном состоянии. Литейный серый чугун исполь-зуют в основном при производстве отливок для машиностроенияи станкостроения.

Кроме указанных групп чугунов в последнее десятилетиеXX в. в России (ОАО «Тулачермет») освоен выпуск чугуна с по-вышенной чистотой по содержанию вредных примесей и другиххимических элементов. Этот чугун получил название нодулярно-го чугуна (например, ПВК-Н — чугун повышенного качества но-дулярный).




колледж




колледж

»

75

4.2. БЕЛЫЙ ЧУГУН

Белый чугун получается при переработке железных руд с повы-шенным содержанием марганца. В изломе этот чугун имеет мелко-зернистое или игольчатое строение матово-белого цвета. Весь уг-лерод, как правило, с массовой долей 6,67 % находится в химичес-ки связанном состоянии в форме цементита в поверхностных сло-ях отливки.

Белый чугун очень хрупкий, практически не поддается обработ-ке резанием, его твердость достигает 700 … 800 НВ. Из-за высокойтвердости и хрупкости белый чугун как конструкционный матери-ал прямого применения не имеет. В некоторых случаях свойствавысокой твердости и износостойкости структуры белых чугунов(цементита) создают искусственно в поверхностных слоях деталей.Эта операция называется отбеливанием поверхности деталей и от-ливок. Операция отбеливания достигается высокой скоростью ох-лаждения. Например, с целью получения высокой твердости наглубину до 5 мм отбеливают поверхность валков прокатных станов,лемехи плугов, шары мельниц, коленчатые валы дизелей и другиедетали.

Структура белого чугуна неустойчивая. При высоких темпера-турах цементит распадается на аустенит и свободный углерод (гра-фит). Температура плавления белого чугуна составляет 1 600 °С.

Белый чугун выпускается в виде чушек весом 40 кг, которыеидут на производство стали в мартеновских и других печах, или вжидком состоянии (в этом случае чугун хранится в специальныхемкостях (миксерах), из которых затем поступает в конвертеры дляпроизводства стали).

Половинчатый чугун — это низкосортный белый чугун, в ко-тором часть углерода находится в химически связанном состоя-нии в виде цементита, а часть — в виде свободного углерода (гра-фита) или механических смесей в зависимости от массовой долиуглерода (рис. 4.1). Так, чугун с массовой долей углерода, равной4,3 %, — эвтектический, имеет структуру ледебурита (механичес-кая смесь цементита и феррита). Заэвтектический чугун (более4,3 % углерода) имеет структуру перлит + цементит + графит. До-эвтектический чугун (менее 4,3 % углерода) имеет структуру пер-лит + ледебурит + графит.

Половинчатый чугун имеет очень высокие механические свой-ства, но хрупкий, поэтому этот чугун прямого применения в ли-тейном производстве не находит.




колледж




колледж

»

76

Благодаря наличию в структуре свободного углерода, а также не-устойчивых структур ледебурита и цементита половинчатый чугунявляется сырьем для производства ковких и специальных чугунов.

4.3. ЛИТЕЙНЫЙ СЕРЫЙ ЧУГУН

Литейный серый чугун свое название получил благодаря высо-ким литейным свойствам (жидкотекучесть и низкая усадка), а так-же из-за темно-серого цвета. В изломе имеет крупнозернистое стро-ение. Мягкий, хорошо подвергается обработке резанием. Твердостьлитейных серых чугунов составляет 140…260 НВ. Предел прочностипри растяжении σв = 100…450 МПа (10…45 кгс/мм2). Относительноеудлинение δ = 0,2… 0,5 %. В отечественном машиностроении до 74 %всех ответственных отливок получают из литейного серого чугуна.

По микроструктуре литейные серые чугуны подразделяются наферритно-графитные, ферритно-перлитные и перлитные (рис. 4.2).Углерод в этих чугунах находится в свободном состоянии в виде гра-фита. Чем больше массовая доля углерода, тем больше в сером чу-гуне структуры графита и ниже его механические свойства, поэто-му максимальное содержание углерода ограничено его доэвтекти-ческими пределами, т.е. не более 4 %, а практически до 3,7 %.

Снижение содержания углерода понижает его литейные свой-ства. В связи с этим устанавливается нижний предел по массовойдоле углерода. Он равен примерно 2,2 %. Нижний предел принима-ется для толстостенных отливок, верхний — для тонкостенных.

Доменные цеха выпускают серый чугун в виде чушек, которыепоставляются в литейные цеха машиностроительных заводов.

Литейный серый чугун состоит из железа, углерода, а также дру-гих химических элементов, поэтому не является двухкомпонентным

Рис. 4.1. Микроструктура половин�чатого чугуна:1 — перлит; 2 — цементит; 3 — ледебу�рит




колледж




колледж

»

77

сплавом. Кроме углерода в своем составе он содержит кремний,марганец, серу и фосфор. Кремний и марганец влияют на процессграфитизации, образование микроструктуры и механические и тех-нологические свойства отливок из серого чугуна.

Углерод влияет на свойства чугуна в зависимости от формы со-единения с железом, т. е. от структуры, которая образуется в спла-ве. На образование структур в совокупности влияют условия плав-ки и охлаждения, а также наличие сопутствующих химическихэлементов: марганца, кремния и незначительно серы и фосфора.

Кремний с массовой долей 3… 5 % в серых чугунах способствуетвыделению углерода в виде графита. Изменяя массовую долю крем-ния, можно получить отливки с различной структурой, а с изменени-ем структуры изменяются и механические свойства чугуна. Напри-мер, чугун со структурой в виде пластинчатого графита имеет отно-сительное удлинение δ = 0,2…1,1 %, а чугун со структурой графитахлопьевидной формы имеет относительное удлинение δ = 5… 10 %.Кремний способствует образованию микроструктуры графита, при-дает чугуну ряд ценных механических, технологических и эксплуа-тационных свойств, улучшает обрабатываемость резанием. Крометого, графитовые включения (пористые, мягкие) быстро гасят виб-рации, колебания и рассеивают по массе несущих деталей ударныенагрузки. Детали из чугуна нечувствительны к механическим по-вреждениям. Благодаря структуре графита серый чугун обладаетвысокими антифрикционными свойствами. В этом случае графитдействует как смазывающее вещество. Благодаря перечисленнымсвойствам кремний является постоянным и обязательным элемен-том в литейных серых чугунах.

Рис. 4.2. Микроструктуры литейных серых чугунов:а — ферритно�графитная; б — ферритно�перлитная; в — перлитная




колледж




колледж

»

78

Марганец препятствует графитизации чугуна, отбеливает его,способствует образованию структуры измельченного перлита(феррит + цементит), улучшая механические свойства. Массоваядоля марганца в серых чугунах колеблется в пределах 0,2 … 1,1 %,при этом прочность, износостойкость и твердость повышаются.При большем содержании марганца происходит уменьшениеструктуры перлита и феррита, увеличение структуры цементита, ичугун становится твердым, но хрупким.

Сера — вредная примесь. Она оказывает отрицательное дей-ствие на механические и литейные свойства серых чугунов, пони-жает жидкотекучесть, увеличивает усадку, способствует образова-нию трещин. Массовая доля серы для мелкого литья — 0,08 %, длякрупного литья, в котором не требуется повышенная жидкотеку-честь, — 0,10 … 0,12 %.

Фосфор в литейных чугунах является полезной примесью, таккак он увеличивает жидкотекучесть. Кроме того, фосфор способ-ствует образованию такой структуры, которая повышает общуютвердость и износостойкость отливок. Высокое содержание фос-фора (до 0,7 %) повышает хладостойкость чугуна, поэтому в отлив-ках, работающих при нагрузках, массовая доля фосфора может до-стигать 0,3 %, а в отливках, работающих без нагрузок (художе-ственное и бытовое литье), — 0,7 %.

На образование микроструктуры и графитизацию фосфор вли-яния не оказывает. На практике по структурным диаграммам в за-висимости от массовой доли углерода и кремния в чугуне опреде-ляют его приблизительную микроструктуру в отливках с толщинойстенок 50 мм.

Согласно ГОСТ 1412—87 существуют следующие марки серо-го чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30,СЧ35, СЧ40 и СЧ45, где буквы СЧ означают литейный серый чу-гун, а цифры — предел прочности при растяжении. Например,чугун марки СЧ15 имеет прочность при растяжении 150 МПа(15 кгс/мм2).

Таким образом, литейные серые чугуны имеют высокие меха-нические свойства (σв — до 450 МПа (45 кгс/мм2) и также высокиетехнологические свойства (литейные свойства, обрабатываемостьрезанием и др.). Кроме того, как уже отмечалось, литейный серыйчугун обладает способностью гасить и рассеивать вибрации и на-грузки. Это свойство называется демпферным свойством. Оно ши-роко используется в станкостроении. Из литейного серого чугуна,обладающего демпферным свойством, отливают станины станков,машин и другие несущие конструкции, которые позволяют созда-




колледж




колледж

»

79

вать точность и жесткость системы станок—приспособление —инструмент — деталь (СПИД).

Главными технологическими свойствами являются высокаяжидкотекучесть и обрабатываемость резанием. Отливки из литей-ного серого чугуна хорошо поддаются обработке на различных ме-таллорежущих станках: точению, фрезерованию, строганию, свер-лению, шлифованию и шабрению. В связи с широким диапазономмеханических свойств (прочности и твердости) этот чугун находитприменение в различных отраслях экономики. Например, низко-сортный серый чугун применяется для изготовления отливок, ра-ботающих без нагрузок (бытовое и художественное литье, грузы,подставки, крышки, пробки, плиты, фланцы и др.). Литейный се-рый чугун с пределом прочности 200 МПа и более применяется дляотливок деталей, работающих при средних нагрузках (трубы, стани-ны, кронштейны, корпуса редукторов и др.). Чугун с пределом проч-ности 300 МПа и более применяется для деталей, работающих привысоких нагрузках (корпуса подшипников, шкивы, зубчатые и чер-вячные пары, блоки цилиндров, головки блоков, поршни, дискисцепления, корпуса насосов, цилиндры паровых турбин, коленча-тые валы, звездочки, тормозные барабаны и др.).

4.4. КОВКИЙ ЧУГУН

Ковким чугуном называют чугун, полученный из белого (поло-винчатого) чугуна путем длительного отжига (томления). Схемаполучения ковкого чугуна представлена на рис. 4.3.

Процесс получения ковкого чугуна заключается в следующем.В вагранках или электропечах расплавляют низкосортный (поло-винчатый) белый чугун, затем разливают его в земляные или ме-таллические формы. После охлаждения отливки удаляют из форми помещают в ящики с измельченной железной рудой или окали-ной. Ящики нагревают в печах до температуры 900 … 1 000 °С, вы-держивают 6 —10 сут. В процессе этой термической операции(томления) углерод из цементита диффундирует к поверхности де-тали, превращаясь в свободный углерод в виде графита (углеродотжига), а часть его выгорает.

В настоящее время внедрена технология ускоренного отжигаотливок белого чугуна на ковкий чугун. Суть этой технологии за-ключается в проведении предварительной термической обработкиотливок: нормализации или закалки и отпуска. Этими операциями




колледж




колледж

»

80

достигается возможность получения большего числа центров кри-сталлизации, что приводит к более быстрому распаду цементита вуглерод отжига и значительно уменьшает продолжительность про-цесса получения ковкого чугуна.

Закалку проводят при температуре 820 … 950 °С и охлаждают вминеральном, веретенном или трансформаторном масле. Отпускпроводят при температуре 400 °С. При второй стадии окончатель-ного отжига при температуре 950 °С продолжительность сокраща-ется до 5 ч.

В практике применяют также ступенчатый отжиг: отливки ох-лаждают с 950 до 760 °С в течение 2 … 3 ч, с 760 до 680 °С в течение8 … 10 ч, затем осуществляют охлаждение на воздухе.

Современное ускоренное получение ковкого чугуна осущест-вляется в две стадии. Первая стадия — нагрев отливок в соляныхваннах или расплавленных металлах при 1 050… 1 100 °С и выдерж-ка 1… 2 ч; вторая — нагрев до 700 °С и выдержка в течение 4 ч. Весьпроцесс также длится 5 … 7 ч. В результате отжига в отливкахструктура ледебурита и цементита переходит в структуру графитахлопьевидной формы (углерод отжига). По сравнению с исходнымчугуном твердость отливок ковкого чугуна понижается, хрупкостьустраняется, прочность повышается, и отливки приобретают высо-кую пластичность (до 12 %) и ударную вязкость. Благодаря высокойпластичности этот чугун получил название ковкого чугуна, однакоковке этот чугун не подвергается, особенно его нельзя ковать (де-формировать) в горячем состоянии, так как по границам зерен в го-рячем состоянии чугун приобретает хрупкость, появляются микро-трещины. После ковки отливки становятся хрупкими. Отливки из

Рис. 4.3. Схема получения ковкого чугуна путем отжига (томления)половинчатого чугуна:

1 — кривая получения ковкого ферритного чугуна; 2 — кривая получения ков�кого перлитного чугуна; t — температура; t — время; Ас1 — критическая темпе�ратура (эвтектоид)




колледж




колледж

»

81

ковкого чугуна подвергаются незначительному деформированию вхолодном состоянии, гнутся, вытягиваются, рихтуются.

Структура ковкого чугуна в виде хлопьевидного графита обла-дает более высокой твердостью, прочностью и пластичностью посравнению с серыми литейными чугунами. Как показала практика,отливки из половинчатого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкийчугун, должны быть диаметром не более 40 … 50 мм. При сеченииболее 50 мм в сердцевине образуется очень твердая и хрупкаяструктура пластинчатого графита.

Отливки из ковкого чугуна имеют следующее содержание при-месей: углерода — 2,4 … 2,9 %, кремния — 1,0 … 1,6 %, марганца —0,2 … 1,0 %, серы — до 0,2 % и фосфора — до 0,18 %.

Структура в отливках ковкого чугуна в зависимости от режимовотжига может быть ферритной или ферритно-перлитной (рис. 4.4).

Структуру феррита и углерода отжига получают ступенчатымотжигом. Отливки, полученные при ступенчатом отжиге, имеютпластичность до 12 %.

Отливки на ковкий перлитный чугун производят путем длитель-ного отжига при температуре примерно 1 000 °С. После первой ста-дии графитизации проводят медленное непрерывное охлаждениедо нормальной температуры. После охлаждения в отливках обра-зуется структура перлита и углерода отжига. Структура перлитаобусловливает более высокие механические свойства деталей,прочность и твердость. Во время отжига в отливках снимаются ли-тейные напряжения.

Согласно ГОСТ 1215—79** выпускают следующие марки ковкого чу-гуна: КЧ 30-6, КЧ 30-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-3, КЧ 50-4,

Рис. 4.4. Микроструктуры ковкого чугуна:а — ферритная (черно�сердечная); б — ферритно�перлитная (светло�сердечная)




колледж




колледж

»

82

КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5, где КЧ — ковкий чугун; пер-вые цифры обозначают предел прочности при растяжении, цифрыпосле дефиса — относительное удлинение.

Ковкие чугуны идут на изготовление деталей небольших сече-ний, работающих при тяжелых условиях: абразивном изнашива-нии, ударных и знакопеременных нагрузках, в автомобильном,тракторном и текстильном машиностроении, котло-, вагоно- и ди-зелестроении.

Высокая прочность и плотность отливок ковкого чугуна даетвозможность их широкого применения в качестве водопроводных,газопроводных установок и аппаратуры.

Недостаток ковких чугунов — это высокая стоимость отливокиз-за длительного отжига и металлургических агрегатов со специ-альным оборудованием.

Для изменения микроструктуры отливок из ковкого чугуна пос-ле механической обработки их подвергают различным видам тер-мической обработки: нормализации, закалке и последующему от-пуску. В процессе термической обработки меняется металлическаяоснова отливок, после чего повышаются твердость, износостой-кость, прочность и ударная вязкость.

4.5. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН

Отечественная наука и практика разработали технологию полу-чения отливок из серого литейного чугуна со структурой в видешаровидного графита. Этот чугун, по сравнению с обычным серымлитейным чугуном, обладает высокими механическими свойства-ми, сочетая в себе свойства стали и чугуна. Конструкционный ма-териал, применяемый для литья деталей и изделий со структуройшаровидного графита, получил название высокопрочного чугуна.Технология получения высокопрочного чугуна заключается в сле-дующем. Перед разливкой в форму в жидкий чугун, находящийсяв разливочном ковше, вводят присадки магния в пределах 0,03 …0,07 % от общей массы расплава. Этот процесс называется моди-фицированием. Модифицирование чистым магнием вызываетвспышку, поэтому магний вводят в испаритель (металлические илиграфитовые коробки с отверстиями) в виде лигатуры — сплавовмагния с кремнием или никелем. В процессе модифицированиялитейного серого чугуна в расплавленном состоянии при охлажде-нии отливок изменяется микроструктура (рис. 4.5). Получаемая




колледж




колледж

»

83

микроструктура шаровидного графита не ослабляет металлическиеосновы отливки. После модифицирования в чугунных отливках внесколько раз увеличивается твердость, прочность и ударная вяз-кость по сравнению с исходным материалом.

По ГОСТ 26358—84 выпускаются следующие марки высоко-прочного чугуна: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-2, ВЧ 50-7, ВЧ60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Буквы ВЧ означаютвысокопрочный чугун, цифры после букв — предел прочности прирастяжении, через дефис — относительное удлинение. Например,чугун ВЧ 50-2 имеет предел прочности при растяжении σв = 500 МПа(50 кгс/мм2), а относительное удлинение δ = 2 %.

Отдельные марки высокопрочного чугуна имеют твердостьдо 370 НВ, предел прочности при растяжении σв = 1 200 МПа(120 кгс/мм2).

Государственный стандарт предъявляет требования к механи-ческим свойствам отливок из высокопрочного чугуна в зависимо-сти от марок по следующим характеристикам: предел прочностипри растяжении, предел текучести и относительное удлинение.

Для улучшения механических свойств отливки из высокопроч-ного чугуна подвергают различным видам термической обработки:закалке с последующим отпуском, отжигу и нормализации. Отлив-ки из высокопрочного чугуна имеют высокую обрабатываемостьрезанием.

Массовая доля химических элементов в высокопрочных чугунахследующая: углерода — 2,7 … 3,6 %, кремния — 1,5 … 3,8 %, марган-ца — 0,3 … 0,7 %, серы — 0,01 … 0,02 %, фосфора — 0,1 %. Массоваядоля этих элементов колеблется в зависимости от сечения отливок.

Рис. 4.5. Микроструктура чугуна до модифицирования — перлит (а) ипосле модифицирования — шаровидный графит (б)




колледж




колледж

»

84

анугучогончорпокосывзиковилтоеиненемирП.1.4ацилбаТ

яиненемирпьтсалбО анугучогончорпокосывзиеымеавилто,нишамилатеД

еинеортсонишамеонтропснартотвА еывеншроп,ылавеытачнелоK,икдолокеынзомрот,ацьлок

.рдиынабарабеынзомрот

еинеортсокнатС ,илетажредецзер,ытроппуСеылежят ,иледнипш,ыбйашналп

.рдиигачыр

еонтакорП еовоссерп-ончензукиеинаводуробо

ынинатс,иклавеынтакорПхынчовокивонатсхынтакорп

ытилп,ысреварт,ытобош,вотоломасупрок,йелетамолонилако

.рдивозомрот




колледж




колледж

»

85

еонтропснарт-онмеъдоПеинаводуробо

еытачнелокеынтирабагонпурK,ынабараб,воротавакскэылав

,кодебеласупрок,ырефьлет.рдиипецеывокчюрк

еинаводуробоеоньлиборденмаK ,колибордылавеывокиртнецскЭ.рдиыраш,асупрок,ыципутс




колледж




колледж

»

86

По структуре высокопрочные чугуны бывают ферритные(феррит + шаровидный графит), ферритно-перлитные (феррит +перлит + шаровидный графит) и перлитные (перлит + шаровид-ный графит). На рис. 4.5, а представлена микроструктура сероголитейного чугуна марки СЧ30 (σв = 300 МПа (30 кгс/мм2), твер-дость — 181…255 HB) до модифицирования, на рис. 4.5, б — микро-структура отливки, полученная после модифицирования серого ли-тейного чугуна марки СЧ30 — высокопрочный чугун марки ВЧ 70(σв = 700 МПа (70 кгс/мм2), твердость — 229 … 300 HB). Как видим,модифицирование серого литейного чугуна в процессе отливки из-делий резко улучшает механические характеристики отливок.

Высокопрочные чугуны имеют высокие литейные свойства:жидкотекучесть практически всех марок высокопрочных чугунов —до 600 мм, усадка в отливках — до 1 мм. Ликвация у этих чугуновпрактически отсутствует. Кроме того, отливки из высокопрочныхчугунов имеют высокую обрабатываемость резанием (точением,фрезерованием, шлифованием и др.), высокие упрочняемость ипрокаливаемость. С целью изменения (исправления) структуры от-ливки из высокопрочных чугунов подвергаются различным видамтермической обработки.

Важным эксплуатационным свойством деталей, изготовленныхиз высокопрочных чугунов, является их прирабатываемость в узлахтрения и давления (траверса пресса, шобот ковочного молота и т.д.).

В турбостроении из высокопрочного чугуна изготавливают кор-пуса паровых турбин, лопатки направляющих аппаратов, в тракто-ро- и дизелестроении — коленчатые валы, поршни и др. Например,коленчатый вал легкового автомобиля «Волга» отливают из высо-копрочного чугуна марки ВЧ 70-2. При модифицировании магни-ем в этот чугун добавляют ферросилиций, который придает дета-ли свойства стали и чугуна.

Высокопрочные чугуны находят широкое применение в авто-транспортном машиностроении, в производстве прокатного, куз-нечно-прессового, подъемно-транспортного и камнедробильногооборудования взамен крупногабаритного стального литья, поковоки штамповок весом до 48 т (табл. 4.1).

4.6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ

К специальным чугунам относятся чугуны, которые кроме меха-нических и технологических свойств имеют высокие износо-




колледж




колледж

»

87

стойкость, теплостойкость, химическую стойкость, магнитные идругие свойства. Специальные чугуны получают путем добавок врасплавленный жидкий чугун различных легирующих элементов взависимости от требуемых специальных свойств: марганца, крем-ния, никеля, хрома, алюминия и др. В настоящее время выпускаютсяантифрикционные и легированные (жаропрочные, жаростойкие,электротехнические, магнитные и кислотостойкие) чугуны.

Антифрикционные чугуны. По ГОСТ 1585—85 выпускаютсяследующие марки антифрикционных чугунов: АЧС-1, АЧС-2,АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2.

В обозначении марок приняты следующие сокращения: АЧ —антифрикционный чугун; С — серый чугун с пластинчатым графи-том; В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом; К — ков-кий чугун с компактным графитом. Цифры в маркировке чугуновсоответствуют степени легирования.

Отливки из антифрикционного чугуна предназначены для ра-боты в паре в узлах трения со смазкой (подшипники скольжения).

Антифрикционные чугуны представляют собой железоуглеро-дистый сплав с твердой металлической основой (матрицей) и мяг-кими графитовыми включениями, которые создают пористость.Благодаря пористости вкладыша в подшипниках длительное времяудерживается смазка.

По структуре антифрикционные чугуны бывают с пластинча-тым, шаровидным и хлопьевидным (компактным) графитом.

В поры, образуемые разнообразной структурой, постоянно по-ступает смазывающее вещество и благодаря своей консистенциипод действием вращения вала растекается по всей плоскости. Та-ким образом, между валом и поверхностью подшипника образует-ся граничная смазка, которая обеспечивает постоянный режимжидкостного трения.

Для устранения износа вкладыша подшипника и вала антифрик-ционный чугун выбирают так, чтобы твердость вкладыша быланиже твердости вала.

Основными достоинствами антифрикционных чугунов являют-ся их низкая стоимость и высокая механическая прочность, что по-зволяет их использовать в узлах трения с большими нагрузками.

Как недостаток следует отметить низкую стойкость к ударам,низкую прирабатываемость, что при незначительных недостаткахсмазывающих веществ приводит к быстрому износу и выходу изстроя узла трения.

Применение антифрикционного чугуна предусматривает следу-ющие условия:




колледж




колледж

»

88

режимы работы деталей не должны превышать установ-ленных норм;прирабатываемость узлов типа вал — подшипник должнапроходить на холостом ходу при постоянном повышениирабочих нагрузок;не допускается искрения или нагрев узла трения, рабо-та должна проходить при тщательном и постоянном сма-зывании;при монтаже должно быть точное соблюдение посадок,отсутствие перекосов;при нагреве должно быть предусмотрено повышениезазоров до 50 %.

При соблюдении этих требований подшипниковый узел из ан-тифрикционного чугуна обеспечит надежность и долговечностьработы механизма.

Легированные чугуны. По ГОСТ 7769—82 выпускаются легиро-ванные чугуны для отливок со специальными свойствами (жаро-стойкие, коррозионно-стойкие, износостойкие, жаропрочные, маг-нитные, немагнитные) следующих групп: хромистые, кремнистые,алюминиевые, марганцовистые, никелевые и др.

Приведем некоторые марки легированных чугунов: ЧХ1, ЧХ2,ЧХ16, ЧХ28, ЧС5, ЧС15, ЧЮ7С5, ЧЮ30, ЧГ6С3Ш, ЧН11Г7Ш,ЧН20Д2Ш и др., всего приблизительно 40 марок.

В маркировке чугунов приняты следующие обозначения: Ч — чу-гун; легирующие элементы обозначаются буквами: Х — хром, С —кремний, Г — марганец, Н — никель, М — молибден, Д — медь, Т —титан, П — фосфор, Ю — алюминий; буква Ш указывает на то, чтоструктура чугуна имеет шаровидную форму. Цифры, стоящие пос-ле букв, обозначают примерное процентное содержание легирую-щих элементов.

Легированные чугуны обладают высокими механическимисвойствами. Твердость отдельных марок достигает 400 … 500 НВ,предел прочности при растяжении σв = 400… 600 МПа. Теплостой-кость легированных чугунов достигает 1 000 °С.

Легированные чугуны нашли широкое применение в различныхотраслях машиностроения, электрических машинах, постоянныхмагнитах, деталях, работающих при высоких температурах, в сре-де активных газов, кислотах и щелочах. Кроме того, специальныелегированные чугуны применяются в доменных и термических пе-чах, агломерационных машинах, пресс-формах для стекольных из-делий, кокилей, в насосах для перекачки абразивных смесей и ак-




колледж




колледж

»

89

тивных жидкостей и другого различного оборудования, работаю-щего в газовых средах, при высоких температурах и больших на-грузках.

Рабочая температура, как правило, составляет 500… 700 °С, а от-дельные марки выдерживают до 900 … 1 000 °С. Например, легиро-ванный чугун марки ЧХ30 обладает кислотостойкостью, жаростой-костью и жаропрочностью при температуре до 1 100 °С. Крометого, этот чугун устойчив в сернистых средах против абразивногоизноса и идет на изготовление деталей печей обжига сернистыхруд, сопел песко- и дробеметных установок, деталей алюминиевыхэлектролизеров, химической аппаратуры.

Чугун марки ЧХ1 обладает повышенной коррозионной стойко-стью в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях тренияи абразивного изнашивания. Из него делают холодильные плитыдоменных печей, колошники агломерационных машин, детали га-зотурбинных двигателей и др.

Чугун марки ЧХ3Т имеет повышенную стойкость против абразив-ного изнашивания в пылепроводах, насосах, идет на изготовление из-носостойких деталей гидромашин, футеровки пылепроводов и др.

Чугуны могут быть низколегированными и высоколегированны-ми и имеют широкий диапазон по массовой доле химических эле-ментов. Например, низколегированный чугун марки ЧХ1 имеет мас-совую долю углерода 3,8 %, кремния — 1,5… 2,5 %, марганца — 1 %,хрома — 1 %. Высоколегированный чугун марки ЧХН20ДГШ содер-жит 1,8 … 2,5 % углерода, 3,5 % кремния, 1,5 … 2,0 % марганца, 0,5 …1,0 % хрома, 19… 21 % никеля, 1,5…2,0 % меди и до 0,3 % алюминия.

Чугун обладает высокими эксплуатационными свойствами: жа-ропрочностью, коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах,морской воде, паре. Применяется для изготовления деталей (кол-лекторы, клапаны, головки поршней, вентили и др.), в газовых тур-бинах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промыш-ленности.

Легированные чугуны имеют высокие литейные свойства (жид-котекучесть, малую усадку и отсутствие ликвации), хорошую обра-батываемость различными способами механической обработки(точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием и др.). Кро-ме того, эти чугуны имеют высокую улучшаемость и прокаливае-мость.

Отливки из легированного чугуна подвергают термической об-работке: различным видам отжига, отпуску, закалке и нормализа-ции. Вид термической обработки выбирается в зависимости от тре-буемых механических и эксплуатационных свойств.




колледж




колледж

»


1. Дайте классификацию чугуна.2. Дайте краткую характеристику литейным серым чугунам по

структуре, химическому составу и свойствам.3. Какое влияние оказывают углерод, кремний, марганец, сера и

фосфор на свойства литейного серого чугуна?4. Какие свойства чугуну придает углерод в виде структуры сво�

бодного графита?5. Назовите марки литейного серого чугуна и раскройте принцип

их маркировки.6. Где применяется литейный серый чугун?7. Охарактеризуйте основные технологические свойства серых чу�

гунов.8. Каковы особенности получения ковкого чугуна?9. Назовите марки ковкого чугуна и раскройте принцип его мар�

кировки.10. Укажите химический состав отливок из ковкого чугуна.11. Где применяется ковкий чугун?12. Раскройте технологию получения высокопрочного чугуна, его

структуру и свойства.13. Назовите марки высокопрочного чугуна и раскройте принцип

его маркировки.14. Где применяется высокопрочный чугун?15. Дайте общую характеристику специальных чугунов.16. Укажите назначение и некоторые марки антифрикционных чу�

гунов и охарактеризуйте их свойства.17. Что такое легированный чугун?




колледж




колледж

»

91

Глава 5

СТАЛИ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массо-вая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практикеконцентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода встали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера,фосфор и другие химические элементы. Производство стали заклю-чается во вторичной переработке передельного белого чугуна раз-личными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкойи др. Сущность производства стали заключается в удалении углеро-да и других химических элементов в процессе плавки шихты, состо-ящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железнойруды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейныхагрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, элек-троиндукционных и в других металлургических агрегатах.

Наряду с чугунами сталь также является основным конструкци-онным материалом в машиностроении и других отраслях промыш-ленного производства.

В обычных условиях применяются простые углеродистые стали;при высокой температуре и активной среде — специальные леги-рованные стали (например, для изготовления насоса для перекач-ки кислот, механизмов, работающих в морской воде, и др.).

В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает сталис различными физико-химическими и механическими свойствами.Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различ-ных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообра-зие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно,поэтому наука о металлах — металловедение — классифицирует всевыпускаемые стали по различным признакам. Каждый квалифициро-ванный рабочий должен не только запоминать отдельные марки ста-лей, а знать принципы классификации этих сталей (рис. 5.1).




колледж




колледж

»

92

По химическому составу стали и сплавы подразделяются на двебольшие группы: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углероди постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам.Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют.

Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяют-ся на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые(0,3… 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода).

Легированные стали кроме углерода содержат различные хи-мические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементывводятся в процессе плавки для получения более высоких физико-химических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.

Рис. 5.1. Классификация сталейГА

ПОУ Свердловской области



колледж




колледж

»

93

Легировать — значит сплавлять, соединять, поэтому химическиеэлементы, вводимые в сталь, называются легирующими элемента-ми, а стали, сплавленные с ними, получили название легированныхсталей.

Качество сталей зависит от особенностей металлургическихпроцессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других фак-торов. Эти факторы определяют химический состав сталей, нали-чие в них вредных примесей — серы и фосфора, а также наличиеразличных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси иприсутствующие в них газы придают сталям отрицательные физи-ко-химические и механико-технологические свойства, т. е. ухудша-ют их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродис-тые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: ста-ли обыкновенного качества, качественные, высококачественные,особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества содержат 0,045… 0,060 % серы,0,04 … 0,07 % фосфора.

Качественные стали изготавливаются с массовой долей серыне более 0,04 %, фосфора — 0,035 … 0,040 %. Качественные сталибывают как углеродистые, так и легированные.

Высококачественные углеродистые и легированные стали со-держат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.

Особовысококачественные стали имеют массовую долю серыне более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированные осо-бовысококачественные стали получают методами электрошлаково-го или вакуумно-дугового переплава.

По назначению углеродистые и легированные стали и сплавыподразделяются на конструкционные, инструментальные и специ-альные.

Конструкционные стали, как углеродистые, так и легирован-ные, идут на изготовление различных деталей машин, сварныхстроительных конструкций и т.д. К этим сталям предъявляются оп-ределенные требования по химическому составу, механическим,технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам.Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные ста-ли. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обра-ботке, другие — только термической обработке. По технологичес-ким признакам конструкционные стали подразделяются на штам-пуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости ре-занием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рес-сорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электро-технические, строительные и др.




колледж




колледж

»

94

По химическим свойствам конструкционные стали подразделя-ются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкиеи др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталейвыпускаются конструкционные и специального назначения.

К конструкционным углеродистым сталям относятся сталиобыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качест-венные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкци-онным сталям относится большая группа низко- и среднелеги-рованных сталей, подвергаемых химико-термической и термиче-ской обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).

Инструментальные углеродистые и легированные стали идутна изготовление режущего, измерительного и ударного инстру-мента, штампов для деформирования в горячем и холодном со-стоянии. К инструментальным углеродистым и легированнымсталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости,красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки)и др.

Специальные легированные стали и сплавы — это, как прави-ло, конструкционные материалы со специальными свойствами.К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные,электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением,теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегирован-ные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих эле-ментов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель,марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементовопределяется требуемыми свойствами. Например, коррозионно-стойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %,жаростойкие — в зависимости от требуемой температуры —9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содер-жат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).

По способу раскисления стали подразделяются на три катего-рии: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление — это процесс удаления из стали в жидком состо-янии оксида железа (FеО), который образуется в процессе плавкии придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, впроцессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляютсяазот и водород. Раскисление производят путем добавки перед вы-пуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюми-ния в зависимости от требуемой степени раскисления.

Практически установлено, что при наличии в стали кислорода,вступившего в реакцию с железом (FеО), при горячей деформацииобразуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способ-




колледж




колледж

»

95

ствует понижению прочности при отрицательных температурах иобразует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.

Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении сталив изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечат-ление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали произ-водят как обыкновенного качества, так и качественными. Как пра-вило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.

Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремни-ем. В этих сталях кислород практически полностью вступает в ре-акцию с раскислителями, всплывает вверх и удаляется со шлаком.При охлаждении они затвердевают спокойно, без газовыделения.Все легированные качественные и углеродистые стали выпускают-ся спокойными.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положениемежду кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марган-цем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только угле-родистыми.

На структуру стали большое влияние оказывают массовая доляуглерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи сэтим по структуре стали классифицируются в отожженном (равно-весном) и нормализованном состоянии.

В отожженном состоянии структура сталей подразделяетсяна шесть классов:

доэвтектоидные — структура феррита и перлита (см. рис.3.4, а);эвтектоидные — структура перлита (см. рис. 3.4, б );

Рис. 5.2. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в ото�жженном состоянии:

а — легированная ледебуритная сталь; б — легированная аустенитная сталь




колледж




колледж

»

96

заэвтектоидные — структура перлита и цементита (см. рис.3.4, в);ледебуритные — структура первичного ледебурита иликарбида (рис. 5.2, а);аустенитные — структура твердых растворов, перенасы-щенных углеродом (рис. 5.2, б);ферритные — структура твердых растворов со слабо на-сыщенным углеродом.

Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, леги-рованные — всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные иферритные классы структур образуются при введении в состав ни-келя, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При оп-ределенном сочетании возможно образование промежуточныхклассов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.

Рис. 5.3. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в нор�мализованном состоянии:

а — сталь ферритного класса; б — сталь перлитного класса; в — сталь мар�тенситного класса




колледж




колледж

»

97

В нормализованном состоянии стали имеют четыре классаструктур: ферритные, перлитные, мартенситные (рис. 5.3) и аусте-нитные.

Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимо-сти от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобре-сти структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному клас-су относятся все углеродистые и низколегированные стали.

Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %,легированные хромом (12… 15 %), образуют устойчивую структуруферрита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей своюструктуру не меняет.

Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, приохлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К это-му классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса образуются при высокой массовойдоле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого классаимеют высокую ударную вязкость.

5.2. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества(общего назначения). Сталь углеродистая обыкновенного качества(общего назначения) по ГОСТ 380—2005 выпускается в виде раз-личного горячекатаного проката (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп,Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и др.).

Буквы Ст в маркировке сталей обозначают сталь обыкновен-ного качества; буква Г — повышенное содержание марганца. Бук-вы кп (сталь кипящая), пс (сталь полуспокойная), сп (сталь спо-койная) обозначают способ раскисления. Цифры, стоящие послебукв Ст, обозначают условный номер марки в зависимости отмассовой доли химических элементов и механических свойствстали. Чем больше номер, тем больше углерода и других химичес-ких элементов в стали, а также выше ее механические свойства.

В обычных марках массовая доля основного сплавляемого хими-ческого элемента (углерода) — 0,06 … 0,49 %, марганца — 0,25 …0,65 %. При повышенном содержании марганца (0,8 … 1,1 %) сплавсодержит 0,1 … 0,3 % кремния и по 0,05 … 0,06 % серы и фосфора.Кроме этих химических элементов углеродистые стали обыкновен-ного качества содержат хром, никель, медь в пределах 0,3 … 0,4 %,а отдельные марки сталей, выплавляемых из Керченских руд, со-




колледж




колледж

»

98

держат 0,08 % магния. Это случайные примеси, и в маркировке этихимические элементы не указываются.

Конструкционные углеродистые стали обыкновенного каче-ства имеют прочность σв = 310 … 600 МПа (31 … 60 кгс/мм2); твер-дость в состоянии поставки 103 … 158 НВ; относительное удлине-ние δ = 15 … 35 %.

Эти стали хорошо свариваются, куются, штампуются и обраба-тываются резанием. Закалке не подвергаются. Улучшение механи-ческих свойств деталей машин, изготовленных из этих сталей, про-изводят путем цементации и только после этого осуществляют за-калку с последующим отпуском. Температуру нагрева для закалкицементированных деталей выбирают в зависимости от диффузииуглерода.

Стали марок Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2Гпс, Ст2сп, Ст3пс,Ст3сп, Ст3Гпс и Ст3Гсп поставляются с гарантией свариваемости.В этом случае в нормативно-технической документации после мар-ки указываются буквы св.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качестваприменяется для изготовления сварных строительных конструк-ций, крепежных изделий, малонагруженных деталей машин, а так-же стандартных и нормализованных деталей: рукояток, кнопок, ру-чек, заглушек, пробок, петель шарнирных и т. д. (табл. 5.1).

Углеродистая конструкционная качественная сталь. Каче-ственная углеродистая конструкционная сталь выпускается ввиде различного сортового горячекатаного и калиброванногопроката (ГОСТ 1050—88*) следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс,10пс, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и60. Сталь этой группы выпускается также в виде проката со специ-альной отделкой поверхности (серебрение) диаметром (или толщи-ной) до 250 мм.

Цифры в маркировке углеродистой конструкционной каче-ственной стали указывают среднюю массовую долю углерода в со-тых долях процента. Например, сталь марки 05кп содержит не бо-лее 0,06 % углерода, сталь 10 — 0,07 … 0,14 %, сталь 50 — 0,47 …0,55 %. Буквы кп, пс обозначают способ раскисления (кп — кипя-щие, пс — полуспокойные). В марках, где способ раскисления неуказан, сталь спокойная. Сталь марки 58 (55п) — пониженной про-каливаемости, имеет массовую долю марганца 0,1 … 0,3 %.

Углеродистая качественная сталь содержит 0,05… 0,65 % углеро-да, до 0,37 % кремния, 0,25… 0,50 % (группа низкоуглеродистых ста-лей) или 0,5 … 0,8 % (группа среднеуглеродистых сталей) марганца.Серы во всех качественных сталях содержится не более 0,04 %,




колледж




колледж

»

99

йонноицкуртснокйотсидорелгуяиненемирпитсалбО.1.5ацилбаТ)яинечанзаногещбо(автсечакогонневонкыбоилатс

акраМилатс яиненемирпьтсалбО

0тС1тС

;ьлатсяавотсилокноТ;ьлатсяаньлеворк

ихужокеищюаджарготи . .д

4тС5тС6тС

-ревдоп,нишамилатеД:иицатнемецеымеаг

ретсеш ,икчодзевз,ин-йетшнорк,исо,ылав

тиигачыр,ын . .д

2тС3тС4тС

-равсеынневтстевтоеН-ерк,иицкуртснокеын

еынжеп ,ытнив,илатед-йаш,икьлипш,ытлоб

,икйаг,ыб ,ытнилпш,идзовг,икпелказ

ыпуруш

5тС6тС

еыннавозитраднатС,иктяокур:илатед

,икчур,икпонк,икборп,икшулгаз

илтеп,илетажредесоялдыбокс,еынринраш

буртяинелперксти . .д




колледж




колледж

»

100

фосфора — не более 0,035 %. Кроме того, в сталях этой группыимеется медь и никель, массовая доля которых не должна превы-шать 0,25 % для каждого элемента.

В состоянии поставки без термической обработки углеродистаяконструкционная качественная сталь имеет следующие механичес-кие свойства: твердость по Бринеллю 131… 255 НВ, предел прочно-сти при растяжении σв = 330… 690 МПа (33… 69 кгс/мм2), относи-тельное удлинение δ до 33 % и относительное сужение ψ = 35…60 %.

Механические свойства зависят от массовой доли углерода и со-стояния проката. Нагартованная сталь имеет более высокие твер-дость и прочность и пониженную пластичность. Марки сталей сминимальной массовой долей углерода имеют низкие величинымеханических свойств. С увеличением массовой доли углерода по-вышаются механические свойства.

По механическим свойствам сталь этой группы подразделяет-ся на категории 1, 2, 3, 4 и 5. По состоянию проката сталь постав-ляется без термической обработки, термически обработанная (Т)и нагартованная со специальной отделкой поверхности (Н).

В зависимости от вида обработки горячекатаная и кованая стальподразделяется на подгруппы:

для горячей обработки давлением — подгруппа а;для холодной механической обработки — подгруппа б;для холодного волочения (подкат) — подгруппа в.

Качество поверхности калиброванной стали по ГОСТ 1051—73*подразделяется на группы Б и В.

Сталь со специальной отделкой поверхности по ГОСТ 14955—77*подразделяется на группы В, Г и Д. Группа стали зависит от клас-са шероховатости поверхности.

Сортовая горячекатаная сталь производится в виде прутковкруглого, квадратного, шестигранного и прямоугольного сечений.Сортовая круглая сталь по ГОСТ 2590—2006 диаметром от 4 до250 мм выпускается трех классов точности проката: В — высокой,Б — повышенной, Д — обычного класса.

Сортовая квадратная сталь со стороной квадрата от 5 до 200 ммпоставляется в прутках и мотках трех классов точности: А, Б и В.

Шестигранная сталь размером под ключ от 8 до 100 мм выпус-кается двух групп точности: П(Б) и В.

Полосовая сталь (ГОСТ 103—76*) выпускается двух групп: повы-шенной точности — А и нормальной точности — Б.

Сталь кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133—71) изготавли-вается диаметром или шириной квадрата от 40 до 200 мм.




колледж




колледж

»

101

Сортовая калиброванная сталь имеет более точные размеры посечению и шероховатости поверхности.

Подгруппы, группы и классы стали указываются в нормативно-технической документации, сопровождающей поставку.

Низкоуглеродистая сталь имеет высокую штампуемость, ков-кость и свариваемость, а также обрабатываемость резанием. Этагруппа сталей закалке не подвергается. Улучшение механичес-ких свойств деталей машин, изготовленных из низкоуглеродис-тых сталей, производят методом химико-термической обработ-ки (цементация). Среднеуглеродистая сталь с содержанием угле-рода 0,3 % и более, кроме того, хорошо воспринимает закалку,отпуск и нормализацию. У всех марок улучшаемых сталей этойгруппы практически отсутствует склонность к отпускной хруп-кости.

Из низкоуглеродистых качественных сталей марок 05, 08кп,08пс, 10, 10пс, 10кп и 11кп изготавливают детали штамповкой и хо-лодной высадкой: трубки, прокладки, колпачки, крепежные детали,шайбы, вилки, втулки и тяги.

Стали марок 15, 18, 20, 25 всех степеней раскисления идут наизготовление малонагруженных деталей машин — валиков, втулок,пальцев, упоров, копиров, осей, шестерен и других деталей, рабо-тающих при температурах 40 … 425 °С.

Стали марок 30 — 60 идут на изготовление ответственных дета-лей машин, улучшаемых путем закалки с последующим отпускоми нормализацией: шатунов, коленчатых валов, шлицевых валиков,тяг, штоков, сухарей, зубчатых колес и др.

5.3. УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕСТАЛИ

По ГОСТ 1435—99 углеродистая инструментальная сталь выпус-кается горячекатаной, кованой, калиброванной со специальной от-делкой поверхности и для сердечников. По форме сечения стальвыпускается квадратного и круглого сечений, в том числе с ради-усными (скругленными) углами и в виде полос, лент, листов, шес-тигранников, проволоки и специальных профилей для напильни-ков, надфилей и др.

В зависимости от химического состава углеродистая инструмен-тальная сталь выпускается следующих марок:

качественная сталь — У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;




колледж




колледж

»

102

высококачественная сталь — У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А,У11А, У12А, У13А.

По назначению стали всех марок в зависимости от массовойдоли хрома, никеля и меди подразделяются на пять групп:

1-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13) — дляпродукции всех видов, кроме патентированной проволо-ки и ленты (массовая доля хрома составляет не более0,2 %, никеля и меди — по 0,25 % каждого элемента);2-я группа (У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А,У13А) — для продукции всех видов, кроме патентиро-ванной проволоки и ленты (массовая доля хрома, нике-ля и меди — по 0,2 % каждого элемента);3-я группа (У10A, У12А) — для сердечников (массоваядоля хрома и меди составляет не более 0,2 %, никеля —0,25 %);4-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13, У7А, У8А,У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А и У13A) — для патентиро-ванной проволоки и ленты (массовая доля хрома состав-ляет не более 0,1 %, никеля — 0,12 %, меди — 0,2 %);5-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13) — для горя-че- и холоднокатаных листов и лент, толщиной до 2,5 мм(массовая доля хрома составляет 0,2 … 0,4 %, никеля имеди — по 0,25 % каждого элемента).

Существуют стали, которые можно отнести и к 4-й, и к 5-й груп-пе: марки У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А — для горя-чекатаной и кованой стали (массовая доля хрома — 0,20 … 0,35 %,никеля и меди — по 0,2 %); марки У8А, У9А, У10А — для холоднотя-нутой стали со специальной отделкой поверхности (массовая доляхрома — 0,3… 0,5 %, никеля и меди — по 0,2 %).

В маркировке буква У означает, что сталь углеродистая инстру-ментальная. Цифры, следующие за буквой У, соответствуют массо-вой доле углерода в десятых долях процента. Буква Г указывает наповышенное содержание марганца (0,4… 0,6 %); буква А, стоящая вконце марки, — на то, что сталь высококачественная, имеет пони-женное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Маркистали без буквы А в обозначении — качественные.

Таким образом, массовая доля углерода в сталях этой группысоставляет 0,66 … 1,34 % в зависимости от марки. Массовая долякремния составляет 0,17 … 0,28 %, марганца — 0,17 … 0,60 %. Каче-ственные стали содержат 0,028 % серы, высококачественные —0,018 %. Стали, полученные методом электрошлакового переплава,




колледж




колледж

»

103

содержат не более 0,015 % серы (эти стали обозначаются в концемарки буквой Ш, например У9-Ш).

Качественные стали содержат 0,03 % фосфора, высококаче-ственные — 0,025 %.

Марки углеродистой инструментальной стали У7, У7А по диа-грамме железо — цементит относятся к доэвтектоидным сталям.Они имеют структуру феррит + перлит, твердость по Бринеллю всостоянии поставки составляет 187 НВ.

Марки стали У8, У8А, У8Г, У8ГА относятся к эвтектоидным ста-лям. Эти стали имеют структуру перлит, твердость — 187… 192 НВ.

Марки стали У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13 иУ13А — заэвтектоидные стали. Структура этих сталей — перлит иперлит + цементит, твердость — 192 … 217 НВ.

Углеродистые инструментальные стали имеют высокую ков-кость. Температура начала ковки — 1 180 °С, конца — 800 °С. Стальдля закалки нагревают до температуры 750… 840 °С и охлаждают вводе, растворе солей или масле. Твердость после закалки не менее58 … 63 НRС. Сталь к отпускной хрупкости не предрасположена.Температура нагрева для отпуска составляет 140… 250 °С. Из-за ог-раниченной свариваемости эта сталь не применяется для сварныхконструкций, но при необходимости сваривается методом контакт-ной сварки.

Углеродистые инструментальные стали находят широкое при-менение для изготовления слесарно-монтажного, измерительного,столярно-плотничного инструмента: зубила, долота, молотки, нож-ницы для резки металлов, топоры, стамески, плоскогубцы, пилы,фрезы, зенковки, калибры, сверла, надфили, напильники и т. д.

Инструмент, изготовленный из углеродистых инструменталь-ных сталей, обладает хорошими режущими свойствами.

К недостаткам этой стали относится низкая красностойкость.При температуре 200… 250 °С инструмент во время работы размяг-чается и теряет режущие свойства.

5.4. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕСТАЛИ

Легирующие элементы определяют название легированной ста-ли или сплава. Например, хромистая, ванадиевая, хромоникелеваястали в своем составе в качестве легирующих элементов содержатсоответственно хром, ванадий и хром с никелем.




колледж




колледж

»

104

Для увеличения конструктивной прочности в сталь вводят один-два легирующих элемента. Для получения комплекса физико-хими-ческих свойств вводят несколько легирующих элементов.

Марганец — естественная постоянная примесь в углеродистыхсталях (до 0,6 %). При искусственном увеличении массовой долимарганца (свыше 1 %) увеличивается твердость, износостойкость,ударная вязкость. Пластичность стали не снижается. Сам марганецнейтрализует вредное влияние серы, связывая ее.

Кремний — также постоянная примесь в сталях (до 0,4 %). С уве-личением массовой доли кремния увеличиваются конструктивнаяпрочность и упругость. Высокая массовая доля кремния придает ста-ли специальные физические свойства, благодаря которым кремни-стые стали широко используются в электротехнической промыш-ленности. Кремний придает стали также кислото- и окалино-стойкость. Высокое содержание кремния способствует распадуструктуры цементита с образованием ферритно-перлитной структу-ры и придает стали упругость. Рессорно-пружинные стали являют-ся, как правило, кремнистыми.

Хром повышает прочность, твердость, прокаливаемость. Плас-тичность хромистых сталей несколько уменьшается. Высокое содер-жание хрома (12 % и более) делает сталь коррозионно-стойкой ипридает ей магнитные свойства. Хром является экономически деше-вым, недефицитным легирующим металлом.

Никель придает стали прочность, пластичность и ударную вяз-кость, понижает температуру отжига, нормализации и закалки.Никелевые стали имеют высокую прокаливаемость. Никель приме-няется так же как активный раскислитель, способствует удалениюиз стали в жидком состоянии кислорода, водорода, азота, увеличи-вая ее плотность. Никелевые стали имеют низкий коэффициенттеплового линейного и объемного расширения.

Титан повышает прочность, твердость и пластичность, а такжетемпературу отжига, нормализации и теплостойкость (окалино-стойкость) стали. При небольшом содержании титана прокаливае-мость стали увеличивается, при содержании более 12 % — умень-шается.

Медь увеличивает прокаливаемость, температуру отжига и нор-мализации, прочность, твердость и пластичность. Придает сталикоррозионную стойкость. Медь вводят главным образом в строи-тельные стали.

Кобальт понижает прокаливаемость и пластичность. Придаеттеплостойкость и магнитные свойства. Увеличивает жаропроч-ность и ударную вязкость.




колледж




колледж

»

105

Молибден повышает прочность, твердость, износостойкость,упругость, ударную вязкость и жаропрочность, незначительно по-нижает пластичность, увеличивает прокаливаемость, температуруотжига, нормализации и закалки.

Вольфрам резко увеличивает твердость, износостойкость, крас-ностойкость, прокаливаемость и жаропрочность, повышает темпе-ратуру отжига, нормализации и закалки. При массовой доле воль-фрама в пределах 1 % увеличивается пластичность стали.

Ванадий повышает износостойкость, твердость, прочность ипластичность, увеличивает прокаливаемость и температуру нагре-ва для отжига, нормализации и закалки.

В теплостойкие, коррозионно-стойкие и электротехническиестали вводят также редкоземельные элементы: лантан, ниодим,цирконий и др.

Согласно ГОСТ 5950—2000 приняты условные буквенные обо-значения легирующих элементов: алюминий — Ю, азот — А, бор — Р,ванадий — Ф, вольфрам — В, кобальт — К, кремний — С, марга-нец — Г, молибден — М, медь — Д, никель — Н, ниобий — Б, се-лен — Е, хром — Х, цирконий — Ц, титан — Т, фосфор — П, ред-коземельные металлы — РЗМ.

Кроме того, стандартом предусмотрены и другие обозначенияотдельных групп легированных сталей:

Р — быстрорежущие;Ш (в конце марки) — сталь особовысококачественная;Ш (впереди марки) — сталь подшипниковая;А (впереди марки) — сталь автоматная;А (в конце марки) — сталь высококачественная;А (в середине марки) — сталь с содержанием азота;Э — сталь электротехническая;Е (впереди марки) — сталь магнитная;О — сталь холоднокатаная текстурированная;ОО — сталь холоднокатаная высокотекстурированная;И — сталь исследовательская;П — сталь пробная;ЭП — сталь пробная, полученная электроплавкой.Легированные стали выпускаются улучшаемые термической

обработкой и цементуемые, т. е. подвергаемые химико-термичес-кой обработке. В основном все признаки классификации легиро-ванных сталей заложены в принципы маркировки. Рассмотрев иизучив принципы маркировки, по марке можно определить назна-чение стали, ее качество, химический состав, принадлежность ктермически улучшаемым или цементуемым сталям.




колледж




колледж

»

106

В зависимости от основных легирующих элементов сталь леги-рованная конструкционная по ГОСТ 4543—71* выпускается следу-ющих групп:

хромистая (15Х, 15ХА, 40Х, 45Х и др.);марганцовистая (15Г, 30Г, 10Г2, 40Г2, 50Г2 и др.);хромомарганцевая (16ХГ,30ХГТ, 35ХГ2 и др.);хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС);хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая(15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ и др.);хромованадиевая (15ХФА, 40ХФА);никельмолибденовая (15Н2М, 20НМ);хромоникелевая и хромоникелевая с бором (20ХН, 40ХН,20ХНР и др.);хромокремнемарганцевая и хромокремнемарганцево-никелевая (20ХГСА, 25ГСА, 30ХГС и др.);хромомарганцево-никелевая и хромомарганцево-никеле-вая с титаном и бором (15ХГН2ТА, 20ХГНР, 38ХГН,20ХГНТР);хромоникельмолибденовая (18Х2Н3МА, 40ХН2А,25Х2Н4МА и др.);хромоникельмолибденовая и хромоникелеванадиевая(30ХН2МФ, 20ХН4ФА и др.);хромоалюминиевая и хромоникелеалюминиевая с мо-либденом (38Х2Ю, 38Х2МЮА и др.).

Принцип маркировки легированных конструкционных сталейрассмотрим на примерах. Марка 15ХА — сталь легированная кон-струкционная хромистая, цементуемая, высококачественная, мас-совая доля углерода — 0,15 %, хрома — примерно 1 %, с понижен-ным содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Марка30ХГСН2А — сталь легированная конструкционная улучшаемая,хромокремнемарганцево-никелевая, высококачественная, массо-вая доля углерода — 0,3 %, хрома, марганца и кремния — по 1 %,никеля — 2 %, имеет пониженное содержание вредных примесей.

Легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543—71* помассовой доле углерода подразделяются на цементуемые и улучша-емые стали.

Цементуемые легированные стали — это низкоуглеродистые(до 0,3 % углерода) и низко- и среднелегированные стали марок15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 10Г2, 18ХГТ, 20ХГТ и др. В связи с низкой мас-




колледж




колледж

»

107

совой долей углерода эти стали закалке не подвергаются. С цельюулучшения механических свойств поверхностей деталей их насы-щают углеродом (цементация). После цементации производитсязакалка с последующим отпуском. После закалки и отпуска по-верхность деталей имеет высокую износостойкость, твердость58 … 63 НRС и прочную и вязкую сердцевину.

Улучшаемые легированные стали — это среднеуглеродистые(массовая доля углерода — более 0,3 %) и среднелегированные ста-ли марок 30Х, 30Г 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 50Г, 50Г2, 30ХГТ и др. По-вышение механических свойств улучшаемых легированных сталейпроизводят путем закалки и последующего отпуска.

Легированные стали маркируются цифрами, указывающимимассовую долю углерода и легирующих элементов, и буквами, обо-значающими легирующие элементы. Буквой А в конце марки обо-значают сталь высококачественную, а буквой Ш — особовысокока-чественную. Эти стали имеют пониженную массовую долю вредныхпримесей — серы и фосфора. Цифры, стоящие вначале, указываютна содержание углерода: в конструкционных сталях — в сотых до-лях процента, в инструментальных — в десятых долях процента.Если впереди марки цифр нет, то массовая доля углерода в пределах1 %. Цифры, стоящие после букв, соответствуют массовой доле ле-гирующих элементов в процентах. Если после букв цифр нет, томассовая доля легирующих элементов в пределах 1 %. Например,18Х2Н4МА — легированная конструкционная высококачественная(с пониженным содержанием серы и фосфора) хромоникельмолиб-деновая (2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибдена, 0,18 % углерода)сталь. Так как массовая доля углерода — до 0,3 %, сталь является це-ментуемой, т. е. улучшается химико-термической обработкой.

Сталь легированная конструкционная поставляется в виде сор-тового проката, в том числе фасонного, калиброванного и шлифо-ванного прутка и серебрянки, полосы, поковок и кованых загото-вок, труб, листов разной толщины и других видов проката. Легиро-ванная конструкционная сталь выпускается горячекатаной и кова-ной с обточенной или ободранной поверхностями, калиброваннойи со специальной отделкой поверхностей круглого сечения.

В зависимости от назначения сталь подразделяется на четыре под-группы:

для горячей обработки давлением;

для холодной механической обработки (точение, строга-ние, сверление, фрезерование и др.);для холодного волочения (подкат);




колледж




колледж

»

108

для горячей осадки, штамповки, высадки.Сталь может поставляться в термически обработанном состоя-

нии (Т), без термической обработки и нагартованная (Н).Легированные цементуемые конструкционные стали применя-

ются для изготовления деталей, работающих в условиях тренияпри незначительных нагрузках: втулок, пальцев, валиков, толкате-лей, шестерен и др.

Улучшаемые легированные конструкционные стали применя-ются для изготовления деталей, работающих при средних и высо-ких нагрузках: шпинделей и валов в подшипниках скольжения,червячных валов, роторов, рычагов, толкателей, блоков, крепеж-ных деталей, работающих при высоких температурах, крупныхзубчатых колес, валков горячей прокатки.

5.5. ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕСТАЛИ

Основными требованиями, предъявляемыми к инструменталь-ным сталям, являются высокая твердость, износостойкость, удар-ная вязкость и прокаливаемость. Кроме того, в зависимости от ус-ловий работы могут предъявляться специфические требования.Например, режущий инструмент, работающий при высокой скоро-сти резания, должен обладать высокой износостойкостью при тем-пературе 500 … 600 °С, а инструмент, работающий при низких ре-жимах резания, требует износостойкости при температуре до200 °С. Ручной инструмент (напильники, плашки, метчики и др.)должен иметь высокую износостойкость при нормальных услови-ях. К штампам, работающим при горячем деформировании,предъявляются требования горячей твердости, адгезии, жаропроч-ности, упругости и ударной вязкости.

Высокие требования из-за специфики и условий работы различ-ных инструментов создаются наличием тех или иных легирующихэлементов.

Легированные инструментальные стали поставляются в видегорячекатаного калиброванного проката, поковок, шлифованногопрутка, полосы, кованых заготовок и валков.

Массовая доля вредных примесей (серы и фосфора) в легиро-ванных инструментальных сталях не должна превышать 0,03 %каждого элемента. В стали, полученной методом электрошлаково-го переплава, массовая доля серы допускается не более 0,015 %.




колледж




колледж

»

109

В состоянии поставки твердость легированной инструменталь-ной стали колеблется в зависимости от химического состава в пре-делах 217 … 269 НВ. Все инструментальные легированные сталиулучшаются закалкой. Твердость инструмента, изготовленного излегированной стали, после закалки будет следующая: режущегоинструмента — 60 … 64 НRС, измерительного — 50 … 58 НRC.

В связи с тем что в процессе работы к инструменту, изготовлен-ному из легированных инструментальных сталей, предъявляютсяразличные требования, эти стали подразделяются на следующиегруппы:

сталь для режущего и измерительного инструмента;сталь для штампового инструмента;быстрорежущие инструментальные стали.

Кроме того, легированные стали подразделяют на качествен-ные, высококачественные и особовысококачественные (последниедве группы указываются в маркировке).

Сталь для режущего и измерительного инструмента. Для этихцелей применяются средне- и высокоуглеродистые и низко- и сред-нелегированные стали. Массовая доля углерода в этих сталях колеб-лется в пределах 0,7… 1,0 %, а отдельные марки содержат до 1,4 %.

Стали для режущего и измерительного инструмента подразде-ляются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

Стали неглубокой прокаливаемости включают в себя хромистые,хромованадиевые, хромовольфрамовые и ванадиевые стали. Массо-вая доля легирующих элементов колеблется в пределах 1… 5 %, мас-совая доля углерода — 0,6… 1,1 %. Характерной особенностью этихсталей из-за малого содержания легирующих элементов являетсянизкая прокаливаемость. Инструмент, изготовленный из этих ста-лей, при закалке охлаждается в воде и имеет мягкую незакаленнуюсердцевину. В связи с этим стали неглубокой прокаливаемости идутна изготовление режущего и измерительного инструмента сечени-ем до 25 мм, что при закалке предотвращает коробление и способ-ствует прокаливаемости по всему сечению инструмента.

Марки стали этой группы: 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 11ХФ (11Х),13Х. Из сталей этих марок изготавливают резьбовые калибры, мет-чики, плашки, развертки, протяжки и другой специальный инстру-мент и технологическую оснастку.

Стали глубокой прокаливаемости содержат 1 … 4 % легирую-щих элементов; отдельные марки имеют до 8 … 10 % легирующихэлементов. Основной легирующий элемент, повышающий прока-ливаемость, — хром. Его массовая доля, как правило, составляет




колледж




колледж

»

110

1,0 … 1,5 %. Также прокаливаемость повышают кремний и марга-нец, однако наличие этих элементов в стали затрудняет техноло-гию закалки.

Марки сталей этой группы: 9X1 (9X), 12X1 (20X), 9ХС, ХГС,9ХВГ, ХВГ, ХВСГ, 9Х5ВФ (120X), 8Х4В3М3Ф2.

Из этих сталей изготавливают те же инструменты, что и из ста-лей неглубокой прокаливаемости, а также холодновысадочныематрицы, пуансоны, клейма, штемпели и другие ответственные де-тали, от которых требуется повышенная износостойкость.

Сталь для штампового инструмента. Для изготовления инстру-ментов, деформирующих металл, предназначены штамповые ста-ли, которые подразделяются на следующие группы:

для деформации в холодном состоянии (Х6ВФ, Х12,Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, 7ХГ2ВФ, 6ХВ3МФС);для деформации в горячем состоянии (7Х3, 8Х3, 5ХНМ,5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС);для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 6ХВ2С,3Х2Н2МВФ);сталь инструментальная валковая (9Х2, 90ХФ, 9Х2МФ,55Х, 60ХН).

Стали для холодного деформирования должны иметь высокиетвердость и прочность, высокую износостойкость, удовлетвори-тельную вязкость и высокую прокаливаемость.

Стали для горячего деформирования должны обладать высокимсопротивлением пластической деформации, высокой теплостойко-стью и высокой разгаростойкостью, т. е. высоким сопротивлениемтермической усталости.

Быстрорежущие инструментальные стали. Быстрорежущиминазывают высоколегированные стали, предназначенные для изго-товления режущего инструмента, работающего при высоких режи-мах резания. ГОСТ 19265—73 предусматривает поставку инструмен-тальной быстрорежущей стали в виде горячекатаного, калиброван-ного проката, кованой, в виде полос и прутков со специальной от-делкой поверхности следующих марок: Р9, Р18, Р6АМ5, Р6М5К5,11Р3АМ3ФА, Р6АМ5Ф2, Р12Ф3, Р18К5Ф2, Р9М4К8.

В маркировке быстрорежущих сталей приняты следующие обо-значения: буквой Р (от англ. rapid — скорый) обозначаются все бы-строрежущие стали. Цифра, стоящая справа после буквы Р, указы-вает на среднюю массовую долю основного легирующего элемен-та — вольфрама. Буква К обозначает кобальт, М — молибден, А —азот. В обозначении марок быстрорежущих сталей не указывает-




колледж




колледж

»

111

ся массовая доля хрома, молибдена до 1 % включительно и ванадияв сталях марок Р9, Р18, Р6АМ5, Р9К5, Р6М5К и Р9М4К8.

Все быстрорежущие стали содержат 0,70… 1,12 % углерода в за-висимости от марки, 3,8 … 4,4 % хрома, 0,4 % никеля.

Быстрорежущие стали имеют высокую красностойкость до620 °С, ударную вязкость в состоянии поставки 18 … 26 Дж/см2,твердость 220 … 260 НВ, предел прочности при растяжении σв == 840…940 МПа (84… 94 кгс/мм2). Высокая красностойкость и горя-чая твердость создаются легирующими элементами — вольфра-мом, ванадием, хромом и молибденом.

Из быстрорежущих сталей делают цельные токарные, строгаль-ные резцы, фрезы, развертки, модульные фрезы, долбяки, протяж-ки, сверла, метчики и плашки. Кроме того, быстрорежущие сталиидут на изготовление различного штампового инструмента (пуан-соны, матрицы, ножи для ножниц, машинные ножовки по метал-лу) и другого инструмента.

Быстрорежущие инструментальные стали способны самозака-ливаться на воздухе. В связи с этим при ковке эти стали охлажда-ют в нагревательных колодцах или в соляных ваннах. При медлен-ном охлаждении в колодцах происходит укрупнение зерен сорби-тообразного перлита и карбидов. Кроме того, с целью улучшенияобрабатываемости резанием быстрорежущим сталям производятизотермический отжиг. В результате этих операций твердость до-стигает 200 … 255 НВ.

При последующей ступенчатой закалке при температуре 1 270…1 290 °С и трехкратном отпуске при температуре 550 … 570 °С до-стигаются высокие прочность, твердость и ударная вязкость, а так-же высокие режущие свойства инструмента. Структура после за-калки: карбиды, мартенсит и остаточный аустенит. Остаточныйаустенит несколько снижает твердость, и его устраняют много-кратным отпуском и обработкой холодом. После этих операций онпревращается в мартенсит.

По режущим свойствам эти стали бывают нормальной и повы-шенной производительности. Нормальную производительностьимеют стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 (вольфрамовые), Р6М3, Р6М5(вольфрамомолибденовые); твердость этих сталей равна 98 НRА,теплостойкость — 620 °С. Стали марок Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 (с повы-шенной массовой долей ванадия и содержанием кобальта) имеютповышенную производительность; твердость этих сталей — более64 НRС, теплостойкость — 630 … 640 °С. Стали последней группыприменяют для обработки высокопрочных сталей с аустенитнойструктурой и других твердых конструкционных материалов.




колледж




колледж

»

112

5.6. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Общая характеристика высоколегированных сталей и спла-вов. Практикой установлено, что коррозию (см. подразд. 2.3) мож-но приостановить путем легирования конструкционных сталей ичугунов хромом или хромом и никелем и другими легирующимиэлементами. Эти легирующие элементы в активных средах перехо-дят в пассивное состояние, на их поверхности возникают тонкиеоксидные пленки и поверхность приобретает высокую коррозион-ную стойкость.

Легирование стали никелем дает возможность получать компо-нентную (аустенитную) структуру, которая обладает более высо-кой коррозионной стойкостью, чем хромистые и хромоникелевыестали.

Высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаростой-кие, жаропрочные сплавы (ГОСТ 5632—72) выпускаются на желез-ной, железоникелевой и никелевой основах и поставляются в видесортового и фасонного проката, калиброванного прутка, прутка соспециальной отделкой поверхности, листа тонкого и толстого, по-лосы, поковок и кованых заготовок, проволоки и труб. Они пред-назначены для изготовления различных деталей, механизмов иконструкций для работы в коррозионно-активных средах и при вы-соких температурах.

Высоколегированные стали и сплавы получают методом элект-рошлакового (ЭШ), вакуумно-дугового (ВД) переплавов и индукци-онной электроплавкой (ЭП) и в зависимости от основных свойствподразделяют на следующие группы:

коррозионно-стойкие;жаростойкие;жаропрочные.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Коррозионно-стойкиминазывают такие конструкционные материалы, которые сопротив-ляются химическому и электрохимическому воздействию окружа-ющей среды.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы обладают стойкостьюпротив химической и электрохимической коррозии (атмосферной,почвенной, щелочной, кислотной, межкристаллитной и коррозиипод напряжением).

По содержанию углерода коррозионно-стойкие стали и спла-вы выпускают низкоуглеродистыми (массовая доля углерода ме-




колледж




колледж

»

113

нее 0,3 %) и среднеуглеродистыми (массовая доля углерода более0,3 %).

Наиболее стойкими против коррозии являются такие химичес-кие элементы, как хром и никель, поэтому эти химические элемен-ты являются постоянными легирующими элементами при получе-нии коррозионно-стойких сталей и сплавов. Практика показывает,что устойчивая коррозионная стойкость у сталей и сплавов образу-ется при массовой доле хрома 12,5 % и выше.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от массовойдоли хрома и углерода. При содержании хрома 13; 17 и 25 % и приналичии 0,1 … 0,4 % углерода стали приобретают высокую жаро-стойкость (окалиностойкость).

Хромистые стали имеют высокие технологические свойства:деформируемость, свариваемость и улучшаемость, поэтому ос-новная группа коррозионно-стойких сталей производится на ос-нове хрома, а отдельные марки на основе хрома и никеля, а так-же титана. Титан и никель вводят для измельчения зерна, а от-дельно никель для увеличения прочности, твердости и ударнойвязкости.

Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкиехромистые стали следующих марок: 12Х12, 20Х13, 30Х13, 40Х13,08Х13 и др.

Стали марок 12Х13 и 20Х13 хорошо деформируются и сварива-ются. Стали марок 30Х13 и 40Х13 свариваются ограниченно, таккак средняя массовая доля углерода и высокое содержание хромаспособствуют образованию при сварке трещин в районе около-шовной зоны основного металла. Эти стали хорошо куются иштампуются в горячем состоянии, так как при высокой температу-ре они пластичны.

Стали марок 20Х13, 30Х13, 40Х13 — мартенситного класса, астали 12Х13 — ферритного класса.

Эти стали широко используются как конструкционный и корро-зионно-стойкий материал. Их используют для изготовления лопа-ток различных турбин, компрессоров, клапанов, арматуры нефте-установок и аппаратов, а стали 30Х13 и 40Х13 — для режущего иизмерительного инструмента, пружин, деталей карбюраторов идругих деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Детали, изготовленные из этих сталей, подвергаются закалке инизкому, среднему и высокому отпуску в зависимости от марки итребуемых свойств.

Сталь марки 40Х13 широко применяется для изготовления хи-рургического и бытового инструмента.




колледж




колледж

»

114

Хромоникелевые стали в зависимости от химического состава,массовой доли хрома и никеля выпускаются следующих классов:аустенитный, аустенитно-ферритный и аустенитно-мартенситный.

Стали с содержанием 18 % хрома и 9 … 10 % никеля образуютструктуру аустенита. Эти стали имеют коррозионную стойкостьпри высоких температурах в различных рабочих средах, в том чис-ле в растворах кислот, обладают высокой обрабатываемостью дав-лением и свариваемостью. Аустенитные стали получили наиболееширокое применение в химической промышленности и строитель-стве.

К недостаткам аустенитного класса сталей относят низкие обра-батываемость резанием и литейные свойства, поэтому они широ-ко применяются как конструкционный материал в сварных конст-рукциях и изделиях, получаемых обработкой давлением.

Наиболее широкое применение нашли стали аустенитногокласса О4Х18Н10, О8Х18Н10, О8Х18Н10Т и многие другие, всегооколо 30 марок. Титан вводится в сталь с целью устранения меж-кристаллитной коррозии. Аустенитные стали подвергаются за-калке при температуре 1 050 … 1 100 °С. Охлаждение изделий про-изводят в масле. После закалки предел прочности при растяже-нии σв = 500 … 600 МПа (отдельные марки достигают прочности1 000 … 1 200 МПа), относительное удлинение δ = 35 … 40 %.

Стали аустенитно-ферритного класса в своем составе кромехрома и никеля содержат титан и кремний. Они имеют более вы-сокие антикоррозионные свойства в активных средах, а также вы-сокие технологические свойства. Наиболее широкое применениенашли аустенитно-ферритные стали марок 12Х21Н5Т, ОХ22Н5Т,Х28АН и др., всего примерно 10 марок.

Закалку этих сталей производят при температуре 950… 1 000 °С,охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят опера-цию старения при температуре 500 °С. Предел прочности этих ста-лей σв = 950 … 1 200 МПа, относительное удлинение δ = 4 … 12 %.

Стали аустенитно-мартенситного класса кроме хрома в своемсоставе имеют алюминий и марганец и пониженную массовуюдолю никеля (1… 9 %). Стали этого класса используются как корро-зионно-стойкий конструкционный материал для работы в активных,окислительных рабочих средах и имеет более высокие, по сравне-нию с рассмотренными ранее сталями, механические и химическиесвойства. Предел прочности в зависимости от химического соста-ва — 1 200 … 1 900 МПа, относительное удлинение — 3 … 10 %.

Марки сталей аустенитно-мартенситного класса: 2Х13Н4Г9,Х15Н9Ю, ОХ17Н7Ю, ОХ17Н7Ю1, 09Х15Н8Ю, 2Х17Н2 и др.




колледж




колледж

»

115

Закалку этих сталей производят при температуре 975 °С, охлаж-дение осуществляют в масле. После закалки проводят обязатель-ные операции обработки холодом, старение и упрочнение при хо-лодной прокатке.

Жаростойкие стали и сплавы. Известно, что образование ока-лины на поверхности металла происходит под воздействием темпе-ратуры и кислорода рабочей среды. Чем выше температура рабо-чей среды, тем активнее идет процесс образования окалины. Меж-ду тем, сама образовавшаяся окалина может препятствовать даль-нейшему окислению металла. Это может быть достигнуто тогда,когда оксидная пленка плотная, без трещин и пор.

Практика показывает, что оксидная пленка железа, вольфрамаи других элементов обладает низкими защитными свойствами. Че-рез пленки этих металлов легко диффундирует кислород, и проис-ходит образование окалины на большую глубину; окалина растрес-кивается, становится пористой, металл сгорает.

Хром, алюминий, никель, кремний имеют плотную оксиднуюпленку, и, кроме того, пленки этих металлов под воздействием тем-пературы не трескаются. Окислившись, поверхность металла дета-ли под воздействием температуры и кислорода в начальный периоднагрева становится теплостойкой. Образовавшаяся на поверхностиоксидная пленка защищает металл от дальнейшего разрушения.

Максимальная массовая доля хрома (10 %) при температуре800… 900 °С обеспечивает устойчивую окалиностойкость. При мас-совой доле хрома 20 … 25 % рабочая температура может достигать1 000 … 1 100 °С.

Свойство окалиностойкости обеспечивает не структура стали, атолько ее химический состав. В практике нашли применение сле-дующие марки жаростойких сталей: 4Х9С2, 1Х12СЮ, 4Х10С2М,3Х13Н7С2, Х20НМС2, 4Х18Н25С2, ОХ18Н10Т и др., всего прибли-зительно 60 марок.

Жаростойкие стали применяют для изготовления деталей, рабо-тающих в активных рабочих средах и при высоких температурах снезначительной механической нагрузкой: клапанов автомобильных,тракторных двигателей и дизелей; теплообменников, колосников,труб, электродов свечей зажигания, печных конвейеров, ящиков дляцементации, муфелей, реторт, выхлопных систем и других деталейи конструкций в химическом, нефтехимическом и газовом произ-водстве.

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочность сталей всегдасопровождается их жаростойкостью (окалиностойкостью), т. е. всежаропрочные стали должны быть, прежде всего, жаростойкими.




колледж




колледж

»

116

Рассматривая жаропрочность конструкционного материала,следует знать, что с повышением температуры прочностная харак-теристика любого конструкционного материала уменьшается, втом числе у обычной конструкционной углеродистой стали. Следо-вательно, жаропрочность характеризуется двумя показателями:температурой и временем. При этом, если показатель времени братьза основополагающий фактор, то жаропрочность следует характе-ризовать длительной прочностью. При определении длительнойпрочности при высокой температуре будем наблюдать ползучестьиспытуемого образца, и эта ползучесть увеличивает жаропрочность.

На жаропрочность конструкционных материалов влияет ихструктура и легирующие элементы. Классы структур в этих сталяхбывают перлитные, аустенитные и мартенситные. В качестве леги-рующих элементов в хромоникелевых сталях применяют кремний,марганец, молибден, вольфрам, ванадий и ниобий с различной мас-совой долей в зависимости от назначения стали.

По назначению жаропрочные легированные стали подразделя-ются на клапанные, котельные, котлотурбинные, для реактивнойтехники. Из этих сталей делают различные детали и конструкции,такие как клапаны машинных двигателей, трубы паро- и газопрово-дов, аппараты и котлы сверхвысокого давления, лопатки паровых игазовых турбин, вкладыши сопел, крепежные детали и др.

5.7. УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИСПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рессорно-пружинная сталь. Рессорно-пружинная сталь (ГОСТ14959—79*) выпускается в виде горячекатаного проката или кова-ной (диаметром или толщиной до 250 мм), а также в виде калибро-ванных прутков круглого, квадратного и профильного сечений,мотков и полос со специальной отделкой поверхности.

Рессорно-пружинная сталь выпускается качественной и высоко-качественной, а также углеродистой (65, 70, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г) илегированной (55С2, 55С2А, 60С2, 70С3А, 60С2Г, 50ХГ, 50ХГА и др.).

Цифры в маркировке углеродистых сталей указывают среднююмассовую долю углерода в сотых долях процента; буква Г, стоящаясправа после цифры, — повышенное содержание марганца(0,7 … 1,2 %). В обозначении легированных сталей цифры, стоящиевпереди марки, указывают массовую долю углерода в сотых доляхпроцента.




колледж




колледж

»

117

Для примера рассмотрим химический состав стали марки60С2Н2А. Массовая доля углерода составляет 0,56 … 0,64 %, крем-ния — 2 %, никеля — 2 %. Буква А, стоящая в конце марки, указы-вает, что сталь высококачественная, т. е. имеет пониженную мас-совую долю вредных примесей — серы и фосфора (их суммарнаямассовая доля составляет 0,05 %).

Рессорно-пружинные стали поставляются по строго заданнымнормируемым характеристикам. Нормируемыми характеристика-ми являются химический состав, механические свойства и назна-чение.

По нормируемым характеристикам эти стали подразделяютсяна категории: 1, 1A, 1Б, 2, 2А, 2Б, 3, 3А, 3В, 3Г, 4, 4А, 4Б.

Сталь категорий 1, 1A, 1Б, 4, 4А и 4Б в зависимости от вида по-следующей обработки подразделяется на подгруппы:

а — для горячей обработки (ковка, штамповка);б — для холодной механической обработки (строгание, точение,

фрезерование);в — для холодного волочения (подкат).Рессорно-пружинные стали обладают высокими механиче-

скими свойствами как в сыром, так и в термически обработанномсостоянии. Углеродистые и марганцовистые стали имеют пределыпрочности при растяжении σв = 1 000 … 1 130 МПа (100 …115 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 7 … 9 %, твердость230 … 250 НВ. Кремнистые, кремнисто-хромистые и кремнисто-никелевые стали имеют более высокие механические свойства посравнению с углеродистыми и марганцовистыми сталями. Напри-мер, сталь марки 60С2Н2А имеет предел прочности при растяже-нии σв = 1 500 МПа (150 кгс/мм2), твердость 420 … 475 НВ, относи-тельное удлинение δ = 19 %.

Рессорно-пружинная сталь обладает высокой ковкостью, огра-ниченной свариваемостью, высокой прокаливаемостью и отсут-ствием отпускной хрупкости.

В нормативно-технической документации и на чертежах рес-сорно-пружинная сталь обозначается следующим образом:

100�В ГОСТ 2590—2006Круг ,

65Г�а�4А ГОСТ 14050—79*

что означает — сталь горячекатаная, круглая, диаметром 100 мм,обычной точности прокатки по ГОСТ 2590—2006 марки 65Г, для го-рячей обработки подгруппы а, категории 4А.

Аналогично обозначаются и другие виды проката этих сталей.




колледж




колледж

»

118

Из рессорно-пружинной стали изготавливают рессоры, пружи-ны общего назначения, пружины клапанов автомобилей, аморти-заторов, замковые шайбы, диски сцепления, эксцентрики, банда-жи, тормозные барабаны и ленты, фрикционные диски, шайбыпружинные, торционные валы и другие детали, от которых требу-ется высокая упругость и износостойкость, в том числе тяжело на-груженные пружины и рессоры для большегрузных автомобилей,тракторов и железнодорожных вагонов.

Подшипниковая сталь. По ГОСТ 801—78 предусматривается вы-пуск подшипниковой стали горячекатаной, катаной, калиброваннойи со специальной отделкой поверхности в виде круга, полосы, квад-рата, труб, ленты, проволоки (ШХ4, ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ).В маркировке этих сталей приняты следующие обозначения: буквыШХ — подшипниковая хромистая; буквы С, Г — легирующие эле-менты (кремний и марганец); цифры показывают количество хромав десятых долях процента. В маркировке отдельных сталей указы-вается способ выплавки: буквой Ш обозначают электрошлаковыйпереплав; буквой В — вакуумирование; буквой Д — двойная очист-ка (например, ШХ9-Ш; ШХ15-ШВ; ШХ15-ШД).

Подшипниковая сталь в зависимости от дальнейшей обработкиподразделяется на следующие группы:

для горячей обработки давлением (штамповка, ковка);для холодной высадки;для холодной штамповки.

Подшипниковые стали имеют высокие механические свой-ства (особенно после закалки): твердость, прочность, ударнуювязкость, износостойкость и теплостойкость. Например, стальмарки ШХ15СГ в состоянии поставки имеет следующие свой-ства: предел прочности при растяжении σв = 590 … 730 МПа(60 … 73 кгс/мм2), твердость 179 … 217 НВ, ударную вязкость44 Дж/см2; после закалки при температуре 810 … 840 °С, охлажде-ния в масле и последующего отпуска при температуре 150 °С —твердость 61 … 65 НRC, предел прочности при растяжении σв == 1 960 … 2 300 МПа (196 … 230 кгс/мм2).

Подшипниковая сталь имеет высокие технологические свой-ства: ковкость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, прока-ливаемость и низкую склонность к отпускной хрупкости; сварива-емость ограниченная. Из этой стали изготавливают шарики, роли-ки, кольца, втулки, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпусараспылителей и другие детали, от которых требуется высокая твер-дость, износостойкость и контактная прочность.




колледж




колледж

»

119

Подшипниковая сталь, легированная кремнием и марганцем,идет на изготовление подшипников, работающих при повышенныхтемпературах.

Конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатыва-емости резанием (автоматная). По ГОСТ 1414—75 выпускают сле-дующие группы конструкционных сталей повышенной и высокойобрабатываемости резанием:

углеродистая сернистая (А11, А12, А20, А30, А35);сернисто-марганцевая (А40Г);сернисто-марганцевая свинецсодержащая (АС35Г,АС45Г2, А35Е, А45Е);легированная свинецсодержащая (А12ХМ, АС14ХГН,АС19ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГНМ,АС40ХГНМ) и другие группы.

В маркировке этой группы сталей приняты следующие обозна-чения: буква А — сталь автоматная; АС — автоматная свинецсо-держащая; буква Е указывает на наличие в стали селена. Цифры,стоящие после букв, указывают на массовую долю свинца. Осталь-ные условные обозначения такие же, как у легированных конст-рукционных сталей.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатывае-мости резанием выпускается в виде горячекатаного круглого, квад-ратного и шестигранного, катаного и калиброванного проката, кактермически обработанного (Т), так и без термической обработки,а также нагартованного (Н). В зависимости от назначения эта стальподразделяется на группы:

а — для горячей обработки давлением;б — для холодной механической обработки;в — для холодного волочения (подкат).В зависимости от химического состава конструкционная сталь

повышенной и высокой обрабатываемости резанием имеет следу-ющие пределы механических свойств: предел прочности при рас-тяжении σв = 580… 800 МПа (58… 80 кгс/мм2) (для некоторых марокстали σв = 1 000… 1 200 МПа); твердость по Бринеллю 187… 241 НВ;относительное удлинение δ = 8 … 12 % (для некоторых марок сталиσ = 20 %).

Автоматные стали обладают высокими технологическими свой-ствами: ковкостью, свариваемостью и особенно обрабатываемо-стью резанием. Последнее свойство достигается путем специаль-ных металлургических процессов, предусматривающих введение вконструкционную сталь серы, свинца и селена. Эти добавки в про-




колледж




колледж

»

120

цессе обработки резанием создают как бы внутреннюю смазку,которая снижает трение в месте контакта резца с заготовкой, приэтом процесс резания идет мягко, создаются условия измельчениястружки. Вредное влияние серы в этих сталях нейтрализуется по-вышенным содержанием марганца.

Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатывае-мости резанием обладают повышенными вязкостью, пластично-стью и усталостью, поэтому имеют ограниченное применение.

Углеродистые сернистые стали используют для крепежных ма-лонагруженных деталей, к которым предъявляются требованиявысокой точности и шероховатости поверхности. Другие группыавтоматных сталей используют для деталей, работающих приболее высоких напряжениях и нагрузках. Например, стали марокА12, А20, А30 и А40Г идут на изготовление осей, валиков, зубча-тых колес, шестерен, пальцев, винтов, болтов, втулок, колец, хо-довых винтов и других деталей сложной формы, получаемых настанках-автоматах и требующих высокого качества поверхности.Первые две из указанных марок подвергаются цементации, а по-следующие марки улучшаются закалкой и отпуском.

Сталь для отливок. В зависимости от назначения, механичес-ких свойств и химического состава отливки подразделяются на тригруппы:

общего назначения;ответственного назначения;особо ответственного назначения.

Отливки изготовляются из сталей следующих марок (ГОСТ977—88): 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 50, 55Л, 20ГЛ, 20Г1ФЛ, 10ФЛ,30ХГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 35ХГМЛ, 20ДХЛ,20ХГСНДМЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДН1МФЛ,23ХГС2МФЛ, 25Х2Г2ФЛ.

Принцип маркировки литейных сталей аналогичен маркировкеуглеродистых и легированных качественных конструкционныхсталей, но в конце маркировки ставится буква Л (сталь литейная).

В нормативно-технической документации и на чертежах литейныестали обозначаются следующим образом: отливка 12ДХН1МФЛ-ГОСТ 977—88, что означает: отливка из стали марки 12ДХН1МФЛгруппы особо качественного назначения, ГОСТ 977—88.

Аналогично обозначаются и другие марки сталей.Химический состав сталей обусловлен соответствующими мар-

ками. Механические и технологические свойства отливок зависятот выбранных для этих целей марок сталей.




колледж




колледж

»

121

Сталь низколегированная строительная. По ГОСТ 19281—89*выпускается низколегированная строительная сталь следующихгрупп и марок:

марганцевая — 14Г2, 0912;марганцовистая с медью — 09Г2Д;кремнемарганцовистая — 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С,09Г2С, 10Г2С1;кремнемарганцовистая с медью — 09Г2СД, 10Г2С1Д;марганцевованадиевая — 15ГФ, 15Г2СФ;марганцевованадиевая с медью — 157ГФД, 15Г2СФД;марганцевованадиевая с азотом — 14Г2АФ, 16Г2АФ,18Г2АФ;марганцевованадиевая с азотом и медью — 14Г2АФД,16Г2АФД, 15Г2АФДжс, 18Г2АФДпс;марганцевониобиевая — 10Г2Б, 12Г2Б.

В маркировке низколегированных строительных сталей приняттот же принцип, что и для легированных конструкционных сталей(см. подразд. 5.4).

Сталь низколегированная выпускается в виде толстолистового ишироколистового проката в рулонах, лентах и листах, применяемыхдля сварных строительных конструкций (в машиностроении — длянесварных конструкций) без термообработки: трубопроводов, емко-стей для хранения и транспортировки жидкостей и т. д.

Предел прочности этой стали σв = 440 … 600 МПа, относитель-ное удлинение δ = 20 … 23 %, ударная вязкость составляет 30 …44 Дж/см2.

В нормативно-технической документации принято следующееобозначение:

¥А40 500 ГОСТ 82—70*,

10Г2С1�5 ГОСТ 19281—89*

что означает: сталь широкополосная универсальная, толщиной40 мм, шириной 500 мм (ГОСТ 82—70*), с ребровой кривизной поклассу А, марки 10Г2С1 (ГОСТ 19281—89*), категории 5.

Низколегированная строительная сталь применяется для изго-товления ферм, обвязки вагонов, элементов сварных строительныхконструкций, листовых конструкций, днищ сосудов, а также арма-туры железобетонных изделий. В зависимости от химического со-става марок сталей строительные конструкции могут работать при




колледж




колледж

»

температуре 40 … 70 °С, а из отдельных марок — при отрицатель-ных температурах и под давлением.


1. Дайте общую классификацию сталей по химическому составу,качеству, назначению, способу раскисления и структуре.

2. Назовите марки углеродистых конструкционных сталей обык�новенного качества и дайте их общую характеристику.

3. Назовите марки углеродистых конструкционных качественныхсталей. Что положено в основу маркировки этих сталей?

4. Назовите марки углеродистых инструментальных сталей ираскройте принцип их маркировки.

5. Где применяются углеродистые инструментальные стали?6. Как влияют на свойства стали следующие легирующие элемен�

ты: марганец, кремний, хром, никель, титан, медь, кобальт, мо�либден, вольфрам, ванадий?

7. Раскройте принцип маркировки легированных конструкцион�ных сталей.

8. Дайте классификацию легированных инструментальных ста�лей.

9. Охарактеризуйте легированную сталь для режущего, измери�тельного инструмента и для штампов.

10. Дайте характеристику быстрорежущих сталей.11. Как расшифровать следующие марки легированных инстру�

ментальных сталей: 4Х4ВМФС, Х12Ф1, 8Х4В3М3Ф2,5Х3ВМФС, Р9, Р6АМ5, Р18К5Ф2?

12. Укажите химический состав следующих сталей:а) легированных сталей марок 40Х9С2, 30Х13Н7С2,20Х23Н13, 40Х10С2М;б) легированных сплавов марок ХН35ВТ, 06ХН28МДТ,ХН7ГМЮТ, ХН70ВМТЮФ.

13. Дайте краткую характеристику рессорно�пружинным сталям.14. Дайте краткую характеристику подшипниковым сталям.15. Дайте краткую характеристику сталям повышенной и высокой

обрабатываемости резанием (автоматных сталей).




колледж




колледж

»

123

Глава 6

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

6.1. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИМЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Общие сведения. Термической обработкой стали и других кон-струкционных материалов называется технологический процесстепловой обработки заготовок, деталей машин и инструмента, врезультате которой изменяется микроструктура материала, а вме-сте с ней механические, физико-химические и технологическиесвойства. Процессы термической обработки конструкционных ма-териалов связаны с аллотропными превращениями (полиморфиз-мом), а также с изменением химического состава материала изде-лия.

Термической обработке подвергают заготовки, поковки, штам-повки, а также готовые детали и инструмент для придания им не-обходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упру-гости, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемо-сти.

Сущность термической обработки заключается в нагреве метал-ла до температуры, которая несколько выше или ниже критичес-ких температур, выдержке при этих температурах и быстром илимедленном охлаждении. В процессе охлаждения в структуре ме-талла происходят аллотропные изменения, вследствие которыхрезко изменяются механические свойства. При быстром охлажде-нии увеличиваются твердость, износостойкость, упругость и т. д.,при медленном охлаждении — пластичность, ударная вязкость, об-рабатываемость. Кроме того, существует термическая обработка,связанная с изменением химического состава материала изделия,так называемая химико-термическая обработка.

В зависимости от способа нагрева и глубины прогрева аллот-ропные превращения происходят по всему сечению или только вповерхностных слоях обрабатываемых деталей. При нагреве до оп-




колледж




колледж

»

124

ределенной температуры, выдержке при этой температуре и ох-лаждении с определенной скоростью микроструктура деталей ме-няется по всему сечению.

Изменение химического состава в поверхностных слоях обра-батываемых деталей сопровождается их упрочнением или измене-нием других свойств.

Существуют следующие способы термической обработки ста-лей:

объемная термическая обработка сталей, производимаяс целью изменения микроструктуры металлическихсплавов, находящихся в твердом состоянии, и приданияим необходимых свойств по всему объему обрабатывае-мых деталей (закалка, отпуск, отжиг, нормализация);поверхностная термическая обработка стали, вызываю-щая изменение структуры и свойств лишь в поверхност-ном слое изделия;химико-термическая обработка, заключающаяся в нагре-ве металлических изделий вместе с веществами, способ-ными менять состав и структуру, главным образом по-верхностного слоя обрабатываемого изделия;электротермическая обработка, производимая с помо-щью индукционного нагрева токами высокой частоты, атакже путем контактного нагрева и нагрева в электроли-тах;термомеханическая обработка, связанная с нагревом из-делий подвергающихся, например, прокатке, волочениюи подобным операциям, с целью устранения наклепа,вызванного пластическими деформациями.

Превращения в стали при нагревании. Превращения в сталипри нагревании связаны с достижением сплавами критическихтемператур, при которых происходят фазовые превращения.

В системе железоуглеродистых сплавов приняты следующиеобозначения критических температур: температура линии PSK (см.рис. 3.6) обозначается А1 (727 °С), температура линии МО — А2(768 °С), температура линии GOS — А3 (727 … 911 °С), температуралинии ES — Аm (727…1 147 °С). Чтобы отличить критическую темпе-ратуру, полученную при охлаждении, от критической температуры,полученной при нагревании, перед цифровым индексом при охлаж-дении ставят букву r (Аr1, Аr2), а при нагревании — с (Ас1, Ас2).

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диа-граммой Fe — Fe3C может завершиться при температуре 727 °С




колледж




колледж

»

125

(Ас1) при медленном нагревании. Скорость превращения перлитав аустенит находится в прямой зависимости от содержания в ста-ли углерода.

При температуре 768 °С (точка Кюри — Ас2) стали теряют своимагнитные свойства.

Окончание процесса превращения характеризуется образова-нием аустенита и исчезновением перлита.

При нагревании сталей с содержанием углерода менее 0,8 %,т. е. доэвтектоидных, с исходной структурой, состоящей из ферри-та и перлита, происходят следующие структурные превращения.При температуре 727 °С происходит превращение перлита в аусте-нит. При этом сохраняется двухфазная структура — из аустенитаи феррита. При дальнейшем нагревании происходит превращениеферрита в аустенит, которое заканчивается при достижении кри-тической температуры Ас3, т. е. на линии GOS.

У заэвтектоидных сталей при нагреве выше температуры Ас1происходит растворение цеменита в аустените (в соответствии слинией SE ), которое заканчивается при критической температуреАсm, т. е. на линии SE.

Для более полного понимания процессов структурных преобра-зований рассмотрим диаграмму изотермического превращенияперлита в аустенит при нагревании (рис. 6.1).

Так как перлит — это смесь цементита и феррита в соотношениипримерно 1 : 6, то при нагревании на границе раздела феррита и це-ментита образуются зерна аустенита. При последующем нагрева-нии происходят растворение цементита в аустените и дальнейшийрост зерен аустенита. С ростом зерен аустенита происходит посте-пенное увеличение массовой доли углерода в аустените. Скоростьнагрева также влияет на превращение перлита в аустенит. На диаг-рамме лучами v1 и v2 графически изображены различные скоростинагрева. Чем меньше скорость нагрева, тем при более низких тем-пературах происходит весь процесс фазовых превращений.

Важной характеристикой стали является склонность к ростузерна аустенита при нагревании. При росте зерна при незначи-тельном перегреве выше критической точки сталь считается на-следственно крупнозернистой. Если же зерно начинает расти прибольшем перегреве — наследственно мелкозернистой. На ростзерна большое влияние оказывают различные примеси, попадаю-щие в сталь в процессе плавки. Склонность к росту аустенитногозерна является плавочной характеристикой.

Зернистость влияет на механические свойства сталей. Мелко-зернистая сталь обладает значительно большей ударной вязко-




колледж




колледж

»

126

стью, чем крупнозернистая, поэтому при термической обработкесталей этот фактор следует учитывать.

Действительная величина зерна — это размер зерна при обыч-ных температурных условиях после определенного типа термооб-работки. Для определения величины зерна принята стандартнаяшкала. В ГОСТ 5639—82* представлена шкала для оценки величи-ны зерна по десятибалльной системе (рис. 6.2).

Величину зерна определяют при стократном увеличении мето-дом сравнения со стандартной шкалой. Для определения зернисто-сти сталь должна быть нагрета до температуры 930 °С. Если приэтой температуре номер зерна 1 — 4, то это сталь наследственнокрупнозернистая. Стали, у которых номер зерна 5 — 8 и более, —наследственно мелкозернистые. Легирующие элементы (ванадий,вольфрам, молибден, титан и др.) способствуют образованию на-следственно мелкозернистой макроструктуры. Такая сталь при вы-соких температурах хорошо поддается любому виду обработки де-

Рис. 6.1. Диаграмма изотермического превращения перлита в аусте�нит при нагревании:

t — температура; t — время; А — аустенит; П — перлит; Ц — цементит; v1 и v2 —скорости нагрева; Ас1 — критическая температура (эвтектоид)




колледж




колледж

»

127

формированием (прокатка, ковка, штамповка и др.). Укрупнениязерна и снижения механических свойств при этом не происходит.Как правило, большинство легированных сталей, а также спокой-ные стали — наследственно мелкозернистые. Все кипящие ста-ли — наследственно крупнозернистые, имеют низкую ударнуювязкость и высокую хладноломкость.

Превращения в стали при охлаждении. При охлаждении ста-лей с аустенитной структурой могут происходить различные пре-вращения, зависящие от скорости охлаждения. Рассмотрим диаг-рамму изотермического превращения аустенита в перлит (рис. 6.3).

Кривые превращения аустенита имеют С-образную характери-стику и показывают, что скорость превращений неодинакова. Мак-симальная скорость превращения соответствует охлаждениюниже Ас1 (727 °С) на 170 °С. Кривые начала и конца превращенийсмещены вправо и соответствуют наибольшей устойчивости.

Левая кривая на диаграмме соответствует границе начала пре-вращений, правая кривая показывает конец превращения аустени-та. Превращение аустенита в перлит носит диффузионный харак-тер.

Скорость диффузии зависит от степени переохлаждения или отскорости охлаждения. Продукты перлитного превращения имеютпластинчатое строение, определены как перлит, сорбит и троостити различаются степенью дисперсности. Но если перлит — это рав-новесная структура, то сорбит и троостит — неравновесные струк-туры, в них содержание углерода больше или меньше 0,8 %. Суще-

Рис. 6.2. Стандартная шкала зернистости стали (100×):1—10 — баллы зерна




колледж




колледж

»

128

ствует еще промежуточное (бейнитное) превращение в областитемператур 500… 350 °С. При большей степени переохлаждения (до230 °С) аустенит находится в неустойчивом состоянии, диффузион-ные процессы отсутствуют, образуется перенасыщенный углеро-дом твердый раствор.

Мартенситное превращение в стали имеет три особенности. Во-первых, мартенситное превращение имеет бездиффузионный ха-рактер. Во-вторых, кристаллы мартенсита ориентированы. Третьяособенность заключается в том, что мартенситное превращениепроисходит при непрерывном охлаждении в интервале определен-ных температур для каждой стали. Температуру начала мартенсит-ного превращения называют мартенситной точкой и обозначаютМн, а температуру окончания обозначают Мк. Положение точек Мни Мк на диаграмме зависит от количества углерода в стали и при-сутствия легирующих элементов. Как правило, большое содержа-

Рис. 6.3. Диаграмма изотермического превращения аустенита в пер�лит при охлаждении:

t — температура; τ — время; А — аустенит; П — перлит; Б — бейнит; М — мар�тенсит; Аост — остаточный аустенит; Т — троостит; Ф — феррит; Ц — цементит;С — сорбит; v1 и v2 — скорости охлаждения; Мн и Мк — соответственно темпе�ратуры начала и конца мартенситного превращения; Ап — половинчатый аус�тенит; vкр — критическая скорость




колледж




колледж

»

129

ние углерода и наличие легирующих элементов понижают положе-ние точек.

Наложим на диаграмму графики скоростей охлаждения и изоб-разим схему влияния скорости охлаждения на температуру пре-вращений аустенита. Из диаграмм видим, что чем больше скоростьохлаждения, тем дисперснее получаемая структура. При неболь-шой скорости v1 образуется перлит, при большей скорости v2 —сорбит и еще большей vкр — троостит. При скорости охлаждения,большей, чем vкр, часть аустенита превращается в мартенсит. Ми-нимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит пере-охлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит, называет-ся критической скоростью закалки. Этот процесс превращения вмартенсит имеет большое практическое значение и положен воснову термической обработки.

Перлитное превращение в стали применяют в процессе отжи-га; мартенситное — при закалке; промежуточное — при изотерми-ческой закалке.

Механические свойства стали со структурами перлита, сорби-та и троостита зависят от степени понижения температуры распа-да и дисперсности ферритно-цементитной структуры. При этомтвердость, пределы прочности, текучести и выносливости возрас-тают.

Структура мартенсита имеет более высокую твердость и проч-ность, а также зависит от содержания углерода в стали. Отрица-тельным фактором мартенситной структуры является повышеннаяхрупкость. Как уже говорилось, легирующие элементы влияют наположение точек Мн и Мк и соответственно влияют на практичес-кую скорость закалки, обычно в сторону уменьшения.

Режим термической обработки. Процесс термической обработ-ки с целью изменения структуры и механических свойств состоитиз операций нагрева изделия, выдержки при данной температуреи охлаждения с определенной скоростью. Параметрами технологи-ческого процесса термической обработки будут максимальная тем-пература нагрева сплава, время выдержки при данной температу-ре и скорости нагрева и охлаждения.

Нагрев стали — это одна из основных операций термическойобработки, от которой зависят фазовые и структурные превраще-ния, изменения физических и механических свойств, поэтому ре-жим нагрева является определяющим для получения конкретныххарактеристик сплава. В практике различают технически возмож-ную и технически допустимую скорости нагрева для каждой дета-ли или партии деталей.




колледж




колледж

»

130

Технически возможная скорость нагрева зависит от способа на-грева, типа нагревательных устройств, формы и расположения из-делий, массы одновременно нагреваемых деталей и других факто-ров.

Технически допустимая, или технологическая, скорость нагре-ва зависит от химического состава сплава, структуры, конфигура-ции изделия и интервала температур, при которых ведется нагрев.

Время выдержки — это время, необходимое для полного вырав-нивания температур по всему объему изделий и соответственнодля завершения всех фазовых и структурных превращений.

Охлаждение — это завершающий процесс, осуществляемый сцелью получения нужной структуры с необходимыми механичес-кими свойствами.

В зависимости от температуры нагрева и скорости охлажденияразличают следующие основные виды термической обработки: от-жиг, нормализация и закалка с последующим отпуском.

Рис. 6.4. Микроструктуры, полученные в результате нагрева и охлаж�дения стали марки 40 с различной скоростью:

1 — перлит + феррит; 2 — аустенит; 3 — мартенсит; 4 — троостит; 5 — сорбит;6 — феррит + перлит




колледж




колледж

»

13

1

атьлузервхыннавозарбо,руткуртсоркимикитсиреткараХ.1.6ацилбаТ 04илатсяинеджалхоиаверганет

аруткуртС еинеледерпО яинеджалхомижеР яаксечитирKакчот акитсиреткараХ ьтсодревТ

ВН

тилреП ++ тирреф

-сачьсемсяаксечинахеМатиррефиатилрепцит.атинетсуаедапсарирп

адорелгуеинажредоСилатсикрамтотисиваз

моннелдемирП -хоатинетсуаиинеджал виизуффидетатьлузер

еинеджалхО.адорелгу-оксосеонневтсетсе

одюьтсор 50 ч/С°

ежиН37 0 С°

нечорпидревтеелоБ ,ееемон,тиррефмеч

,нетингам,нечитсалпйытсинреземрофоп

61 …0 002

тиброС -рефьсемсяаксечинахеМоП.атитнемециатир -ортс

,йынсрепсидеелобюине.тилрепмеч еинажредоС

онаворитимиленадорелгу

моннероксуирП-ретнивиинеджалхо

ав рутарепметел06 …0 07 0 -жалхО.С°

юьтсороксосеинед50 с/С°

ежиН сА 1 ,козявинечитсалПеелоб,нетингам

тилрепмеч,нечорп

72 …0 023

титсоорТ -рефьсемсяаксечинахеМортсоП.атитнемециатир --срепсидеелобещеюине

-редоС.тибросмеч,йын-имиленадорелгуеинаж

онаворит

моннероксуирП-ретнивиинеджалхо

ав рутарепметел04 …0 06 0 .С°

еинеджалхО01юьтсороксос 0 с/С°

ежиН сА 1 еелоб,нетингаМтибросмеч,нечорп

33 …0 004

тиснетраМ орелгуровтсарйыдревТ ад-ежввотнемелэхигурди

-елгуеинажредоС.езелонаворитимиленадор

иинеджалхоирПюьтсороксос

51 0 ешывис/С°

ежиН51 0 С°

-гам,древт,копурХ-азьтсодревТ.нетиняинажредостотисив-олпетолаМ.адорелгу

недоворпорткелэи

56 …0 057




колледж




колледж

»

132

На рис. 6.4 представлены микроструктуры, полученные в ре-зультате нагрева и охлаждения стали марки 40 с различной скоро-стью. Характеристика этих микроструктур рассмотрена в табл. 6.1.

6.2. ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Отжигом называется разупрочняющая обработка дета-лей и заготовок, заключающаяся в нагреве до определенной тем-пературы в пределах критических точек и последующем медлен-ном охлаждении вместе с печью. Главным назначением отжига яв-ляется устранение структурной неоднородности в деталях и заго-товках, полученных обработкой давлением, литьем, ковкой и свар-кой, и перекристаллизация структур деталей (в том числе получе-ние микроструктуры зернистого перлита и цементита). С устране-нием структурной неоднородности происходит изменение механи-ческих и технологических свойств, снятие внутренних напряже-ний, устранение хрупкости, понижение твердости, увеличениепрочности, пластичности и ударной вязкости, улучшение штампу-емости и обрабатываемости резанием. В практике различают от-жиг первого и второго рода.

Отжиг первого рода — это нагрев деталей и заготовок с нерав-новесной структурой для получения стабильно равновесной струк-туры.

Отжиг второго рода — это нагрев деталей и заготовок вышекритических температур с последующим медленным охлаждениемдля получения устойчивого состояния структуры. Нагрев деталейи заготовок выше критических температур обеспечивает полнуюперекристаллизацию структуры металла. Например, углеродистаяконструкционная сталь марки 40 в отливке или поковке будетиметь деформированную структуру в виде крупных зерен ферри-та и перлита (рис. 6.5, а). При нагревании этой стали до темпера-туры выше Ас3 деформированная структура превращается в аусте-нит, а при медленном охлаждении — в равновесную структуру ввиде мелких зерен правильной формы феррита и перлита (рис. 6.5, б).Эта структура отличается высокой твердостью, хрупкостью и име-ет низкую обрабатываемость резанием. После операции полногоотжига происходит укрупнение структуры, равномерное распреде-ление зерен перлита, уменьшается твердость и улучшается обраба-тываемость. В этом заключается сущность процесса отжига дета-лей и заготовок.




колледж




колледж

»

133

Важным фактором, обусловливающим качественный отжиг, яв-ляется правильный выбор температуры нагрева, которую опреде-ляют по диаграмме железо — углерод (цементит) в зависимости отмарки стали и массовой доли углерода. Так, доэвтектоидные сталинагревают до критической температуры Ас3 + (20 … 30 °С), заэвтек-тоидные стали на неполный отжиг нагревают до критической тем-пературы Ас1 + (20 … 30 °С). При нагреве стали выше критическойтемпературы Ас3 или Асm (в зависимости от марки) микрострукту-ра перлита превращается в микроструктуру мелкозернистого аус-тенита.

Для качественного проведения отжига необходимо правильновыбирать скорость и температуру нагрева, а также скорость ох-лаждения.

Виды отжига. В практике применяются следующие виды отжи-га: полный, неполный, низкотемпературный, изотермический, вы-равнивающий, или диффузионный (рис. 6.6).

Полному отжигу подвергают штамповки, поковки и отливки издоэвтектоидной и заэвтектоидной стали для перекристаллизацииих деформированной микроструктуры. Температуру нагрева дляполного отжига выбирают на 20 … 30 °С выше критической точкиАс3 (рис. 6.7, а) и до температуры 500 °С охлаждают вместе с печью,далее охлаждают на воздухе. После полного отжига исправляетсядеформированная структура, измельчается зерно и происходитравномерное распределение зерен перлита и феррита по всему се-чению деталей. При этом твердость понижается, ударная вязкость,прочность и пластичность повышаются, улучшается обрабатывае-мость резанием и, главное, снимаются внутренние напряжения.

Рис. 6.5. Микроструктура стали марки 40, полученная в результателитья и ковки (а) и после нормализации (б)




колледж




колледж

»

134

Рис. 6.7. Схема полного (а) и неполного (б) отжига углеродистых ста�лей:

t — температура; t — время; Ас1, Ас3 — критические температуры

Рис. 6.6. Схема различных видов отжига




колледж




колледж

»

135

Неполный отжиг применяют в основном для деталей и загото-вок из заэвтектоидных сталей. Для доэвтектоидных сталей этот видотжига применяют для поковок, штамповок и отливок, микро-структура которых получила правильную равновесную мелкозер-нистую форму. При неполном отжиге (рис. 6.7, б) детали нагрева-ют до критической температуры Ас1 + (20 … 30 °С), выдерживаютпри этой температуре и охлаждают вместе с печью до температу-ры Ас1 − (20 … 30 °С), выдерживают при этой температуре и далееохлаждают вместе с печью до температуры 500 °С, затем деталь ох-лаждают на воздухе.

При неполном отжиге получается микроструктура зернистого(сфероидизированного) перлита или зернистого цементита. Приэтом также снижаются внутренние напряжения. Вновь полученнаямикроструктура зернистого перлита понижает твердость, увеличи-вает пластичность и ударную вязкость. Улучшается обрабатывае-мость резанием.

С помощью неполного отжига снимают внутренние напряже-ния, предотвращают коробление и образование микротрещин,улучшают обрабатываемость резанием деталей и заготовок. Принагреве заготовки длительное время выдерживают в печи для пол-ного их прогрева и охлаждают вместе с печью (со скоростью неболее 60 °С/ч). Неполный отжиг по своему назначению и физико-химическим процессам, происходящим в деталях, аналогичен сфе-роидизирующему отжигу.

Низкотемпературный отжиг применяется для деталей и заго-товок, полученных ковкой, штамповкой и литьем, структура кото-рых не претерпела особой деформации, находится в равновесномсостоянии и не требует исправления, нет необходимости в ее пе-рекристаллизации. В связи с этим низкотемпературному отжигуподвергают заготовки с целью снятия внутренних напряжений,улучшения обрабатываемости резанием, волочением. Для этихцелей детали нагревают ниже критической точки Ас1. Нагрев про-изводят медленно со скоростью до 150 °С/ч, выдерживают приэтой температуре, после длительной выдержки детали охлаждаютвместе с печью или на воздухе.

Изотермическому отжигу подвергают детали небольших сече-ний из легированных и углеродистых сталей. При этом конструк-ционные стали нагревают до температуры на 30… 40 °С выше кри-тической точки Ас1, а инструментальные стали — до температурына 50 … 100 °С выше критической точки Ас3. После нагрева и про-грева (выдержки) детали переносят в другую печь (ванну), где ох-лаждают до температуры на 50 … 100 °С ниже полученной вначале




колледж




колледж

»

136

процесса. При этой температуре детали выдерживают до полного(изотермического) распада аустенита на зернистый перлит. В про-цессе этой термической операции понижается твердость, увеличи-вается прочность и пластичность и улучшается обрабатываемостьрезанием различными технологическими операциями. Схема изо-термического отжига поковки из легированной стали марки ХВГприведена на рис. 6.8, а.

Как видно из схемы, нагрев поковки после ковки проводят сту-пенчатым методом. Вначале охлаждают на 50… 100 °С ниже крити-ческой точки Ас1, выдерживают при этой температуре, затем на-гревают выше критической точки Ас1 на 20 … 50 °С, длительноевремя выдерживают при этой температуре и охлаждают вместе спечью.

Разновидностью изотермического отжига является отжиг назернистый перлит (рис. 6.8, б ). Отжиг на зернистый перлит осу-ществляют ступенчатым нагревом и охлаждением до полного рас-пада аустенита в зернистый перлит. Сначала осуществляют нагревдо критической точки Ас1 + (20… 30 °С), затем охлаждают до темпе-ратуры ниже Ас1 (700 °С) и далее снова нагревают до температуры500 … 660 °С. После длительной выдержки при последней темпера-туре детали охлаждают на воздухе.

В большинстве отливок, в том числе из железоуглеродистыхсплавов, получается разнородность по химическому составу крис-таллов (зерен) — так называемая межкристаллитная ионная (ден-дритная или зональная) ликвация. С целью устранения этой хими-ческой неоднородности в практике применяется выравнивающий,или диффузионный, отжиг (гомогенизация). Для этого вида отжи-га отливки нагревают до высокой температуры, обычно до

Рис. 6.8. Схема изотермического отжига (а) и отжига на зернистыйперлит (б) поковки из легированной стали марки ХВГ:

t — температура; t — время; Ас1, Ас3 — критические температуры




колледж




колледж

»

137

1 000… 1 100 °С, длительное время выдерживают при этой темпера-туре и затем медленно охлаждают вместе с печью. При высокойтемпературе атомы одних химических элементов, сосредоточен-ные неравномерно, приобретают большую подвижность и диф-фундируют из одних кристаллов в другие. Происходит химическоевыравнивание по химическому составу как крупных кристаллов(дендритов), так и мелких кристаллов.

После диффузионного отжига получается крупнозернистаяструктура, которая требует дополнительного полного или неполно-го отжига. Если этому отжигу подвергались заготовки, требующиедальнейшей обработки давлением, то эти заготовки дополнитель-ному отжигу до обработки не подвергаются. Такие детали подвер-гаются одному из видов отжига только после обработки давлени-ем (ковки, штамповки, волочения).

Дефекты при отжиге. При отжиге из-за нарушения технологиче-ских режимов могут образовываться следующие дефекты: перегрев,пережог, обезуглероживание и окисление деталей и заготовок.

Перегрев возникает при несоблюдении температурного режи-ма при высоких температурах и при технологически необосно-ванной длительной выдержке в печи. При этом возникает круп-нозернистая структура, которая получила название структуры пе-регрева.

Крупнозернистая структура имеет пониженную пластичность,склонность к образованию трещин, растягивающих напряжений ик короблению деталей. Также перегрев может возникнуть при на-греве заготовок для горячего деформирования, при отжиге изде-лий сложной конфигурации, нагреве до температуры значительновыше критической или длительной выдержке при технологическиобоснованной температуре.

Перегрев является исправимым дефектом. Для его исправленияследует произвести полный отжиг с соблюдением всех темпера-турных режимов.

Значительный перегрев сопровождается быстрым ростом зер-на, который повреждает границы этих зерен. Повреждение гра-ниц зерен называется пережогом. Пережог возникает тогда, ког-да металл длительное время выдерживают при высоких темпера-турных режимах. При этом иногда происходит частичное оплавле-ние границ зерен или их активное окисление. Деталь становитсяхрупкой.

Пережог — неисправимый дефект и является браком отжига.Обезуглероживание и окисление деталей и заготовок происхо-

дят при отжиге в соляных ваннах, электрических и пламенных




колледж




колледж

»

138

печах. При таких способах нагрева поверхность деталей взаимо-действует с различными газами. По степени воздействия и хими-ческому взаимодействию с поверхностями деталей реагенты под-разделяются на окисляющие (кислород, оксид углерода, водянойпар) и обезуглероживающие (кислород, водород, водяной пар).

Характер окисления в печи обусловливается топливом и его хи-мическим составом, атмосферой печи, временем нахождения дета-лей в печи и маркой конструкционного материала. Окисление вы-зывает окалину металла на поверхности детали, изменение ее раз-меров и приводит к затратам по дополнительным технологическимоперациям для очистки окалины.

Обезуглероживание как дефект отжига вызвано тем, что кисло-род, присутствуя в атмосфере печи, окисляет углерод раньше, чемжелезо, т. е. происходит выгорание углерода на небольшую глуби-ну от поверхности детали. Если кислород одновременно окисляетуглерод и железо, происходят окалинообразование и угар металла.Если в атмосфере печи находится пар, то обезуглероживание про-текает весьма активно. Обезуглероживание понижает прокалива-емость или вообще обусловливает невосприимчивость к закалке,снижает усталостную прочность, ухудшает химические свойстваповерхностей деталей.

В целях предотвращения обезуглероживания деталей в атмо-сфере печи должны находиться сухой водород, оксид углерода илиинертные нейтральные газы. Кроме того, при отжиге детали нагре-вают в герметически закрытых ящиках, обмазанных глиной, с дре-весным углем или чугунной стружкой.

Нормализация. Нормализацией называется процесс термичес-кой обработки деталей и заготовок, при которой их нагревают докритической температуры Ас3 или Асm + (30 … 50 °С), выдерживаютпри этой температуре и охлаждают на воздухе. В процессе норма-лизации получается микроструктура тонкого (дисперсного) перли-та. При этом незначительно понижаются твердость, прочность, по-вышаются пластичность и ударная вязкость, улучшается обрабаты-ваемость резанием.

Температуру нагрева для нормализации выбирают в зависимо-сти от марки стали и массовой доли углерода в ней по стальной ча-сти диаграммы железо — углерод. Назначение нормализации зави-сит от состава стали, конкретной последующей обработки давлени-ем и конструкции детали.

Например, низкоуглеродистые стали для улучшения обрабаты-ваемости вместо отжига подвергают нормализации. Инструмен-тальные углеродистые стали перед закалкой для устранения цемен-




колледж




колледж

»

139

титной сетки и получения структуры мелкодисперсного перлитатакже подвергают нормализации. Сталь марки 30 после полного от-жига (в состоянии поставки) имеет следующие свойства: проч-ность — 440 МПа; пластичность — 17 %; твердость — 179 НВ; удар-ная вязкость КСV — 62 Дж/см2. После нормализации эти же свой-ства несколько изменяются: прочность составляет 390 МПа; пла-стичность — 23 %; твердость — 143 … 179 НВ; ударная вязкостьКСV — 49 Дж/см2. Пример взят для поковок диаметром до 100 мм.Как видим, после нормализации механические свойства будут не-сколько ниже, чем в состоянии поставки, вследствие стабилизацииструктуры металла деталей. Этот фактор значительно улучшаетобрабатываемость резанием заготовок.

В процессе нормализации возникают дефекты, аналогичные де-фектам отжига, но в менее выраженной форме. Например, незначи-тельный перегрев металла не приводит к пережогу. Частичноеобезуглероживание не приводит к образованию окалины и угаруметалла.

6.3. ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Закалкой называется нагрев стали до температурывыше критических, выдержка при этой температуре и последую-щее быстрое охлаждение. В результате закалки повышаются твер-дость, прочность, упругость, износостойкость и другие механичес-кие свойства.

Скорость охлаждения должна быть значительно выше крити-ческой скорости, при которой микроструктура аустенита распада-ется на метастабильную микроструктуру мартенсита. Как извест-но, эта микроструктура, как и микроструктура аустенита, имеетравномерную растворимость углерода. Сохранение равномернойрастворимости углерода путем фиксации микроструктуры являет-ся главной целью закалки.

При критической скорости охлаждения или значительно вышеее фиксируется физико-химическое состояние аустенита в егоравномерной растворимости углерода.

В процессе закалки с изменением микроструктуры изменяютсямеханические свойства (твердость, ударная вязкость), физическиесвойства (магнитность, электрическое сопротивление и др.) и хи-мические свойства (однородность по химическому составу, корро-зионная стойкость).




колледж




колледж

»

140

Основное назначение закалки — получение высокой твер-дости, износостойкости, повышенной прочности, упругости иуменьшение пластичности. Все эти свойства образуются присоблюдении следующих технологических режимов термообра-ботки:

температура нагрева;скорость нагрева и время выдержки;среда нагрева;скорость охлаждения.

Выбор температуры закалки. Температура нагрева для закалкитеоретически определяется по диаграмме Fe — Fe3C. Для углероди-стых сталей она должна быть выше линии GSК (см. рис. 3.6) на30 … 50 °С, т. е. для доэвтектоидных сталей она совпадает с крити-ческой температурой Ас3 + (30… 50 °С), для эвтектоидных и заэвтек-тоидных сталей — с критической температурой Ас1 + (50 … 70 °С).

Для легированных сталей температура нагрева для закалки оп-ределяется тремя методами: диаметрическим, магнитным илипробной закалкой.

Установлено, что чем сложнее легированная сталь по хими-ческому составу и природе микроструктуры, тем выше должнабыть температура нагрева для закалки, так как только при по-вышенных температурах карбиды ванадия, вольфрама, молибдена,титана и хрома успешно растворяются в аустените. При этом заоснову, как и при выборе температур закалки для углеродистыхсталей, берутся критические точки Ас1 , Ас3 и Асm. Температуры на-грева для закалки легированных сталей повышаются на 250 …300 °С выше критических, а для быстрорежущих сталей — на400 … 450 °С.

Режимы нагрева и охлаждения. Время нагрева зависит от сече-ния деталей и заготовок, конструкции и мощности нагревательныхустройств. Например, при нагреве в воздушных электрических пе-чах время нагрева определяется в среднем из расчета 1 мин на 1 ммсечения детали. Время нагрева в соляных ваннах в 2 раза ниже,чем в электрических печах, так как скорость нагрева в этих ваннахв 2 раза выше. После нагрева деталей до заданной температурыосуществляется выдержка до полного фазового превращения ипрогрева по всему сечению. Показателем времени выдержки явля-ется превращение исходной структуры перлит + феррит в структу-ру аустенита. Практика показала, что заданная температура нагре-ва деталей наступает тогда, когда цвет деталей сравняется с цветомпечи (под, стенки, свод).




колледж




колледж

»

141

От среды в нагревательных устройствах (горн, печи, ванны) за-висят как скорость нагрева, так и побочные (отрицательные) явле-ния. К отрицательным явлениям относятся обезуглероживание иокисление закаливаемых деталей. Кузнечный горн и электричес-кие (муфельные) печи содержат воздушную среду, кислород кото-рой окисляет закаливаемые детали. В соляных ваннах соли не толь-ко окисляют, но и обезуглероживают детали. Ванны с расплавлен-ным металлом (свинцом) отрицательного влияния на нагреваемыедетали для закалки не оказывают.

До полного получения структуры аустенита требуется время,составляющее 1/5 времени нагрева детали. При соблюдении тех-нологически обоснованных режимов нагрева, выдержки и охлаж-дения исключается появление больших внутренних напряжений,образование трещин и других дефектов закалки. С другой сторо-ны, технологический временной режим исключает поверхностноеокисление и обезуглероживание деталей.

От скорости охлаждения при закалке зависят структура и свой-ства закаливаемых деталей. Скорость охлаждения, при которойструктура аустенита превращается в структуру закалки (мартен-сит), называется критической скоростью закалки. Этот временнойрежим выбирается в зависимости от требуемой микроструктурыдетали. Самая высокая скорость охлаждения дает микроструктурумартенсита, самая низкая (естественная) — сорбита.

Закалочные среды. Закалочная среда, ее охлаждающая способ-ность обеспечивают фиксирование равномерного растворения угле-рода во вновь образованной микроструктуре распада аустенита.В интервале температур распада аустенита в мартенсит необходи-мо медленное охлаждение с целью уменьшения внутренних напря-жений. Для получения полной закалки применяют охладители с раз-личной охлаждающей способностью. Эта способность зависит отнескольких факторов: понижения температур охладителя, теплоем-кости металла, его теплопроводности, сохранения постоянства тем-пературы охлаждающей среды, скорости циркуляции, уменьшениятемпературы парообразования и уменьшения вязкости охладителя.Все эти факторы увеличивают скорость охлаждения.

В качестве закалочных сред применяются следующие растворыи жидкости: вода, водный раствор поваренной соли, масло, воздух,минералы и другие материалы.

По силе действия охладители подразделяются на следующиегруппы:

слабые — струя воздуха, расплавленные соли, горячая имыльная вода;




колледж




колледж

»

142

умеренные — веретенное масло, трансформаторное мас-ло, расплавленные соляные ванны с 1 % воды;среднедействующие — растворы в холодной воде изве-сти, глицерина и жидкого стекла;сильные — чистая холодная вода, поваренная соль в ра-створе холодной воды, дистиллированная вода и ртуть.

Скорость охлаждения также зависит от способа охлаждения(погружения) закаливаемой детали. В этом случае при погружениизакаливаемой детали в воду или масло различают три стадии ох-лаждения:

возникновение паровой рубашки, препятствующей даль-нейшей отдаче теплоты (пленочное кипение);разрушение паровой рубашки и увеличение скоростиохлаждения (пузырьковое кипение);конвекция охлаждающей жидкости, которая проходитпри температуре ниже температуры кипения.

При всех этих стадиях скорость охлаждения тем быстрее, чемниже температурные режимы от стадии к стадии. Это также зави-сит от интервала пузырькового кипения.

Тот или иной вид охлаждающей среды выбирается в зависимо-сти от технологической целесообразности, химического составаметалла детали, требуемых физико-механических свойств.

Вода и ее растворы являются более сильными охладителями.При этом вода имеет существенные недостатки. При повышениитемпературы воды в процессе закалки ее охлаждающая способ-ность резко падает. Кроме того, вода имеет высокую скорость ох-лаждения в интервале температур мартенситного превращения.

Водные растворы солей, щелочей, соды увеличивают скоростьохлаждения и также увеличивают интервал пузырькового кипения.

Различные виды масел в качестве охлаждающих сред уменьша-ют скорость охлаждения, процессы мартенситного превращенияпроходят более устойчиво. К недостаткам масел следует отнести ихогнеопасность и образование пригара на поверхности деталей.

Закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость зависитот массовой доли углерода в стали. Чем больше массовая доля уг-лерода в стали, тем выше способность к закаливаемости этой ста-ли. Закалку не воспринимают стали с массовой долей углерода до0,3 %, а также углеродистые конструкционные стали обыкновенно-го качества по ГОСТ 380—2005, так как в этой группе сталей угле-род колеблется в широких пределах. Учитывая, что выбор темпе-




колледж




колледж

»

143

ратуры для закалки осуществляется в зависимости от массовойдоли углерода, а в сталях обыкновенного качества мы не можемточно определить его содержание, эта группа сталей закалке неподвергается.

Закалке подвергаются углеродистые конструкционные каче-ственные и легированные стали с массовой долей углерода от 0,3 %и выше и все инструментальные стали.

Под прокаливаемостью сталей понимают глубину закалки, т. е.способность в процессе закалки образовывать микроструктурымартенсита, троостита или сорбита.

Прокаливаемость зависит от критической скорости охлажденияи, как следствие этого, от устойчивой способности аустенита неизменять своей микроструктуры. Структура аустенита, остающа-яся в холодном состоянии, получила название переохлажденногоаустенита.

Если критическая скорость охлаждения детали по всему сече-нию будет равна, то деталь будет иметь сквозную прокаливае-мость, т. е. по всему сечению будет структура мартенсита. Еслискорость охлаждения по всему сечению будет уменьшаться к сер-дцевине, то в сердцевине будет феррит, феррит + перлит, сорбитили троостит. Сердцевина деталей большого сечения практическизакалку не воспринимает, так как скорость охлаждения сердцеви-ны будет медленная, естественная.

Все легирующие элементы повышают прокаливаемость. Напри-мер, никель способствует значительному увеличению прокалива-емости и закаливаемости. Марганец, хром, вольфрам и молибденповышают температуру закалки и отпуска, а также увеличиваютпрокаливаемость и закаливаемость деталей и инструмента, поэто-му все легированные стали, подвергаемые закалке, имеют высокуюпрокаливаемость, а углеродистые стали имеют более низкую про-каливаемость. При сквозной закалке по всему сечению твердостьдетали будет одинакова. При несквозной закалке она будет умень-шаться от поверхности к сердцевине. У поверхности деталь будетиметь структуру мартенсита, а у сердцевины структуру троостита.Чем меньше массовая доля углерода в стали, тем больше структу-ры троостита и меньше твердость, и наоборот.

Прокаливаемость деталей при закалке оценивается критичес-ким параметром. Этот параметр представляет собой максималь-ный диаметр (сечение) деталей, в сердцевине которого будетполумартенситная структура закалки. Обычно для углеродистыхконструкционных и инструментальных сталей критический пара-метр составляет 10…20 мм, а для легированных сталей — до 100 мм




колледж




колледж

»

144

и более (в зависимости от массовой доли углерода и легирующихэлементов). Кроме того, прокаливаемость зависит от охлаждающейсреды. Вода дает более высокую прокаливаемость, чем масло.

Сталь с массовой долей углерода 0,2 % (охлаждение в воде) пос-ле закалки будет иметь твердость 25 НRС, а сталь с массовой долейуглерода 0,5 % после закалки будет иметь твердость 45 HRC. Следо-вательно, чем больше углерода в стали, тем выше твердость детали,получаемой при закалке, и, следовательно, больше глубина прокали-ваемости. Для определения глубины прокаливаемости углеродистыхинструментальных сталей готовят образцы после высокого отпускаквадратного или круглого сечений (21 … 23 мм) длиной 100 мм. По-середине образцов делается надрез глубиной 5 … 7 мм. Готовыеобразцы закаливают при следующих температурах: 760; 800; 840 °С.Закаленные образцы разрушают на маятниковых копрах (или впрессе). По состоянию и виду излома определяют глубину прока-ливаемости (закаленного слоя) или непрокаливаемости (незакален-ного слоя), перегрев или закалочные трещины.

По стандартной шкале определяют группу (или балл) глубиныпрокаливаемости закаленных образцов при различных температу-рах. В стандартной шкале каждой группе (от 0 до V) соответству-ют глубины прокаливаемости от 0,3 мм до 9 мм, сквозная прокали-ваемость, вязкая сердцевина, незакаленная зона и закалочные тре-щины. Все это определяется визуально по излому образцов. Кро-ме того, по излому образцов можно определить структуру закалки(мартенсит, полумартенсит, троостит, сорбит) или незакаленнуюзону (перлит или феррит + перлит).

На рис. 6.9, а условно показаны образцы стали марки 40 (ГОСТ1050—88*) диаметром 12 … 60 мм после закалки и охлаждения вводе. Образцы 1 — 4 получают полную закалку с образованиемструктуры мартенсит (сплошная прокаливаемость). С увеличени-ем диаметра образуется сплошная закалка, но структуры будутзависеть от критической скорости закалки: мартенсит, полумар-тенсит, троостит и сорбит. Твердость образца по сечению будеттакже меняться и составлять 25… 46 НRС в зависимости от струк-туры. С увеличением диаметра образца критическая скорость за-калки уменьшается. Структура по сечению образца будет следу-ющая: мартенсит, полумартенсит, троостит, сорбит и перлит (илиперлит + феррит). Твердость по сечению образца будет 25 …46 НRС. Сердцевина образца, имея структуру сорбит + перлит, бу-дет иметь высокую ударную вязкость и прочность.

При сплошной закалке (охлаждение в воде) образцы 1 — 4 бу-дут хрупкими.




колледж




колледж

»

145

В практике применяют следующие способы определения прока-ливаемости:

по структуре излома образца;на твердомере типа ТК по сечению в нескольких точках(от поверхности до сердцевины);методом торцовой закалки.

Для определения диаметра деталей, требующих сплошной за-калки, необходимо выполнить следующее условие: критическийдиаметр закалки должен быть больше, чем диаметр изделия.

При определении прокаливаемости стали по методу торцовойзакалки рекомендуют глубину прокаливаемости определять по раз-личным диаграммам.

Дефекты закалки. Нарушение режимов закалки (температурынагрева, способов охлаждения и т. д.) может вызвать в деталях иинструментах различные виды дефектов:

деформация, коробление и трещины;недостаточная твердость;повышенная хрупкость;образование мягких пятен;изменение размеров;внутренние напряжения;окисление и обезуглероживание.

Рис. 6.9. Изменение микроструктуры стали марки 40:а — после закалки и охлаждения в воде; б — после закалки и охлаждения

в масле; — мартенсит; — полумартенсит; — троостит; — сорбит;

— перлит (или перлит + феррит)




колледж




колледж

»

146

Отпуск. Отпуском называется технологический процесс нагре-ва деталей после закалки до низких температур (150 … 650 °С), т. е.ниже критической точки Ас1, выдержка при этой температуре имедленное естественное охлаждение на воздухе.

Назначение отпуска — устранение внутренних напряжений удеталей после закалки, повышение ударной вязкости, уменьшениехрупкости и частичное уменьшение твердости. Эти показатели до-стигаются в связи с получением устойчивой структуры металла де-тали. Температура отпуска зависит от вида закаливаемых деталейи назначения отпуска. В практике применяются низкий, среднийи высокий отпуск.

Низкий отпуск применяется для снятия внутренних напря-жений, повышения ударной вязкости инструмента из легиро-ванных и углеродистых сталей. При низком отпуске детали на-гревают до температуры 150 … 250 °С, выдерживают при этойтемпературе и охлаждают на воздухе. При этом твердость и из-носостойкость режущего инструмента, полученные после закал-ки, сохраняются.

Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инст-румент, детали шариковых и роликовых подшипников, постоянныемагниты, детали машин, изготовленные из легированных конст-рукционных цементируемых и высокопрочных сталей.

Средний отпуск применяется для упругих деталей: рессор, пру-жин, ударного и штампового инструмента, торсионов и др. Приэтом виде отпуска детали нагревают до температуры 300 … 500 °С,прогревают по всему сечению и охлаждают на воздухе. Послеохлаждения получается структура троостита отпуска. Твердостьдеталей, полученная при закалке после отпуска, заметно понижа-ется. Резко возрастает ударная вязкость, что приводит к увеличе-нию циклической вязкости (такое свойство необходимо для упру-гих деталей).

Высокий отпуск производят для деталей машин из углеродис-тых конструкционных качественных и легированных сталей, рабо-тающих при больших нагрузках: валов, шпинделей, блоков шесте-рен, кулачковых муфт, храповых механизмов и др. Твердость дета-лей после закалки и высокого отпуска в зависимости от марки ста-ли составляет 35 … 47 НRС.

При высоком отпуске детали нагревают до температуры500 … 650 °С, выдерживают при этой температуре и охлаждают навоздухе (в отдельных случаях вместе с печью). После отпускаструктура у деталей будет сорбит отпуска. Деталь будет иметьвысокую износостойкость, прочность, ударную вязкость и относи-




колледж




колледж

»

147

тельную пластичность. В практике также применяется высокийотпуск с деформированием деталей в процессе нагрева (рис. 6.10).Деформирование детали производят между критическими темпе-ратурами Ас1 и Ас3. После деформирования детали медленно ох-лаждают до температуры ниже Ас1, затем нагревают, выдержива-ют и медленно охлаждают.

Улучшение — это закалка стали с последующим высоким отпус-ком. Эту термическую операцию применяют для деталей машин,работающих при значительных, в том числе знакопеременных, на-грузках и изготовленных из конструкционных сталей марок 30, 35,40, 45, 50, 40Х и др.

Старение — это процесс изменения свойств сплавов без замет-ного изменения микроструктуры. Если изменение твердости, проч-ности и пластичности осуществляется в нормальных условиях(18 … 20 °С), то такое старение называется естественным. Если жепроцесс протекает при повышенной температуре (120… 150 °С), тостарение называется искусственным.

При естественном старении детали выдерживают несколько ме-сяцев, при искусственном старении — 24… 36 ч. В процессе старе-ния происходит стабилизация растворимости химических элемен-тов (углерода, кремния и марганца, а также легирующих добавок)в структуре деталей и вместе с ними стабилизация структур.

Рис. 6.10. Схема высокого отпуска с деформированием деталей:t — температура; t — время; Ас1, Ас3 — критические температуры; Мн — тем�пература начала мартенситного превращения




колледж




колледж

»

148

Отпуск как термическая обработка является обязательной опе-рацией после закалки и проводится одновременно с закалкой сразуже после охлаждения деталей.

6.4. ХИМИКОGТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Поверхностное упрочнение. В процессе работы деталей машин,механизмов и инструмента рабочие (трущиеся) поверхности дета-лей и инструмента изнашиваются и требуют перезаточки или пол-ной замены.

Изнашивание рабочих поверхностей даже на небольшую глуби-ну может привести к серьезным последствиям. С целью приданиярабочим поверхностям высокой износостойкости, надежности идолговечности применяются различные технологические приемыупрочнения этих поверхностей. Существуют следующие виды по-крытий:

однокомпонентные покрытия — насыщение поверхнос-тей одним каким-либо химическим элементом (металломили неметаллом): углеродом, азотом, хромом, танталом,марганцем и др.;двухкомпонентные покрытия — насыщение поверхнос-тей двумя химическими элементами (металлом и неме-таллом): углерод + хром, углерод + бор, углерод + азот,углерод + марганец, углерод + сера и др.;многокомпонентные покрытия: углерод + хром + азот,углерод + бор + азот, углерод + фосфор + азот, хром + ам-моний + кремний и др.

Отдельную группу составляют покрытия из химических соеди-нений: карбидов, нитридов и оксидов.

При видимых различиях технологических процессов упрочне-ние рабочих (трущихся) поверхностей заключается в насыщенииих какими-либо металлами или неметаллами под действием темпе-ратуры или других физико-химических процессов.

Химико-термическая обработка по назначению подразделяетсяна две группы:

химико-термическая обработка, предназначенная дляповышения износостойкости и поверхностной твердостирабочих поверхностей деталей. К этому виду обработкиотносятся цементация, азотирование, нитроцементацияи диффузионная металлизация;




колледж




колледж

»

149

химико-термическая обработка, применяемая для полу-чения высоких антифрикционных (противозадирных)свойств. Химический элемент, насыщающий поверх-ность деталей, предотвращает задиры и слипаемость тру-щихся поверхностей. К этому виду относятся сульфиди-рование, свинцевание, теллурирование и др.

Таким образом, химико-термической обработкой принято назы-вать технологический процесс, заключающийся в насыщении по-верхностного слоя деталей при высокой температуре металламиили неметаллами методом диффузии.

Химико-термическая обработка используется для увеличениятвердости, износостойкости, коррозионной и усталостной стойко-сти, а также для декоративной отделки.

Химико-термическая обработка деталей производится в какой-либо среде (карбюризаторе), атомы которой могут диффундироватьв поверхность этих деталей. Процессы химико-термической обра-ботки состоят из трех стадий: диссоциации, адсорбции и диффузии.

Диссоциация — это выделение атомов химических элементов (ме-таллов и неметаллов), способных растворяться в металлах (сплавах)деталей методом диффузии. Этот процесс протекает в газовой среде.

Адсорбция — это контактирование выделенных (диссоцииро-ванных) атомов химических элементов (металлов и неметаллов) споверхностями деталей и образование химической связи с атома-ми металла деталей.

Диффузия — это процесс проникновения насыщающего эле-мента в атомные решетки металла деталей.

Чем выше температура нагрева деталей, тем быстрее проходятвсе три стадии. Особенно активно процесс идет при температурах,равных критическим, так как при этих температурах происходитперестройка атомных решеток металла деталей. В процессе пере-стройки атомы диффундирующего элемента успешно внедряютсяв атомные решетки или замещают в них атомы металла деталей.

Химико-термическая обработка по сравнению с термическойобработкой имеет ряд преимуществ:

возможность обработки деталей и инструмента любойформы, сложности и конфигурации;различие в механических свойствах рабочей части дета-лей и их сердцевины;возможность устранения дефектов перегрева последую-щей термической обработкой;возможность закалки низкоуглеродистых сталей.




колледж




колледж

»

150

Цементация. Цементацией называется химико-термическаяоперация, в процессе которой производят насыщение поверхно-стного слоя деталей углеродом. Цементацию проводят с цельюполучения высокой твердости, износостойкости поверхности де-талей при высокой ударной вязкости сердцевины. Цементируютдетали из стали с массовой долей углерода до 0,25 %, работающиена трение и при знакопеременных нагрузках: зубчатые колеса,блоки шестерен, распределительные и кулачковые валики, кулачки,толкатели клапанов и другие детали, а также измерительный инст-румент — калибры, шаблоны, щупы и т.д. Поверхность деталей иинструмента насыщается углеродом в отдельных случаях на глуби-ну до 1,4 мм, обычно этот слой составляет 0,8 мм. Массовая доля уг-лерода, насыщаемого в поверхность деталей, достигает 0,8 … 1,0 %.Концентрация углерода от поверхности детали к сердцевинеуменьшается. Таким образом, цементации подвергают детали изконструкционных углеродистых и низколегированных сталей, ко-торые не воспринимают улучшение закалкой.

Рабочее тело, в котором осуществляется химико-термическаяобработка, называется карбюризатором. Различают цементацию втвердом, жидком и газовом карбюризаторах. Для цементации втвердом карбюризаторе в стальной ящик (рис. 6.11) помещаютсядетали, подвергаемые цементации, которые равномерно пересыпа-ются карбюризатором. Одновременно с карбюризатором помеща-ются контрольные образцы, так называемые свидетели. В процес-се нагрева и выдержки контрольные образцы вынимаются, и поним определяется ход технологического процесса.

На рис. 6.12 показана зависимость концентрации углерода взависимости от глубины насыщения. Так, на глубине насыщения0,1 мм концентрация углерода достигает 1 %, 0,2 мм — 0,9 %, 1 мм —

Рис. 6.11. Цементация в твердомкарбюризаторе:

1 — твердый карбюризатор; 2 — сви�детели; 3 — цементационный ящик;4 — цементуемые детали




колледж




колледж

»

151

0,6 %, 1,6 мм — 0,16 %. Такая концентрация углерода в поверхнос-тях трущихся деталей (зубчатые колеса, шестерни, валы, оси и др.)обеспечивает надежность и долговечность работы контактнойпары.

При цементации в зависимости от глубины насыщения углеро-дом образуются различные микроструктуры (рис. 6.13). До термо-обработки на глубине до 1 мм будет структура цементита, более1 мм — перлита и далее — феррита. После термообработки (за-калки) на глубине до 1 мм будет структура мартенсита, далее —троостита и сорбита. На глубине свыше 2…3 мм — исходная струк-тура.

Цементация в газовой среде является основным химико-терми-ческим процессом при массовом производстве. Газовую цемента-

Рис. 6.12. Концентрация углерода в зависимости от глубины насыщения

Рис. 6.13. Различные микроструктуры, образующиеся при цементации,в зависимости от глубины насыщения углеродом:

1 — заэвтектоидная зона (П+Ц); 2 — эвтектоидная зона (П); 3 — доэвтектоид�ная зона (П + Ф); 4 — сердцевина




колледж




колледж

»

152

цию проводят в муфельных или шахтных печах в науглероженнойатмосфере. Атмосферу печей науглероживают метаном, кероси-ном или бензолом. После газовой цементации применяют закалкус последующим низким отпуском. Газовая цементация дает воз-можность контролировать процесс, что в свою очередь создаетусловия механизации и автоматизации производства.

При цементации образуются следующие дефекты:разъедание поверхностного слоя солями сульфата ба-рия;пониженная массовая доля углерода в цементированномслое;обезуглероживание, происходящее в процессе охлажде-ния из-за трещин или прогаров в ящиках;неравномерная глубина цементированного слоя в связис перепадами температур в печи;перенасыщение углеродом в цементированном слое принарушениях температурного и временно́го режимов, атакже из-за высокого содержания в карбюризаторе кар-бонатов;малая глубина цементированного слоя, возникающаяпри низких температурах и выдержках;внутреннее окисление, происходящее при газовой це-ментации из-за высокого содержания кислорода в атмо-сфере печи.

Появления этих дефектов можно избежать путем соблюденияхимического состава карбюризаторов, теплового и временно́го ре-жимов. Исправление дефектов у деталей машин осуществляют пу-тем дополнительной нормализации и последующей химико-терми-ческой обработки.

Азотирование. Азотированием называется процесс химико-термической обработки, при которой поверхности деталей насы-щаются азотом. Азотирование осуществляют для получения вы-сокой твердости поверхности, износостойкости, усталостнойпрочности и стойкости к возникновению задиров, повышения пре-дела выносливости, коррозионной стойкости в атмосфере, прес-ной воде и водяном паре, а также кавитационной стойкости раз-личных деталей и инструмента. Азотирование применяется такжепри декоративной отделке. Азотированный слой может быть глу-биной до 0,5 мм и иметь твердость 1 000 … 1 100 НV, что значитель-но тверже цементита. Из-за длительности процесса (до 90 ч) и вы-




колледж




колледж

»

153

сокой стоимости азотирование применяется реже, чем цемента-ция. Процесс азотирования проводят в среде аммиака при темпе-ратурах 500 … 600 °С. При нагреве из аммиака выделяется атомар-ный азот, который диффундирует в поверхность деталей. В целяхускорения процесса азотирования применяется двухступенчатыйцикл (рис. 6.14). Такая технология азотирования ускоряет процессв 1,5 — 2 раза. Сначала деталь нагревается до температуры500 … 520 °C, затем осуществляется быстрый нагрев до тем-пературы 580 …600 °С и далее — длительная выдержка и охлажде-ние вместе с печью или на воздухе.

Жидкостное азотирование проводят при температуре 570 °С врасплаве азотсодержащих солей. Жидкостное азотирование в де-сятки раз ускоряет процесс и значительно повышает вязкость де-тали. Недостатком жидкостного азотирования является примене-ние ядовитых цианистых солей.

Таким образом, азотирование — это многоцелевая технологи-ческая операция химико-термической обработки, проводимая дляувеличения прочности и других свойств различных углеродистыхи легированных конструкционных, инструментальных и специаль-ных сталей (коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных),тугоплавких и спеченных материалов, а также гальванических идиффузионных покрытий.

В процессе азотирования могут возникнуть дефекты. Деформа-ция и изменение размеров деталей возникают в связи с большимивнутренними напряжениями из-за увеличения объема азотирован-ного слоя. Для устранения этого дефекта при механической обра-ботке следует предусмотреть занижение размеров на 4… 6 % глуби-ны азотированного слоя.

Хрупкость и шелушение возникают при перенасыщении азоти-рованного слоя азотом. На поверхности образуется хрупкая короч-

Рис. 6.14. Схема двухступенчатого процесса азотирования:t — температура; t — время




колледж




колледж

»

154

ка на глубину до 0,05 мм и ее шелушение. Этот дефект устраняет-ся шлифованием.

Пониженная твердость, пятнистая твердость или пониженнаяглубина азотированного слоя — дефекты, появляющиеся при не-соблюдении химического состава окружающей среды, плохой под-готовке поверхности деталей и нарушении теплового режима. Дляизбежания появления этих дефектов необходимо выполнять тех-нологические требования подготовки деталей к азотированию исоблюдать последовательность технологического процесса.

Цианирование и нитроцементация. Цианирование — это про-цесс насыщения поверхности деталей углеродом и азотом одно-временно. Цианированию подвергают детали из сталей с массовойдолей углерода 0,3 … 0,4 %. Цианирование проводят с целью повы-шения поверхностной твердости, прочности, износостойкости, вы-носливости и других механических и эксплуатационных свойств.Цианирование по сравнению с другими видами химико-термичес-кой обработки имеет ряд преимуществ: возможность подвергатьобработке детали сложной формы, малую длительность процесса,практически отсутствие коробления и деформации деталей в про-цессе обработки. Как недостатки следует отметить большие затра-ты на охрану труда из-за токсичности и высокую стоимость циани-стых солей. Все это значительно повышает себестоимость циани-рованных деталей.

Различают жидкостное и газовое цианирование. Газовое циани-рование получило название нитроцементации.

Жидкостное цианирование проводят в среде расплавленных со-лей цианистого натрия. Его проводят при температуре 820…850 или900 … 950 °С. Процесс, осуществляемый при температуре 820 …850 °С, за 30…90 мин позволяет получить слой толщиной до 0,35 мм,насыщенный углеродом и азотом, а при 900 … 950 °С за 2 … 6 ч —слой толщиной до 2 мм. На рис. 6.15 представлена зависимость тол-щины цианированного слоя от температуры и продолжительностипроцесса. Например, при продолжительности выдержки 2 ч притемпературе 890 °С глубина цианированного слоя достигает 0,6 мм,при выдержке 4,5 ч при температуре 830 °С — также 0,6 мм.

После цианирования проводят закалку и низкий отпуск. Твер-дость цианированного слоя достигает 58 … 62 НRС.

На практике для цементации инструмента из быстрорежущихсталей применяют низкотемпературное цианирование в расплав-ленных цианистых солях. Его проводят при температуре 540 …560 °С при выдержке 1,0…1,5 ч. В результате такой обработки циа-нированный слой будет иметь твердость 950… 1 100 НV.




колледж




колледж

»

155

Массовая доля углерода в процессе цианирования достигает1 %, азота — 0,2 %. Эти показатели зависят от температуры циани-рования (рис. 6.16).

Диффузионная металлизация. Процесс насыщения поверхно-стного слоя деталей методом диффузии при высокой температуре

Рис. 6.15. Толщина цианированного слоя в зависимости от температу�ры и продолжительности процесса

Рис. 6.16. Содержание углерода (C) и азота (N) в процессе цианирования




колледж




колледж

»

156

различными металлами называется диффузионной металлизацией.Она может осуществляться в твердом, жидком и газовом карбюри-заторах (металлизаторах).

Твердые металлизаторы — это порошковые смеси, состоящиеиз ферросплавов: феррохрома, металлического хрома, хлорида ам-мония и др.

Жидкие металлизаторы — это, как правило, расплавленный ме-талл, например цинк, алюминий и др.

Газовые металлизаторы — это летучие хлориды металлов: алю-миния, хрома, кремния, титана и др.

В зависимости от применяемого диффундируемого металла де-талей различают следующие виды диффузионной металлизации:алитирование (насыщение алюминием), хромирование, титаниро-вание, вольфрамирование, сульфатирование (насыщение серой),борирование и др.

Алитирование осуществляют при температуре 700 … 1 100 °С.В поверхностном слое в структуре α-железа растворяется алюми-ний, на поверхности образуется плотная пленка из оксида алюми-ния, которая имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфе-ре и морской воде, а также высокую окалиностойкость при темпе-ратуре 800…850 °С, твердость 500 НV. Алитированию подвергают де-тали, работающие при повышенных температурах: клапаны двига-телей, чехлы для термопар и др. Алитирование производят следую-щими методами: в порошкообразных смесях, в расплаве алюминия,электролизом, в аэрозолях с алюминиевым и газовым распылением.

Хромированию подвергают детали, работающие в агрессивныхсредах: детали паровых установок, пароводяные приборы, деталии узлы, работающие в газовых средах при высокой температуре.Хромирование проводят в порошкообразных смесях, вакууме, рас-плаве хрома, газовой среде и керамических массах. Поверхность,насыщенная хромом на глубину до 0,15 мм, обладает окалиностой-костью в газовой среде до температуры 800 °С, в пресной и мор-ской воде и в слабых кислотах. Хромированию подвергаются лю-бые стали. Твердость хромированного слоя в поверхности до-стигает 1 200 … 1 300 НV. Для повышения твердости и ударной вяз-кости после хромирования детали подвергают нормализации.


1. Перечислите основные критические точки, фазовые и струк�турные составляющие диаграммы Fe—Fe3C (для сталей).




колледж




колледж

»

2. Перечислите виды термической обработки в зависимости оттемпературы нагрева.

3. Что называется отжигом и нормализацией?4. Перечислите виды отжига и дайте их краткую характеристику.5. Перечислите и охарактеризуйте дефекты при отжиге.6. Что называется закалкой и для каких целей она служит?7. Что называется отпуском?8. Перечислите и охарактеризуйте виды отпуска.9. Перечислите и кратко охарактеризуйте операции химико�тер�

мической обработки сталей.10. Какие стадии существуют при химико�термической обработ�

ке? Охарактеризуйте их.11. Какие превращения происходят при цементации, азотирова�

нии, цианировании и диффузионной металлизации в поверх�ностных слоях деталей?

12. Какие дефекты возникают при химико�термической обработкеи как их устранить?

13. Какую термическую обработку деталей проводят после хими�ко�термической обработки?

14. Какие свойства приобретает поверхностный слой детали пос�ле химико�термической обработки?




колледж




колледж

»

158

Глава 7

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛАХИ СПЛАВАХ

В современном машиностроении, энергетике, радиоэлектрони-ке и других отраслях экономики наряду с черными металлами исплавами широкое применение находят цветные металлы и спла-вы на их основе.

Цветные металлы и их сплавы обладают различными физико-химическими, механическими и технологическими свойствами,благодаря которым они нашли широкое применение: высокой ус-тойчивостью против коррозии, электро- и теплопроводностью,способностью подвергаться различным видам обработки, в томчисле пластически деформироваться (прокатка, волочение, ковка,штамповка).

Цветные металлы способны сплавляться как между собой, так ис черными металлами и образовывать сплавы с высокими физико-химическими и механическими свойствами.

Однако по объему производства и применению цветные ме-таллы по сравнению с черными металлами и их сплавами (сталя-ми и чугунами) занимают незначительное место. Это объясняет-ся тем, что цветные металлы имеют более низкие механическиесвойства, значительно реже встречаются в природе и из-за слож-ности металлургического производства они значительно дорожечерных металлов. Руды, содержащие цветные металлы, более бед-ные, чем, например, железная руда. Чтобы получить 1 т чугуна,требуется переработать 2,0 … 2,5 т железной руды, а чтобы полу-чить 1 т меди, необходимо переработать до 200 т медной руды.Кроме того, в рудах цветных металлов кроме основного металласодержится еще несколько цветных металлов в виде оксидов илив чистом виде, которые затрудняют производство основного ме-талла. Например, медная руда кроме меди включает в себя золо-




колледж




колледж

»

159

то, платину, серебро, цинк, свинец и другие металлы. В связи сэтим при переработке руд цветных металлов применяют комплекс-ную технологию производства, которая значительно удорожаетвыплавку меди.

Характерным признаком цветных металлов являются красный,желтый или белый цвет, блеск, высокая пластичность, низкие тем-пература плавления и твердость, а также отсутствие полиморфиз-ма. По своим физико-химическим свойствам (по А. П. Гуляеву)цветные металлы подразделяются на три группы: легкие, благород-ные и легкоплавкие.

В группу легких металлов входят алюминий, магний и берил-лий. Эта группа металлов имеет низкий удельный вес. Благодаря лег-кости эти металлы нашли широкое применение в производстве ле-тательных аппаратов. Алюминий и магний по прогнозам ученых —металлы будущего. С развитием энергетики будет развиваться алю-миниевая и магниевая промышленности, так как для производстваэтих металлов требуется большое количество электроэнергии. Пла-нируется внедрение в производство алюминия и магния комплекс-ной переработки сырья. На основе алюминия и магния получаютсплавы с высокими физико-механическими свойствами.

Бериллий — хрупкий металл, имеет низкую пластичность. Приобычных условиях бериллий устойчив против коррозии, так как наего поверхности образуется тонкая плотная оксидная пленка, ко-торая предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При высокойтемпературе бериллий активно коррозирует.

Механические свойства бериллия зависят от примесей, вида ма-териала (прокат, литье, горячепрессованный из порошка и т. д.).Например, материал, полученный горячим прессованием порош-ков, имеет предел прочности 320 МПа (32 кгс/мм2), а материал, по-лученный литьем, — 120 МПа (12 кгс/мм2).

Бериллий применяется как легирующая присадка при производ-стве бериллиевых бронз, при изготовлении изделий для электро-технической, радиотехнической и других отраслей промышленно-сти (фольга, лента, листы, трубы, поковки и штамповки). Изделияи заготовки из бериллия получают методом литья, ковкой, штам-повкой, волочением и зонным прессованием. Бериллиевые бронзыобладают высокой упругостью при высоких температурах, прочно-стью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью,сопротивлением усталости.

Благодаря высокой упругости, повышенному сопротивлениюусталости и другим свойствам детали из бериллиевых бронз (пру-жины, мембраны и др.) выдерживают несколько миллионов рабо-




колледж




колледж

»

160

чих циклов (знакопеременных нагрузок). Уникальные свойства бе-риллиевых бронз позволяют применять их в точном приборо-строении, самолетостроении, военной, ракетной и космическойтехнике.

В группу благородных металлов входят золото, серебро и ме-таллы платиновой группы (платина, палладий, иридий, радий, осмийи рутений). К этой группе относится также полублагородная медь.

Благородные металлы имеют высокую коррозионную стойкостьв обычных условиях, а некоторые из них и в агрессивных средах(кислотах и щелочах).

Золото, серебро и платина находят широкое применение в ра-диоэлектронике и электротехнике, в производстве высокоточныхи надежных приборов.

Полублагородная медь применяется как надежный проводник вэнергетике, электротехнической промышленности, в производствеэлектрических машин, трансформаторов, электродвигателей и т. д.На основе меди производят большую группу сплавов — латуней ибронз с различными физико-химическими и механическими свой-ствами.

В группу легкоплавких металлов входят цинк, свинец, олово,висмут, таллий, сурьма и др. Эти металлы имеют низкую темпера-туру плавления. Легкоплавкие металлы применяются в различныхметаллургических процессах, электронной и полупроводниковойпромышленности, для изготовления плавких вставок, низкотемпе-ратурных припоев и сплавов.

Из-за низких механических свойств чистые цветные металлыпрямого применения в промышленности практически не находят,но широко применяются в виде различных конструкционных спла-вов, проводников и припоев.

7.2. МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ

Медь и ее характеристика. Медь — мягкий, пластичный металлрозовато-красного цвета, обладает низким электрическим сопро-тивлением и высокой электропроводностью. Температура плавле-ния меди — 1 083 °С, плотность — 8,96 г/см3.

Механические свойства технической меди колеблются в широ-ком диапазоне в зависимости от способа получения полуфабрика-тов (электролиз, литье, прокатка). Так, предел прочности прирастяжении σв = 220 … 450 МПа (22 … 45 кгс/мм2); относительное




колледж




колледж

»

161

удлинение δ = 4 … 60 %; твердость по Бринеллю 35 … 130 НВ. Полу-фабрикат, полученный литьем или электролизом, будет иметь бо-лее низкие механические свойства, чем полуфабрикат, получен-ный прокаткой, ковкой или штамповкой.

Медь обладает высокой химической стойкостью, устойчивос-тью против коррозии. На поверхности медных изделий образует-ся оксидная пленка, так называемая патина, являющаяся есте-ственной антикоррозионной защитой. Благодаря высокой электро-проводности медь широко используется в виде проволоки, шин,лент в электропромышленности и в энергетике как незаменимыйпроводник тока. В связи с тем что электрическое сопротивлениемедных проводов возрастает при наличии в них естественных при-месей, для проводников используется медь наиболее чистая по хи-мическому составу, с наименьшей массовой долей примесей. Рос-сийской промышленностью выпускается медь с массовой долейпримесей 0,01 … 1,00 %. Для проводников электрического тока ис-пользуется медь с массовой долей примесей не более 0,1 %.

Изделия из проводниковой меди, например контактные прово-да на электрическом городском и железнодорожном транспорте,кроме высоких электрических свойств должны еще обладать высо-кой прочностью, износостойкостью и антифрикционностью. Этикачества достигаются технологией производства технической медии ее последующей деформацией и отделкой поверхности в процес-се прокатки и волочения.

Как конструкционный материал чистая техническая медь прак-тически не используется, но она нашла применение в производ-стве конструкционных сплавов с никелем, свинцом, цинком и дру-гими химическими элементами. Эти и другие химические элемен-ты сплавов на основе меди придают им высокие механические итехнологические свойства.

По ГОСТ 859—2001 первичная техническая медь выпускается ввиде катодов, слитков, полуфабрикатов, прутков, которые перераба-тываются в круглые, квадратные, шестигранные, горячекатаные итянутые ленты радиаторные и общего назначения, ленты для кабе-лей, труб, проволоки электротехнической, фольги медной рулоннойи электролитической и медных порошков. Медь в этой продукции взависимости от массовой доли примесей выпускается следующихмарок: М00А, М00БК, М0А, М0, МБ, М1, М2, М2Р, М3, М3Р, М4,АМФ. В маркировке первичной технической меди приняты следую-щие обозначения: М — медь; цифры от 00 до 4 — массовая доля ес-тественных примесей от 0,01 до 1,00 %; Б — бескислородная, Р —раскисленная, А — анодная, К — катодная.




колледж




колледж

»

162

В связи с тем что медь имеет высокую пластичность в горячеми холодном состоянии, изделия из нее получают прокаткой, воло-чением, штамповкой.

При деформации в процессе производства изделий из меди зна-чительно увеличиваются такие свойства, как прочность и твер-дость, и уменьшается пластичность. Иногда для увеличения проч-ности и твердости и уменьшения пластичности изделия из медиспециально подвергают холодной деформации. Например, пристроительстве линий электропередач, чтобы увеличить расстояниемежду опорами, в качестве проводников применяют нагартован-ную или наклепанную медную проволоку. Их прочность по сравне-нию с прочностью медного полуфабриката увеличивается и дости-гает 500 МПа (50 кгс/мм2).

Существуют следующие сплавы цветных металлов на основемеди: латунь, бронза, манганин, мельхиор, нейзильбер, константани монетные сплавы.

Манганин (МНМц3-12) — сплав меди (85 %), марганца (12 %),никеля (до 4 %). Обладает высокими антикоррозионными свойства-ми и большим удельным электросопротивлением. Выпускается ввиде ленты, листов, полосы и проволоки. Манганин применяется вэлектротехнической промышленности для увеличения пределовизмерения измерительных приборов (например, в амперметрах вкачестве шунтов).

Мельхиор (МНЖМц30-0,8-1 и МН19) — сплав меди (80 %) и ни-келя (до 20 %), железа, марганца и кобальта. Имеет высокие анти-коррозионные свойства. Выпускается в виде труб, ленты, полосы,проволоки и прутков. Применяется для изготовления столовыхприборов, лабораторной техники и в приборостроении.

Нейзильбер (МНЦ15-20) — сплав меди (65 %), цинка (20 %), ни-келя (15 %) и кобальта (13,5 … 16,5 %). Выпускается в виде ленты,проволоки, полосы и прутков. Применяется для приборов точноймеханики, в электронике, в технической посуде. Имеет высокуюстойкость против коррозии.

Константан (МНМц43-05) — сплав меди (59 %), никеля и кобаль-та (40 %), а также марганца (1 %). Выпускается в виде ленты и про-волоки. Применяется в радиоэлектронике, термопарах и др.

Кроме того, выпускается большая группа монетных сплавов сникелем, золотом и платиной.

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. Практи-ческое применение нашли латуни с массовой долей цинка до 45 %.В латунях могут находиться и другие химические элементы с низ-кой массовой долей.




колледж




колледж

»

163

По сравнению с медью латунь обладает более высокой прочно-стью, твердостью, упругостью, коррозионной стойкостью, мень-шей пластичностью и высокими технологическими свойствами(литейными свойствами, деформируемостью и обрабатываемо-стью резанием).

По ГОСТ 15527—2004 латунь выпускается в виде проволоки,лент, полос, труб, тянутых и прессованных изделий в отожженноми нагартованном состоянии.

Латуни, состоящие из двух химических элементов, называютсядвойными или простыми, а латуни, состоящие из нескольких хими-ческих элементов, — сложными, или специальными.

Простые латуни состоят из меди и цинка. Цинк, сплавляясь смедью, образует твердые растворы замещения, значительно повы-шая механические свойства латуней. При температуре 100… 150 °Слатунь пластична, при температуре 200 °С и выше — латунь хруп-кая. В зависимости от массовой доли цинка простые латуни делят-ся на однофазные α-латуни (до 39 % цинка) и двухфазные α + β-ла-туни.

Однофазные латуни имеют меньшую прочность, но более высо-кую пластичность, чем двухфазные. При деформации в результа-те наклепа твердость и прочность α-латуней повышается, а плас-тичность уменьшается. Например, прочность латуни марки Л80после штамповки возрастает с 320 МПа (32 кгс/мм2) до 620 МПа(62 кгс/мм2), но при этом относительное удлинение уменьшается с52 до 3 %. Для снятия наклепа латуни подвергают отжигу.

Двухфазные латуни хорошо деформируются в горячем состоя-нии при температуре выше 500 °С.

Простые латуни — это деформируемый конструкционный ма-териал. Из этих латуней детали получают методом деформирова-ния: прессования, штамповки, ковки, прокатки и волочения.

Марки простых латуней: Л96, Л90 (томпак), Л85, Л80 (полутом-пак), Л70, Л68, Л63, Л60. Латуни маркируются буквой Л — латунь,после которой стоят цифры, указывающие содержание в ней медив процентах. Например, Л63 означает, что латунь состоит из 63 %меди и 37 % цинка.

Сложные латуни состоят из меди, цинка, алюминия, железа,марганца, никеля, олова, свинца и других химических элементов.По ГОСТ 15527—2004 выпускаются следующие марки сложныхлатуней: ЛА77-2 (алюминиевая), ЛАЖ60-1-1 (алюминиево-же-лезистая), ЛАМш59-3-2 (алюминиево-мышьяковистая),ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 (алюминиево-никелево-кремнемарганце-вая), ЛЖМц59-1-1 (железомарганцевая), ЛЖС58-1-1 (железо-




колледж




колледж

»

164

свинцовая), ЛН65-5 (никелевая), ЛМц58-2 — (марганцевая),ЛМцА57-1-1 (марганцево-алюминиевая), ЛО90-1 (томпако-оловянная), ЛО70-1, ЛО62-1, ЛО60-1 (оловянные), ЛС63-3, ЛС74-3,ЛС64-3, ЛС60-1, ЛС59-1, ЛС59-3, ЛС74-3 (свинцовые), ЛМш68-0,05(мышьяковая).

Cложные латуни маркируются буквой Л — латунь, после кото-рой следуют буквы, обозначающие легирующие элементы: А —алюминий, Ж — железо, Мц — марганец, К — кремний, С — сви-нец, О — олово, Мш — мышьяк, Н — никель. Первые цифры, сто-ящие за буквами, обозначают массовую долю меди в процентах,последующие цифры — массовую долю компонентов в процентахв той последовательности, в какой они приведены в буквеннойчасти условного обозначения. Количество цинка определяется поразности. Например, латунь марки ЛАЖ60-1-1 (алюминиево-же-лезистая латунь) имеет следующее содержание компонентов:60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа, 38 % цинка.

Приведенные марки сложных латуней обрабатываются давле-нием. Кроме того, выпускается большая группа литейных латунейв виде чушек (ГОСТ 1020—97) следующих марок: ЛС, ЛСД, ЛС1,ЛОС, ЛК, ЛК1, ЛК2, ЛКС, ЛМцС, ЛМцЖ, ЛА, ЛАЖМц.

Литейные латуни идут на изготовление фасонных отливок ме-тодом литья, отливаются в земляных формах, центробежным лить-ем, литьем в кокиль и литьем под давлением. Латунные отливкиподвергаются механической обработке: точению, фрезерованию,шлифованию и др.

Из сложных латуней делают следующие детали: червячныепары, подшипники и втулки, зубчатые колеса, трубы, арматуру,втулки и сепараторы для подшипников качения, антифрикционныедетали, штуцеры гидросистем автомобилей, детали, работающие вморской воде, и др.

Бронзы. Бронзами называются сплавы меди с оловом и други-ми химическими элементами. По способу переработки различаютлитейные и деформируемые бронзы, по химическому составу —оловянные и безоловянные.

Оловянные бронзы (ГОСТ 613—79) выпускаются в виде чушекследующих марок: БрО3Ц12С5, БрО3ЦТС5Н1, БрО4Ц4С17,БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрО6Ц6С3, БрО8Ц4, БрО10Ф01, БрО10Ц2,БрО10С10, БрО4Ц7С5.

Оловянные бронзы относятся к литейным сплавам. Детали изэтих бронз получают различными литейными способами с после-дующей механической обработкой (К — литье в кокиль, П — ли-тье в песчано-глинистые формы).




колледж




колледж

»

165

Безоловянные бронзы (ГОСТ 493—79) выпускаются в виде чушекдля последующего литья следующих марок: БрА9Мц2Л, БрА10Мц2Л,БрА9Ж3Л, БрА10Ж3Мц2, БрА10Ж4Н4Л, БрА11Ж6Н6,БрА9Ж4Н4Мц1, БрС30, БрА71Мц15Ж3Н2Ц2, БрСу3НЦ3С20Ф.

Маркируют бронзы буквами Бр — бронза, за которыми следу-ют буквы, обозначающие легирующие элементы, введенные вбронзу: А — алюминий, Ж — железо, Н — никель, С — свинец,Су — сурьма, Ц — цинк, Ф — фосфор, и далее цифры, показыва-ющие содержание этих элементов в процентах. Количество медиопределяется по разности.

Бронзы обладают высокими механическими свойствами. Напри-мер, БрО10Ф1 имеет предел прочности σв = 245 МПа (25 кгс/мм2),твердость по Бринеллю 90 НВ, относительное удлинение δ = 3 %.

7.3. АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Алюминий и его характеристика. Алюминий — металл сереб-ристо-белого цвета, легкий, мягкий, пластичный. Плотность алю-миния составляет 2,7 г/см3, твердость — 20 НВ, предел прочностипри растяжении — 60 … 90 МПа (6 … 9 кгс/мм2), относительное уд-линение — 40 %. Обладает высокой электропроводностью, что даетвозможность широкого использования алюминия в электроэнерге-тике, и низким удельным весом. На воздухе алюминий быстроокисляется. На его поверхности образуется тонкая плотная оксид-ная пленка, которая защищает детали от дальнейшего окисления.Высокая деформируемость позволяет обрабатывать алюминийштамповкой, ковкой, прокаткой, прессованием и волочением. Де-тали из алюминия хорошо свариваются в среде инертных газов.Алюминий устойчив против коррозии на воздухе и в воде. Из-занизких механических свойств чистый алюминий в качестве конст-рукционного материала не применяется.

Исходный технический алюминий выпускается под названиемалюминий первичный. Из него выплавляются алюминиевые литей-ные и деформируемые сплавы. Применяя различные легирующиеэлементы (кремний, магний, марганец, титан, цинк и др.), получа-ют алюминиевые сплавы с высокими физико-механическими свой-ствами.

Алюминий первичный. По ГОСТ 11069—2001 в зависимости отхимической чистоты выпускается первичный алюминий трехгрупп: особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97,




колледж




колледж

»

166

А95), технической чистоты (А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е, АО).В маркировке первичного алюминия цифры соответствуют массо-вой доле чистого алюминия. Например, марка алюминия А999 оз-начает, что массовая доля чистого алюминия составляет 99,999 %,примесей — не более 0,001 %.

Первичный алюминий выпускается в виде чушек, слитков,фольги, порошков и пудры. Слитки и чушки гладкие и с пережима-ми применяются для изготовления полуфабрикатов: листов, лент,полос, труб, проволоки и различных профилей, а также штамповоки поковок (рис. 7.1).

Чушки массой 5; 15 и 1 000 кг и цилиндрические слитки исполь-зуют как для производства изделий, так и для получения различ-ных сплавов. Кроме того, промышленностью выпускается техни-ческий алюминиевый сплав с магнием и медью для раскислениястали, чугуна, ферросплавов в виде чушек массой до 16 кг или гра-нул размером до 10 … 15 мм, порошков и пудры.

Классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавыклассифицируются по химическому составу, технологии перера-ботки в изделия, способности к термической обработке и по меха-ническим свойствам (рис. 7.2).

По химическому составу в зависимости от легирующих элемен-тов выпускают три группы алюминиевых сплавов: силумин —сплав алюминия с кремнием; дюралюминий — сплав алюминия смедью, марганцем и магнием; сплав алюминия с магнием. В зави-симости от технологических свойств алюминиевые сплавы подраз-деляются на литейные и деформируемые. Деформируемые сплавысоставляют до 80 % общего объема производства алюминиевыхсплавов.

Технологические свойства зависят от микроструктуры спла-вов. Так, если сплав в твердом состоянии будет однофазным, т. е.в виде твердого раствора, то такой сплав будет иметь высокуюплотность, а вместе с ней и деформируемость. В микроструктуретвердого раствора фазовых превращений не происходит, поэто-му такие сплавы закалку не воспринимают. Улучшение механи-ческих свойств этих сплавов производят путем холодной дефор-мации, наклепа.

Если в сплаве образуется микроструктура механической сме-си — эвтектика, то сплав будет иметь высокие литейные свойстваи низкую способность сплавов к пластической деформации. Улуч-шение механических свойств литейных сплавов производят терми-ческой обработкой, при которой достигается улучшение строенияэвтектики за счет регулирования скорости перекристаллизации.




колледж




колледж

»

167

Литейные алюминиевые сплавы. По ГОСТ 2685—75* литейныеалюминиевые сплавы выпускаются следующих групп и марок:

сплавы на основе системы алюминий — кремний — АЛ2,АЛ4, АЛ4-1, АЛ-9, АЛ9-1, АЛ34 (ВАЛ5), АК9 (АЛ4В), АК7(АЛ9В);сплавы на основе системы алюминий — кремний —медь — АЛ3, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32 и др.;сплавы на основе системы алюминий — медь — АЛ7,АЛ19, АЛ33;

Рис. 7.1. Полуфабрикатные изделия, изготовленные из алюминиевыхсплавов:

а — слитки; б — чушки; в — листы; г — лента; д — трубы; е — профили; ж — уго�лок; з — проволока




колледж




колледж

»

168

сплавы на основе системы алюминий — магний — АЛ8,АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28;сплавы на основе системы алюминий — прочие компо-ненты — АЛ1, АЛ11, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛ30 и др.

Литейные алюминиевые сплавы поставляются в чушках массой3,0… 16,5 кг и идут на изготовление фасонных отливок, работающихпри различных нагрузках: корпусов приборов, кронштейнов, карте-ров, блоков цилиндров, головок цилиндров, поршней и т. д.

Рис. 7.2. Классификация алюминиевых сплавов




колледж




колледж

»

169

Высокие литейные свойства позволяют получать из этих сплавовотливки различными способами: в песчаных формах, кокилях, поддавлением, по выплавляемым моделям и в оболочковых формах.

Детали из литейных алюминиевых сплавов подвергают различ-ным видам термической обработки: старению, закалке, отпуску иотжигу.

Литейные алюминиевые сплавы применяются для литья дета-лей, работающих в морской воде, деталей, работающих при повы-шенной температуре, посуды для пищевых продуктов и различныхемкостей. Строго регламентируется массовая доля примесей в ли-тейных алюминиевых сплавах: бериллия, железа, кремния, титанаи др. Например, для изготовления посуды и емкостей для пищевыхпродуктов содержание бериллия должно быть исключено. Крометого, при использовании того или иного сплава для изготовленияпосуды и емкостей для хранения продуктов в каждом конкретномслучае вопрос согласовывается с Минздравсоцразвития России.

Деформируемые алюминиевые сплавы. Разновидностью де-формируемых алюминиевых сплавов являются силумины, которыеиногда также применяются в качестве литейных сплавов. Сплавыв чушках используются для подшихтовки при выплавке деформи-руемых сплавов, сплавы в слитках — для обработки давлением и ввиде готовых изделий, полученных обработкой давлением в горя-чем и холодном состоянии: прутки, фасонные профили, трубы,листы, ленты, полосы, поковки, штамповки и проволока.

Деформируемые алюминиевые сплавы, неупрочняемые терми-ческой обработкой (ММ, М, ДМН, АМ4С, АМг1, АМг2, АМг3,АМг4, АМг4,5, АМгВС, АМг5, АМг6), — это группы сплавов систе-мы алюминий — марганец и сплавы системы алюминий — магний,так называемые сплавы АМг.

Дюралюминий (АД31, АД33, АД35, АВ, Д1, Д16, В65, Д18, В95) —это наиболее распространенный представитель деформируемыхалюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой.Дюралюминий содержит примерно 4 % меди, 1 % магния, 1 % мар-ганца и, кроме того, железо и кремний. Микроструктура дюралю-миния состоит из твердого раствора и эвтектики.

Термическая обработка дюралюминия заключается в нагреведеталей до температуры 500 °С, охлаждении в воде и последующеместественном старении в течение 5 — 7 сут. Нагрев детали выше500 °С вызывает перегрев, рост зерна, оплавление и окисление гра-ниц зерен, что приводит к резкому падению прочности и пластич-ности. Колебания температур при термической обработке дюралю-миниевых сплавов не должны превышать ± 3 … 4 °С.




колледж




колледж

»

170

Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок (АК4, АК4-1,АК5, АК6, АК8) обладают высокой прочностью, твердостью, а так-же пластичностью в горячем состоянии. При термической обра-ботке эти сплавы близки к дюралюминию. Высокие механическиесвойства и мелкозернистая структура этих сплавов требуют призакалке больших выдержек и длительного старения.

Из алюминиевых сплавов выпускаются более 20 тысяч различ-ных по форме, сечению, длине и размерам профилей общего и спе-циального назначения.

Спеченные алюминиевые сплавы. Спеченные алюминиевыесплавы (САП) получают из алюминиевой пудры. Алюминиеваяпудра получается из технического алюминия марки А97, распылен-ного в расплавленном состоянии. Затем полученный порошок раз-мельчается в шаровых мельницах до размера не более 0,001 мм.Полученная пудра спекается в специальных установках при высо-ких температурах. Спеченный алюминиевый сплав состоит из чи-стого алюминия и 6 … 10 % оксида алюминия.

Спеченные алюминиевые сплавы имеют высокую жаропроч-ность (до 500 °С), хорошо деформируются в холодном и горячем со-стоянии, свариваются, обрабатываются резанием. Промышлен-ность выпускает следующие марки спеченных алюминиевых спла-вов: САП-1, САП-2, САП-3, САП-4, Д16П, АК4П и др. Из этих спла-вов делают листы, профили, трубы, штампованные заготовки идругие полуфабрикаты. Эти сплавы характеризуются высокойпрочностью, твердостью, мелкозернистой структурой, отсутстви-ем литейных дефектов.

7.4. МАГНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Магний и его характеристика. Магний — блестящий, очень лег-кий (плотность 1,74 г/см3) металл серебристо-белого цвета. При дли-тельном нахождении на воздухе магний покрывается тонкой оксид-ной пленкой, при повышенных температурах — интенсивно окисля-ется и даже самовоспламеняется.

Магний аллотропических превращений не имеет, отличаетсянизкой плотностью, ударной вязкостью, высокими литейнымисвойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Магний хи-мически не стойкий, разрушается в морской воде, кислотах и ще-лочах. Железо, никель и кремний понижают коррозионную стой-кость магния.




колледж




колледж

»

171

Магний может быть литым и пластически деформированным(листы и другие изделия). Литой магний имеет низкие механичес-кие свойства. Пластическая деформация магния повышает его ме-ханические свойства. Например, предел прочности при растяже-нии холоднокатаного листа σв = 260 МПа (26 кгс/мм2); относитель-ное удлинение δ = 9 %.

В зависимости от массовой доли примесей по ГОСТ 804—93 вы-пускается первичный магний следующих марок: Мг96 (99,96 % маг-ния), Мг95 (99,95 % магния), Мг90 (99, 90 % магния). В состав при-месей входят такие химические элементы, как железо, алюминий,марганец, кремний, никель, медь и хлор.

Первичный магний выпускают в виде чушек или слитков мас-сой 8 кг. По заказу завода магний может выпускаться в отливках(рис. 7.3).

Чистый магний как конструкционный материал из-за низкихмеханических и физических свойств широкого применения не на-шел, но используется в металлургическом производстве как моди-фицирующий элемент в производстве сталей и высокопрочных чу-гунов, а также как раскислитель и легирующий элемент в произ-водстве различных сплавов. Технически чистый магний применя-ется также в пиротехнике, химическом производстве и в качестветоплива в ракетной технике.

Кроме того, магний является основой в производстве магние-вых сплавов, обладающих высокой удельной прочностью. При ле-гировании первичного магния алюминием, цинком и марганцем споследующей термической обработкой можно получить пределпрочности до σв = 350 МПа (35 кгс/мм2).

Магниевые сплавы выпускают на основе легирующих элементов:марганца, алюминия, цинка, циркония, церия и неодима. Неодим ицерий повышают жаропрочность. Марганец и цирконий повышают

Рис. 7.3. Чушки (а) и слитки (б) специального назначения




колледж




колледж

»

172

коррозионную стойкость. Остальные легирующие элементы повы-шают прочность, твердость и ударную вязкость магниевых сплавов.Важной особенностью магниевых сплавов является то, что легиру-ющие элементы образуют твердые растворы. С повышением темпе-ратуры происходит увеличение растворимости этих элементов. Этодает возможность термически упрочнять изделия из магниевыхсплавов закалкой и отпуском (искусственным старением).

Магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируе-мые. Литейные магниевые сплавы маркируются буквами МЛ и циф-рами, указывающими на условный номер литейного магниевогосплава, а деформируемые — буквами МА и цифрами, указывающи-ми на условный номер деформируемого магниевого сплава.

Литейные магниевые сплавы. По ГОСТ 2856—79 выпускаютсяследующие магниевые сплавы для производства фасонных отливокв виде чушек массой 8 кг: МЛ3, МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он,МЛ6, МЛ8, МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ12, МЛ15 и МЛ19 (пч — повы-шенной частоты; он — общего назначения). Основными легирую-щими элементами в литейных магниевых сплавах МЛ3 — МЛ6 яв-ляются алюминий, марганец и цинк, в сплавах МЛ8 — МЛ19 —цинк и цирконий, а в отдельных марках — кадмий, индий, лантани редкоземельные металлы.

Из этих сплавов получают фасонные отливки сложной формы,отливаемые в песчаные формы, кокили, оболочковые формы, повыплавляемым моделям и литьем под давлением.

После механической обработки отливки подвергаются упрочня-ющей закалке и последующему отпуску, старению и гомогенизации.

Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления де-талей в самолето- и приборостроении (арматура, штурвалы, фер-мы, корпуса приборов и др.).

К недостаткам магниевых сплавов относятся низкая коррозион-ная стойкость, образование крупнозернистой структуры, склон-ность к газонасыщению и образованию трещин.

Деформируемые магниевые сплавы. К деформируемым магни-евым сплавам относятся сплавы на основе алюминия, цинка, мар-ганца, циркония с различной степенью легирования. Сплавы с со-держанием марганца термической обработкой не улучшаются.Они поставляются в отожженном состоянии.

По ГОСТ 14957—76* выпускаются следующие марки магниевыхдеформируемых сплавов: МА1, МА2, МА5, МА8, МА11, МА13,МА14 (ВМ65), ВМД1.

Деформируемые магниевые сплавы выпускаются в виде полу-фабрикатов: профилей, листов, прутков, проволоки, труб, штампо-




колледж




колледж

»

173

ванных заготовок, профилей общего и специального назначения.Детали, изготовленные из этих сплавов, с целью антикоррозион-ной защиты подвергают оксидированию и лакокрасочным покры-тиям. Полуфабрикаты идут на изготовление различных деталей вавиационной, автомобильной промышленности и станкостроении:масло- и бензобаки, арматура топливных, гидравлических и масля-ных систем, обшивка самолетов, детали грузоподъемных машин,автомобилей, ткацких станков и др.

7.5. ТИТАН И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Титан и его характеристика. Титан — металл серебристо-бело-го цвета. Плотность титана составляет 4,5 г/см3, температура плав-ления — 1 672 °С. Механические свойства титана зависят от его хи-мической чистоты. Титан имеет высокую удельную прочность, ко-торая равна 22 (отношение предела прочности к удельному весу).Например, удельная прочность алюминиевых сплавов равна 15, алегированных сталей — 18.

При нормальной температуре и до температуры 882 °С титан бу-дет иметь плотноупакованную гексагональную атомно-кристалли-ческую ячейку (α-титан), а выше температуры 882 °С — объемно-центрированную кубическую ячейку (β-титан).

Титан имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере,морской и пресной воде и газовой среде. Эти качества обуслови-ли широкое применение титана как конструкционного материалав авиа-, ракетостроении, в химическом машиностроении.

По внешнему виду титан похож на сталь. Хорошо обрабатыва-ется давлением и резанием, куется, штампуется, прокатывается,сваривается электросваркой и в среде аргона или гелия. В связис тем что титан обладает адгезией (прилипаемостью), антифрик-ционными свойствами и низкой теплопроводностью, он имеет по-ниженную обрабатываемость резанием (коэффициент резаниятитана составляет 0,3 … 0,5). Чистый титан обладает пониженнойжаропрочностью. В авиастроении он применяется для изготовле-ния реактивных сопел, деталей каркасов самолетов, камер сгора-ния топлива в реактивных двигателях. В связи с разработкой тех-нологии сварки титана его начали применять в судостроении.Также из титана изготавливают медицинский инструмент, проте-зы, детали и корпуса насосов в химической промышленности.К перспективным областям применения титана можно отнеститурбостроение, железнодорожный и автомобильный транспорт.




колледж




колледж

»

174

Металлургические заводы производят титановую губку, кото-рую на машиностроительных предприятиях переплавляют в техни-ческий титан или на различные титановые сплавы. В зависимостиот массовой доли примесей выпускают технический титан следу-ющих марок: ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1 (ГОСТ 19807—91).

Технический титан при температуре до 500 °С на воздухе неокисляется, при температуре свыше 500 °С активно реагирует скислородом и азотом (окисляется). Титан обладает кислотостойко-стью. По своим физико-химическим свойствам он относится кгруппе тугоплавких черных металлов.

Свойства титановых сплавов. В связи с высоким спросом на ти-тан и титановые сплавы производство титана постоянно расширя-ется.

Все титановые сплавы обладают низкими антифрикционнымисвойствами, поэтому для изготовления трущихся деталей машин неприменяются.

Титановый сплав, легированный алюминием (4 %), ванадием(13 %), хромом (11 %), имеет предел прочности в три раза выше, чемконструкционная легированная сталь. При легировании сплава мо-либденом (до 30 %) сплав будет иметь высокую коррозионнуюстойкость в агрессивных средах (газ, кислота, щелочи). Высокиесвойства сохраняются до температуры 400 °С.

Различают три вида титановых сплавов:α-сплавы — чистый титан и сплав титана с алюминием,оловом и цирконием (ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-1, ОТ4, ВТ4, ОТ4-2);β-сплавы (ВТ15);α + β-сплавы (ВТ6, ВТ16, ВТ3-1, ВТ8 и ВТ9 и др.).

По способам переработки в изделия титановые сплавы подраз-деляются на литейные и деформируемые.

Титановые литейные сплавы. Титановые литейные сплавы вы-пускают следующих марок: ВТ1, ВТ5Л, ВТ3-1Л, ВТ1Л, ВТ21Л. Онисостоят из алюминия (до 6 %), хрома (до 2 %), молибдена (до 2 %) иванадия (1,2 %). Кроме того, в титановых литейных сплавах с не-большой массовой долей имеются кремний и железо. Эта группасплавов обладает высокими литейными свойствами: высокой жид-котекучестью, незначительными линейной (1 %) и объемной (3 %)усадками, малой склонностью к образованию горячих трещин, вы-сокой плотностью отливок и практически отсутствием ликвации.

Титановые литейные сплавы идут на изготовление фасонныхотливок различной формы и труб. Их отливают в кокилях и оболоч-ковых формах. Недостатками титановых литейных сплавов явля-




колледж




колледж

»

175

ются высокая химическая активность со всеми формовочными ма-териалами и газопоглощаемость. В связи с этим получение отливокпроводят в среде нейтральных газов или в вакууме. Титановые ли-тейные сплавы закалке не подвергаются в связи с тем, что эта опе-рация снижает пластичность и ударную вязкость деталей.

7.6. ОЛОВО, СВИНЕЦ, ЦИНК И СПЛАВЫНА ИХ ОСНОВЕ

Олово и его характеристика. Олово — металл серебристо-бе-лого цвета, относится к группе легкоплавких металлов. Плотностьолова при температуре 20 °С составляет 7,3 г/см3, прочность прирастяжении — 15 … 20 МПа (1,5 … 2,0 кгс/мм2), твердость — 7,6 НВи относительное удлинение — 40 %. Высокая пластичность олованаблюдается только до температуры 170 °С. Олово обладает кор-розионной стойкостью, не окисляется на воздухе, устойчиво вкислотах и воде. Эти свойства позволяют применять олово в пи-щевой промышленности, для лужения посуды и кухонных кот-лов, тары, жести и различных антикоррозионных покрытий.Особенностью олова является то, что оно способно при темпе-ратуре выше 18 °С приобретать структуру β-модификации —белое олово, при температуре ниже 18 °С переходит в α-модифи-кацию — серое олово. При отрицательных температурах оловоизменяет свою кристаллическую решетку, и металл самопроиз-вольно превращается в серый порошок, так называемую оловян-ную чуму (рис. 7.4), поэтому допускается кратковременное хра-нение технического олова при температуре не ниже 20 °С. В слу-чае обнаружения признаков оловянной чумы склады должныбыть тщательно подметены, проветрены, а слитки отправлены напереплавку.

Олово имеет очень низкую тепло- и электропроводность.

Рис. 7.4. Оловянная чушка (а) и оловянная чушка, разрушенная оло�вянной чумой (б)




колледж




колледж

»

176

По ГОСТ 860—75* техническое олово выпускается в виде прут-ков по 0,25 кг и чушек по 5 и 25 кг следующих марок: ОВЧ-000,О1пч, О1, О2, О3 и О4.

В качестве примесей в олове находятся следующие химическиеэлементы: висмут, железо, медь, мышьяк, свинец, сера и сурьма.В чистом виде олово марки О1пч применяется для лужения консер-вной жести, посуды для пищевых продуктов. Остальные маркиприменяются для получения различных сплавов: припоев, бабби-тов, типографских и подшипниковых сплавов, бронз и др. Оксидыолова используются для производства эмалей и красок.

Свинец и его характеристика. Свинец — металл синевато-серо-го цвета, относится к легкоплавким металлам. Плотность свинцасоставляет 11,68 г/см3, температура плавления — 327 °С, твер-дость — 4 НВ и прочность — 16 МПа (1,6 кгс/мм2). Металл мягкий,пластичный, имеет высокую деформируемость. В настоящее вре-мя свинец широко применяется при изготовлении аккумуляторов,кабелей, подшипниковых и типографских сплавов и припоев. Сви-нец — один из немногих металлов, не пропускающих гамма-лучи,поэтому он является незаменимым изолятором в ядерной технике,рентгеновских аппаратах. Свинец также применяется для этилиро-вания бензина.

По ГОСТ 3778—98 технический свинец выпускается в виде чу-шек массой 30 … 40 кг или блоков массой до 1 т. В зависимости отхимического состава существуют следующие марки свинца: С000,С00, С0, С1, С2, С3. Например, свинец марки С000 имеет массовуюдолю чистого свинца 99,999 %, а свинец марки С3 — 99,9 %. Приме-сями являются следующие химические элементы: олово, сурьма,железо, магний, кальций и натрий. Олово и свинец, сплавляясьмежду собой, а также с висмутом и кадмием, образуют легкоплав-кие сплавы, которые широко применяются в качестве припоев,плавких предохранителей, анатомических слепков и типографскихшрифтов. Кроме того, свинец применяется для изготовления охот-ничьей дроби и пуль, а также как присадочный металл для произ-водства бронз, припоев и баббитов.

Свинец выпускается в виде листов, лент, проволоки, труб, бло-ков и монолитов различного назначения.

Кроме относительно чистого свинца выпускается также сурьмя-нистый свинец (ССу1, ССу2, ССу3, ССу4, ССуА, ССуМ, ССуМТ) смассовой долей сурьмы 0,5…6,0 %. Сурьмянистый свинец применя-ется для изготовления подшипников скольжения и их вкладышей.

Цинк и его характеристика. Цинк — металл синевато-белогоцвета, плотностью 7,14 г/см3, температура плавления равна 419 °С.




колледж




колледж

»

177

Цинк обладает высокой хрупкостью, но при температуре 100…150 °Симеет высокую пластичность, легко прокатывается, штампуется, вы-тягивается в проволоку. При окислении на воздухе на поверхностицинка образуется тонкая пленка карбонатов, которая надежно за-щищает металл от дальнейшего окисления. По ГОСТ 3640—94 тех-нический цинк выпускается в виде чушек массой до 5 кг или 19…21 кг, а также блоков массой до 1 т. Чушки выплавляются с пережи-мами, гладкие, заоваленные и полусферические. В зависимости отхимического состава существуют следующие марки цинка: ЦВ00,ЦВ0, ЦВ, ЦО, ЦОА, ЦВ1, Ц1, Ц2 и Ц3.

Технический цинк используется в качестве анодов для гальвани-ческих покрытий, анодов для гальванических элементов, материаладля типографических клише. Оксид цинка идет на изготовление бе-лил, эмали, глазури, стекла и т. д. Цинк также широко применяетсядля покрытия кровли в виде тонких рифленых и нерифленых листов.

Цинк и его сплавы обладают высокими литейными свойствами.Их используют для производства деталей в автомобильной, трак-торной, радиотехнической промышленности. Наиболее высокимитехнологическими и механическими свойствами обладают сплавыцинка с алюминием, магнием и медью.

Большое количество цинка идет на производство баббитов иприпоев.

На основе цинка с добавлением легирующих элементов алюми-ния, меди и марганца выпускается большая группа цинковых спла-вов следующих марок: ЦАМ4, ЦАМ4-1, ЦАМ4-3, ЦАМ1 и др. Этисплавы применяются для производства отливок литьем под давле-нием, а также листов, профилей методом прокатки и прессовани-ем. Цинковые сплавы обладают высокими механическими свой-ствами. Предел прочности при растяжении σв = 250 … 460 МПа; от-носительное удлинение δ = 2 … 12 % (относительное удлинение от-дельных марок достигает 20 … 40 %); твердость 70 … 120 НВ.

Баббиты. На основе легкоплавких металлов производится боль-шая группа легкоплавких сплавов. Температура плавления легко-плавких сплавов составляет 11 … 123 °С. Баббит — это антифрик-ционный сплав на основе легкоплавких металлов олова, свинца ицинка.

По антифрикционным свойствам баббиты являются незамени-мыми материалами. Их недостатком является низкая сопротивля-емость усталости. Сплав, образуемый на основе легкоплавких ме-таллов, обеспечивает хорошую прирабатываемость в узлах тре-ния, образует особый микрорельеф поверхности, обеспечиваю-щий смазывание поверхностей трущихся деталей, защиту мате-




колледж




колледж

»

178

риала деталей от трения и отвод теплоты. Эти условия работы со-здаются благодаря мягкой пористой матрице и твердым включе-ниям.

Баббиты применяют для заливки поверхностей вкладышей под-шипников скольжения.

Выпускают следующие группы баббитов:оловянно-сурьмянистые;свинцово-оловянно-сурьмянистые;свинцовые (не содержащие олова);цинковые.

Припои. Сплавы, полученные на основе легкоплавких и другихметаллов, применяемые как присадочный материал для паяниядеталей и заготовок из различных металлов и сплавов, называют-ся припоями. Припои широко применяются в пищевой, медицин-ской, радиотехнической и электротехнической промышленно-стях.

В зависимости от температуры плавления припои подразделя-ются на мягкие и твердые.

Мягкие припои плавятся при температуре ниже 400 °С. Проч-ность этих припоев σв = 50… 70 МПа. Мягкими припоями паяют де-тали, не подвергающиеся механическим нагрузкам. В качестве мяг-ких припоев применяют сплавы на основе олова, свинца, висмутаи кадмия. Наиболее широкое применение нашли легкоплавкие мяг-кие припои на основе олова и свинца. Это эвтектические сплавы ссодержанием 2/3 олова и 1/3 свинца (например, припой оловянно-свинцовый ПОС 90 (содержит 90 % олова, остальное — свинец),припой оловянно-свинцово-сурьмяный ПОСС-4-6). Основу оловян-но-свинцовых припоев составляют олово, свинец и сурьма. В каче-стве примесей содержатся висмут, железо, медь, мышьяк, никель,сера и цинк с общей массовой долей не более 0,15… 0,20 %. Оловян-но-свинцовые припои выпускаются в виде чушек, прутков (круглыхи трехгранных), проволоки, ленты и трубок, заполненных флюсом(канифоль). Стандарт регламентирует размеры припоев (диаметр,толщина, длина) в зависимости от наименования и вида сортамен-та. Проволока, ленты и трубки упаковываются в бухты массой неболее 15 кг. Длина этого сортамента должна быть не менее 1 м.

Кроме оловянно-свинцовых мягких припоев применяют такжеоловянно-цинковые припои с массовой долей олова 90, 70, 60 и40 %, остальное — цинк (ПОЦ-90, ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40). Этиприпои имеют более высокий интервал кристаллизации(199 … 365 °С), большую прочность и меньшую пластичность.




колледж




колледж

»

Твердые припои имеют температуру плавления выше 400 °С(как правило, в пределах 800… 900 °С) и являются сплавами меди ицинка (латуни), цинка и серебра (серебряные припои). Серебря-ные припои применяются для пайки электро- и радиоприборов,когда требуется высокая электропроводность.


1. Дайте определение, классификацию и краткую характеристикуцветных металлов и сплавов. К каким группам относятся алю�миний, берилий, магний, медь, золото, серебро, платина, цинк,олово, свинец?

2. Дайте краткую характеристику бериллия. Где он применяется?3. Назовите сплавы, выпускаемые на основе меди, и укажите их

свойства.4. Назовите марки технической меди и раскройте принцип их

маркировки.5. Что называется бронзой?6. Расшифруйте марки медных сплавов: Л96, Л60, ЛАЖ60�1�1,

ЛО70�1, ЛМцА57�1�1, БрО3Ц12С25, БрО5С25, БрО4Ц7С5.7. Дайте характеристику технически чистого алюминия.8. Дайте характеристику и классификацию сплавов, полученных

на основе алюминия.9. Назовите марки первичного магния.

10. Где применяется технически чистый магний?11. Дайте характеристику свойств титана.12. Назовите область применения технического титана.13. Назовите марки технического титана и дайте их характерис�

тику.14. Назовите марки титановых деформируемых сплавов, дайте их

характеристику и укажите область применения.15. Дайте краткую характеристику олова, свинца и цинка.16. Дайте определение и краткую характеристику баббитов. Назо�

вите их марки, свойства и применение.17. Что такое припой? Назовите группы и марки припоев.




колледж




колледж

»

180

Глава 8

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫИ МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИЕМАТЕРИАЛЫ

8.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛИЧЕСКИХПОРОШКАХ

Металлические порошки представляют собой мелкие кристалли-ческие зерна (фракции) размерами от 10 до 500 мкм, иногда до 1 мм.Зерна могут быть игольчатой, сферической, полой сферической,пластинчатой или чешуйчатой формы. Физико-химические и техно-логические свойства металлических порошков определяются иххимическим составом, пикнометрической плотностью, структурой,массовой долей примесей, газов, металлических и иных загрязненийпорошков. Металлические порошки являются основой при произ-водстве твердосплавных материалов. Их выпускают как из чистыхметаллов (хром, никель, кобальт, молибден, ванадий и др.), так и изкарбидов металлов (карбиды вольфрама, титана, тантала).

Отрасль производства, занимающаяся выпуском порошков(твердосплавных материалов), называется порошковой металлур-гией. В порошковой металлургии применяются следующие методыпроизводства твердосплавных материалов:

физико-химический;термометаллургический;механический;комбинированный.

Порошковая металлургия включает в себя две самостоятельныеотрасли производства. Первая — производство различных порош-кообразных материалов (порошков, зерен, гранул, электродов,монолитов и полуфабрикатов). Вторая — переработка порошкооб-разных материалов в изделия (токарные и фрезерные сменныепластины, заготовки для монолитного инструмента, насадки длябурового и режущего инструмента, фильеры, электродные матери-алы, монолиты, электроконтакты и различные конструкционныеизделия).




колледж




колледж

»

181

В настоящее время в порошковой металлургии налажено произ-водство различных изделий из твердосплавных материалов, в томчисле фильтров высокой очистки, фрикционных и антифрикцион-ных деталей, пластин для наплавки режущего, ударного, бурового,абразивного и другого инструмента.

На основе порошковой металлургии выпускают высоколегиро-ванные конструкционные и инструментальные стали, например,сталь марки Х23Н18. Изделия из этой стали изготавливают путемспекания порошков. Применяется сталь для изготовления подшип-ников (вкладышей) скольжения. После химико-термической обра-ботки (сульфидирования или борирования) этих вкладышей ис-ключаются задиры, адгезия и создается мягкость скольжения вала.Такая пара может работать при повышенных температурах (до600 °C) и в агрессивных средах.

Для изготовления уплотнительных деталей (кольца, прокладки,вкладыши) применяют стали на основе системы хром — никель —графит, полученные из металлических порошков. Эти детали нахо-дят применение в газовых турбинах и аппаратах. Они выдержива-ют воздействие активной газовой среды, высоких температуры идавления.

Сплавы, изготовленные из порошков на основе хрома, никеля ититана (Х65Н32, Х66Н30Т4, Х68Н20Т2 и др.), применяют для произ-водства электродов (сварка конструкций из высоколегированныхсталей, работающих в агрессивных средах и при высоких темпера-турах). Из высоколегированных порошков получают также инстру-ментальные быстрорежущие стали (Р6М5Ф3, Р6М5К5, Р12МФ5,Р12М3Ф2К8 и др.), которые применяются для изготовления цельно-го режущего инструмента для обработки деталей и заготовок извысокопрочных и жаропрочных, в том числе коррозионно-стойкихсталей и сплавов. Практика показывает, что режущие свойства ин-струмента из этих сталей значительно выше, чем инструмента изсталей, полученных плавкой и последующим прокатом. Они выдер-живают высокие режимы резания при повышенных температурах,их красностойкость более 600 °C. Например, инструмент из сталимарки Р6М5К5 при рабочей температуре 650 °C будет иметь твер-дость 52 HRA. Если стойкость инструмента из стали Р6М5К5, изго-товленного литьем и прокатом, при температуре 650 °C и твердости52 HRA будет 240 мин, то инструмент аналогичной марки, изготов-ленный из порошков, при этих же условиях резания будет иметьстойкость значительно выше (примерно 360… 420 мин).

Порошковая металлургия также освоила производство безволь-фрамовых быстрорежущих сталей (Р0М6Ф1, Р0М2Ф3, Р0М10Ф3




колледж




колледж

»

182

и др.). Эти стали значительно дешевле, так как не содержат доро-гостоящего вольфрама. Они имеют плотную мелкозернистую истабильную структуру. Инструмент из этих сталей имеет более вы-сокие стойкость и красностойкость.

8.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВИ МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Твердые сплавы и минералокерамические материалы — этобольшая группа конструкционных и инструментальных материа-лов, полученных из металлических и иных порошков. Изделия,полученные в процессе производства порошковой металлургии,называются спеченными.

Спеченные твердые сплавы — это материалы, состоящие из кар-бидов (химическое соединение углерода с различными металлами)вольфрама, титана и тантала, спрессованных в чистом металличес-ком кобальте. Твердые сплавы обладают высокими твердостью,прочностью, режущими и другими свойствами и сохраняют их принагреве до высоких температур. Их твердость значительно вышетвердости других материалов и приближается к твердости алмаза.Обладая такими высокими физическими, химическими, механичес-кими, технологическими и эксплуатационными свойствами, онинаходят очень широкое применение в инструментальной, машино-строительной и металлообрабатывающей промышленности.

Твердые сплавы классифицируются по следующим параметрам:по назначению — инструментальные, конструкционные,(наплавочные, литые), фрикционные, антифрикцион-ные, магнитные, электротехнические, для фильтров, при-боров, а также материалы, идущие на изготовление бы-строизнашивающихся деталей приборов, машин и кон-струкций, матрицы для синтеза алмазов и др. Особуюгруппу составляют твердые спеченные инструменталь-ные материалы для следующих видов работ:обработка металлов и других материалов резанием (то-карные и другие резцы, сверла, фрезы, в том числе мо-дульные, протяжки, развертки, строгальные ножи, на-катки, шевинги и др.);горные работы (сверла для шурпов и скважин, зубиладля отбойных молотков, фрезы для угольных комбайнов,шарошки для бурения, ножи, пилы, фрезы для обработ-ки камня и др.);




колледж




колледж

»

183

кузнечно-прессовые, прокатные и штамповочные рабо-ты (многопозиционные ручьи, пуансоны, матрицы, филь-еры, штампы, ножи, пилы, долбяки, прокатные валики, втом числе фасонные, волочильные доски и др.);деревообработка (рамные пилы, фрезы, центровки, фре-зерные крючья, строгальные ножи и др.);по химическому составу (материалу шихты) — металли-ческие (легированные, быстрорежущие вольфрамовые,быстрорежущие безвольфрамовые, железоникелевые,хромоникелевые и др.), металлокерамические (карбидо-хромовые, карбидотитановые, вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титанотанталовольфрамовые и др.), ми-нералокерамические (микролит, керметы, оксидная и ок-сидно-карбидная керамика и др.);по видам производимого материала — порошковые (зер-нистые), прутковые, трубчатые, электродные, монолит-ные, разнотиповые заготовки и готовые изделия;по способу переработки в изделия — холодное прессова-ние, горячее прессование, гидростатическое прессова-ние, мундштучное прессование, вакуумно-компрессион-ное спекание и прокатка металлических порошков;по свойствам — красностойкие (теплостойкие), химичес-ки стойкие (коррозионно-стойкие) и твердосплавные.

Красностойкие сплавы состоят из карбидов металлов (вольфра-ма, титана, тантала и др.), минералокерамики и кобальта, алюми-ния и железа, химически стойкие — из никеля, титана, кремнияи др.

Твердосплавные и минералокерамические материалы такжеподразделяют:

на твердые, или повышенной твердости (1 500… 2 000 HV),которые производят из порошков карбидов вольфрама,титана, тантала, легированных сталей, железа и другихметаллов и их карбидов;очень высокой твердости (2 000 … 2 500 HV), относящие-ся, как правило, к абразивным материалам (карбид крем-ния, электрокорунд и др.);весьма твердые (более 2 500 HV), предназначенные какдля абразивов, так и для режущего инструмента (алмазыестественные и искусственные, кубический нитрид бораи др.).




колледж




колледж

»

184

Особую группу в порошковой металлургии (металлокерамике)составляют твердые спеченные инструментальные материалы,выпускаемые в виде сменных многогранных пластин (СМП) длятокарной, фрезерной обработки и сверления. Сменными много-гранными пластинами оснащаются концевой металлорежущий,буровой и долбежный инструмент, а также фрезы, протяжки, раз-вертки, строгальные ножи, резцы для обработки железнодорож-ных колес и рельсов, накатки и шевинги.

В зависимости от характеристики обрабатываемого материалаи типа снимаемой стружки режущий инструмент, изготовленныйиз твердых спеченных сплавов, подразделяется на группы приме-нения по ISO с числовым индексом. Группы применения учитыва-ют механические свойства: твердость, прочность, упругость, обра-батываемость и др. и обозначаются одной из следующих букв: P,M, K, N, S и H основной группы резания и числовым индексом: 01,05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50.

Группы применения инструментов соответствуют следующимобрабатываемым материалам:

P — углеродистые стали всех групп и марок, низколегирован-ные стали, высоколегированные и инструментальные стали послеотжига, подшипниковая и электротехническая сталь, стальное ли-тье, коррозионно-стойкая сталь и ковкий чугун, при точении кото-рых образуется сливная стружка;

M — коррозионно-стойкие стали (ферритная, мартенситная иаустенитная), стальное литье, автоматная сталь, а также низколе-гированный и ковкий чугуны, при обработке которых образуетсяэлементная стружка;

K — серые, ковкие и высокопрочные чугуны ферритного и пер-литного классов, при обработке которых образуется стружка над-лома;

N — алюминий чистый, деформируемые и литейные алюмини-евые сплавы, силумин с содержанием кремния от 8 % и более, атакже медь и сплавы меди (латунь и бронза); при обработке этихметаллов образуется длинная сливная стружка;

S — титан и его сплавы (технически чистый титан, альфа-сплавы,сплавы альфа+бета, жаропрочные сплавы на основе железа, никеляи кобальта, при обработке которых образуется элементная стружка;

H — твердые материалы (закаленная сталь и отбеленный чугунгрупп ЧХ, ЧН и ЧС), при обработке которых образуется сыпучаястружка.

Числовой индекс характеризует изменение вида обработки,режим резания и свойства инструментального твердого сплава.




колледж




колледж

»

185

При выборе марки твердого сплава следует учитывать тип и харак-теристику обрабатываемого материала, режимы резания и техни-ческую характеристику оборудования, его технологические воз-можности. Чем выше число индекса в обозначении группы приме-нения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допускаемаяскорость резания, но выше прочность твердого сплава и допуска-емые подача и глубина резания.

8.3. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИВ ПРОИЗВОДСТВЕ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

В настоящее время на предприятиях по производству твердыхсплавов внедряются прогрессивные технологии, позволяющиепоставлять на рынок, в том числе и на международный, твердо-сплавные пластины для оснащения ими различного режущего ин-струмента. Например, на ОАО «Кировградский завод твердыхсплавов» (Свердловская область) совместно с Институтом химиитвердого тела УрОРАН и другими научно-исследовательскими ин-ститутами РФ разработан комплекс мероприятий, внедрение кото-рого позволяет производить твердосплавные пластины, не уступа-ющие по качеству выпускаемым изделиям западных фирм. Разра-батываются наноструктуированные твердые сплавы, которые при-ходят на замену обычным мелкозернистым твердым сплавам, ис-пользуемым в производстве металлорежущего, бурового, штампо-вого, концевого и другого инструмента. Также внедряются в про-изводство импортно-замещающие металлорежущие пластины,которые пользуются большим спросом у машиностроительныхпредприятий.

Внедрены такие технологии и освоено новое оборудование, каксушка твердосплавных смесей распылением, вакуумно-компресси-онные печи спекания, аттритор для приготовления смесей, прессс роботизированным съемом деталей, установки для нанесенияпокрытий, парк сверхточного шлифовального оборудования и др.Все это в едином комплексе направлено на выпуск высокотехноло-гичных изделий — сменных многогранных пластин высокой степе-ни точности, с новой геометрией передней поверхности, новымистружколомами и износостойкими покрытиями, высокой объем-ной пористости (0,02 % вместо 0,2 %).

За последнее время на ОАО «Кировоградский завод твердыхсплавов» освоено производство 44 типов высокоточных сменных




колледж




колледж

»

186

многогранных пластин. Потребителями этих пластин являютсяоколо 40 машиностроительных, металлообрабатывающих и инст-рументальных предприятий, такие как ОАО «НПК «Уралвагонза-вод», ОАО «Уралмаш», ОАО «Томский инструментальный завод»,ООО «Пумори-СИЗ» и др. Отзывы о качестве и надежности метал-лорежущего инструмента, его эксплуатационных свойствах, посту-пающие с предприятий-потребителей, положительные. Крометого, со своей продукцией завод вышел на международный рынок.

Рассмотрим кратко некоторые инновационные технологичес-кие процессы, внедряемые на ОАО «КЗТС».

1. Разработка наноструктуированных твердых сплавов. Благода-ря внедрению этой технологии решена проблема дальнейшего эко-номного использования дорогостоящих вольфрамовых, титано-вольфрамовых и титанотанталовольфрамовых твердых сплавов, наих основе освоено производство новых материалов, обладающихболее высокими свойствами.

2. Производство твердосплавных стержней для монолитногоинструмента (фрез, сверл, метчиков и др.). Для этих целей созда-ны новый субмикронный сплав, которому присвоена марка А04 иего модификация А04-6 (табл. 8.1). Данные сплавы созданы путеммодификации твердосплавной смеси присадкой нанопорошка кар-бида вольфрама (60 нм). Этот сплав по своим физико-механичес-ким и эксплуатационным свойствам не уступает аналогам, выпус-каемым мировыми лидерами в производстве твердых сплавов.

3. Использование вакуумно-компрессионных печей спеканияпозволяет получить практически беспористый сплав. Это достига-ется путем обжатия изделий в процессе спекания давлением арго-на в 50 бар. Снижение объемной пористости с 0,2 % до 0,02 % даетрост физико-механических свойств и эксплуатационной стойкос-ти на 10 … 20 %.

Таблица 8.1. Свойства инновационных субмикронных сплавовА04 и А04G6

Маркасплава

ТвердостьHRA,

не менее

Плотность,г/см2

Пределпрочности приизгибе, кгс/мм2

(Н/мм2),не менее

Коэрцитивнаясила, не менее

кА/м Эрстед

А04 92,0 14,35 …14,6 270 (2 646) 23,9 300

А04-6 93,0 14,7 …15,0 150 (1470) 25,6 320




колледж




колледж

»

187

4. Внедрение установок сушки смесей распылением НС120(фирма NIRO A/S, Дания) позволило получить более качественныйгранулометрический состав фракций твердосплавной смеси. Приэтом ликвидирован тяжелый, опасный и малопроизводительныйтруд рабочих, что привело к резкому росту производительноститруда и сохранению здоровья людей.

Высокие эксплуатационные свойства пластин для режущегоинструмента достигаются путем сочетания конструкции, маркитвердого сплава, метода нанесения и типа износостойкого покры-тия. Современные износостойкие покрытия, которыми покрыва-ются импортно-замещающие пластины, прошедшие испытание намашиностроительных заводах, показали высокое качество.

Наиболее высокие эксплуатационные качества имеют покры-тия, созданные с использованием технологии по нанесению изно-состойких моно- и мультипокрытий пластин и концевого инстру-мента:

методом химического осаждения из газовой среды (CVD);методом ионно-плазменного нанесения покрытий (PVD).

Моно- и мультипокрытия пластин и концевого инструментапроизводятся на основе следующих материалов: TiN, TiCN, TiAlN,AlTN, TiAlSiN, Al2O3 и др. Эти материалы для покрытий использу-ются в различных комбинациях.

Для метода химического осаждения из газовой среды (CVD)используется установка BERNEX BPXpro 530 L-T (Германия). Этотметод применяется для покрытия токарных пластин. Методом CVDполучают покрытия нескольких типов:

CVD-покрытие типа РТ — золотистого цвета, четырех-слойное (два слоя нитрида титана и по одному слою кар-бонида титана и оксида алюминия), износостойкое. Слойкарбонида титана обеспечивает прочное сцепление по-крытия с твердосплавной пластиной, сохраняет вязкостьи адгезию при высокой температуре. Карбонид титанапридает вязкость режущей кромке и устойчивость к от-слаиванию и выкрашиванию. Оксид алюминия обладаетвысокой твердостью, низкой адгезией и высокой тепло-стойкостью. Такое покрытие выдерживает динамичес-кие нагрузки, удары и применяется для обработки отли-вок и поковок;CVD-покрытие типа РТ-Р — черно-золотистого цвета.Передняя поверхность СМП покрывается оксидом алю-миния, имеет черный цвет, полированную поверхность,что способствует легкому сходу стружки и удалению




колледж




колледж

»

188

теплоты из зоны резания. Задняя поверхность имеетжелтый цвет, покрыта износостойким слоем нитрида ти-тана. Появление на задней поверхности рисок черногоцвета в процессе работы говорит об изнашивании режу-щей кромки.

Применяются и другие типы CVD-покрытий.Режущий инструмент, оснащенный пластинами, покрытыми

методом CVD, в зависимости от типа и состава материала покры-тия обладает следующими свойствами:

толщина слоев покрытия — от 0,1 до 3,9 мкм;максимальная температура использования (красностой-кость) — 720 … 1 050 °С;микротвердость — 2 600 … 3 000 HV;коэффициент трения — 0,15…0,32.

Методом ионно-плазменного нанесения PVD производятся по-крытия двух типов: ТТ и АМ. Покрытие типа ТТ — золотистогоцвета, трехслойное (два слоя нитрида титана (TiN) и один слойсложного соединения TiAlN). Применяется для покрытия фрезер-ных пластин и концевого инструмента. В зависимости от составаматериала эти покрытия обладают следующими свойствами:

толщина слоев покрытия — от 0,1 до 3,9 мкм;максимальная температура использования (красностой-кость) — 600 … 1 200 °С;нанотвердость — 24 … 45 GPa;коэффициент трения — 0,5 … 0,7;высокие адгезия, твердость по Роквеллу и тест царапа-ния (N).

Покрытие типа АМ — темно-фиолетового цвета, состоит измногочисленных мультислоев из соединений типа AlTiNi и TiAlNi.Такие многослойные покрытия применяются для инструмента, ис-пользуемого при прерывистом резании металлов, нестабильныхусловиях и высоких механических нагрузках. Предназначено дляфрезерного инструмента при обработке отливок, поковок и штам-повок (углеродистые, легированные коррозионно-стойкие и другиестали).

Режущий инструмент, изготовленный на основе новых техноло-гий, при испытаниях на ОАО «НПК «Уралвагонзавод» показалстойкость в 1,8 раза выше базовой стойкости обычного твердо-сплавного инструмента. Испытания режущего инструмента, осна-щенного пластинами с новой геометрией передней поверхности иновыми стружколомами, проведенные на ОАО «НПО «ИСКРА»,показали высокую стойкость таких пластин, а именно — 578 мин,




колледж




колледж

»

189

что значительно превышает уровень стойкости пластин, выпуска-емых западными фирмами. Следует отметить, что максимальнаястойкость токарных резцов, оснащенных твердосплавными плас-тинами типов ВК, ТК или ТТК, составляет 120 мин. Положительныерезультаты получены при испытании пластин для черновой обра-ботки на станках фирмы «Кизерлинг» на Белебеевском заводе «Ав-тонормаль». Стойкость пластин увеличена на 60 %. Стойкость тан-гециальных пластин при обработке вагонных колес на ОАО «НПК«Уралвагонзавод» увеличилась на 20 %.

Инновационные технологии, химический состав пластин и по-крытия, внедряемые заводами твердых сплавов, в корне меняюттрадиционные представления о твердых сплавах. В связи с этимприменяются новые обозначения пластин из твердых сплавов, аименно: А05 (ВК3-М), А10 (ВК60-М), А20 (ВП322), А30 (ВК10-ОМ),В20 (МС321), В25 (ВК6), В35 (ВК8), Н05 (Т30К4), Н10 (Т15К6), Н20(Т14К8), Н30 (Т5К10), Т20 (МС221), Т25 (МС137), Т30 (ТС125), Т40(МС146), Т50 (ТТ7К8). (В скобках приведены старые обозначенияаналогов марок твердых сплавов.)

В маркировке новых сплавов принято буквенно-цифровое обо-значение:

1-й знак (буква) — группа сплава: Н-ТК-сплавы; Т-ТТК, М, ТС-сплавы; В-ВК-сплавы; А-мелкозернистый ВК-сплав;

2-й знак (буква) — метод покрытия: С — химическое осаждениеиз газовой среды (CVD); Р — ионно-плазменное нанесение покры-тий (PVD);

3-й и 4-й знаки — основная группа применения по ISO (Р, М, К,N, S, H) и числовой индекс: 01, 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50;

5-й знак — тип покрытий (буква): А, В, Е, К, Н, О, Р, Т — указы-вают на различную комбинацию химических элементов, покрыва-ющих твердый сплав;

6-й знак — вид обработки: Т (Tuminq) — точение; М (Milling) —фрезерование.

Например, твердый сплав нового поколения ВС35РТ (аналогсплава ВК8) имеет следующее обозначение: В — группа сплава ВК;С — способ покрытия — химическое осаждение из газовой среды(CVD); 35 — числовой индекс группы применения; Р — тип покры-тия; Т — вид обработки. Таким образом, делаем вывод, что смен-ная многогранная пластина, изготовленная из твердого сплава мар-ки ВК8, полученная вакуумно-компрессионным спеканием, прой-дя дополнительную обработку покрытием в газовой среде, приме-няется для напайки к токарным резцам (для точения материалов собразованием сливной стружки).




колледж




колледж

»

190

Другой пример. Твердый сплав нового поколения НС10НМ (ана-лог сплава Т15К6) имеет следующее обозначение: Н — группа спла-ва ТК; С — способ покрытия — химическое осаждение из газовойсреды (CVD); 10 — числовой индекс группы применения; Н — видпокрытия; М — способ обработки (Milling — фрезерование), т.е.сменная многогранная пластина, изготовленная вакуумно-компрес-сионным спеканием, получив покрытие в газовой среде, применяет-ся для крепления к фрезерному инструменту (для фрезерованияаустенитной и автоматной сталей, легированного и ковкого чугунов,при обработке которых образуется элементная стружка).

Как показывает практика, режущий инструмент, оснащенныйтвердосплавными пластинами, изготовленными на основе иннова-ционной технологии, обладает более высокими механическими иэксплуатационными свойствами и успешно конкурирует на рынкес инструментом, поставляемым западными фирмами.

8.4. МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Минералокерамические материалы — это безвольфрамовыесплавы, полученные на основе оксида алюминия, карбида и карбо-нитрида титана, а также карбида кремния. Сырья для производстваэтих сплавов в природе очень много, особенно оксида алюминия.Это дешевый и доступный материал, который получают холодными горячим прессованием.

Минералокерамические твердые сплавы, как и спеченные, по-лучают в виде пластин трех-, пяти-, шестигранной и полукруглойформы и различных размеров методом спекания при температуре1 720 … 1 750 °С.

В настоящее время минералокерамические твердые сплавы вы-пускают нескольких групп: микролиты, керметы, керамика на ос-нове карбида титана и нитрида кремния. Пластины из этих мате-риалов обладают твердостью до 94 НRА, теплостойкостью до1 200 °C, пределом прочности при изгибе σи до 700 МПа и пределомпрочности при сжатии σсж до 3 000 МПа. Они не окисляются, име-ют повышенную теплостойкость, износостойкость и не обладаютсклонностью к слипанию с обрабатываемым материалом. Благода-ря этим качествам минералокерамика применяется при чистовоми получистовом точении, при высоких скоростях резания чугуна,углеродистых и легированных сталей без ударов в системе ста-нок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД).




колледж




колледж

»

191

Недостатком минералокерамических твердых сплавов являетсянизкая прочность на изгиб и высокая хрупкость. Вследствие этихотрицательных качеств минералокерамические твердые сплавы, не-смотря на их низкую стоимость, в машиностроительной практике дляобработки металлов резанием широкого применения не находят.

В настоящее время выпускаются следующие марки минералокера-мических твердых сплавов: безвольфрамовые сплавы марок ТН-30,ТН-50 (ТУ 48-19-223—76), которые имеют предел прочности при из-гибе σи = 1 100…1 150 МПа, микролит ЦМ332, керметы ВО-13, ВШ-75,оксидно-карбидная керамика ВОК-60, В-3, ВОК-63, ОНТ-20 и кера-мика на основе нитрида кремния (силинит марки Р).

Изделия из микролита (пластины, фильеры и др.) получают изтонко измельченной шихты путем прессования и спекания в сталь-ных пресс-формах.

Пластины из минералокерамики припаивают медным или ла-тунным припоем или приклеивают специальным клеем к телу рез-ца; применяется также механическое крепление.

В Германии выпускают микролиты марок С-20 и С-40 — так на-зываемую оксидно-карбидную керамику. Эти материалы состоят измелкодисперсных карбидов вольфрама, спрессованных в оксидеалюминия. Они обладают более высокими механическими свойства-ми, чем микролит ЦМ322.

Микролит ЦМ332 при чистовом точении можно эксплуатироватьна станке, у которого вал (или шпиндель) обеспечивает скоростьрезания до 3 500 м/мин.

3аточка резцов, оснащенных вставками из микролита, произво-дится на кругах из зеленого карбида кремния. Доводка главной ре-жущей кромки резцов производится на чугунных притирах порош-ком карбида бора.

Керметы ВО-13, ВШ-75 применяются для чистовой и получисто-вой обработки незакаленной стали и серых чугунов с высокимискоростями резания (800 … 1 000 м/мин).

Оксидно-карбидная керамика марок ВОК-60, ВОК-63, ОТН-20применяется для чистовой, получистовой и прерывистой обработ-ки отливок из ковких, высокопрочных чугунов и сталей, закален-ных до 30 … 55 НRА, а керамика марок В-3 и ОТН-20 применяетсядля обработки медных сплавов.

Благодаря высоким эксплуатационным показателям (период стой-кости, число повторных заточек режущих кромок, площадь сечениясрезаемого слоя (подача, глубина резания), скорость резания) мине-ралокерамические твердые сплавы нашли широкое применение всовременном машиностроении.




колледж




колледж

»


1. Дайте краткую характеристику металлических порошков, вы�пускаемых порошковой металлургией.

2. Перечислите методы производства металлических порошков.3. Укажите область применения изделий из металлических по�

рошков, их преимущества по сравнению с другими технологи�ями.

4. Раскройте классификацию твердых сплавов и минералокера�мических материалов.

5. Какие марки сталей выпускает порошковая металлургия и ка�ковы их свойства и назначение?

6. Укажите, как по ISO подразделяется режущий инструмент изтвердых сплавов.

7. Перечислите, какие инновационные технологии внедряются назаводах твердых сплавов России.

8. Раскройте сущность производства твердосплавных смесейдля монолитного инструмента.

9. Укажите, что дает спекание твердого сплава в вакуумно�комп�рессионных печах.

10. Раскройте методы покрытий твердосплавных пластин (CVD иPVD) и укажите их типы. Дайте характеристику полученныхпосле покрытий свойств.

11. Дайте краткую характеристику сменным многогранным плас�тинам, применяемым для токарных резцов и фрез, марокВС20НТ, НР10ТТ, НР30ТТ, ВР20АМ, ВР35АМ, ТР40АМ последующей схеме:аналог старой марки сплава;группа сплава;способ покрытия;группа и числовой индекс применения по ISO;вид покрытия;способ обработки.

12. Дайте краткую характеристику минералокерамических мате�риалов.




колледж




колледж

»

193

Глава 9

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХМАТЕРИАЛОВ

Неметаллические конструкционные (и иные) материалы — этобольшая группа материалов, изготовленных из органического инеорганического (минерального) сырья. К органическому сырьюотносятся древесина и продукты из нее, шерсть, волокна, кость,каучук и др., к неорганическому сырью — газ, нефть, воздух, вода,алмаз, глина, кварц, мрамор и различные горные породы.

Из каждого вида сырья производится большая группа неметал-лических конструкционных материалов, применяемых в различ-ных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транс-порте, в медицине, культуре, пищевой промышленности, бытуи др.: пластмассы, слоистые пластики, стекло, красители, клеи,лаки, бумага, картон, шерстяные и хлопчатобумажные нити и тка-ни, строительные конструкции из древесины, заготовки для мебе-ли, фанера, художественные изделия из кости и рога и др.

По способу производства (переработки) неметаллические кон-струкционные материалы подразделяются на следующие группы:

материалы, полученные путем химической технологии(поликонденсация, полимеризация, вулканизация, син-тез и другие виды химической обработки);материалы, полученные путем термической и термомеха-нической обработки (литье, спекание, штамповка, прессо-вание и др.);материалы, полученные путем механической обработки(пиление, строгание, лущение, фрезерование, сверление,штамповка и др.);материалы, полученные путем комбинированной техно-логии, заключающейся в использовании двух и более




колледж




колледж

»

194

перечисленных технологий (химической и термической,химической и механической).

Неметаллические материалы обладают большой гаммой физи-ческих, химических, механических, технологических и эксплуата-ционных свойств. Из-за широкого диапазона свойств неметалли-ческие материалы находят все большее применение (в технике,быту, медицине, судо- и автомобилестроении и т. д.), в одних слу-чаях как незаменимый конструкционный материал, в других — какрежущий абразивный инструмент, в-третьих — как химические(кислоты, реактивы и т. д.) и технологические жидкости, лаки, клеи,смазки, минеральное топливо и др.

Неметаллические материалы, полученные химической техноло-гией, подразделяются на две группы: полимерные материалы (во-локна и ткани, полиэтилен, полиамиды, пластмассы, смолы, клеи,краски) и химические жидкости и продукты (реактивы, медицин-ские препараты, взрывчатые вещества, продукты нефтехимии).

Путем термической и термомеханической технологий получаютследующие материалы на основе минералов: графит, алмаз искус-ственный, абразивы, асбест, графитоуглеродные материалы, кера-мика и ситаллы, огнеупоры, каменное литье, стекло, волокна и ис-кусственные ткани.

9.2. ПЛАСТМАССЫ

Общие сведения. Пластмассы — это композиционные матери-алы, получаемые на основе природных и синтетических полиме-ров. В машиностроении, приборостроении и во многих других от-раслях промышленности пластмассы широко применяются какконструкционные материалы, а также для производства клеев, ла-ков и красок. Пластмассы имеют низкий удельный вес, высокуюхимическую стойкость, диэлектрические свойства и низкую тепло-проводность и много других ценных свойств. Удельная прочностьнекоторых пластмасс значительно выше сталей.

Полимеры — основа пластмасс. Это вещества, молекулы кото-рых состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Различают линейное, линейно-разветвленное, сетчатое и про-странственное строение молекул полимеров (рис. 9.1).

По происхождению полимеры подразделяют на природные исинтетические. Синтетические полимеры получают двумя способа-ми: полимеризацией и поликонденсацией.




колледж




колледж

»

195

Полимеризация — химический процесс, при котором из низко-молекулярного вещества (мономера) в результате раскрытия крат-ных связей (под воздействием температуры, давления и гамма-из-лучения) образуется высокомолекулярное соединение без выделе-ния побочных продуктов (воды, газов).

Поликонденсация — химический процесс, при котором в реак-цию вступают низкомолекулярные вещества и за счет необратимо-го превращения (воздействие температуры, давления и др.) обра-зуют полимерные соединения с выделением побочных продуктов(воды, газа и др.).

В названии некоторых пластмасс корень слова указывает на ис-ходное вещество, а приставка «поли» — на то, что этот вид пласт-масс получен реакцией полимеризации. Как правило, это матери-ал термопластичный (вторично обратимый): полиэтилен, полисти-рол, полиметилметакрилат и др.

Виды и состав пластмасс. Полимерные соединения (смолы) яв-ляются основным компонентом пластмасс — связующим веще-ством. Пластмассы, состоящие из синтетических смол с неболь-шим количеством специальных добавок (смазок, стабилизаторов,пластификаторов и др.), называются ненаполненными (винипласт,органическое стекло и др.).

Пластмассы, в состав которых кроме смолы с целью получениязаданных свойств вводятся различные виды наполнителей и другиеспециальные вещества (смазки, отвердители, красители и др.), на-зываются наполненными (фенопласты, стеклопластики, гетинакси др.). В состав наполненных пластмасс кроме связующей смолы(40… 60 %) допускается ввод наполнителей (до 60 %). Большое коли-чество наполнителей не допускается, так как, например, для груп-пы фенопластов превышение количества наполнителей свыше 60 %ведет к ухудшению физико-механических и химических свойств

Рис. 9.1. Строение молекул полимеров:а — линейное; б — линейно�разветвленное; в — сетчатое; г — пространственное




колледж




колледж

»

196

этих пластмасс. Однако, учитывая то, что наполнители в несколь-ко раз дешевле смол, их вводят в максимально допускаемом коли-честве, так как это уменьшает стоимость пластмасс.

Пластмассы, в состав которых вводят пластификаторы (до 5 %),придающие материалу гибкость, эластичность, называют пласти-фицированными.

Существует две группы пластмасс: сырьевые и поделочные. Сы-рьевые пластмассы выпускаются в виде пресс-порошков, крошки,гранул различной формы и размеров; поделочные пластмассы —в виде листов, блоков, пленок и т. д. (например, текстолит, эбонит,органическое стекло и др.).

В зависимости от способов получения и вида связей между мо-лекулами полимеров, а также их свойств различают три класса пла-стмасс: термореактивные, термопластичные и пресс-материалы.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) — это материа-лы, которые под воздействием теплоты и давления переходят в не-плавкое и нерастворимое состояние, могут перерабатываться толь-ко один раз методом прессования на прессах, при повторном на-гревании теряют способность к формованию. К реактопластам от-носятся аминопласты, фторопласты, фенопласты и др.

Термопластичные пластмассы (термопласты) — это материа-лы, которые неоднократно перерабатываются литьем под давлени-ем. Термопласты вторично обратимы. Это — полиэтилен, полисти-рол, капрон и др.

Пресс-материалы — это сложные по составу смеси, состоящиеиз синтетических смол (связующих), наполнителей, отвердителей,смазывающих веществ, красителей и др.

Характеристика компонентов, входящих в состав пластмасс.На основе фенолформальдегидных смол получают самое большоеколичество пластмасс. Фенолформальдегидная смола получается пу-тем поликонденсации фенола и формальдегида. Фенолформальде-гидные смолы подразделяются на новолачные1 и резольные. Ново-лачные смолы термопластичные, а резольные — термореактивные.

Новолачные смолы, идущие на производство лаков, называют-ся идитолами. При введении в состав новолачной смолы отверди-теля (уротропина) смола становится термореактивной. На основеноволачных смол получают пресс-материалы и пресс-порошкиК-18-2, К-17-2, К-17-56, которые идут на изготовление волокнитов,клеев, лаков и др.

1 Название смолы получилось от нового лака, который стали выпускать изфенолформальдегидной смолы вместо природного вещества шеллака.




колледж




колледж

»

197

На основе резольных фенолформальдегидных смол получаютпресс-материалы типа К-214-42, К-211-2. Эти смолы обладают вы-сокими диэлектрическими свойствами. Из пресс-порошков на ихоснове выпускают электроизоляционные детали (корпуса электро-счетчиков, электроарматуру, электровыключатели, электророзеткии др.), а также волокниты, слоистые пластики, клей типа БФ и др.Спиртовой раствор резольной фенолформальдегидной смолы на-зывается бакелитовым лаком, который широко применяется дляпропитки обмоток электродвигателей.

Фенолфурфурольные смолы — это смолы, полученные путемреакции поликонденсации фенола с фурфуролом. На их основе по-лучают пресс-материалы, которые обладают более высокой текуче-стью и однородностью, чем фенолформальдегидные смеси. Фенол-фурфурольные смолы используются при изготовлении изделийсложной конфигурации в тех же областях, где применяются изде-лия на основе фенолформальдегидных смол.

Карбамидные смолы получают путем поликонденсации карба-мида (синтетической мочевины) или меланина и некоторых другихсоединений с формальдегидом. Карбамидные смолы бесцветны,поэтому пресс-порошки на их основе можно окрашивать в любыецвета. Карбамидные смолы не токсичны, и поэтому изделия из нихмогут использоваться при изготовлении посуды, тары и товаровнародного потребления. Материалы на основе этих смол достаточ-но жаростойкие, их применяют для изготовления абажуров дляламп, светильников, а также для декоративной отделки помеще-ний.

На основе мочевинофурфурольной смолы выпускаются пресс-порошки с общим названием аминопласты. В промышленностиприменяются аминопласты марки А, идущие на изготовление про-свечивающих изделий, и марки Б — для непрозрачных изделий.

Эпоксидные смолы выпускаются твердыми и жидкими. Болеераспространены жидкие смолы, так как их легко перерабатыватьв изделия. При отверждении жидких эпоксидов требуется добав-ка отвердителей. Эпоксидные твердые смолы отвердевают толь-ко при повышенных (120 … 200 °С) температурах и применяются ввиде шпатлевок и др. Жидкие эпоксидные смолы отвердевают привведении отвердителя как при нагреве, так и при охлаждении, при-меняются в виде клеев и связующего при производстве стеклопла-стиков. Эпоксидная смола, применяемая для склеивания материа-лов (например, стали), создает высокую прочность деталей на раз-рыв и изгиб. В промышленности наибольшее распространениеполучили жидкие эпоксидные смолы марок ЭД-5, ЭД-6.




колледж




колледж

»

198

Полиэфирные смолы — это полимеры, получаемые методом по-ликонденсации многоатомных спиртов (глицерина, этиленгликоляи др.) с двух- или многоосновными кислотами (фолиевой, адипино-вой и др.). Эти смолы химически стойки, обладают высокими ди-электрическими свойствами. Жидкие полиэфирные смолы затвер-девают при небольшой температуре (до 60 °С) без значительногодавления. На их основе изготавливаются жаростойкие мебельныелаки, большой ассортимент изделий из стеклопластиков (трубы,листовой материал, крупногабаритные изделия — корпуса яхт, ло-док и т. д.).

Наполнители — это природные дешевые, доступные матери-алы, которые добавляют в пресс-материалы с целью приданияспециальных свойств и снижения стоимости получаемых изде-лий. Наполнители бывают органические (лигнин, древесная мукаи др.) и неорганические (слюда, тальк, графит и др.). Наполните-ли подразделяются на порошковые (тальк, каолин, древеснаямука, графит), крошкообразные (опилки, бумажная, текстолито-вая, асбестовая крошка и др.), волокнистые (стекловолокно, ас-бестовое волокно, вата).

Пластмассы, выпускаемые с наполнителем в виде волокон, на-зываются волокнитами. Пластмассы, выпускаемые со слоистымнаполнителем, называются слоистыми пластиками (текстолит, ге-тинакс, асботекстолит и др.). В качестве наполнителя в слоистыхпластиках применяют ткани (асбестовые, хлопчатобумажные, син-тетические, стекловолокнистые), бумагу, древесину и др.

Отвердители — вещества, применяемые для ускорения про-цесса поликонденсации (реакции отвердения). Для каждого видасмолы применяется определенный вид отвердителя. Например,для отверждения новолачной смолы при изготовлении изделийиз пресс-порошков в качестве отвердителя применяется уротро-пин.

Некоторые смолы (фенолформальдегидные, фенолфурфуроль-ные, кремнийорганические и др.) могут отвердевать при повышен-ной температуре без добавок отвердителя.

Стабилизаторы — это различного рода органические и мине-ральные вещества, добавляемые для стабилизации свойств матери-ала, увеличения их службы.

Смазывающие вещества увеличивают текучесть пресс-мате-риала, уменьшают трение между составными частями композициипресс-порошка, исключают прилипание пресс-материала к пресс-формам. В качестве смазывающих веществ применяют стеарино-вую и олеиновую кислоты.




колледж




колледж

»

199

Красители могут быть неорганического и органического про-исхождения. Неорганические красители (пигменты) — это оксидыметаллов (свинца, хрома, цинка), органические — жаростойкиепигменты, лаки и др.

9.3. ТЕРМОПЛАСТЫ

Основные свойства термопластов. Термопласты — это классматериалов, которые в результате нагрева плавятся под давлением,заполняют полости литьевой формы и при охлаждении сохраняютполученную форму. Термопласты могут перерабатываться не-однократно, в основном методом литья под давлением и экструзией,сохраняя при этом свои физико-химические, механические и тех-нологические свойства. Это — полиэтилен, капрон, полистирол,полиамид и другие полимеры.

Переработка термопластов существенно отличается от перера-ботки реактопластов из-за различия их свойств. Характерное отли-чие процесса переработки термопластов от реактопластов заклю-чается в том, что литьевая форма при получении изделий из термо-пласта охлаждается, а при получении изделий из реактопластовпресс-форма нагревается.

Виды термопластов. Полиэтилен — это эластичный материалбелого цвета, полученный из этилена (бесцветного газа) реакциейполимеризации. В зависимости от степени давления при реакцииполимеризации различают полиэтилен высокого, среднего и низ-кого давления.

Полиэтилен высокого давления имеет низкую плотность, твер-дость, меньший предел прочности и низкую термостойкость. Притемпературе 115 °С кристалличность уменьшается и полиэтиленстановится аморфным. Усадка при охлаждении полиэтилена высо-кого давления примерно 5 %. Полиэтилен среднего и низкого дав-ления обладает высокой кристалличностью, термостойкостью,плотностью, пределом прочности, он более стоек против кислот ирастворителей и менее газопроницаем. При охлаждении усадка со-ставляет 1,0… 2,5 %. Полиэтилен обладает высокими диэлектричес-кими свойствами.

Полиэтилен перерабатывается в изделия методом экструзии,литьем под давлением, прессованием и штамповкой.

Широкое применение нашли также термопласты на основе по-лимеров и сополимеров хлорида винила.




колледж




колледж

»

200

Поливинилхлорид (ПВХ) получается полимеризацией хлоридавинила. При термической обработке на вальцах или этажных прес-сах получается твердый материал — листовой винипласт. Экстру-зией из винипласта получают трубы и листовой или блочный мате-риал.

Винипласт обладает высокой механической прочностью и боль-шой химической стойкостью. Винипласт идет на футеровку (обли-цовку) емкостей электролизных и травильных ванн, трубопрово-дов, работающих с агрессивными веществами (кислотами, щелоча-ми). Из винипласта изготавливаются клапаны, аккумуляторныебанки и др.

Пластифицированный ПВХ называется пластикатом, кото-рый идет на изготовление стойкого к истиранию линолеума и при-меняется для изготовления оболочек электрических кабелей, га-лантерейных товаров и др.

Листовой пластикат — продукт полимеризации стирола с ме-тилметакрилатом. Имеет высокую прозрачность, бензо- и водо-стойкость, окрашивается в различные цвета и оттенки, перераба-тывается в изделия методом литья под давлением. Из листовогопластиката изготавливают прозрачные детали к автомашинам:шкалы приборов, подфарники, стекла и другие изделия.

Литьевой пластикат — сополимер стирола с метилметакри-латом и акриловой кислотой. Он стоек к бензину, маслам, легкоокрашивается в различные цвета и перерабатывается методом ли-тья под давлением. Из литьевого пластиката делают детали авто-ручек, карандашей, фломастеров, канцелярские изделия, игруш-ки и т. д.

Сополимер стирола — продукт полимеризации стирола и акри-ловой кислоты. Этот материал прозрачен, имеет высокую стой-кость к щелочам, легко окрашивается в различные цвета, имеетглянцевую поверхность, обладает диэлектрическими свойствами.Из него изготавливают смотровые стекла в химических аппаратах,телефонные аппараты, детали для радиоприемников, телевизоров,выключатели и др.

Сополимер СПН — продукт сополимеров стирола, акриловойкислоты с искусственным каучуком, обладает высокой прочно-стью, кислотостойкостью, бензо- и маслостойкостью, окрашивает-ся в различные цвета. Сополимер СПН выпускается в виде гранули листов различных марок, перерабатывается экструзией, литьемпод давлением, прессованием. Из него изготавливают корпуса те-лефонных аппаратов, радиоприемников, телевизоров, игрушки иразличные галантерейные товары.




колледж




колледж

»

201

Фторопласты — продукт полимеризации фторопроизводныхэтилена. В зависимости от свойств выпускают фторопласт-3 и фто-ропласт-4.

Фторопласт-3 — роговидный, прозрачный в тонких слоях мате-риал (в зависимости от толщины) от бесцветного до темно-корич-невого цвета. Он имеет высокую твердость, ударную вязкость, тем-пературу плавления 210 °С, высокие диэлектрические свойства,химически стоек, не растворяется ни в одной кислоте или щелочи.Фторопласт-3 перерабатывается в изделия методом прямого прес-сования, экструзией и штамповкой и применяется в электротехни-ческой, химической, авиационной, пищевой и медицинской про-мышленностях. При введении во фторопласт асбеста, стекловолок-нита, фольги и металлических порошков значительно повышают-ся его физико-механические свойства.

Фторопласт-4 — порошкообразный материал белого цвета. Поро-шок фторопласта-4 таблетируют прессованием при комнатной темпе-ратуре и высоком давлении. Изделия из него обладают высокой хла-дотекучестью, влагоустойчивостью, кислотостойкостью и химичес-кой стойкостью. Фторопласт-4 применяется как изоляционный мате-риал в виде листов, лент, дисков. В химической промышленности изнего делают трубы, гибкие шланги, прокладки, уплотнители, манже-ты и т. д. Из фторопластов делают различные суспензии, которыеприменяют для покрытия проводов и различных изделий.

9.4. СЛОИСТЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Общая характеристика. Слоистые пластмассы составляют осо-бую группу. Технология их получения существенно отличается отполучения других видов пластмасс. Процесс получения слоистогоматериала заключается в следующем. Набираются пакеты из листо-вого материала и связующих смол (в виде пропитки или порошка),затем их загружают на плиточные этажные прессы и прессуют привысоком давлении и температуре.

Этим способом получают слоистые пластики, наполнителем вкоторых являются волокнистые материалы. Под воздействием теп-лоты и давления при определенной выдержке из рыхлых матери-алов получается монолитный листовой материал. Таким способомполучают как наполненные (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит,асботекстолит), так и ненаполненные пластмассы (листовой вини-пласт, листовой полистирол, полихлорвинил и др.). В качестве на-




колледж




колледж

»

202

полнителей применяются рулонная бумага, хлопчатобумажные,синтетические, асбестовые ткани, вата, нити и другие листовые инитевидные материалы.

Пластмассы с наполнителем из этих материалов изготавливают-ся иным способом.

Пропитывание тканей жидкой смолой производится на шахт-ных пропиточно-сушильных агрегатах. Ткань с рулона поступаетв пропиточную ванну, в которой находится смола в жидком виде(водная эмульсия, спиртовый раствор формальдегидной или поли-эфирной смол). Пропитанная ткань проходит через отжимныевалики, где удаляется избыток смолы, подсушивается, охлаждает-ся, раскраивается на куски, из которых формируются пакеты изатем прессуются на этажных гидравлических прессах. В резуль-тате переработки получается листовой материал, блоки, монолиты.

Свойства и область применения листовых пластмасс. Тексто-лит — слоистый пластик на основе хлопчатобумажной ткани ифенолформальдегидной смолы. Текстолит имеет высокую проч-ность, водостойкость, теплостойкость до температуры 125 °С, низ-кий коэффициент трения в паре со сталью, высокую износостой-кость. Эти его свойства используются для изготовления бесшум-ных и долговечных подшипников скольжения, выдерживающихбольшие нагрузки. Например, из текстолита изготавливают под-шипники скольжения для прокатных станов в металлургии, различ-ного вида шестерни, которые при работе бесшумны и не требуютсмазки. Текстолит обладает высокими электроизоляционнымисвойствами, поэтому широко применяется в качестве диэлектрикапри изготовлении электротепловых приборов, панелей, электро-приборов, корпусов и др.

Текстолит выпускается в виде листов и плит различной толщи-ны от 0,3 до 70 мм. Текстолит толщиной до 8 мм называется листо-вым, а свыше — блочным.

Асботекстолит — конструкционный материал на основе ас-бестовой ткани и фенолформальдегидной смолы, кислотостоек,теплостоек до 250 °С. Применяется как фрикционный материал втормозных колодках, дисках сцепления, идет на изготовление тер-мостойких прокладок и т. д.

Гетинакс — конструкционный материал на основе бумаги,пропитанной фенолформальдегидной смолой. По своим качествам(электроизоляционным свойствам) гетинакс превосходит тексто-лит, но более хрупок, широко используется при изготовлении мас-ляных трансформаторов, так как маслостоек. Выпускается в виделистов толщиной 0,5 … 50,0 мм, стержней, трубок. Используется




колледж




колледж

»

203

также как конструкционный и отделочный материал при производ-стве кухонной мебели, бытовых электроприборов, лабораторныхстолов и т. д.

Древесно-слоистые пластики — конструкционные материалына основе древесных листов (шпона), пропитанных резольной фе-нолформальдегидной смолой.

Выпускаемые на этой основе пластики имеют специальные на-звания. Дельта-фанера применяется для получения легких жест-ких конструкций. Из нее изготавливали во время Великой Отече-ственной войны корпуса торпедных катеров, легких самолетовтипа У-2. Листовые материалы из стружки или волокон на основефенолформальдегидной и фенолфурфурольных смол подразделя-ются на древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты. Этилистовые материалы широко применяются при изготовлении кор-пусной мебели в качестве теплоизоляционных и отделочных дета-лей.

Стеклопластики. Особую группу представляют сравнительнонедавно полученные конструкционные материалы на основе поли-меров на стекловолокнистой или стеклотканевой основе под об-щим названием стеклопластики. В зависимости от типа связующе-го и наполнителя, технологических режимов, свойств и методов пе-реработки материала в изделия стеклопластики подразделяются надве группы. Первая группа — стеклопластики на основе фенол-формальдегидных, кремнийорганических, карбомидных и другихсмол, требующие для переработки в изделия высоких температур(180 °С и выше) и давления (250… 1 000 МПа (25… 100 кг/см2)). Этоттип стеклопластиков выпускается в основном в виде листов, шифе-ра, деталей с небольшими габаритными размерами, так как требу-ется сложная оснастка, крупногабаритные прессы и высокое дав-ление.

Другая группа стеклопластиков на основе ненасыщенных поли-эфирных и эпоксидных смол получается с помощью «холодного»отверждения при обычных температурах контактным методом бездавления.

Контактный метод получения изделий из стеклопластиков за-ключается в следующем. Сначала изготавливают нестандартнуюформу из дерева, гипса или другого материала, которому можнолегко придать любую форму, даже сложной конфигурации. На этуформу накладывается лист стеклоткани, производятся пропитыва-ние или наполнение полиэфирными или другими смолами «хо-лодного» отверждения, затем накладывается следующий слойткани и т. д. Таким методом можно получить изделие заданной




колледж




колледж

»

204

формы с любой толщиной, например маломерные прогулочныелодки и т. п.

Контактный метод применяется также при изготовлении круп-ногабаритных конструкций, например корпусов яхт, катеров, ин-дивидуальных, разовых изделий крупных размеров (корпусаспортивного гоночного автомобиля, корпуса обтекателя метеоро-логических ракет и т. п.).

При массовом изготовлении конструкций больших размеров(автоцистерн, железнодорожных цистерн, емкостей для храненияи перевозки муки и других продуктов и т. д.) допускается неболь-шой подогрев материала в процессе их изготовления. Это позволя-ет сократить время отверждения материала и увеличить прочностьизделия.

9.5. РЕЗИНЫ

Общие сведения. Изделия из резины обладают специфическимисвойствами: высокой эластичностью, большими обратными дефор-мациями (упругость), стойкостью к воздействию масел, растворите-лей, кислот, щелочей, незначительной водо- и газопроницаемостью,хорошими диэлектрическими свойствами, высокой прочностью, из-носостойкостью, способностью работать при пониженных и повы-шенных температурах. Все это обусловило ее широкое исполь-зование в различных областях промышленности. Основными потре-бителями резиновых изделий являются современный транспорт,электротехническая промышленность, горнодобывающая и уголь-ная отрасли, сельскохозяйственные машины. Резина идет на изго-товление игрушек, одежды, предметов гигиены, санитарии и др.

Резина изготавливается на основе каучука с добавлением 10 —15 разнообразных веществ (ингредиентов) и представляет собоймногокомпонентную систему. В конце цикла производства резинаприобретает ценные технические свойства в результате вулкани-зации, т.е. нагрева резиновой смеси с серой. Технические свойстварезин зависят главным образом от применяемого типа каучука иингредиентов.

В процессе эксплуатации резиновые детали соприкасаются срастворителями, бензином, маслами, агрессивными средами, под-вергаются низким и высоким температурам и т. д., поэтому созда-ние резин, обладающих стойкостью к вышеуказанным факторам,весьма важная задача. Это стало возможным благодаря примене-




колледж




колледж

»

205

нию синтетических каучуков, а введением различных ингредиен-тов в состав резин на основе натуральных каучуков лишь частич-но удается уменьшить набухание резины.

Масло- и бензостойкие резиновые изделия изготавливаются наоснове бутадиен-нитрильных или хлоропреновых каучуков, тепло-стойкие резиновые детали — на основе силаксановых и фторсо-держащих полимеров. Сопротивление динамическим деформаци-ям и износу автомобильных шин достигается применением нату-ральных, изопреновых и бутадиеновых, а также бутадиен-стироль-ных каучуков.

Натуральный каучук. Каучук, полученный из растений, называ-ется натуральным. Каучуковые деревья произрастают в странах стропическим климатом: Индонезии, Индии, Бразилии, Шри-Ланке.Высота бразильской гевеи достигает 30 м и более. Кора дерева над-резается, и из млечных сосудов вытекает слабощелочной сок — на-туральный латекс, в котором имеются мельчайшие частицы каучу-ка — глобулы. При воздействии на латекс водой, уксусной или му-равьиной кислотой оболочка глобул разрушается, образуя каучук.Этот процесс называется коагуляцией латекса. Полученный каучукпромывают водой, отжимают, листуют на вальцах, сушат и прессу-ют в кипы массой до 114 кг.

Натуральный каучук выпускается двух видов: смокед-шитс исветлый креп. Основными свойствами натурального каучука явля-ются пластичность и эластичность.

Пластичность — свойство материала сохранять часть дефор-мации после прекращения внешних воздействий на сырую, невул-канизированную резину. При этом за счет пластичности можно из-готовить заготовки различной формы и размеров.

Эластичность — это способность уже вулканизированных де-талей изменять свою форму под действием внешней нагрузки имоментально восстанавливать первоначальную форму после сня-тия нагрузки.

Резиновая смесь. Любая резиновая смесь состоит из каучука идругих компонентов, называемых ингредиентами. Содержание врезиновой смеси каучука колеблется в очень широких пределах от6 до 92 %. Введение ингредиентов в состав резиновой смеси и вул-канизация существенно изменяют свойства каучука. Ингредиентыв зависимости от их назначения подразделяются на следующиегруппы:

каучуки натуральные и синтетические;вулканизующие вещества — сера, фенолформальдегид-ная смола, оксиды металлов;




колледж




колледж

»

206

ускорители вулканизации — тиурам, тиазол, дитиокар-бонаты, сульфанамиды, гуанидины, альтакс, каптакс;активаторы вулканизации — оксиды цинка, свинца, маг-ния, стронция, кальция, кадмия, висмута;противостарители — фенолы, амины, диариламины,эфиры, фосфористые кислоты, воски, парафины, сан-тофлекс;пластификаторы (мягчители) — вещества, получаемыеиз нефти, переработки каменного угля, растительногопроисхождения, жирные кислоты (нафталины, нефтя-ные смолы, рубракс, нефтяной пек, каменноугольныесмолы, канифоль, гарпиус, сосновая смола, олеиноваякислота и т. д.);наполнители — сажи ДГ-100, ДУГ-88, ТМ-70, ТМ-50,ТМГ-33, ТМ-30, ТМ-15, минеральные наполнители (кол-лоидная кремний-кислота, оксид алюминия, фторидкальция, каолины, бентонит, диатомит, оксид магния,цинка, мел, барит, гипс, пемза, тальк, молотая слюда);красители — неорганические и органические пигменты,титановые белила;порообразующие вещества для губчатых резин;абразивные вещества для шлифовальных материалов;антипирины, снижающие горючесть резины;фунгициды для тропических резин;опудривающие материалы.

При изготовлении резиновых смесей применяются также веще-ства, которые облегчают обработку каучука и ингредиентов, —диспергаторы, активаторы, повышающие клейкость смесей, про-питочные материалы, повышающие клейкость смесей с тканями.

Эбонит. Эбонит, или твердая резина, — это жесткий, вязкийматериал, обладающий некоторой эластичностью и гибкостью.В эбонитах содержится значительно больше серы, чем в мягкихрезинах, поэтому процесс вулканизации протекает при меньшихтемпературах и времени. Эбонит высокого качества — это смесьнатурального каучука и серы. Для повышения прочности эбони-та, кислотостойкости и тепло- и маслостойкости, а также улучше-ния диэлектрических свойств в смесь вводят различные компо-ненты.

Наполнителями эбонитовых смесей служат эбонитовая илиугольная пыль, пластификатором — вазелиновое масло. Сажу вво-




колледж




колледж

»

дят в ограниченном количестве (3 … 5 %), так как она ухудшает ди-электрические свойства. Являясь хорошим диэлектриком, химичес-ки инертным, водостойким, эбонит используется в автотракторной,химической, радио- и электротехнической промышленности. Изнего изготавливают эбонитовые стержни, пластины, аккумулятор-ные емкости и комплектующие детали к ним.


1. На какие группы по источникам сырья подразделяются неме�таллические материалы?

2. Какие материалы называются пластмассами?3. Что такое полимеры?4. Какие пластмассы называются наполненными и почему?5. Чем различаются термореактивные и термопластичные пласт�

массы?6. Каков состав пресс�материалов?7. Какие существуют виды наполнителей?8. Перечислите основные виды термопластов, их характерные

свойства и области применения изделий из них.9. Расскажите о способах получения слоистых пластмасс.

10. Расскажите о способах получения листовых пластмасс.11. Каковы преимущества и недостатки синтетических каучуков

по сравнению с натуральными?12. Назовите вулканизующие вещества.13. Каково назначение технического углерода (сажи) в резиновой

смеси?14. Перечислите резинотехнические изделия и области их приме�

нения.15. Что такое эбонит и где он применяется?




колледж




колледж

»

208

Глава 10

АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ АБРАЗИВНОГОМАТЕРИАЛА

Абразивный материал, применяемый для шлифования и изго-товления абразивного инструмента, весьма многообразен и в зави-симости от назначения подразделяется на следующие группы:

наполнители;связующие;материалы (легированные и другие добавки), повышаю-щие механические, физические, химические и эксплуа-тационные свойства абразивных инструментов.

Основу абразивного инструмента (порошков, паст) составляютнаполнители, которые непосредственно участвуют в процессешлифования и полирования изделий из конструкционных матери-алов. В качестве наполнителей применяются следующие группыестественных минералов и искусственных материалов:

карбиды бора (B4C), вольфрама (WC), кремния (SiC), мо-либдена (Mo2C), тантала (TaC), титана (TiC), хрома(Cr2C3) и др.;нитриды алюминия (AlN), бора (BN), кремния (Si3N4),тантала (TaN), титана (TiN) и др.;бориды кремния (SiB3), тантала (TaB2), титана (TiB2) и др.;силициды вольфрама (W3Si3), титана (TiSi2) и др.;оксиды алюминия (Al2O3), железа (Fe2O3), кремния (SiO),хрома (Cr2O2), титана (TiO2) и др.

К твердым естественным (природным) материалам, применяе-мым в качестве наполнителей, относятся алмаз, гранат, корунд,кварц, кремень и наждак; к мягким естественным материалам —пемза, оксид хрома, графит, глинозем и др. К искусственным ма-




колледж




колледж

»

209

териалам относятся карбид бора, карбид кремния, электрокорундразличных модификаций, искусственный алмаз и др.

10.2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Алмаз. Алмаз — самый твердый природный минерал, представ-ляющий собой модификацию углерода кристаллического строения.В естественных условиях алмазы встречаются в виде отдельныхмонокристаллов, их обломков или сросшихся кристаллов — агрега-тов различной величины и массы. Кристаллы или агрегаты кристал-лов могут иметь форму куба и призм (октаэдра, ромбододекаэдраи др.).

Алмаз — относительно чистый, прозрачный (бесцветный, окра-шенный или матовый) материал. В отдельных алмазах могут бытьпримеси в виде оксидов железа, кремния, алюминия и других ме-таллов. В зависимости от примесей алмазы бывают голубые, жел-тые, зеленые, коричневые, красные и черные. Общая суммарнаямассовая доля примесей достигает 4,8 %. Алмазы обладают высоки-ми механическими свойствами, твердостью, износостойкостью,высокой прочностью при изгибе, сжатии и кислотостойкостью.В определенных условиях (температура, давление, состояние рабо-чего тела) алмаз может растворяться в соде, натриевой, калиевойселитре и расплавах щелочей.

Износостойкость алмаза в 100 — 200 раз выше, чем у других аб-разивов, и в 5 000 — 10 000 раз выше, чем у твердых сплавов. Твер-дость алмаза по шкале минералов (Мооса) — 10 единиц (наивыс-шая), плотность — 3,40 … 3,54 г/см3, предел прочности при изгибеσи = 300 МПа, предел прочности при сжатии — σсж = 2 000 МПа, мо-дуль упругости — Е = 900 ГПа. Упругость алмазов в 1,5 раза выше,чем у твердых сплавов и в 2,5 раза выше, чем у карбида кремния.Алмаз хрупок, имеет низкое сопротивление изгибу и вибрациям,обладает адгезионными свойствами (прилипаемость). При повыше-нии температуры (до 900 °С и выше) адгезия возрастает. Массаалмаза измеряется в каратах (1 кар = 0,2 г). В природе в чистомвиде алмаз встречается в виде кристаллов различной величины имассы и добывается россыпным путем.

В зависимости от структуры, формы кристаллов и свойств раз-личают следующие разновидности природных алмазов:

балласы — алмазы, имеющие шарообразную непрозрач-ную структуру кристаллов;




колледж




колледж

»

210

борты — алмазы, имеющие искаженную структуру;карбонадо — алмазы, имеющие мелкодисперсную струк-туру с порами (имеет самую высокую твердость).

В практике по назначению различают два вида алмазов:ювелирные — чистые, прозрачные, разного цвета мине-ралы;технические — как правило, непрозрачные, крупные ми-нералы, обладающие ценными физико-механическимисвойствами (теплостойкостью, прочностью, вязкостью,твердостью, износостойкостью в абразивных средах икислотостойкостью).

Основная масса добываемых в России алмазов — это техничес-кие алмазы. Алмазы в виде кристаллов и порошков применяютсядля оснащения режущих инструментов (токарные резцы, фрезы,резцы для правки абразивных кругов, пил для резки и обработкикамня, точения твердых и вязких материалов, таких как эбонит,вулканит, сплавы меди и др.). Алмазные зерна в свободном неза-крепленном состоянии, порошки и алмазная пыль применяютсядля шлифования и полирования различных твердых материалов(твердых сплавов, драгоценных камней и других труднообрабаты-ваемых материалов).

Кроме того, для этих целей и заточки твердосплавного инстру-мента применяются абразивные круги с алмазным напылением. Ал-мазно-металлические карандаши, ролики и державки (с начеканен-ными отдельными алмазными зернами) применяются для правкиразличного абразивного инструмента.

Из алмазов, не имеющих изъянов, изготавливают резцы для ал-мазной обработки, наконечники твердомеров, волоки (для волоче-ния проволоки) и различные инструменты для правки шлифоваль-ных кругов. Из некачественных алмазов изготавливают алмазныемикропорошки и пасты. Кроме того, алмазные вставки применяют-ся для оснащения буровых коронок, шарошек, фильер, волок, рез-ки стекла и др.

Широкое применение в машиностроительной практике нашламеталлизация алмазов, которая производится электролитическим,вакуумным напылением, химическим и электрохимическим мето-дами. При металлизации зерна алмаза покрываются тонким слоеммеди, никеля, серебра, титана и их сплавов, что устраняет мелкиедефекты алмазов (трещины, поры и раковины). Металлы оказы-вают цементирующее действие на поверхности зерен алмаза, чтоприводит к увеличению прочности агрегатов алмазов в 1,5—2,5 раза.




колледж




колледж

»

211

С помощью металлизации увеличиваются размеры агрегатов, со-стоящих из 3 — 10 отдельных алмазных зерен. Абразивный инстру-мент (металлизированные карандаши, оправки, накатки и др.) об-ладают более высокой износостойкостью и абразивной способно-стью, чем неметаллизированные алмазы.

Гранат. Гранаты — это минералы сложного химического соста-ва (оксиды алюминия, железа, хрома и других элементов в соедине-нии с кремнекислотой). Гранаты относятся к сложной группе сили-катов. Гранаты в зависимости от химических элементов, входящихв их состав, имеют различные цвета: желтый с медным оттенком(гроссуляр), буро-красный или черный (андрадит), изумрудно-зеле-ный (уваровит), красный (альмандин), темно-красный (пироп), оран-жево-желтый (спессартин) и другие цвета со стеклянным блеском.В добываемых рудах массовая доля граната составляет 15 %. В обо-гащенных концентратах она достигает 45 … 90 %. В качестве есте-ственных (природных) абразивных материалов (наполнителей) ис-пользуют зерна граната изоформной (примерно одинаковые разме-ры по всем трем направлениям) формы (альмандин, пироп, спессар-тин). Из граната делают шлифпорошки и шлифзерно, которые идутна изготовление шлифовальной шкурки для обработки древесины,пластмасс и других мягких материалов. Также порошками гранатаобрабатывают стекло.

Корунд. Корунд — это природный (безводный) минерал (Al2O3),состоящий из оксида алюминия. Может содержать примеси: кварци другие минералы, которые с оксидом алюминия образуют хими-ческие соединения. Примеси существенно снижают абразивныесвойства инструментов. Корунд может быть серого, синеватого, бе-лого, красноватого, желтоватого, зеленоватого цветов. Прозрачныеразновидности корунда относятся к драгоценным камням и носятособые названия: красный — рубин, синий — сапфир, бесцвет-ный — лейкосапфир. Корунд обладает следующими свойствами:плотность составляет 4 г/см3, теплостойкость — 1 700… 1 800 °С, аб-разивная способность (зерно № 16 по стеклу) А. с. — 0,135 единиц,микротвердость — 19 · 103…22 · 103 МПа, твердость по шкале мине-ралов (Мооса) составляет 9 единиц, уступая алмазу.

Кварц (диоксид кремния). Кварц — это породообразующий ми-нерал (одна из кристаллических модификаций диоксида кремнияSiO2), состоящий из кремнезема, кварца и глины. В природе кварцвстречается в виде гальки и горных пород светло-серого, желтогои черных цветов. В качестве абразивных материалов применяетсякварц с содержанием оксида кремния (SiO2) не менее 96 % и окси-да кальция (CaO) не более 1 %. Кварц используют как абразивный




колледж




колледж

»

212

материал в виде шлифзерна и шлифпорошков, которые идут на из-готовление шлифовальной шкурки для обработки древесины, эбо-нита, кожи и других мягких материалов.

Наждак. Наиболее распространенная мелкозернистая горнаяпорода, состоящая из кварца, корунда, магнетита и других минера-лов, — наждак. Цвет наждака серо-черный, красно-черный и чер-ный. В некоторых сортах наждака массовая доля корунда достига-ет 20… 30 % (1-й сорт) и 12…18 % (2-й сорт). Наждак имеет следую-щие свойства: плотность 4,1 г/см3, теплостойкость 1 700… 1 800 °С,абразивная способность (зерно № 16 по стеклу) А. с. — 0,105 единиц,микротвердость 19 · 103…22 · 103 МПа. Из-за разнородности хими-ческого состава наждак находит ограниченное применение для из-готовления скоростного абразивного (механического) инструмента.Из него делают шлифзерно и шлифпорошки, которые идут на изго-товление ручного абразивного (заточного и шлифовального) инст-румента: брусков, точил, оселков, шлифовальной шкурки, а такжемельничные (низкооборотные) жернова. Кроме того, наждак приме-няется в виде шлифовальных паст.

10.3. ИСКУССТВЕННЫЕ АБРАЗИВНЫЕМАТЕРИАЛЫ

Карбид бора. Карбид бора — это химическое соединение борас углеродом. Абразивный материал из карбида бора получают вэлектрических печах путем восстановления коксом борного ангид-рида. Он имеет сложный химический состав, серовато-черногоцвета, плотный. По шкале минералов (Мооса) твердость карбидабора равна 9,32 единицы, несколько уступая алмазу, но превышаяпоказатели электрокорунда и карбида кремния. Шлифпорошки ишлифзерно из карбида бора имеют острые кромки, которые улуч-шают их абразивную способность. Шлифпорошки и микропорош-ки из него применяются в виде паст и порошков для шлифованияинструмента из твердых сплавов и чугунов.

Карбид кремния (карбокорунд). Карбид кремния — это абра-зивный материал, представляющий собой химическое соединениеуглерода с кремнием. Сырьем для производства карбида кремнияявляются кварц, кварцевые пески и кварциты с содержанием в нихне менее 99,0 … 99,5 % оксида кремния. Кроме того, при производ-стве применяется нефтяной кокс и антрацит. Промышленностьпроизводит карбид кремния черного или зеленого цвета, который




колледж




колледж

»

213

зависит от химического состава и массовой доли примесей. Карбидкремния зеленый имеет более высокую абразивную способность,твердость и меньшую хрупкость. Он применяется для изготовле-ния абразивного инструмента, шкурки и паст. Абразивные инстру-менты из карбида кремния зеленого делают на всех видах связок.Его применяют для обдирочного и чистового шлифования и довод-ки деталей из чугуна, титана, твердых сплавов, меди, алюминия идругих твердых и вязких материалов. Кроме того, этим инструмен-том обрабатывают гранит, мрамор и различные горные породы.

Карбид кремния черный — более мягкий и хрупкий материал,имеет меньшую абразивную способность, чем карбид кремния зе-леный. Абразивный инструмент из карбида кремния черного навсех видах связок применяется для обработки твердых, хрупких ивязких материалов: чугунов, бронз, твердых сплавов и др. (шлифо-вания, тонкого шлифования и полирования порошками, пастами,шкурками). Кроме абразивного инструмента карбид кремния при-меняется в производстве кислотостойких и огнеупорных изделий, атакже в электронагревательных приборах (силит). По шкале мине-ралов (Мооса) карбид кремния имеет твердость 9,1 единицы.

Карбид кремния черный обозначается 53С и 54С, карбид крем-ния зеленый — 62С, 63С и 64С. Условный числовой индекс карби-да кремния устанавливается в зависимости от массовой доли кар-бида кремния, которая составляет 96,0 … 99,5 %.

Электрокорунд. Электрокорунд — искусственный абразивныйматериал, состоящий из оксида алюминия и различных примесей иполучаемый плавкой глиноземсодержащего сырья или бокситов вэлектрических печах. Полученную в электропечах массу дробят,пропускают через сито, очищают и сортируют по величине. Из элек-трокорунда делают различный абразивный инструмент, шлифоваль-ные шкурки и пасты. Следует отметить, что в России объемы про-изводства инструмента из корунда и электрокорунда различныхгрупп и марок занимают первое место. Выпускаются несколько ви-дов электрокорунда: нормальный, белый, хромистый, хромотитани-стый, титанистый, циркониевый, монокорунд и сферокорунд. Этивиды электрокорунда отличаются друг от друга химическим соста-вом, цветом, твердостью, пористостью и абразивной способностью.

Электрокорунд нормальный (12А, 13А, 14А 15А и 16А) выпус-кается розового, коричневого или синего цвета в виде шлифзернаи шлифпорошков. Условный индекс указывает на массовую долюоксида алюминия (92 … 95 %). Электрокорунд нормальный состоитиз корунда и примесей (оксид магния, кальция, кремния и железа).Оксид железа обусловливает адгезию частиц шлифуемого матери-




колледж




колледж

»

214

ала, а другие примеси увеличивают хрупкость материала. Электро-корунд нормальный обладает прочностью, теплостойкостью, из-завысокой сцепляемости зерен со связкой — высокой вязкостью. Аб-разивный инструмент из элекрокорунда нормального применяет-ся для обдирочных работ (на органических связках), шлифования(на органических и неорганических связках) и скоростного шли-фования. Шлифпорошки применяются для тонкого шлифования иполирования.

В электрокорунде белом (22А, 23А, 24А и 25А) массовая доляоксида алюминия составляет 98,0 …99,5 %. Чем больше содержаниеоксида алюминия, тем выше условный индекс. Электрокорунд бе-лый обладает более высокой абразивной способностью, чем элек-трокорунд нормальный, так как имеет однородный химический со-став, высокую прочность, острые кромки зерен, которые хорошосамозатачиваются. Применяется для шлифования и отделочныхработ труднообрабатываемых твердых металлов и их сплавов, за-каленных стальных деталей. Шлифпорошки и шлифовальные пас-ты, изготовленные из электрокорунда белого, применяются такжедля тонкого шлифования и полирования.

Электрокорунд хромистый (32А, 33А и 34А) благодаря высо-кому содержанию оксида хрома (2 %) имеет высокие механическиесвойства, твердость и абразивную способность. Выпускается ввиде шлифзерна и шлифпорошков, которые идут на изготовлениеразличного абразивного инструмента для шлифования при высо-ких скоростях резания различных конструкционных сталей.

Электрокорунд хромотитанистый (91А, 92А) имеет высокиепрочность, твердость и абразивную способность. Абразивный ин-струмент из этого материала делают на всех видах связок и приме-няют для окончательного шлифования закаленных стальных заго-товок.

Электрокорунд титанистый (37А) состоит из оксида титанаи оксида алюминия, имеет высокую вязкость. Абразивный инстру-мент из этого материала применяют для обработки сталей, в томчисле термически обработанных.

Электрокорунд циркониевый (38А) состоит из диоксида цир-кония и оксида алюминия и имеет мелкокристаллическую структу-ру, высокую прочность, твердость. Стойкость абразивного инстру-мента из электрокорунда циркониевого в 10 — 40 раз выше, чеманалогичного инструмента из электрокорунда нормального. Абра-зивный инструмент из электрокорунда циркониевого применяет-ся при силовом резании (обдирка, шлифование при высоких ско-ростях и режимах).




колледж




колледж

»

215

Монокорунд (43А, 44А и 45А) — это зерна корунда, сцементи-рованные сульфидами алюминия, кальция и титана. Монокорундполучают в электродуговых печах сплавлением бокситов с суль-фидом железа и восстановителями. Полученную массу подверга-ют одной из следующих обработок: гравитационной, магнитной,химической или гидрообработке. После рассева на ситах зернаимеют изометрическую форму и обладают высокими механичес-кими и абразивными свойствами. Абразивный инструмент дела-ют на керамической связке и применяют для шлифования леги-рованных сталей и сплавов. Шлифпорошки, паста и шлифоваль-ная шкурка на основе монокорунда применяются на отделочныхи доводочных операциях стальных труднообрабатываемых дета-лей.

Сферокорунд состоит из глинозема в виде полых корундовыхсфер. Инструмент из сферокорунда применяется для шлифованиямягких материалов: цветных металлов, пластмасс, резины и др.

Синтетические алмазы. Синтетические поликристаллическиеалмазы — это абразивный материал, полученный методом каталити-ческого синтеза графита при высоких температурах. Этот матери-ал получают в виде шлифпорошков и микропорошков несколькихмарок. Шлифпорошки и микропорошки отличаются друг от другаразмерами зерен, методами производства и контроля. Из синтети-ческих алмазов производят также субмикропорошки с размерамизерен 0,07… 0,30 мкм. Шлифпорошки и микропорошки с помощьюметаллической связки наносят на стержни, диски, цилиндры и дру-гой абразивный инструмент. В настоящее время промышленностьвыпускает несколько марок синтетических алмазов: АСО, АСР, АСВ,АСК, АСС, САМ, АСТ и др.

Из микропорошков синтетических алмазов изготавливают раз-личные пасты нормальной, повышенной и высокой концентрации(в зависимости от содержания в них зерен синтетических алма-зов). По степени смываемости с полируемых поверхностей дета-лей различают пасты смываемые водой, органическими раст-ворителями и водой и растворителями. Зернистость этих паст ко-леблется от 60 мкм и практически до нуля.

Шлифпорошки из синтетических алмазов получают методомрассева на ситах. Зернистость шлифпорошков колеблется в пре-делах 40 … 630 мкм. Микропорошки (зернистость 1… 40 мкм) полу-чают методом осаждения в специальной жидкости. Контроль зер-нистости микропорошков проводят микроскопическим методом.

Шлифпорошки и микропорошки из синтетических алмазовпрактически всех марок применяются для изготовления абразив-




колледж




колледж

»

216

ного инструмента на органических, керамических и металлическихсвязках. Синтетические алмазы по своим свойствам незначитель-но уступают природным алмазам. Самым прочным синтетическималмазом является алмаз марки АСС. Его зерна имеют прочностьвыше прочности природного алмаза и блочную форму в виде агре-гатов. Абразивный инструмент из алмаза марки АСС применяетсядля обработки и бурения горных пород, рубина, корунда, правкиабразивных кругов (шарошки, коронки, отрезные круги и др.).Марки синтетических алмазов САМ и АСТ имеют крупные зерна(0,6 … 1,6 мм) без изьянов, трещин и химически чистые. По физи-ко-химическим свойствам они не уступают природным алмазам.

Синтетические алмазы, так же как и природные алмазы, ме-таллизируют. Металлизированные синтетические алмазы с помо-щью металлической связки наносят на абразивный инструмент(рис. 10.1).

Техническое стекло. Техническое стекло — это абразивный ма-териал, получаемый из боя оконного, витринного стекла или стек-лянной посуды. После механической обработки (дробления, рассе-ва) получают шлифзерно и шлифпорошки, из которых делают шли-фовальную шкурку для обработки древесины.

Паста ГОИ. Из оксида алюминия, железа и других химическихматериалов, в том числе алмаза, получают различные шлифоваль-ные и полировальные порошки и пасты: паста ГОИ, паста хромо-вая литая, паста алмазная, абразивная суспензия и др. Паста ГОИсостоит из следующих химических веществ: оксид хрома, силика-гель, стеарин, жир, двууглекислая сода, олеиновая кислота и керо-син. Массовая доля этих элементов зависит от марки пасты. Выпус-кают пасту трех сортов: грубого, среднего и тонкого. Сорт зависитот величины зерна и массовой доли оксида хрома. Например, вмарке пасты тонкого сорта оксид хрома составляет 74,5 %, а в мар-ке грубого сорта — 84,5 %.

Паста ГОИ выпускается в виде цилиндров диаметром 25 …30 мм и длиной 50…60 мм и находит широкое применение в опти-ческой, приборостроительной, инструментальной и ювелирной про-мышленности.

Рис. 10.1. Нанесение металлизированныхсинтетических алмазов на аб�разивный инструмент:

1 — корпус инструмента; 2 — слой алмазнойкрошки




колледж




колледж

»

217

10.4. СВЯЗКА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Связка — это материал, с помощью которого шлифзерно цемен-тируется и формируется в абразивный инструмент определенныхразмера и формы. В процессе шлифования шлифзерно с помощьюсвязки прочно удерживается в абразивном круге и самозатачивает-ся об обрабатываемую деталь. Затупившееся зерно своевременноудаляется с помощью той же обрабатываемой детали. Поры в связ-ке служат процессу образования стружки и ее отвода (рис. 10.2).

Связки бывают органического и неорганического происхожде-ния. К органическим связкам относятся:

бакелитовая — силиконовый каучук (Б);вулканитовая — фенолформальдегидная смола (В);глифталевая — фталевый ангидрит плюс глицерин (ГФ);каучуксодержащая (К);поливинилформалевая (ПФ);эпоксидная (Э).

Органические связки эластичны, имеют высокую ударную вяз-кость, но низкую теплостойкость.

К неорганическим связкам относятся:керамическая (К);

Рис. 10.2. Схема шлифования:1 — абразивное зерно; 2 — мостик связки; 3 — поры; 4 — стружка; 5 — об�рабатываемая деталь




колледж




колледж

»

218

металлическая (обозначение в зависимости от компози-ции металлов);магнезиальная (М);силикатная (С);перлитовая (П).

Неорганические связки имеют высокие механические свойства,абразивную способность и высокую теплостойкость.

Органические связки. Основу бакелитовой связки составля-ет бакелитовая (фенолформальдегидная) смола. Цвет бакелитовойсвязки — коричневый. При нагреве пламенем чувствуется запахсмолы (фенола). В зависимости от технологических особенностейобразуется бакелитовая связка следующих разновидностей: Б1 —пульвебакелит с другими наполнителями; Б2 — жидкий бакелит; Б3 —бакелитовая специальная связка; БУ — связка для кругов, армиро-ванных стеклосеткой. Цифровой индекс, приведенный после бук-венного обозначения, указывает на технологию изготовления аб-разивного инструмента. Например, бакелитовые связки Б1 приме-няются для изготовления кругов методом прокатки. Бакелитоваясвязка Б2 применяется для изготовления кругов из зерен природ-ного, синтетического алмаза и эльбора. При этом в связку добав-ляются металлические порошки.

Инструмент на бакелитовой связке применяется для обдироч-ных работ, выполняемых вручную и на подвесных станках плоско-го шлифования торцом круга, отрезки заготовок, прорезки пазов(вместо фрезерования), заточки инструмента для обработки тон-ких изделий, где опасен пережог. Бакелитовые связки имеют не-высокую теплостойкость (150 … 180 °С) и низкую стойкость к ще-лочным смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ). При высокойтемпературе инструмент размягчается, связка выгорает, абразив-ные зерна углубляются в массу тела инструмента и режут поверх-ность на небольшую глубину. Это позволяет шлифовать деталиболее высокого класса, чем при других видах связок. Круги на ба-келитовой связке длительное время сохраняют режущие свойстваза счет самозатачивания зерен и допускают шлифование при боль-ших скоростях (оборотах). Абразивные инструменты на бакелито-вой связке рекомендуется использовать для плоского шлифования,где более интенсивно происходит самозатачивание кругов. Бакели-товая связка оказывает на обрабатываемую деталь полирующиедействия. Инструмент с этой связкой имеет высокие прочность иэластичность. Высокая эластичность абразивного инструмента набакелитовой связке позволяет применять его для шлифования и




колледж




колледж

»

219

полировочных работ. Структура инструмента — плотная и проч-ная, поэтому круги на бакелитовой связке могут быть изготовленытолщиной до 0,5 … 1,0 мм при диаметре 150 … 200 мм. Бакелитоваясвязка идет на изготовление абразивного инструмента из карбидакремния черного и электрокорунда нормального.

Основу вулканитовой связки составляет силиконовый каучук.Цвет инструмента на вулканитовой связке — от коричневого дочерного. При нагреве пламенем чувствуется запах горелой резины.Существуют следующие разновидности вулканитовой связки: В —связка натрийбутадиеновая для инструмента, изготавливаемого навальцах с последующей вулканизацией; В1 и В2 — связка специ-альная; В3 — связка для инструмента, изготавливаемого прессова-нием в резиносмесителях, формируется и вулканизируется.

Шлифовальные круги на вулканитовой связке имеют высокуюпрочность, эластичность и влагостойкость и применяются для бес-центрового шлифования. При шлифовании на них допускаютсявысокие скорости абразивных кругов. Вулканитовая связка такжеиспользуется для изготовления тонких кругов. Недостатком вулка-нитовой связки является быстрое засаливание круга.

Глифталевая связка применяется с графитовым наполнителем.Абразивный инструмент на глифталевой связке имеет волокнистоестроение, высокие упругость и ударную вязкость и применяетсяпри отделочных операциях закаленных сталей (тонкое шлифова-ние, полирование, доводка).

Каучуксодержащая связка применяется для изготовления ал-мазной шлифовальной ленты. Связка наносится на лавсановуюткань. По жесткости каучуксодержащая связка подразделяется натри группы: эластичная (Р1, Р4), полужесткая (Р9) и жесткая (Р14).На каучуксодержащей связке изготавливается водостойкая поли-ровальная шкурка из эльбора на тканевой основе. В эти связки дляускорения процесса изготовления шлифовального материала иулучшения его свойств добавляют вулканизаторы, мягчители, ста-билизаторы, ускорители и наполнители (оксид цинка, оксид магнияи др.).

Поливинилформальдегидная и эпоксидная связки применяютсякрайне редко, поэтому их рассматривать не будем.

Неорганические связки. Этот тип связки составляет огнеупор-ная глина и различные стекла. Основой керамической связки яв-ляются полевой шпат и тальк. Существуют следующие разновид-ности керамической связки: К3 — для кругов из карбида кремния;К5 — для кругов из электрокорунда белого; К7 — для мелкозерни-стых абразивных инструментов; К8 — для абразивного инструмен-




колледж




колледж

»

220

та из электрокорунда всех групп и марок и др. По физико-химичес-ким и технологическим свойствам керамическая связка бываетдвух видов: плавящаяся (стекловидная) и спекающаяся (фарфоро-видная). Для оптимизации технологии получения абразивного ин-струмента на керамической основе в пресс-материал добавляютклеющие вещества: жидкое стекло, декстрин и сульфитный щелок.Керамическая связка обладает высокими механическими свойства-ми, огнеупорностью, водостойкостью и стойкостью против СОЖ,но хрупкая при изгибе. Применяется для инструмента всех видовшлифования (кроме обдирки из-за хрупкости связки): для резки ипрорезания узких пазов, плоского шлифования желобов, колецшариковых подшипников. Абразивный инструмент на керамичес-кой связке хорошо сохраняет профиль, имеет высокую пористостьи способен отводить теплоту, может развивать большие скоростирезания и допускает применение охлаждающих жидкостей. Дляабразивного инструмента для скоростного шлифования в керами-ческую связку добавляют легирующие элементы (оксид бора, ок-сид лития и других металлов). Легирующие элементы улучшают аб-разивную способность инструмента.

Основу металлической связки составляют композиции алю-миния, вольфрама, железа, кобальта, никеля, олова, цинка и другихметаллов. Металлическая связка обозначается в зависимости откомпозиции металлов (например, М1, М4, МК, М9, МО3 и др.). Ме-таллическую связку из мягких металлов (олова, меди, цинка) леги-руют металлическими порошками более твердых металлов (вольф-рам, железо, никель) и частицами сплавов и силикатов. В отдель-ные металлические связки добавляют материалы наполнителей аб-разивных инструментов (карбид бора, карбид кремния, электроко-рунд). Особенностью металлической связки является ее более вы-сокая прочность, ударная вязкость, тепло- и жаростойкость посравнению с другими видами связок, поэтому для повышения экс-плуатационных свойств в связки добавляют порошки металлов. На-пример, в бакелитовую связку добавляют железный порошок, в ре-зультате чего абразивный инструмент будет иметь высокие абра-зивные свойства.

В основном на металлической связке изготавливают абразив-ный инструмент из синтетических алмазов. Основой для абразив-ных алмазных инструментов являются вольфрамокобальтовые, же-лезоникелевые, медно-оловянные композиции.

Основу магнезиальной связки составляет смесь магнезита ихлорида магния. Эта связка обладает термореактивными свойства-ми. При смешивании фракций связки происходит самоотвержде-




колледж




колледж

»

221

ние на воздухе, и связка переходит в неплавкое состояние. Абра-зивный инструмент на магнезиальной связке имеет низкую абра-зивную способность, обладает повышенной гигроскопичностью, атакже быстро стачивается, меняя форму и профиль. Магнезиаль-ная связка из-за этих недостатков имеет ограниченное примене-ние.

Основу силикатной связки составляет силикат натрия (раство-римое стекло) в смеси с оксидом цинка, мелом и глиной. Абразив-ный инструмент на силикатной связке препятствует выделениютеплоты и поэтому применяется для плоского шлифования тонкихизделий из конструкционных сталей. Цементирующая способ-ность абразивных зерен низкая, поэтому абразивные инструмен-ты на силикатной связке обладают низкими эксплуатационнымисвойствами и имеют ограниченное применение.

10.5. ХАРАКТЕРИСТИКА АБРАЗИВНОГОИНСТРУМЕНТА

Зернистость. Зернистость — это размеры зерен шлифовальногоматериала. Абразивные зерна имеют неправильную форму, длина,высота и ширина зерен имеют различную величину, изометричныезерна по всем трем направлениям имеют одинаковые размеры. Аб-разивное сырье подвергается дроблению, размолу, обогащению,рассеву на различных типах сит (гидравлические, пневматические,вибрационные и др.). Зернистость классифицируют по номерам, ко-торые показывают параметры частиц основной фракции шлифо-вального материала в сотых долях миллиметра. Зернистость шлифо-вального материала и инструмента определяет вид шлифовальныхработ (грубая, черновая, чистовая, тонкая обработка) и качествообрабатываемой поверхности, поэтому она является одной из глав-ных характеристик шлифовальных кругов.

При черновом и обдирочном шлифовании применяется абра-зивный инструмент с крупными зернами, при чистовом — с мел-кими. Размер абразивных зерен является основной характери-стикой абразивного материала. Размер зерен обозначается соот-ветствующим номером, который соответствует числу отверстий наодин дюйм длины сита, через которое просеивается абразивныйматериал.

Абразивный материал в зависимости от зернистости подразде-ляется на следующие виды и номера:




колледж




колледж

»

222

крупная зернистость (шлифзерно): 320, 250, 200, 160, 125,100, 80, 63;средняя зернистость (шлифпорошки): 50, 40, 32, 25, 20, 16;мелкая зернистость (микропорошки): 12, 10, 8, 6;тонкая зернистость (тонкие микропорошки): 5, 4, 3, М63,М50, М40, М28, М20, М14, М10, М7, М5, М3, М2, М1.

При просеивании абразивных порошков через ряд сит крупнаяфракция задерживается на втором сите. Эта фракция является ос-новной и определяет главную характеристику зернистости — раз-мер зерна.

За номер зернистости микропорошков принимается верхнийпредел фракции (размер ячеек сита, на которых задерживаетсязерно). Например, шлифзерно под номером 200 будет иметь раз-мер 200 мкм; номер М20 — 20 мкм. Содержание основной фрак-ции в зерне: Н — нормальное, П — повышенное, В — высокое,Д — допустимое.

Содержание основной фракции нормируется в процентах к об-щей массе наполнителя абразивного инструмента. На практике за-воды выпускают абразивный инструмент с содержанием основнойфракции до 60 %.

Твердость. Твердость абразивных инструментов является однойиз их главных характеристик. Практика показывает, что для шли-фования мягких материалов выбирают твердый круг, а для твер-дых материалов — мягкий. От правильности выбора твердости ин-струмента зависит качество шлифования и стойкость абразивногоинструмента.

Твердость абразивного инструмента зависит от количества и ка-чества связки, т. е. от материала, который служит опорой для абра-зивных зерен и удерживает их во время операции шлифования.Термины «твердый» или «мягкий» относятся не к абразивным ма-териалам (зернам), а к сопротивлению связки действию распада,прочности сцепления зерна с массой круга. В мягком круге абра-зивное зерно выкрашивается легко и быстро, в твердом — наобо-рот.

Твердость абразивного инструмента определяется методом Рок-велла или пескоструйным методом по глубине лунки, а также позвуковому индексу (ГОСТ 52587—2006). Установлены следующиеобозначения твердости абразивных кругов:

весьма мягкий — ВМ1 и ВМ2;мягкий — М1, М2 и М3;среднемягкий — СМ1 и СМ2;




колледж




колледж

»

223

средний — С1 и С2;среднетвердый — СТ1, СТ2 и СТ3;твердый — Т1 и Т2;весьма твердый — ВТ1 и ВТ2;чрезвычайно твердый — ЧТ1 и ЧТ2.

Например, инструмент из микропорошка марки М14 при глуби-не лунки 4,60… 5,00 мм будет иметь твердость М3 (мягкий), инстру-мент с номером зернистости 50 при глубине лунки 0,75 … 0,90 ммбудет иметь твердость ЧТ.

В настоящее время для определения степени твердости введензвуковой индекс, который применяется для кругов диаметром бо-лее 250 мм. Система определения твердости по звуковому индек-су основана на прохождении звука через абразивный инструмент.Чем выше твердость абразивного инструмента, тем больше длинаволны звукового сигнала.

Соответствие звуковых индексов степени твердости для абразив-ного инструмента на керамической связке представлено в табл. 10.1.

Выбор инструмента по твердости осуществляется с учетом видаобработки. Например, твердости ВТ — ЧТ (ВТ1, ВТ2, ЧТ1 и ЧТ2)

итсодревтинепетсвоскеднихывокувзеивтстевтооС.1.01ацилбаТекзявсйоксечимареканатнемуртсниогонвизарбаялд

ьнепетСитсодревт скеднийовокувЗ ьнепетС

итсодревт скеднийовокувЗ

огоньламронаднурокорткелэзИ , оголеб , оготсинатитоморх

1М 14ИЗ 1С 15ИЗ


3М 54ИЗ 1ТС 55ИЗ

1МС 74ИЗ 2ТС 75ИЗ


огонелезяинмеркадибракзИ




2МС 75ИЗ




колледж




колледж

»

224

выбираются для правки абразивных инструментов, шлифованиядеталей шарикоподшипников (шариков, роликов, колец) и обди-рочных работ.

Абразивные инструменты твердости ВМ1, ВМ2, М1, М2, М3,СМ1 и СМ2 применяются для заточки и доводки режущего инст-румента, оснащенного твердыми сплавами, шлифования трудно-обрабатываемых специальных легированных сталей и компози-тов.

Если выбрали круг, по твердости не соответствующий твердо-сти шлифуемого материала, то следствием этого могут быть заса-ливание круга и ожоги шлифуемой детали (откаливание), быстроеизнашивание и выкрашивание круга.

Структура абразивного инструмента. Под структурой абразив-ного инструмента понимают процентное соотношение абразивныхзерен, связки и пор.

Установлено двенадцать основных и шесть дополнительныхномеров структур:

№ 1 — 4 — плотная (закрытая) (рис. 10.3, а);№ 5 — 8 — средняя (рис. 10.3, б );№ 9 — 12 — открытая (рис. 10.3, в);№ 13 — 18 — высокопористая (дополнительная) (рис. 10.3, г).Номера структур условно обозначают процентное содержание

зерен в абразивном инструменте. За основу взята структура № 1.В этой структуре установлено в общей массе (объеме) инструмен-та 60 % абразивных зерен. Последующие номера структур имеютна 2 % зерен меньше. Таким образом, структура № 2 содержит 58 %зерен в объеме круга, структура № 12 — 38 %.

Объем зерен в плотной структуре составляет 2/3 общего объе-ма инструмента, а 1/3 составляют связка и поры; в открытой струк-туре 1/3 объема составляет зерно, а 2/3 — связка и поры.

Рис. 10.3. Структуры абразивного инструмента:а — плотная; б — средняя; в — открытая; г — высокопористая




колледж




колледж

»

Структура (пористость) абразивного инструмента имеет боль-шое влияние на процесс шлифования. Основную массу абразивно-го инструмента выпускают с объемной структурой 35 … 40 %.

В практике применяются также абразивные инструменты с вы-сокопористой структурой. Абразивный инструмент с высокопори-стой структурой (№ 13— 18) успешно применяется при скоростномшлифовании. При этом происходит быстрый отвод теплоты, умень-шается засаливание круга и обеспечивается высокая производи-тельность шлифования.


1. Назовите группы абразивного материала (наполнителей) похимическому составу.

2. Перечислите естественные и искусственные абразивные ма�териалы (наполнители) и дайте их характеристику.

3. Дайте краткую характеристику алмаза и его применения пришлифовании.

4. Дайте краткую характеристику пасты ГОИ.5. Что такое связка абразивного инструмента и как она класси�

фицируется?6. Что такое зернистость абразивного материала и как она

обозначается?7. Назовите методы определения твердости абразивного мате�

риала.8. Каковы определение, обозначение и характеристика структу�

ры (пористости) абразивного инструмента?




колледж




колледж

»

226

Глава 11

ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ.КОМПОЗИТЫ

11.1. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения. Лакокрасочные материалы — это материалы,применяемые для покрытий (лакирования, окрашивания, грунтова-ния и шпатлевания) поверхностей деталей, изделий и конструкций.Лакокрасочные материалы состоят из различных компонентов,каждый из которых несет определенную функцию. Составляющиекомпоненты лакокрасочных материалов, растворяясь в раствори-телях, образуют лакокрасочные композиции, которые при нанесе-нии на поверхности деталей, изделий и конструкций образуют ла-кокрасочные покрытия (рис. 11.1).

Отдельную группу лакокрасочных покрытий составляют по-крытия специального назначения (антисептические, адгезион-ные, кислото-, масло- и бензостойкие, а также светящиеся, свето-отражающие, теплостойкие и др.).

Некоторые лакокрасочные покрытия специального назначенияиспользуются, например, в оформлении светящихся дорожныхзнаков, шкал приборов (покрытия светятся в ультрафиолетовыхлучах).

Известно, что ежегодно 10…12 % мировой добычи металла теря-ется в результате коррозии, и это при том условии, что более 80 %поверхности металла в изделиях подвергают антикоррозионной за-щите с помощью лакокрасочных покрытий.

Рис. 11.1. Схема лакокрасочного по�крытия:

1 — шлифуемая поверхность; 2 — слойшпатлевки; 3 — лакокрасочные покрытия;4 — полированная поверхность




колледж




колледж

»

227

Лакокрасочные покрытия защищают материалы от разруше-ния, коррозии (металлы), гниения (древесина). Защитное действиелаков, красок, эмалей основано на том, что при нанесении лако-красочных покрытий и воздействии различными методами (есте-ственными окислителями, повышенной температурой, сиккатива-ми и др.) в покрытиях происходит реакция полимеризации, в ре-зультате чего образуются прочные полимерные пленки, которые изащищают материалы от воздействия окружающей среды. Одно-временно с этим осуществляется декоративная отделка, придаетсянеобходимый цвет.

Существует широкая гамма цветов и оттенков красок и лаков,что позволяет подобрать любой необходимый цвет, удовлетворяю-щий потребителя.

В нашей стране, как и во всем мире, научно-исследовательскиеинституты и лаборатории ведут исследования и работы по получе-нию новых видов лакокрасочных покрытий, совершенствуются ме-тоды и технологии их нанесения, изучаются механизмы защитногодействия лаков, красок, эмалей, грунтовок и шпатлевок.

Компоненты лакокрасочных материалов. В состав лакокрасоч-ных материалов входят пленкообразующие вещества, пластифика-торы, сиккативы, пигменты, красители, наполнители, отвердители,антистарители (специальные добавки), поверхностно-активные ве-щества, растворители и разбавители.

Пленкообразующие материалы — это основа лакокрасоч-ных композиций, представляющая собой высокомолекулярныесоединения (полимеры) с добавлением легирующих элементов.В качестве пленкообразующих материалов применяются расти-тельные масла, природные и синтетические смолы (канифоль,бакелит, полиэфирные и эпоксидные смолы), эфиры, целлюлозыи др. От химического состава пленкообразующего материалазависит качество, свойства и декоративность лакокрасочногопокрытия.

Пластификаторы (мягчители) — это компоненты, придаю-щие гибкость и эластичность лакокрасочному покрытию и пленками смягчающие поверхность детали. В качестве пластификаторовиспользуются кастероль, касторовое масло и др.

Сиккативы вводят в лакокрасочные композиции для ускорениязатвердевания пленок, так как пленкообразующие на основе рас-тительных масел (олиф) и других материалов требуют длительно-го времени для высыхания. В качестве сиккативов используютсоли свинца, марганца, кобальта, цинка, образованные смолянымии нафтеновыми кислотами, растворяемыми в уайт-спирите, а так-




колледж




колледж

»

228

же различные нафтенаты (свинцово-марганцевый, свинцовый,марганцевый, кобальтовый и др.). Кроме того, применяют уксус-ный свинец, карбонат кобальта и др.

Пигменты — это вещества, вводимые в лакокрасочные ком-позиции для придания им определенного цвета, непрозрачнос-ти и укрывности. Кроме того, пигменты повышают механичес-кие, физические и химические свойства лакокрасочных покры-тий (атмосферную, коррозионную, термическую и механичес-кую стойкость), отражают или поглощают свет, снижают влаго-набухаемость пленки и обладают рядом других ценных свойств.В качестве пигментов применяются органические природные ве-щества (ализарин, пурпур, индиго и др.), минералы (бирюза, ла-зурит, малахит и др.), оксиды металлов (оксид цинка, оксид ти-тана, диоксид свинца и др.). Пигменты выпускаются в виде по-рошков тонкодисперсного помола. Порошки, смешиваясь в ра-створителе, образуют лакокрасочные суспензии различных цве-тов. В настоящее время лакокрасочная промышленность распо-лагает сотнями пигментов различных цветов. Кроме пигментовв лакокрасочные композиции в отдельных случаях добавляюткрасители.

Красители — это вещества органического происхождения оп-ределенного цвета. Красители растворяются в растворителях и об-разуют с ними композиции с высокими малярными свойствами.В практике применяются несколько тысяч красителей различныхсоставов и свойств.

Наполнители — вещества, добавляемые в краски для увеличе-ния консистентности и придания им специальных свойств: анти-коррозионности, светостойкости, теплостойкости, водостойкости,атмосфероустойчивости, укрывности и др. В качестве наполните-лей используют мел, тальк, полевой шпат, пудру и порошки различ-ных металлов.

Отвердители — это вещества, способствующие отверждению(схватыванию, загустению) лакокрасочных покрытий. Некоторыелакокрасочные материалы (например, эпоксидной группы), облада-ющие способностью к плавкости и низкой консистентностью, само-стоятельно не твердеют. Высыхание и улетучивание растворителейв композиции без определенных веществ не происходит. После вве-дения отвердителя (№ 4, 6М и др.) лакокрасочная поверхность бы-стро высыхает и твердеет.

Антистарители (((((антиоксиданты) — это вещества, препят-ствующие преждевременному образованию полимера (старению)лакокрасочных покрытий. Они нейтрализуют влияние кислорода




колледж




колледж

»

229

воздуха, уменьшают хрупкость. В качестве антистарителей приме-няются фенольные смолы и др.

Поверхностно-активные вещества добавляются в лакокра-сочные композиции для повышения адгезии (прилипаемости), обра-зования равномерной дисперсной суспензии, улучшения смачивае-мости поверхности. В качестве этих веществ используют солижирных кислот, полимеры, соликоновое масло и др. Поверхностно-активные вещества обеспечивают прочную укрываемость лако-красочных покрытий и равномерную поверхность композиции.

Растворители и разбавители — это различные по природе,химическому составу и свойствам вещества, растворяющие компо-ненты лакокрасочных композиций.

Растворители подразделяются на основные и комбинирован-ные.

К основным растворителям относятся ацетон, большая группабензинов-растворителей, уайт-спирит, бензол и пиробензол, раз-личные спирты и др. Для производства масляных красок, эмалей илаков в качестве растворителей применяются олифы различногохимического состава и марок.

К комбинированным растворителям и разбавителям (30, 645,646, 647, 649, Р-4, Р-5, Р-6 и др.) относится большая группа смесейэтилового спирта с этилцеллюзольвом, смол, ксилола, бутилацета-та, эфиров и ароматических углеводородов. Комбинированные ра-створители применяются для растворения пленкообразующихкомпонентов и красителей лаков, красок, эмалей, грунтовок ишпатлевок.

Разбавители в отличие от растворителей не растворяют компо-ненты, а доводят лакокрасочную композицию до нужной малярнойконсистенции, снижают вязкость, обеспечивают технологию каче-ственного лакокрасочного покрытия. Одним из требований,предъявляемых к растворителям и разбавителям, является их бы-страя испаряемость, которая обеспечивает быстрое схватываниекомпозиции и образование лакокрасочной пленки высокого каче-ства.

Свойства лакокрасочных материалов. Лакокрасочные матери-алы обладают рядом свойств.

Адгезия (прилипаемость) — это свойство лакокрасочных мате-риалов сцепляться с укрываемой поверхностью и образовывать наэтой поверхности прочную пленку.

Атмосферостойкость — это стойкость лакокрасочных покры-тий к воздействию атмосферных осадков, колебаний температур,солнечных лучей, влаги и др.




колледж




колледж

»

230

Масло- и бензостойкость — это стойкость лакокрасочных по-крытий к воздействию различных масел, бензина и других продук-тов нефтепереработки.

Кислото- и химическая стойкость — это стойкость лакокра-сочных покрытий к агрессивным средам (кислоты, щелочи и дру-гие химические жидкости, продукты и реагенты).

Малярная консистентность — это рабочая вязкость, обус-ловливающая наилучший режим окрашивания. Необходимую кон-систентность определяют в зависимости от технологии нанесениялакокрасочных материалов на поверхность (распылением, вали-ком, кистью, окунанием, наливом).

Теплостойкость — это стойкость лакокрасочных покрытий кповышенным температурам и их колебаниям.

Шлифуемость и полируемость — это способность лакокрасоч-ных покрытий после шлифования и полирования образовыватьгладкую (зеркальную) поверхность.

Эластичность, пластичность и вязкость означают способ-ность лакокрасочных покрытий мягко реагировать на внешнююдеформацию, действующую за счет приложенной нагрузки, безобразования разрывов, трещин и сколов. Вязкость — свойство, оп-ределяемое в консистентном состоянии методом истечения.

Стандартом установлены требования к лакокрасочным матери-алам и лакокрасочным покрытиям более чем по 50 свойствам. Каж-дое из этих свойств имеет свои параметры и проверяется по спе-циально установленной методике.

Классификация лакокрасочных материалов. Все лакокрасоч-ные материалы объединены в группы исходя из вида пленкообра-зующего вещества, на основе которого они изготовлены. Созданоболее 30 групп материалов. Группы лакокрасочных материалов иусловное обозначение пленкообразующего состава установленыГОСТ 9825—73*.

Лакокрасочные материалы (композиции) классифицируются последующим параметрам:

по химическому составу пленкообразующих компонен-тов;назначению;особенностям свойств отдельных групп;номеру композиции;цвету.

Основные характеристики лакокрасочных материалов (условно,номерами или текстом) отражаются в маркировке композиций.




колледж




колледж

»

231

11.2. КЛЕИ

Классификация клеев. Клей — это композиция на основе поли-мерных или природных материалов, присадочный материал, при-меняемый для получения прочных неразъемных соединений. Со-единение деталей производят путем нанесения клея на соприкаса-ющиеся поверхности деталей, конструкций и изделий из различ-ных материалов (древесины и полуфабрикатных изделий из нее,картона, пластиков, пластмасс, тканей и других материалов, в томчисле металлов и их сплавов).

Клеи классифицируют по различным признакам. По источникусырья различают клеи:

животного происхождения (органические, белковые) —глютиновые (мездровые, костные, рыбные), альбумино-вые, казеиновые;растительные — каучуковые, на основе масличных ибелковых растений, декстрина (модифицированногокрахмала) и натурального крахмала;природные — асфальтовые, битумные, силикатные;синтетические — карбамидные, фенолформальдегид-ные, поливинилацетатные (ПВА), резольные, мочевин-ные и специальные.

По виду (форме) клеевого материала клеи подразделяют:на твердые (плитко- и крошкообразные);порошкообразные (мелкая бело-желтая мука, мелкаястружка, лапша);пастообразные (замазки, пасты, клеевые массы);полужидкие;жидкие;пленкообразные.

По способу отверждения клеи подразделяют на клеи холодно-го отверждения при температуре 18 … 20 °С и горячего отвержде-ния при температуре свыше 80 °С (под гидравлическим горячимпрессом).

По стойкости (обратимости) клеевой массы (шва) различаютклеи:

вторично обратимые (термопластичные);вторично необратимые (термореактивные);




колледж




колледж

»

232

вторично растворимые в воде при температуре 50…70 °С;вторично нерастворимые и необратимые при любыхусловиях.

Свойства и требования к клеям. С целью образования прочно-го соединения клеевого шва все группы и марки клеев должны об-ладать следующими свойствами:

адгезия (прилипаемость) к склеиваемым поверхностям;когезия (образование монолитности в сочетании с при-липаемостью и пластичностью);жесткость клееной конструкции;прочность (в том числе склеиваемого шва);пластичность;диффузионная способность (при склеивании металлов иматериалов, имеющих атомно-кристаллическое строе-ние);водо-, атмосферо-, влаго- и кислотостойкость;схватываемость (отверждение);проницаемость (в поры древесины);тепло- и хладостойкость;неплавкость;нерастворимость;рабочая (долговременная) стойкость, или клеящаяработоспособность (жизнеспособность);долговременная сохранность и др.

Клеи для склеивания металла, абразивов и фрикционных из-делий. Для склеивания металлических конструкций (приборы,часовые механизмы, точное машиностроение, авиа-, ракето-, авто-,судо- и вагоностроение, абразивы и фрикционные изделия) приме-няется большая группа клеев:

фенолформальдегидные и резорцинформальдегидные(модифицированные) клеи и смолы;универсальные клеи на основе полиуретановых, эпок-сидных и других смол: полиамидной, акриловой, пер-хлорвиниловой;клеи на основе натурального и синтетического каучука.

Из этих видов клеев самым известным и широкоприменяемымявляется клей группы БФ (фенолополиацетатный). Кроме того, так-же широко применяется клей резиновый группы 88 марок 88Н,




колледж




колледж

»

233

88НП, 88НП-35, 88НП-43 и 88НП-130. Эти клеи относятся к груп-пе универсальных. Ими можно склеивать различные по своей при-роде и химическому составу материалы. Например, к черным ицветным металлам и их сплавам можно приклеивать древесину,стекло, резину, пластмассы, текстолит, гетинакс и другие матери-алы, получая при этом прочные конструкции.

Для склеивания металлов (сталь + сталь, алюминий + алюминийи др.) применяется большая группа клеев холодного отверждения(цианакрилатный с добавками и без них, полиакрилатный, моди-фицированный полиакрилатный, эпоксидный с катализатороми др.). Способ склеивания — контактный. Рабочая температура —55 … 150 °С (в зависимости от марки). Способ нанесения клея —шпателем, выдавливание из туба или с помощью аппликатора.Применяется для склеивания различных металлических конструк-ций (в том числе и на конвейере), от которых требуется высокаястойкость к ударным и знакопеременным нагрузкам.

Замазки. Замазки — это присадочный материал, применяемыйдля крепления деталей и конструкций, создания герметичности иплотности различных вакуумных и гидравлических систем и при-боров. Замазки применяются в машиностроении, приборострое-нии, строительстве и других отраслях промышленности.

Кроме того, производится большая группа специальных зама-зок: водо-, газо-, кислото-, теплостойких, широко применяемых вмашиностроении, приборостроении, в системе различных трубо-проводов, строительстве и быту.

11.3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения. Композиционные материалы (композиты)представляют собой неоднородные системы, полученные путемобъединения различных веществ (компонентов), не растворимыхдруг в друге, с образованием монолитной структуры.

Композиционные материалы состоят из двух компонентов:матрицы и наполнителей. Следовательно, композиционные мате-риалы — это высокопрочные волокна (наполнители), заключенныев связующую матрицу. Волокна представляют собой каркас из ме-таллических или неметаллических нитей, проволоки, расположен-ных в матрице в продольном или поперечном направлениях. Этоткаркас может быть в виде цепи атомов металлов в массе другого ма-териала, например керамики, алюминия, никеля и др.




колледж




колледж

»

234

Матрицей называется связующий непрерывный компонент вовсем объеме материала. Свойства матрицы определяют технологиюполучения композита и его эксплуатационные характеристики:плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивле-ние усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

По своей природе матрицы бывают на металлической и неме-таллической основе. В качестве матрицы на металлической основеприменяются алюминий, магний и никель. Металлическая матри-ца, не растворяясь в наполнителе и не растворяя его, связываетнаполнитель, образуя прочный материал. В практике известно при-менение комбинированных матриц, состоящих из равномерно че-редующихся слоев материалов, различных по своей природе. На-пример, комбинированная алюминийтитановая матрица имеетбольшую прочность в направлении оси волокон, значительно пре-вышающих прочность алюминия и титана, взятых вместе. Алюми-ниевый слой значительно уменьшает массу материала.

Наполнители — упрочняющие или армирующие элементы, рав-номерно распределенные в объеме матрицы композиционного ма-териала. Армирующие элементы, как правило, представляют собойвысокопрочный материал, способный увеличить прочность компо-зита в 10 раз и более. Наполнители вводятся в композиты для уве-личения прочности, жесткости, пластичности, изменения плотнос-ти, электрических, теплофизических и других характеристик.

Армирующий материал может быть волокнистый и дисперсно-упрочненный. К волокнистым относят материалы, состоящие изтугоплавких соединений оксида алюминия, кремния, углерода,вольфрама, тонкой металлической вольфрамовой проволоки илилегированной высокопрочной стали.

К дисперсно-упрочненным наполнителям относятся тугоплав-кие тонкодисперсные оксиды карбидов, нитридов и боридов.В практике нашли применение композиты на металлической осно-ве системы бор — алюминий, бор — магний, алюминий — углерод,алюминий — сталь, никель — вольфрам и др.

Классификация композиционных материалов. Классифика-цию композиционных материалов осуществляют по различнымпризнакам. По виду материала различают композиты:

металлические (в том числе материалы, полученные ме-тодом порошковой металлургии);неорганические;полимерные;керамические.




колледж




колледж

»

235

Также композиционные материалы подразделяются на конст-рукционные и инструментальные. Часть конструкционных матери-алов (полимеров) была рассмотрена в подразд. 9.4 (слоистые плас-тики). Большую группу композитов выпускают для различных ин-струментов как для резания металла со снятием стружки, шлифо-вания металлов и сплавов, так и для штампового инструмента(штамповки, кузнечно-прессовых работ).

Композиты различают по нескольким признакам:по геометрическим размерам:нуль-мерные (дисперсные), т.е. в виде порошков;одномерные (волокна, нитевидные кристаллы, проволо-ки);двухмерные (ткани, фольга);по расположению наполнителей в матрице:хаотическое;одноосное;сложноориентированное;по виду материалов и наполнителей:содержащие компонент из металла;неорганические соединения (оксиды, нитриды, карби-ды);содержащие компонент неметаллических элементов (уг-лерод, бор);содержащие компонент из органических соединенийвида эпоксидных, фенольных, полиэфирных и другихсмол.

Группы композиционных материалов. Композиты с металли-ческой матрицей (КММ) в промышленности применяются в ос-новном с алюминиевой и никелевой матрицей и нуль-мерными иодномерными наполнителями.

Нуль-мерные наполнители представляют собой дисперсно-уп-рочняющие частицы (порошки) величиной 0,01 … 50 мкм.

Композиты с нуль-мерными наполнителями чаще всего полу-чают методом порошковой металлургии путем спекания или введе-нием армирующего порошка в жидкий расплав металла. Для улуч-шения смачивания порошка может использоваться ультразвуковаяобработка.

Дисперсно-упрочненные композиты с алюминиевой матри-цей типа САП получают прессованием алюминиевой пудры с пос-




колледж




колледж

»

236

ледующим спеканием. При этом получается КММ с алюминиевойматрицей, упрочненной частицами Аl2O3. Из композитов САП из-готавливают трубы, листы, лопатки компрессоров, вентиляторов,турбин и другие детали, работающие при температуре до 500 °С.Прочность САП при этих температурах выше прочности деформи-руемых алюминиевых сплавов в 10 раз.

В дисперсно-упрочненных композитах с никелевой матри-цей упрочнение достигается за счет введения диоксида тория илигафния. Материалы пластичны и могут подвергаться ковке, штам-повке и другим видам обработки давлением. Сплавы ВДУ-1, ВД-3целесообразно применять при рабочих температурах 1 100 …1 200 °С (авиационные, ракетные двигатели и турбины).

Существуют также композиционные материалы с одномер-ными наполнителями. Одномерные наполнители представляютсобой нитевидные кристаллы, волокна или проволоки от долеймикрометра до долей миллиметра.

Получение таких наполнителей и самих композитов с исключи-тельно тонкими проволоками или волокнами связано с разнообраз-ными сложными технологическими процессами, например ните-видные кристаллы (усы) карбидов и нитридов кремния, оксидов инитридов алюминия и других тугоплавких соединений получаютосаждением из газовой фазы с использованием транспортных ре-акций, реакций гидролиза, восстановления летучих соединений посхеме пар — жидкость — твердая фаза (ПЖТ).

В производстве наполнителей для композитов используютсятакже электролитические и химические методы осаждения мате-риалов, термическое воздействие электронных лучей и ионныхпучков.

В композитах на алюминиевой и титановой матрице в ка-честве матриц используют технический алюминий и его сплавы, атакже спеченный алюминиевый сплав. Армирование выполняетсястальной или бериллиевой проволокой, волокнами бора, карбида,кремния или углерода.

Армированные стальной проволокой путем прокатки алюмини-евые сплавы по прочности приближаются к титановым сплавам спределом прочности до 1 700 МПа.

Для работы при повышенных температурах целесообразно при-менять материалы типа САП, армированные стальной проволокой.

Композиты алюминия с волокном бора, покрытым карбидомкремния (борсик), можно получить жидкофазным способом. Проч-ность такого композита достигает до 1 600 МПа при температуре500 °С.




колледж




колледж

»

237

Композиционные материалы на алюминиевой матрице, армиро-ванные углеродными волокнами, менее прочны, чем с волокнамибора, но дешевле и легче их. Получают такие композиты быстрымпротягиванием пучка углеродных волокон через расплавленныйалюминий.

Эвтектические композиционные материалы — сплавы эв-тектического состава, в которых упрочняющим компонентом слу-жат ориентировочные кристаллы, образованные в процессе на-правленной кристаллизации. Этот процесс выполняется за однуоперацию, и такая структура может быть получена уже в готовыхизделиях. Форма кристаллов может быть в виде волокон, стержнейили пластин.

Эвтектические композиционные материалы конструкционногоназначения и с особыми свойствами создаются на основе легкихсплавов или тугоплавких металлов: алюминия, магния, меди, нике-ля, кобальта, титана, ниобия и др.

Эвтектические композиционные материалы на алюминиевойоснове применяют как конструкционный материал для высоко-прочных проводов и электрических выключателей.

Эвтектические композиционные материалы на основе никеляприменяют в основном в авиации, космической и ракетной тех-нике.

В композиционных материалах на неметаллической основев качестве неметаллических матриц применяются керамика, поли-амиды, фенолформальдегидная и эпоксидная смолы. Упрочнителя-ми в неметаллических композитах могут быть тонкая неметалли-ческая проволока, оксиды, нитриды, бориды и карбиды, имеющиеструктуру нитевидных кристаллов.

В настоящее время широко применяются композиты на неме-таллической основе следующих марок: КМУ-10, КМУ-1В (карбово-локниты), КМБ-1М, КМБ-2К (борволокниты), КУП-БМ, с углероди-стой матрицей и др.

В зависимости от материала матрицы и упрочнителя компози-ты этой группы применяются для тепловой защиты, тормозных ус-тройств в самолетах, аппаратах для химической промышленности,в авиационной, ракетной технике и рентгеновском оборудовании.

Основными преимуществами композиционных материалов посравнению с металлическими конструкционными сталями, сплава-ми и чугунами являются высокие теплостойкость, прочность, жа-ропрочность, упругость, ударная вязкость и другие свойства.

Применение композитов, например, в авиации и ракетной тех-нике повышает жесткость конструкции и снижает ее металлоем-




колледж




колледж

»

238

кость. Практика показала, что замена материала лонжерона кры-ла самолета на композиты уменьшает металлоемкость на 42 % иувеличивает жесткость на 45 %.

В химическом и нефтяном машиностроении осваивают про-изводство оборудования и комплексных технологических линийдля получения композитов и изготовления деталей из них. Про-водятся эксперименты по применению композитов в авто- истанкостроении (детали двигателей, корпуса и детали станков),энергетическом турбостроении (рабочие лопатки турбин), хими-ческом машиностроении (автоклавы, емкости, цистерны), судо-строении (корпуса судов, катеров, детали дизелей, гребные вин-ты и т. д.).

Естественные и синтетические (из класса композитов) сверх-твердые материалы. В машиностроительной практике широкоеприменение нашли режущий и абразивный инструмент из сверх-твердых материалов (СТМ) на основе кубического (КНБ) и вюрчи-топодобного (ВНБ) нитрида бора.

Промышленностью в настоящее время выпускаются две груп-пы СТМ: поликристаллического нитрида бора — композита и угле-рода синтетического поликристаллического алмаза.

Поликристаллический нитрид бора имеет кубическую решеткуВ — Вn (КНБ), которую получают методом порошковой металлур-гии из микропорошков нитрида бора или ВНБ при высоких темпе-ратурах и давлениях. В зависимости от технологии изготовленияполучают КНБ различных марок, свойства которых рассмотрены втабл. 11.1:

композит 01 (эльбор РМ);композит 02 (белбор);композит 05;композит 09 (ПТНБ);композит 10 (гексанит Р) и др.

Нитрид бора имеет такую же атомно-кристаллическую решет-ку, как и алмаз, поэтому алмаз и нитрид бора имеют близкие другк другу свойства. По твердости КНБ (90 000 НV) не уступает алма-зу, но превосходит его по химическим свойствам и красностойко-сти.

Инструментальная промышленность выпускает КНБ различ-ных марок в виде пластин круглой, квадратной, трехгранной и ром-бической формы, которые припаиваются или крепятся механиче-ским путем к режущим инструментам. Особенностью резания ме-таллов резцами, оснащенными этими пластинами, является то, что




колледж




колледж

»

239

они применяются для чистового точения (или другого вида обра-ботки резанием) и дают очень высокий класс обрабатываемой по-верхности при высокой скорости резания.

Инструменты, оснащенные СТМ, широко используются для чи-стовой обработки цементированных, закаленных и труднообраба-тываемых деталей. Высокоскоростное точение ими иногда по каче-ству и классу шероховатости заменяет шлифование.


1. Дайте определение лакокрасочных материалов, лакокрасоч�ных композиций и лакокрасочных покрытий.

2. Каково назначение лакокрасочных покрытий?3. Назовите основные компоненты лакокрасочных композиций и

охарактеризуйте их.

евонсоанМТСавтсйовсеиксечинахемGокизиФ.1.11ацилбаТС°02яинатыпсиерутарепметирпаробадиртин

лаиретаМ ьтсонтолП r,мс/г 3

ьтсодревТVH

ледерПитсончорпиитажсирп

s жс аПГ,

-йотсомреТС°,ьтсок

10тизопмоK)МРробьлэ(

4,3 73 7,2 —

20тизопмоK)роблеб(

— — ,4 …0 5,6 —

50тизопмоK 3,4 8,81 2,2 —

90тизопмоK)БНТП(

— — ,3 …4 9,4 —

01тизопмоK)Ртинаскег(

2,3 …8 04,3 03 ,2 …4 0,4 —

KПСА ,3 …5 0,4 9 …2 051 — 008

НБВС 3,3 …4 64,3 7 …0 001 …8 01 059

тинобраK ,3 …2 4,3 3 …9 44 4,4 …2 88,5 —

скапмоK — 08 — 007

тидниС — 05 — 007

дномйадагеМ 1,3 …0 84,3 — — 008




колледж




колледж

»

4. Перечислите основные свойства лакокрасочных материалов.5. Укажите химическую основу пленкообразующих компонентов

лакокрасочных композиций и их условное обозначение в тех�нической документации.

6. Дайте определение и классификацию клеев.7. Перечислите требования, предъявляемые к клеям.8. Что такое рабочая способность (жизнеспособность) клея?9. Дайте определение композиционных материалов.

10. Раскройте классификацию композиционных материалов.11. Какова характеристика композиционных материалов на ме�

таллических матрицах: алюминиевой, никелевой, титановой?12. В чем заключается особенность композиционных материалов

на неметаллической матрице?13. Каковы преимущества композиционных материалов по срав�

нению со сталями, чугунами и различными сплавами?14. Какие существуют новые синтетические сверхтвердые мате�

риалы (из класса композитов)?15. Каковы физико�механические свойства сверхтвердых матери�

алов?




колледж




колледж

»

241

Глава 12

ГОРЮЧЕGСМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

12.1. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕЖИДКОСТИ

Классификация смазочных материалов и технических жидко-стей. Смазочные материалы и технические (технологические) жид-кости, применяемые в машиностроении (автомобилестроении) ина различных видах транспорта, по назначению подразделяются наследующие группы:

технологические материалы — смазочно-охлаждающиежидкости и моющие, обезжиривающие, травящие, ра-створяющие и другие технические жидкости и пасты,необходимые при обработке металлов резанием, сборкемашин и механизмов, закалке деталей и инструмента.Они являются вспомогательными материалами в техно-логическом процессе;эксплуатационные (конструкционные) смазочные масла,пластичные вязкие смазки и жидкости — группа матери-алов, применяемых в зависимости от конструкционныхособенностей машин и механизмов, их температурныхрежимов, условий работы и нагрузки. Кроме того, техни-ческие жидкости этой группы применяются в качестверабочих тел в гидравлических системах (прессах, литье-вых машинах, тормозных устройствах, амортизаторах,теплообменных аппаратах и т. д.);жидкое топливо, применяемое для авиационных, автомо-бильных, реактивных двигателей и дизелей, а также какрастворитель в технических жидкостях и смазках.

Свойства смазочных материалов и технических (технологи-ческих) жидкостей. Основными характеристиками смазочных ма-териалов и технологических жидкостей являются вязкость, анти-




колледж




колледж

»

242

коррозионные свойства, каплепадение, работоспособность, темпе-ратурная стойкость и др. Кратко рассмотрим эти свойства.

Вязкость — это свойство масел и жидкостей, характеризую-щее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их тече-ние. Различают вязкость динамическую, кинетическую и услов-ную.

Д и н а м и ч е с к а я вязкость — это сила сопротивления одногослоя масла в процессе перемещения по другому слою со скоростью1 см/с при условной площади каждого слоя 1 см2 и на расстоянии1 см. Эта величина называется коэффициентом внутреннего тре-ния.

Вязкость увеличивается в результате истирания легких фракциймасла, накопления продуктов неполного сгорания топлива в видесажи и окисления углеводородов масла.

Вязкость уменьшается при попадании топлива в масло, а такжев результате разрушения полимерной присадки в загущенных мас-лах. Моторные масла, загрязненные топливом, окисляются значи-тельно быстрее с образованием органических кислот и отложений,которые ухудшают их качество. В результате снижается вязкостьмасла и возможно повреждение смазываемых подшипников.

К и н е м а т и ч е с к а я вязкость — это отношение динамичес-кой вязкости масла или технической жидкости к их плотности приодинаковой температуре. Эта величина называется удельным ко-эффициентом внутреннего трения смазывающего материала и из-меряется в стоксах (1 Ст = 1см2/с). В практике принята дольнаяединица стокса — сантистокс (сСт).

У с л о в н а я вязкость — это отношение времени истечения200 мл масла (технической жидкости) из вискозиметра типа ВУ ковремени истечения такого же объема дистиллированной воды притемпературе 20 °С.

Антикоррозионные свойства — это способность смазочныхматериалов не вызывать коррозии в узлах трения, зацепления идругих смазываемых парах. Антикоррозионные свойства опреде-ляются следующим образом. Стальной стержень выдерживают втечение 24 ч при температуре 60 °С в смеси масла с дистиллирован-ной водой и после этого проводят осмотр коррозии стержня исравнение ее с эталонной шкалой коррозии. Смазочные материа-лы подразделяют на антикоррозионные, коррозионно-активные икоррозионные.

Каплепадение — это способность консистентной смазки в оп-ределенных условиях (температура, рабочая среда) терять смазы-вающую способность (разжижаться) и стекать в виде капель.




колледж




колледж

»

243

В практике потерю смазывающей способности определяют тем-пературой, при которой происходит каплеобразование и падениепервой капли смазки. Рабочая температура консистентной смазкипри этом должна быть на 10 … 20 °С ниже температуры каплепаде-ния.

Моторные свойства определяют качество моторного масла.Это температурная стойкость, моющая способность и др. Масловлияет на образование отложений (нагар, лаки на поршнях, закок-совывание поршневых колец), и моторные свойства определяютиспользование того или иного масла в качестве смазки для двига-телей внутреннего сгорания или дизелей, работающих при различ-ных тепловых режимах, давлении, мощности.

Плотность смазочного материала (масла) — это отношениемассы этого материала при нормальных условиях к массе водытого же объема при температуре 4 °С.

Работоспособность смазочных материалов — это время уве-личения коэффициента трения при заданных температурах и на-грузках в смазываемых узлах трения. На практике работоспособ-ность определяют на пятишариковой машине.

Температурная стойкость — свойство смазывающего мате-риала при повышении температуры обеспечивать требуемый ко-эффициент трения в условиях пограничного трения. По ГОСТ23.221—84 температурную стойкость определяют четырехшарико-вой машиной. Полученные показатели по температуре и коэффи-циенту трения сравнивают с эталонными данными.

Для характеристики смазочных материалов используют, крометого, такие параметры, как прочность, самовоспламеняемость, сма-зочные свойства, температура затвердевания, плавления и др. Всеэти характеристики определяют пригодность масел и других сма-зочных материалов для использования в различных эксплуатаци-онных условиях работы двигателей машин, станков и механизмов.От их качества зависит надежность и долговечность работы машини механизмов.

Минеральные и синтетические смазочные материалы. Ми-неральные масла составляют основу всех смазывающих матери-алов — всех видов масел, консистентных смазок и ряда техничес-ких жидкостей. Минеральные масла широко используются в каче-стве смазочного материала для устранения трения, закоксовыва-ния, удаления продуктов сгорания топлива, отвода теплоты иззоны трения. Эти масла являются компонентами густых смазок, атакже консервационных, уплотняющих и технологических жидко-стей.




колледж




колледж

»

244

Наряду с натуральными минеральными смазочными материала-ми широкое применение находят также органические синтетичес-кие жидкости и смазки. Эти новые масла и смазки внешне схожи сминеральными, но обладают более высокими эксплутационнымисвойствами при отрицательных и высоких температурах, большихскоростях и рабочих нагрузках и широкой гаммой других свойств,необходимых для эксплуатации современных машин и механизмов.

Минеральные и синтетические смазочные материалы (масла) взависимости от области применения подразделяются на следую-щие группы: моторные, трансмиссионные, индустриальные, сепа-раторные, трансформаторные, электроизоляционные, приборныемасла, а также эксплуатационные (конструкционные) масла и жид-кости.

Свойствами моторных масел являются высокая температурнаястойкость, моющая способность, стабильная вязкость в широкомдиапазоне температур. Моторные масла подразделяются на масладля карбюраторных, авиационных и реактивных двигателей и ди-зелей.

В зависимости от особенностей конструкции двигателей и ихтиповых режимов и мощности моторные масла предназначаютсядля нефорсированных, малофорсированных, среднефорсирован-ных и высокофорсированных двигателей. Отдельную группу маселвыпускают для малооборотных стационарных дизелей.

Обозначение моторного масла включает в себя букву М — мо-торное, цифры, характеризующие класс кинематической вязкости,и прописные буквы от А до Е, обозначающие принадлежность кгруппе масел по эксплуатационным свойствам.

При представлении класса кинематической вязкости в обозна-чении масла дробью в числителе указывают класс вязкости притемпературе −18 °С, в знаменателе — при −100 °С.

В зависимости от качества все моторные масла подразделяют нашесть групп, обозначаемых буквами А, Б, В, Г, Д, Е, которые ука-зывают количественное содержание в масле присадок различногоназначения.

Масла группы А выпускаются без присадок или с незначитель-ным их содержанием. В масла группы Б вводят до 6 % присадок ииспользуют их только в малофорсированных карбюраторных дви-гателях. Масла группы В содержат до 8 %, а группы Г — до 14 %композиций присадок. Предназначены они для среднефорсирован-ных и высокофорсированных дизелей и карбюраторных двигате-лей соответственно. Для теплонапряженных дизелей с наддувом,работающих в тяжелых условиях, выпускают масла группы Д с




колледж




колледж

»

245

15 … 18 % композиций присадок. Масла группы Е предназначеныдля малооборотных дизелей, работающих на топливе с содержани-ем серы до 3,5 %.

Индекс 1 присваивается маслам для карбюраторных двигателей,индекс 2 — для дизелей.

Универсальные масла для карбюраторных двигателей и дизелейодного уровня форсирования индекса в обозначении не имеют, амасла, принадлежащие к разным группам, должны иметь двойноебуквенное обозначение (первая буква при использовании в дизе-лях, вторая — в карбюраторных двигателях).

Существуют дополнительные индексы: рк — рабочее консерва-ционное масло; з — масло со сгущающей присадкой; ц — для цир-куляционных и лубрикаторых смазочных систем; 20 и 30 — значе-ния щелочного числа.

Например, марка М-10Г2к: М — моторное, 10 — кинематичес-кая вязкость масла, Г2 — для высокофорсированных дизелей безнаддува или с умеренным наддувом (группа Г2), к — камазовское.

Для иностранных моторных масел используются два вида клас-сификации: по вязкости — SAE (Американское общество автомо-бильных инженеров) и по эксплуатационным свойствам — API(Американский институт нефти).

Классификация моторных масел по вязкости SAE подразделяетмасла на классы по текучести. Вязкость масла по этой системевыражается в условных единицах — степени вязкости. Чем боль-ше число, входящее в обозначении класса SAE, тем выше вязкостьмасла.

Согласно классификации моторные масла подразделены нашесть зимних (0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W) и пять летних (20, 30,40, 50 и 60) классов. В этих рядах бо′льшим числам соответствуетбо′льшая вязкость. Всесезонные масла, пригодные для круглогодич-ного применения, обозначают сдвоенным номером, первый изкоторых указывает зимний, а второй — летний класс: SAE 0W—20,0W—30, 0W—40, 0W—50, 0W—60, 5W—20,5W—30,5W—40, 5W—50, 5W—60, 10W—20, 10W—30, 10W—40, 10W—50, 10W—60,15W—20, 15W—30, 15W—40, 15W—50, 15W—60, 20W—20, 20W—30, 20W—40, 20W—50, 20W—60. Чем меньше цифра, стоящая пе-ред буквой W (Winter — зима), тем меньше вязкость масла припониженной температуре, легче холодный пуск двигателя старте-ром и лучше прокачиваемость масла по смазочной системе. Чембольше цифра, стоящая после буквы W, тем больше вязкость мас-ла при высокой температуре и надежнее смазывание двигателяпри жаркой погоде.




колледж




колледж

»

246

Классификация API подразделяет моторные масла на две кате-гории: S (Service) — масла для бензиновых двигателей и С (Com-mercial) — масла для дизелей.

Обозначение класса масла состоит из двух букв латинского ал-фавита: первая (S или C) указывает на категорию масла, вторая —на уровень эксплуатационных свойств. Чем дальше от начала алфа-вита вторая буква, тем выше уровень свойств (т.е. качество масла).Классы дизельных масел подразделяются дополнительно для двух-тактных (CD-2, CF-2) и четырехтактных (CF-4, CG-4, CH-4) дизелей.Большинство зарубежных моторных масел универсальные — ихприменяют как в бензиновых двигателях, так и в дизелях. Такиемасла имеют двойное обозначение: CF/CC, CD/SF и т. д. На основ-ное назначение масла указывают первые буквы, т. е. CF/CC —«более бензиновое», CD/SF — «более дизельное». Энергосберега-ющие масла для бензиновых двигателей дополнительно обознача-ются аббревиатурой EC (Energy Conserving).

Моторные масла характеризуют следующие свойства: плотностьпри 20 °С, вязкость, зольность без присадок и коксуемость, кислот-ность, температура вспышки и застывания, а также коррозионностьсвинца (присадки). Эти параметры определены не только для каж-дой группы масел, но и для каждой марки этих групп.

Особую группу составляет моторное масло для паровых турбин,машин и компрессоров. В этих стационарных силовых установкахрабочие механизмы (в том числе и в узлах трения) подвергаются ак-тивному окислительному воздействию воздуха и высоких темпера-тур. Этим эксплуатационным условиям отвечают масла следующихмарок: масло цилиндровое 11 легкое, масло цилиндровое 24 легкое,масло цилиндровое 38 тяжелое и цилиндровое 52 тяжелое, масла тур-бинные Т22, Т30, Т46, Т57 и масла компрессорные КС-19, ХА-23, ХА-30(последние две марки для холодных компрессоров).

Трансмиссионные масла предназначены для применения в уз-лах трения агрегатов трансмиссий легковых и грузовых автомоби-лей, автобусов, тракторов, тепловозов, дорожно-строительных идругих машин, а также в различных зубчатых редукторах и червяч-ных передачах промышленного оборудования. Трансмиссионныемасла представляют собой базовые масла, легированные различ-ными функциональными присадками: депрессорной, противоза-дирной, противоизносной, антиокислительной, антикоррозионной,антипенной и др. В качестве базовых компонентов используютминеральные, частично или полностью синтетические масла.Трансмиссионные масла работают в режимах высоких скоростейдвижения, давлений и широкого диапазона температур. Их пуско-




колледж




колледж

»

247

вые свойства и длительная работоспособность должны обеспечи-ваться в интервале температур от −60 до +150 °C. Поэтому к транс-миссионным маслам предъявляются довольно жесткие требования.Трансмиссионные масла выполняют следующие функции:

предотвращают износ, заедание и другие поврежденияповерхностей трения;снижают потери энергии на трение;отводят теплоту от поверхностей трения;снижают ударные нагрузки на шестерни, вибрации ишум зубчатых колес;защищают от коррозии.

К маслам, используемым в автоматических коробках передач,предъявляются совершенно особые требования, связанные с кон-структивными особенностями таких коробок и функциями, кото-рые они выполняют.

Вязкостно-температурные свойства трансмиссионных маселопределяются классификацией масел по SAE. Она подразделяеттрансмиссионные масла на четыре зимних (70W, 75W, 80W, 85W —чем меньше цифра, тем при более низкой температуре зимой мас-ло сохраняет свою работоспособность) и пять летних (SAE80,SAE85, SAE90, SAE140, SAE250 — чем выше цифра, тем при болеевысокой температуре масло сохраняет свою работоспособность)классов. Степени вязкости масел SAE80 и SAE85 являются новымии впервые введены в классификацию в последнее десятилетие. Все-сезонные масла обозначаются двойной маркировкой: SAE 80W—90,SAE 85W—90 и т. д. В соответствии с классом вязкости ограниченыдопустимые пределы кинематической вязкости при +150 °C и отри-цательных температурах, при которых динамическая вязкость непревышает 150 Па · с. Эта вязкость считается предельной, так какпри ней обеспечивается надежная работа агрегатов трансмиссий.

Индустриальные масла — это большая группа масел, исполь-зуемых главным образом для смазывания узлов трения различныхмеханизмов, для приготовления рабочих жидкостей, применяемыхв различных системах (например, в тормозных системах автомоби-лей, гидроприводах станков), а также в качестве базовых масел дляпроизводства пластичных смазок. Нефтехимическая промышлен-ность выпускает индустриальные масла общего назначения с раз-личной плотностью и кинематической вязкостью. Разновидностьюиндустриальных масел являются сепараторные масла марок Л иТ, которые используются для смазывания подшипников, шпинде-лей, шлифовального оборудования и других машин и механизмов.




колледж




колледж

»

248

хыньлаиртсуднияиненемирпитсалбоиавтсйовС.1.21ацилбаТлесам

акраМ-толП,ьтсон

мс/г 3

ьтсокзяВ-аменик

-ечит,яакс

тСс

-епмеТарутар

-авытсаз,С°,яин

енеенем

-епмеТарутарикшыпсв-ырктов-гитмот

,С°,елен

еенем

яиненемирпьтсалбО

А5-И 98,0 …4 5 - 52 021 ымзинахемеынчоТйокзурганйоламс

яинещарветотсачирп15 … ним.сыт02 -1

А8-И 09,0 …6 8 - 02 031 ымзинахемеынчоТйокзурганйоламс

яинещарветотсачирп10 … ним.сыт51 -1

А21-И 88,0 1 …0 41 - 03 561 -офилшиледнипШ-диг,вокнатсхыньлав

вокнатсыметсисор

А02-И 588,0 1 …7 32 - 51 081 -дерс,еыламикнатСирпеищюатобар,еин-оробохыннешывоп

ыметсисордиг,хат

А52-И 98,0 2 …4 72 - 51 081 еылежятиеынпурK-ечилвардиг,икнатс

,вокнатсметсисхикс-юавытабарбооверед

икнатсеищ

А03-И 98,0 2 …8 33 - 51 091

А04-И 598,0 3 …5 54 - 51 002

А05-И 19,0 4 …7 55 - 02 002 -ар,икнатсеылежяТхыламанеищюатоб

-онмеъдоп,хятсорокс-уробоеонтропснарт

еинавод

Свойства и область применения некоторых индустриальных маселрассмотрены в табл. 12.1.

Трансформаторные масла применяются в силовых трансформа-торах, силовых выключателях, реостатах и других электроприборахв качестве электроизоляторов, дугогасителей и для отвода теплоты.Трансформаторные масла обладают высокой теплопроводностью,




колледж




колледж

»

249

низким коэффициентом теплового расширения, стойкостью противокисления и низкой температурой застывания.

К эксплуатационным (конструкционным) маслам и жидко-стям относится большая группа материалов, которые применяют-ся в качестве рабочих тел в гидравлических системах: прессах,штампах, вакуумных насосах, гидравлических двигателях, литье-вых машинах, амортизаторах и тормозных системах. Эти матери-алы должны обладать высокими смазочными свойствами, антикор-розионной стойкостью, высокой упругостью и стабильностью поддействием нагрузки.

В качестве эксплуатационных материалов используются маслоиндустриальное и турбинное, а также синтетические жидкости ма-рок 132-10 и 132-10Л. Эти материалы представляют собой смесьсинтетической жидкости и минерального масла. Они предназначе-ны для работы в гидравлических системах при температуре−70 …+100 °С, а жидкость марки 7-50С-3 применяется в гидравли-ческих системах при температуре −60 …+200 °С.

К эксплуатационным маслам и жидкостям относятся амортиза-ционная жидкость, антифризы, веретенное масло, висциновое мас-ло (для улавливания пыли), демпфирующие жидкости, инерцион-ное масло и другие материалы, которые находят широкое приме-нение на железнодорожном транспорте, в приборах (потенцио-метрах, микроскопах и др.), теплоносителях, гидравлических сис-темах и т. д.

К антифризам относятся охлаждающие жидкости двигателей.Они предохраняют внутренние стенки двигателей от перегрева,неработающий двигатель от замерзания (в зимнее время), и, кро-ме того, надежно защищают внутренние полости системы охлаж-дения от коррозии. Антифризы в своем составе содержат антикор-розионные, антифрикционные и стабилизирующие присадки.Срок службы присадок ограничивает годность антифризов в пре-делах трех лет или 60 000 км пробега. Диапазоны рабочих темпера-тур зависят от концентрации антифриза.

Например, для охлаждающей жидкости Тосол А40м рабочаятемпература установлена в пределах −40 …+108 °С.

Тормозные жидкости предназначены для гидросистем тормо-зов и механизмов сцепления. Низкотянущие тормозные жидкоститипа БСК вытесняются высококипящими «Томь», «Роса» и др.Срок службы жидкости — до трех лет.

Синтетические масла и жидкости, выпускаемые нефтехимиче-ской промышленностью, имеют высокие физико-химические свойст-ва, которыми не обладают естественные (минеральные) смазочные




колледж




колледж

»

250

материалы. Они не замерзают при низких температурах, упруго сжи-маются, имеют постоянную вязкость и ряд других ценных свойств.

Синтетические масла и жидкости применяются в качестве раз-личных смазочных материалов, амортизаторов и жидких пружин,рабочих тел в приборах и гидравлических системах, а также в теп-лоносителях и теплообменных аппаратах. Они имеют пределы ра-бочей температуры 110 … 350 °С. Их добавляют в смазки, в смазоч-ные материалы и технологические жидкости.

Промышленность выпускает несколько марок синтетическихжидкостей и масел, которые нашли самое широкое применениекак в стационарном, так и в нестационарном оборудовании в каче-стве смазок.

Технологические смазки и жидкости. Это большая группаматериалов как на синтетической, так и на естественной осно-ве, которые применяются в процессах обработки заготовок исборки машин и механизмов. Эти вещества являются нейтраль-ными к металлам и сплавам, улучшают технологические процес-сы, качество изделий и увеличивают производительность труда.К технологическим смазкам и жидкостям относятся антиадгези-онные, закалочные, моющие, смазочно-охлаждающие системы(СОС) и СОЖ. Кратко рассмотрим закалочные масла, СОЖ исмазки.

Для охлаждения деталей и инструмента в процессе закалки ихимической обработки применяют различные минеральные масла(машинное, веретенное, трансформаторное), а также специальныезакалочные масла марок МЗМ-16, МЗМ-26, МЗМ-120. Они имеютрабочие температуры в пределах 40… 200 °С в зависимости от мар-ки масла и закаливаемых деталей.

Смазочно-охлаждающие жидкости нашли широкое примене-ние как вспомогательные, технологические материалы при обра-ботке металлов давлением, резанием, волочением и другими техно-логическими операциями. В процессе обработки заготовок СОЖсоздают масляную пленку в зоне контакта инструмента с заготов-кой, предотвращают зазор, увеличивая стойкость резца, интенсив-но отводят теплоту, уменьшают трение и способствуют качествен-ной обработке деталей.

В качестве СОЖ применяют различные синтетические жидко-сти, растительные масла и продукты нефтепереработки: индустри-альные масла, эмульсии, сульфофрезол, укринолы (различных ма-рок), мягкие и твердые технологические смазки, коллоидно-графи-товый препарат, проникающие жидкости и др. Все они имеют раз-личные физико-химические и эксплуатационные свойства.




колледж




колледж

»

251

Смазки — это минеральные или синтетические материалы,предназначенные для смазывания механизмов вращения, а такжедля защиты машин и оборудования от воздействия окружающейсреды. Смазки получают путем добавок загустителей в обычныеминеральные и синтетические масла.

К смазкам относятся солидолы, вазелин, мази различного цветаи назначения и консервационные смазки. Они имеют различнуюконсистенцию, в процессе работы механизмов в узлах трения раз-жижаются, а в покое восстанавливают свою консистенцию. По на-значению смазки подразделяются на антифрикционные, консерва-ционные (защитные) и уплотнительные. Иногда они могут быть вза-имозаменяемыми. В подшипниках скольжения, качения и другихузлах трения применяют антифрикционные смазки. Эта смазкапрочно удерживается в узлах трения, может служить продолжитель-ное время и не требует частой замены. Некоторые узлы (например,подшипник крестовины карданного вала) заполняют смазкой навесь рассчитанный период работы механизмов. Основные свойстваи области применения антифрикционных смазок рассмотрены втабл. 12.2.

Консервационные (защитные) смазки служат защитой станоч-ного оборудования от коррозии. Для этой цели применяются смаз-ки и загущенные масла. Ими покрывают различную технику в про-цессе транспортировки и консервации на период хранения в зим-нее время. Консервируется сельскохозяйственная техника, воен-ная техника и неиспользуемое оборудование.

Для консервации машин и оборудования применяется смазкаГОИ-54, вазелин технический нескольких марок, масло консерва-ционное, смазки канатные, ружейные и др.

Уплотнительные (герметизирующие) смазки применяются дляплотных герметических соединений. К ним относятся бензино-упорные, вакуумные, графитные, газовокранные, насосные, не-сколько марок резьбовых смазок и снарядная смазка. В каждомконкретном случае применяется смазка с определенными свой-ствами: консистентностью, вязкостью, теплопроводностью и др.Все эти виды смазок находят широкое применение в различных от-раслях промышленности, повышая эксплуатационные свойства ма-шинного парка.

Присадки к смазочным материалам. Для повышения эффек-тивности работы узлов машин (двигателя, трансмиссии, топливнойсистемы, системы охлаждения) применяются различные препара-ты, называемые присадками. Рассмотрим группы присадок длядвигателей.




колледж




колледж

»

252

В группу А входят обкаточные препараты, или модификаторы.Они рассчитаны на пробег 2 000 … 60 000 км и предназначены дляснижения трения и увеличения вязкости масла. В эту группу вхо-дят молибденовые препараты: молиприз, фриктол, молилат и моли-ком.

Модификаторы образуют на рабочей поверхности полимернуюматрицу, в которой удерживается пленка масла, что снижает тре-

хынноицкирфитнаяиненемирпитсалбоиавтсйовС.2.21ацилбаТкозамс

акраМ автсйовС яиненемирпитсалбО

лодилоСйиксечитетнис

2-СУ

,яаквалпендерСяакйотсогалв

,яинертыцинидееынчоробСерутарепметирпеищюатобар

6од 5 С°

42-лотиЛ яакйотсодоВ инесуг,хынселокяинертылзУ -чнишамхынтропснарт,хын

яинаводуробоогоннелшыморпи

яантемдерПАсСУакзамс

,яанчитсалПяакйотсодов

еыннежурганолежяТеынчоробс еытачбуз,ыциниде

,икдебел,ыроссер,ичадерепичадерепеытыркто

акзамС,202-МИТАИЦ

302-

,яаньласревинУ-алв,яаквалпогут-ором,яакйотсог

яавичйотсуоз

оготырказяинечакикинпишдоПырапеынчоробсеигурдиапитерутарепметирпяинертволзу

-6 …0 + 21 0 С°

яаньласревинУяаквалпендерс-ос,2-СУ,1-СУйоворижлодил

яакйотсодоВ-ноицкирфитна-авреснокияанакзамсяанноиц

,йелибомотваиссашяинертылзУ-откудер,яинечакикинпишдоп

ниваселокеытачбуз,ыр -ретрутарепметелав -4 …0 +70 С°

1-лоинУ -ноицкирфитнА-азовиторпяан

-окосыв,яанрид,яанрутарепмет

яакйотсодов

-арирпымзинахемеынчилзаРерутарепметйечоб -3 …0

+ 51 0 оннемервоктаркиС°од + 02 0 С°

82-ПНИИНВ -олам,яакгяМясяащюярапси

икинпишдопеынтсорокСим006од( н -1 ерутарепметирп)

-4 …0 + 51 0 С°

нилезаВНУйиксечинхет

,яаньласревинУяаквалпокзин

акзамс

хищужероллатемяинертылзУйелибомотваципутс,вокнатс

еенеменхарутарепметирп40 С°




колледж




колледж

»

253

ние и увеличивает ресурс двигателя. Загустители повышают вяз-кость смазочных материалов при высоких температурах.

Группа С — эксплуатационно-восстановительные препараты,или реметаллизаторы, — используется при пробеге более 30 000 км.К отечественным присадкам этой группы относятся «Ресурс», «Су-пер-ресурс», «Римет». Последний повышает компрессию (давление)на 15…20 %, снижает выброс СО, обеспечивает экономию топливаи масла до 10 % повышает ресурс масла до 50 %, двигателя — в 1,5—2 раза.

Частицы ультрадисперсной композиции присадки, состоящейиз сплава меди, олова и серебра, переносятся маслом в зону тре-ния, где раздавливаются трущимися поверхностями и образуют наних новый плотный металлический слой. Таким образом, заравни-ваются дефекты поверхностей, вызванные трением. Детали цилин-дропоршневой группы плотно притираются. Кроме того, в процес-се работы поршневой группы на стенках цилиндра (зеркале) обра-зуется нагар, иногда раковины (шлаки). Эти обстоятельства резкоснижают компрессию поршней, что приводит к потере мощностидвигателя. При применении присадок в топливе и масле происхо-дит удаление нагара (шлака) со стенок цилиндра по всей поверхно-сти его зеркала. Доля присадок в современных маслах составляет15 … 25 %.

При использовании топлива и масла без присадок на зеркале ци-линдра образуются нагар и раковины (рис. 12.1, а). Так как компрес-сионные кольца поршня из-за нагара и раковин неплотно примыка-ют к зеркалу цилиндра, компрессионное давление в цилиндре пада-ет, вместе с ним теряется мощность двигателя. При использованииприсадок нагар (шлаки) смывается, раковины заравниваются, давле-ние в цилиндре и мощность двигателя возрастают (рис. 12.1, б ).

Присадки к топливу. Вещества, добавляемые к жидким топ-ливам для улучшения их эксплуатационных свойств, являются при-

Рис. 12.1. Поршневая группа приработе на топливе безприсадок (а) и с при�садками (б):

1 — зеркало цилиндра; 2 — поршень;3 — цилиндр; 4 — поршневые мас�лосъемные кольца




колледж




колледж

»

254

садками к топливу. Они растворяют смолы, очищают и улучшаютработу топливной аппаратуры, свечей поверхностей цилиндров,способствуют лучшему сгоранию и экономии топлива, уменьшаютвыброс вредных веществ. Некоторые присадки для топлива выпус-каются в виде таблеток (например, таблетки фирмы «Адерко»).

12.2. АВТОМОБИЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Бензин. Основным топливом для карбюраторных двигателей яв-ляется бензин. Одна из основных характеристик бензина — окта-новое число.

Химические вещества, входящие в состав бензина (углерод ввиде сажи, оксиды азота, свинца, серы и др.), выбрасываемые в ат-мосферу, оказывают вредное влияние на здоровье людей, живот-ных и растительный мир. С целью улучшения технологических и экс-плуатационных свойств в России производители бензина добавля-ли антидетонационные присадки (антидетонаторы) и другие добав-ки различного назначения. Наиболее распространенный антидето-натор — тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4 в виде смеси с бромистым эти-лом и монохлорнафталином (этиловая жидкость). Введение на 1 кгбензина 4 мл этиловой жидкости повышает октановое число с 70 до80 единиц. Бензин с присадками антидетонаторов называется эти-лированным, но этот бензин ядовит и при сгорании выбрасывает вокружающую среду ядовитые токсины.

К качеству бензина и устройству автомобилей предъявляютсявысокие ограничения по выбросам вредных веществ в атмосферу.В глушителях автомобилей устанавливают нейтрализаторы отрабо-тавших газов.

В связи с выходом России на мировой рынок производителибензина перестроились на выпуск топлива по европейским стан-дартам Евро-3 (2002 г.), Евро-4 (2005 г.) и Евро-5 (2009 г.). Действу-ют новые, более высокие экологические требования к автомобилям.С принятием Федерального закона от 07.03.2003 № 34-ФЗ «О запретепроизводства и оборота этилированного бензина в Российской Фе-дерации» нефтеперерабатывающие заводы России прекратилипроизводство этилированного бензина. В настоящее время на неф-теперерабатывающих заводах России выпускают бензин (ГОСТ Р51105—97*, ГОСТ Р 51866—2002*), который отвечает нормам Евро-3и Евро-4 по токсичности отработавших газов (по содержанию серы,бензола и олифеновых углеводородов).




колледж




колледж

»

255

Пермский нефтеперерабатывающий завод с сентября 2009 г.выпускает бензин по европейскому стандарту Евро-5.

Бензин состоит из ароматических углеводородов (ароматическиесоединения, кипящие при температуре ниже 200 °С), нафтеновых,олифеновых и парафиновых углеводородов. Ароматические углево-дороды имеют высокое октановое число (98 единиц и выше). Нафте-новые углеводороды (нафтены) имеют низкое октановое число(75 единиц и ниже). Отдельные представители нафтенов имеют ок-тановое число 80…87 единиц (например, циклопентан — 85 единиц,третичный бутилциклогексан — 87 единиц). Среди олифенов (насы-щенных углеводородов) существуют углеводороды, имеющие высо-кие октановые числа. Однако олифены обладают меньшей химичес-кой стойкостью, чем нафтены или ароматические углеводороды. На-пример, олифены имеют следующие октановые числа:

нормальный октан — 17 единиц;метилгептан — 24 единицы;диметилгептан — 79 единиц;триметилгептан — 100 единиц;метилгексан — 45 единиц;метилбутан — 90 единиц.

Кроме того, из перерабатываемой нефти в бензин попадают азот,кислород и сера. Для улучшения эксплуатационных свойств в бен-зин вводят спирты, простые эфиры и металлические присадки (же-лезо, марганец, свинец), которые придают топливу антидетонацион-ные свойства. Все эти химические составляющие в процессе сгора-ния и выброса топлива в атмосферу оказывают вредное влияние начеловека и окружающую среду. К каждому химическому элементупредъявляются строгие требования. Например, во всех марках бен-зина массовая доля углеводородов бензола должна составлять неболее 3 % от общего объема топлива, серы — не более 0,05 %.

Детонация — это самопроизвольное взрывообразное воспламе-нение горючей смеси. При детонации рабочая смесь в цилиндредвигателя сгорает со скоростью до 2 000 м/с, при этом значительноповышается давление газов в цилиндрах, появляется резкий стук ипадает мощность двигателя. При нормальных условиях смесь в ци-линдрах двигателя сгорает со скоростью 30…40 м/с. Причинами де-тонации могут быть использование топлива с низким октановымчислом, раннее зажигание и перегрев двигателя. Подобные явлениянаблюдаются также при наличии раскаленного нагара в камере сго-рания и перегреве свечей (калильное зажигание). В этом случае пос-ле выключения зажигания двигатель некоторое время продолжает




колледж




колледж

»

256

работать, чего не происходит при детонации. Допускается появле-ние детонационных стуков при резком открытии дроссельных за-слонок педалью газа при разгоне. Если же детонация происходитдлительное время или наблюдается постоянно, то необходимо сроч-но выявить и устранить ее причины во избежание возникновениясерьезных неисправностей двигателя (прогорание поршней, клапа-нов, повышенный износ деталей кривошипно-шатунного и газорас-пределительного механизмов). Кроме указанных явлений происхо-дит быстрый износ деталей поршневой группы двигателя. Моторноетопливо должно обладать высокой детонационной стойкостью.Детонационная стойкость топлива характеризуется условным окта-новым числом, которое положено в основу маркировки бензина.Это одна из характеристик, определяющая качество бензина, а сле-довательно, мощность, надежность, экономичность, долговечностьработы двигателя. Применяют антидетонационные присадки к топ-ливу, заменяющие тетраэтилсвинец (ТЭС). Присадки марок ЦТМ иМЦТМ на основе органических соединений марганца в десятки разменее токсичны, чем ТЭС.

Октановое число топлива определяют по моторному и исследо-вательскому методам.

Моторный метод заключается в определении октанового числа влабораториях на нефтеперерабатывающих заводах на одноцилинд-ровых бензиновых двигателях модели УИТ-85 (УИТ-65). Для опреде-ления октанового числа берут эталонное (стандартное) топливо —смесь нормального гептана и изооктана в определенном соотноше-нии. Изооктан сгорает без взрыва со скоростью распространенияпламени 50 м/с. Нормальный гептан сгорает со взрывом со скорос-тью 3 000…5 000 м/с. Октановое число нормального гептана услов-но принято за 0, октановое число изооктана — за 100 единиц. Запус-кая одноцилиндровый карбюраторный двигатель на эталонном(стандартом) топливе, по показаниям приборов регистрируют сте-пень сжатия (детонацию) и сравнивают ее со степенью сжатия эта-лонной (стандартной) смеси. Если, например, бензин детонирует каксмесь, содержащую 80 % изооктана и 20 % нормального гептана, тооктановое число исследуемого бензина равно 80. На практике окта-новое число бензина, определенное по моторному методу, не отве-чает детонационной характеристике бензина в процессе работыавтомобиля в различных дорожных условиях (низкая скорость, не-значительная тепловая нагрузка, езда по городу и другие условияэксплуатации), поэтому был разработан исследовательский методопределения октанового числа бензина. Этот метод характеризуетдетонационную стойкость при различных условиях эксплуатации.




колледж




колледж

»

257

Разница между условным октановым числом, полученным помоторному и исследовательскому методам одного и того же топли-ва, называется чувствительностью бензина. При этом октановыечисла будут иметь разные числовые выражения. Например, окта-новое число бензина АИ-92, определенное исследовательским ме-тодом, равно 92, а моторным методом — 83. Чем меньше чувстви-тельность бензина, тем выше антидетонационные свойства топли-ва. В практике на нефтеперерабатывающих заводах определениеоктанового числа проводят на стендах по моторному методу. В тоже время высококачественным бензинам проводят испытания поисследовательскому методу.

Бензин в смеси с воздухом, сгорая в цилиндрах двигателя, обра-зует высокое давление, которое с помощью кривошипно-шатунно-го механизма преобразуется в механическую энергию, приводя-щую автомобиль в движение. Смесь бензина с воздухом образуетгорючую смесь. Для полного сгорания 1 кг бензина необходимопримерно 15 кг воздуха. Такая смесь бензина и воздуха называет-ся нормальной. Обогащенная горючая смесь содержит 13 … 15 кгвоздуха на 1 кг бензина, богатая горючая смесь — менее 13 кг воз-духа. Богатая горючая смесь сгорает неполностью, при этом мощ-ность и экономичность двигателя понижаются. На поршнях двига-теля образуется нагар, из глушителя выделяется черный дым. Обед-ненная горючая смесь содержит более 15 кг воздуха на 1 кг бензи-на. Бедная горючая смесь — 17 кг воздуха. Такая смесь горит мед-ленно, двигатель работает неустойчиво, мощность снижается, про-исходит перегрев двигателя. Если на 1 кг бензина содержится зна-чительно больше 17 кг (до 21 кг), такая смесь вообще не воспламеня-ется. Правильная настройка карбюратора на конкретную марку бен-зина обеспечивает устойчивую работу двигателя, его надежность,долговечность работы механизмов, экономичность и экологичность.

Вязкость бензина предопределяется фракционным составом иего химическими веществами. Ароматические и нафтеновые угле-водороды увеличивают вязкость. Вязкость бензина также возрас-тает при понижении температуры. Различают динамическую и ки-нематическую вязкость бензина. В технической характеристикевязкость бензина не указывается и не нормируется.

Плотность бензина — это физическая характеристика топли-ва. Плотность бензина применяется при расчете объема и массыбензина производителем и потребителем, указывается в техничес-кой характеристике и определяется при температуре 20 °С (в на-стоящее время принято 15 °С). Плотность бензина всех марок притемпературе 20 °С составляет не более 750 кг/м3.




колледж




колледж

»

258

Испаряемость топлива — это летучесть фракционного составабензина при нормальных условиях, повышенных или пониженныхтемпературе и давлении. При этом происходят потери бензина, ав бензопроводах образуются паровые пробки. Испаряемость бен-зина должна обеспечивать пуск и работу двигателя при любых ус-ловиях и при любом способе подачи горючей смеси в двигатель(карбюратор, инжектор). Испаряемость бензина также влияет навыброс токсичных газов в холодную и жаркую погоду (оксиды уг-лерода и несгоревшие углеводороды) и характеризуется индексомиспаряемости и индексом паровых пробок (ИПП), которые харак-теризуют давление насыщенных паров и количество топлива, ис-парившегося при температуре 70 °С. Этот показатель определяет-ся по формуле

ИПП = 10ДНП + 7V70,

где ДНП — давление насыщенных паров, кПа; V70 — количествотоплива, испарившегося при 70 °С, %. Индекс паровых пробоквсех марок бензина в летнее время равен 950, а в зимнее время —1 250. Давление насыщенных паров бензина с 1 апреля по 1 октяб-ря составляет 35 … 70 кПа, а с 1 октября по 1 апреля — 60 …100 кПа. Объем испарившегося бензина зависит от температуры.Так, при температуре 70 °С испарение составляет 10 … 50 % от об-щего объема топлива, при температуре 100 °С — 35 … 70 %, а притемпературе 180 °С — более 85 % (ГОСТ Р 51105—97* и ГОСТ Р51866—2002*).

Технологическая (химическая) стабильность — это способ-ность бензина не подвергаться химическим изменениям и окисле-нию при производстве, хранении, транспортировке и применениибензина в автомобилях. Стабильность определяется химическимсоставом топлива (наличием углеводородов, склонных к окисле-нию и смолообразованию), температурой, условиями хранения иэксплуатации.

Для повышения технологической (химической) стабильности втопливо добавляют антиокислители и деактиваторы металлов. Всеэти характеристики определяются различными методами (по со-держанию нерастворимых и растворимых фракций, испарениюбензина в струе воздуха и т. д.).

Коррозионно-защитные свойства бензина проявляются в свя-зи с наличием в нем сульфидов, кислот, щелочей и воды. Этифракции строго нормированы и указываются в технических ха-рактеристиках на моторные топлива. Для нейтрализации корро-




колледж




колледж

»

259

зионных свойств в бензин добавляют различные антикоррозион-ные присадки.

Дизельное топливо. Для дизелей в качестве топлива применя-ют специальное дизельное топливо, в состав которого входят бо-лее тяжелые нефтяные фракции, чем в бензин. Дизельное топли-во должно обеспечивать плавную и мягкую работу двигателя,иметь определенную вязкость, температуру застывания и не со-держать механических примесей. Плавная работа двигателя обес-печивается медленным сгоранием топлива и повышением давле-ния в цилиндрах. Воспламенение топлива при поступлении в ци-линдр происходит, если газовая смесь находится под давлениемдо 10 МПа. При запаздывании самовоспламенения в цилиндре на-капливается значительное количество топлива, и одновременноесгорание большой партии топлива приводит к резкому возраста-нию давления и жесткой работе двигателя. Способность дизель-ного топлива к быстрому самовоспламенению определяется окта-новым числом. Это число (40 … 45) соответствует процентному со-держанию цетана в смеси с альфаметилнафталином при условии,что эта смесь равноценна по воспламеняемости испытываемомудизельному топливу.

Для обеспечения надежной подачи топлива в цилиндры двига-теля зимой дизельное топливо должно иметь температуру застыва-ния ниже температуры окружающего воздуха на 10… 15 °С. Топли-во считается застывшим, если оно, налитое в пробирку, теряетсвою подвижность в течение 1 мин при наклоне пробирки на 45°.Температура застывания топлива зависит от его фракционногосостава. Более тяжелое топливо обладает более высокой темпера-турой застывания.

Вязкость дизельного топлива должна быть строго определенной.При высокой вязкости затрудняются подача топлива и его распыле-ние. Малая вязкость не обеспечивает достаточного смазывания топ-ливного насоса и форсунок. Механические примеси в топливе вы-зывают большой износ плунжерных пар насоса высокого давленияи даже заедание плунжеров. Кроме того, происходит неплотноезакрывание клапанов подкачивающего насоса и насоса высокогодавления, закоксовывание отверстий форсунок, засорение фильт-ров и др. Вода вызывает коррозию деталей приборов, а в зимнеевремя — образование льда в топливопроводах и фильтрах.

Для автомобильных двигателей выпускается несколько марокдизельного топлива. Летнее дизельное топливо (ДЛ) предназначе-но для эксплуатации автомобилей при температуре окружающеговоздуха от 0 °С и выше. Температура его застывания равна −10 °С.




колледж




колледж

»

260

Зимнее дизельное топливо (ДЗ) применяется при температуре ок-ружающего воздуха −30 … 0 °С. Температура его застывания равна−45 °С. Зимнее дизельное топливо можно заменить смесью 60 %летнего дизельного топлива и 40 % тракторного керосина. Аркти-ческое дизельное топливо (ДА) отличается облегченным фракцион-ным составом, пониженной вязкостью и температурой застыва-ния −65 °С. Применяется это топливо при температуре ниже −30 °С.Оно может быть заменено смесью 50 % зимнего дизельного топли-ва и 50 % тракторного керосина.

В настоящее время идет массовая дизеляция современных авто-мобилей.

12.3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

Газовое топливо. Одновременно с дизеляцией современных ав-томобилей намечается расширение производства автомобилей, ра-ботающих на сжатом и сжиженном газе. Кроме того, идет пере-оборудование автомобилей с карбюраторными двигателями для ихработы на газе. Переход с жидкого топлива на газообразное эко-номически оправданно, так как стоимость газового топлива в 2 —2,5 раза ниже стоимости бензина. По сравнению с карбюраторны-ми двигателями продукты сгорания двигателей, работающих нагазе, содержат значительно меньше токсичных веществ — умень-шается загрязнение окружающей среды.

Для газобаллонных автомобилей применяют сжатый (природ-ный) и сжиженный (нефтяной) газ. Сжатый газ состоит из мета-на, а сжиженный — из бутана, пропана и незначительного коли-чества примесей. Бутанопропановые смеси получают при перера-ботке сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах как по-бочный продукт. Бутанопропановая смесь в среде окружающеговоздуха находится в парообразном состоянии. При небольшомповышении давления (до 1,6 МПа) и нормальной температуре этасмесь переходит в жидкое состояние и в таком виде хранится встальных баллонах. Сжиженные газы получили наибольшее рас-пространение в качестве топлива для газобаллонных автомоби-лей. Для работы на сжатых и сжиженных газах используют се-рийные автомобили с карбюраторными двигателями. Рабочийцикл двигателя, работающего на газе, такой же, как и карбюра-торного двигателя, работающего на бензине. Устройство и рабо-та агрегатов системы питания существенно отличаются. Баллон




колледж




колледж

»

261

для сжиженного газа изготавливают из стали. На баллоне разме-щают расходный жидкостный, паровой и предохранительныйклапаны, а также датчик указателя уровня сжиженного газа. Бал-лоны заполняют через наполнительный вентиль на газокомпрес-сорных станциях.

Газовоздушные смеси по сравнению с бензовоздушными смеся-ми имеют более высокие антидетонационные свойства, что позво-ляет повысить степень сжатия и улучшить экономические показа-тели двигателя. Кроме того, у двигателей, работающих на газе,более полное сгорание смеси и значительно ниже токсичностьотработавших газов. Применение газа исключает смывание плен-ки масла со стенок гильз и поршней. Из-за отсутствия конденсациипаров бензина уменьшается нагарообразование в камерах сгора-ния, не разжижается масло, в результате чего в 1,5 — 2 раза увели-чивается срок службы двигателя и периодичность смены масла.

Этанол. Этанол (питьевой спирт) производится из сахарнойсвеклы, сахарного тростника и отходов древесины. Применениеего в карбюраторных двигателях дает высокий технический эф-фект: обеспечивает высокий КПД, высокое октановое число, низ-кий уровень вредных выбросов. Двигатель работает без детонаций,устойчиво. В целях экономии дорогостоящего питьевого спиртарекомендуют этанол смешивать с низкосортным бензином. Такойвид топлива дает как экономический, так и экологический эффект.Этанол широко используется в странах Южной Америки и США.Например, в США на этаноле в смеси с бензином работает более100 тыс. автомобилей.

Метанол. Сырьем для производства метанола служит природ-ный газ. Метанол как моторное топливо имеет хорошие техничес-кие характеристики: высокие октановое число, КПД, пожаробез-опасность и низкий уровень вредных выбросов. Может смеши-ваться с бензином. Широко используется в США. В Новой Зелан-дии из метанола ежегодно получают 570 тыс. т моторного топлива.

Синтетический бензин. Сырьем для производства синтетичес-кого бензина служат природный газ, каменный уголь, битуминоз-ные пески и горючие нефтяные сланцы. Наиболее продуктивнымв производстве синтетического бензина является природный газ.Из 1 м3 синтезированного природного газа получают до 180 г син-тетического бензина, который успешно применяется как моторноетопливо. Однако синтетический бензин значительно дороже бен-зина, получаемого из нефти.

Биодизельное топливо. В связи с интенсивностью использова-ния как бензиновых двигателей, так и дизелей идет повсеместное




колледж




колледж

»

загрязнение природной среды. Экологическая обстановка из-заинтенсивного выброса вредных веществ продолжает ухудшается.В связи с этим встает вопрос о производстве и применении тако-го топлива, которое бы давало наименьшие вредные выбросы вокружающую среду. Таким топливом может быть биодизельноетопливо. Отработавшие газы биодизельного топлива имеют до 50 %меньше вредных веществ (содержание серы составляет 0,02 %).В настоящее время идут работы по производству биодизельноготоплива из рапса, отработанного растительного масла и другихпродуктов.

Электрическая знергия. Этот вид энергии при использовании вавтомобилях является наиболее чистым. Полностью отсутствуюткакие-либо токсичные выбросы в окружающую среду. Недостатка-ми использования электроэнергии как энергоносителя являютсяследующие факторы: высокая стоимость аккумуляторов, низкийресурс хода автомобиля и высокая стоимость эксплуатации. В свя-зи с этим производство и использование электромобилей в насто-ящее время ограничено.


1. Какова классификация смазочных материалов и техническихжидкостей?

2. Перечислите основные свойства смазочных материалов.3. Какова общая характеристика минеральных и синтетических

смазочных материалов?4. Охарактеризуйте моторные, трансмиссионные, индустриаль�

ные, трансформаторные и эксплуатационные масла и жидко�сти.

5. Кратко охарактеризуйте технологические жидкости.6. Охарактеризуйте влияние присадок на работу двигателей

внутреннего сгорания.7. Каковы особенности маркировки нового поколения моторных

масел по АРI и SAE?8. Перечислите основные виды автомобильного топлива.9. Охарактеризуйте основные требования, предъявляемые к ка�

честву автомобильного бензина.10. Назовите основные свойства бензина.11. Что такое детонация двигателя?12. Что такое октановое число автомобильного топлива и как оно

определяется?13. Какие химические элементы, входящие в бензин, являются

вредными для здоровья человека и окружающей среды?14. Дайте характеристику дизельного топлива.




колледж




колледж

»

263

Глава 13

РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

13.1. ОСНОВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕМАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМИСВОЙСТВАМИ. НОВЕЙШИЕ МАТЕРИАЛЫ

Традиционные конструкционные материалы обладают суще-ственными недостатками: трудоемкие в производстве и обработке,имеют большой удельный вес, активно подвергаются коррозии.В связи с их антикоррозионной обработкой увеличиваются трудо-затраты, происходит удорожание изделий. Другим существеннымнедостатком применения стали и чугуна является их технологияпроизводства, загрязняющая окружающую среду производствен-ными отходами (шлаки), оксидами углерода (сажи).

В настоящее время стали возможными разработка, создание ииспользование материалов с улучшенными и уникальными свой-ствами, материалов, которые меняют свои свойства в зависимо-сти от определенных условий и нагрузок, метастабильных матери-алов и материалов, обладающих «памятью». В неполный переченьосновных и вспомогательных материалов входят:

черные и цветные металлы, прежде всего стали, чугуны,алюминий, медь, магний, титан;пластмассы, керамика, углерод, силикаты, волокна, ком-позиты, синтегран, цемент;горюче-смазочные материалы, охлаждающие жидкостии различные присадки.

Дисперсно-упрочняемые карбидостали состоят из металлическойматрицы и мелких (менее 1 мкм) частиц оксидов, нитридов или кар-бидов, которые препятствуют движению дислокаций, что увеличива-ет прочность материала. Получают эти материалы методом порошко-вой металлургии. В зависимости от материала матрицы создаются жа-ропрочные и жаростойкие дисперсно-упрочняемые карбидостали, посвойствам превосходящие многие стали и специальные сплавы.




колледж




колледж

»

264

Керметы (карбидостали и ферритотитаны) по типу близки кдисперсно-упрочняемым карбидосталям, имеют высокую объем-ную долю керамической фазы. Керметы очень износостойки и порежущим свойствам превосходят быстрорежущие стали. Широкоиспользуются волокнистые, слоистые и волоконные композиты:стеклопластики и углепластики с полимерными и металлическимиматрицами, металлическими или керамическими волокнами. К нимже относятся и композиты с особыми свойствами:

высокопрочные композиты с высокой электропроводно-стью;сверхпроводники;проводники с контролируемыми свойствами;волоконная оптика;наноматериалы.

Перспективными направлениями использования сверхпровод-никовой керамики являются магнитные подшипники, гистерезис-ные электродвигатели и транспорт на магнитной подушке.

К естественным волокнистым композитам относятся есте-ственные дисперсно-упрочненные и волокнистые композиты, средикоторых наиболее перспективно второе поколение композитов, на-правленных эвтектик (НЭ) или эвтектических композитов (ЭК). В нихв результате медленной направленной кристаллизации получается осо-бая структура. Направленные эвтектики сохраняют свою прочностьпри очень высоких температурах (газотурбинные двигатели и т.п.).

Монокристаллы — это отдельные (единичные) однородные крис-таллы с непрерывной кристаллической решеткой. Для исключенияразрушения материала изделий при высоких температурах, котороепроисходит, в первую очередь, вдоль границ зерен материала, изго-тавливается изделие в виде одного большого зерна, или монокристал-ла. Металлические и неметаллические монокристаллы используютсяв авиации и наземной газотурбинной технике, а также в полупровод-никовой оптике, лазерной технике, волоконной оптике.

Аморфные материалы (металлические стекла) — это новыйкласс металлических материалов, у которых нет упорядоченногорасположения атомов, присущего кристаллам. Аморфные матери-алы обладают высокой прочностью (до 5 000 МПа), а также высо-кой твердостью, низкой коэрцитивной силой1 и повышенным элек-

1 Коэрцитивная сила — характеристика ферро- или ферримагнитного матери-ала, количественно определяемая как напряженность внешнего магнитного поля,необходимого для изменения намагниченности тела от значения остаточной на-магниченности до нуля, т. е. до полного размагничивания.




колледж




колледж

»

265

трическим сопротивлением. Их коррозионная стойкость в сотнираз выше, чем у коррозионных сталей. Аморфные материалы по-лучаются путем быстрой и сверхбыстрой кристаллизации, для тон-ких пленок — осаждением металла из паровой фазы на подложку.Для аморфных слоев на поверхности изделий используют ионнуюимплантацию. Аморфные материалы идут на изготовление пленки,лент, проволок, волокон и порошков различных назначений, а так-же служат исходным материалом для получения материалов с мик-ро- и нанозернистой структурой, величина зерна которых менее0,1 мкм.

Сверхравновесные (аномальные) твердые растворы — этоПеренасыщенные твердые растворы. В основном это алюминиевыесплавы, в которых методом быстрой и сверхбыстрой кристаллиза-ции добиваются повышенного содержания нужных элементов.Также для получения сверхравновесных твердых растворов исполь-зуют метод гранульной металлургии, т. е. распыление жидкого ме-талла с высокой скоростью охлаждения жидких частиц с последую-щим горячим изостатическим прессованием при температурахниже температур начала распада аномальных твердых растворов.

Ультрадисперсные материалы (УДМ), или наноматериалы,состоят из частиц размером менее 100 нм (менее 0,1 мкм). Разме-ры частиц в УДМ соизмеримы с длиной пробега электронов в ме-таллах. Благодаря нанотехнологиям стало возможным создание изнескольких атомов нужных структур, смоделированных на компь-ютере и не существующих в природе.

Применяются УДМ в электронике, термоядерной технике, в ка-честве добавок к моторным маслам. С их использованием изготав-ливают самолеты-невидимки типа «Стелс», графитовые бомбы, су-перброню танков и бронежилетов, лекарства быстрого усвоения.

Функциональные порошковые материалы используются дляизготовления очень большой номенклатуры изделий, восстановле-ния деталей, производства инструмента и т. д. Использование по-рошков позволяет получать новые виды материалов, недоступныетрадиционной металлургии. Основные группы порошковых мате-риалов: стали, никелевые сплавы, твердые материалы, электротех-нические и магнитные материалы, ферросплавы, цветные металлыи керамические материалы. Применение порошков позволяет по-высить коэффициент использования металла от 0,30 … 0,72 до 0,98,а также улучшить качество изделий. Например, износостойкостьинструмента, изготовленного из порошкового материала, в 2,5 —4,5 раза выше износостойкости аналогичного инструмента, изго-товленного из стали Р18.




колледж




колледж

»

266

Интерметаллиды представляют собой уникальный класс ма-териалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть дотемпературы плавления, т. е. температуры плавления и упорядоче-ния совпадают. Интерметаллиды занимают промежуточное местомежду металлами и керамиками как по типу химической связи, таки по свойствам.

Синтегран — новый неметаллический материал с высокимимеханическими свойствами. Он получается из крошки гранита исвязующей смеси, при затвердении не дает усадки, хорошо гаситвибрации, легко схватывается с металлом. Синтегран можно ис-пользовать для изготовления корпусных деталей, валов, ступицзубчатых колес, стержней инструментов и деталей других типов.

Пленочные материалы применяют при изготовлении телефо-нов, компьютеров и процессоров.

Жидкокристаллические и плазменные материалы использу-ют при изготовлении дисплеев и телевизоров.

Широкое применение нашли также полупроводниковые матери-алы, материалы высокой температурной сверхпроводимости, карбо-нильные металлы — кристаллы, выращенные в газовой среде.

13.2. СНИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИПРОИЗВОДСТВА

Материалоемкость — это суммарная масса всех материалов,расходуемых на изготовление машины. Она является показателемрасхода материальных ресурсов при производстве какой-либо про-дукции и выражается либо в натуральных единицах расхода сырья,материалов, топлива и энергии, необходимых для изготовленияединицы продукции, либо в процентах стоимости используемыхматериальных ресурсов в структуре себестоимости продукции.

В системе комплексного использования сырья и материаловосновными направлениями снижения материалоемкости произ-водства являются материалосберегающие технологии. При выбо-ре конструкционных материалов с целью их экономии, не снижаяэксплуатационные качества машин и механизмов, учитывают сле-дующие требования:

конструкционная прочность;технологичность получения деталей и изделий;технологичность выбранной упрочняющей технологии;




колледж




колледж

»

267

доступность материала и его экономическая целесооб-разность;снижение металлоемкости;надежность и долговечность машин и механизмов.

Например, станины токарно-винторезного станка не могут бытьизготовлены из цветных металлов или неметаллических материа-лов, так как к ним предъявляются требования по массе, жесткос-ти конструкции, демпферным свойствам, технологичности в изго-товлении и низкой стоимости. Этими свойствами на сегодня обла-дают литейные серые чугуны, и весь станочный парк производит-ся из различных чугунов. С другой стороны, в конструкции стани-ны станка можно предусмотреть различные конструктивные и тех-нологические элементы (например, ребра жесткости, скругления,технологические отверстия, полости и др.), уменьшающие метал-лоемкость, улучшающие технологичность, не снижая при этомэксплуатационные качества станка.

Исходя из требования конструкционной прочности возникаетнеобходимость увеличения предела усталости, выносливости, сни-жения или устранения хрупкого разрушения, что повышает на-дежность и долговечность работы как отдельных деталей и узлов,так и машин в целом. Этим требованиям должны отвечать зубча-тые колеса, червячные пары, валы различного назначения, штоки,оси железнодорожных вагонов, рамы машин всех видов, сварныеконструкции и т. п.

В одних случаях в качестве конструкционного материала приме-няется углеродистая сталь обыкновенного качества, в других, гдеэто необходимо, легированная высокопрочная особовысококаче-ственная сталь. При этом конструкторы исходят из технологичес-кой и экономической целесообразности и эксплуатационных тре-бований.

Практика показывает, что в литейном производстве в качествеосновного конструкционного материала будет оставаться чугун,так как чугунное литье по технологическим и экономическим по-казателям имеет ряд преимуществ перед другими литейными ма-териалами. Между тем ученые, конструкторы и технологи работа-ют над вопросами снижения металлоемкости чугунных отливок,повышения их качества. В 80-х гг. XX в. в литейном производственашел применение так называемый чугун с вермикулярной (черве-образной) формой графита — ЧВГ-чугун. Этот вид чугуна имеетоднородную структуру и, следовательно, одинаковые свойства вразличных сечениях отливок и их направлениях.




колледж




колледж

»

В конце XX в. российские ученые разработали и получили рядновых конструкционных материалов. Это и новые легированныестали, например стали аустенитного класса, которые обладают вы-сокой вязкостью, прочностью и пластичностью, — трип-стали.Кроме того, выпущены низковольфрамовые и безвольфрамовые,низкоуглеродистые и безуглеродистые быстрорежущие стали. На-пример, титан, растворенный в низкоуглеродистой стали, облада-ет ферромагнитными свойствами (ферромагнетик). Штамповыйинструмент, изготовленный из этого материала, в десятки раз пре-восходит по стойкости инструментальные легированные стали.Если пуансоны и матрицы из легированной стали дают возмож-ность изготовить 10 — 15 тыс. деталей, то из ферромагнетика мож-но изготовить до 100 — 150 тыс. аналогичных штамповок. Ферро-магнетик обладает высокой рабочей твердостью, ударной вязкос-тью, стойкостью и адгезией.

Новый класс быстрорежущих сталей марок Р2М5, Р2М8Ф2К5(низковольфрамовые) и Р0М2Ф2, Р0М8 (безвольфрамовые) облада-ет более высокими красностойкостью (до 720 °С) и режущимисвойствами. Эти стали нашли применение в изготовлении токар-ных и строгальных резцов, фрез.

Повышение стойкости инструмента из быстрорежущих сталейпроводят нанесением покрытий из карбидов титана и бора, ион-ным азотированием и импульсной сваркой. Стойкость такого ин-струмента повышается в 2 — 3 раза. Все эти направления связаныс уменьшением металлоемкости продукции машиностроения.


1. Расскажите о перспективных основных и вспомогательныхматериалах с улучшенными свойствами.

2. Дайте краткую характеристику новых материалов.3. Каковы материалоемкость и энергоемкость изделий, произ�

водства и отраслей?4. Приведите примеры снижения металло� и энергоемкости про�

изводства.5. В чем состоит сущность энергосберегающих технологий?




колледж




колледж

»

Список литературы

1. Адаскин А. М. Материаловедение (металлообработка) / А. М. Адас-кин, В. М. Зуев. — М. : Издательский центр «Академия», 2014. — 288 с.

2. Геллер Ю. А. Материаловедение / Ю. А.Геллер, А.Г. Рахштадт. — М. :Металлургия, 1989. — 456 с.

3. Геллер Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. — М. : Метал-лургия, 1993. — 526 с.

4. Гуляев А. П. Материаловедение / А. П. Гуляев. — М. : Металлургия,1986. — 542 с.

5. Зуев В. М. Термическая обработка металлов / В. М. Зуев. — М. :Высш. шк., 2001. — 288 с.

6. Клочков В. И. Прессовщик-вулканизаторщик широкого профиля /В. И. Клочков, В. Н. Красовский. — Л. : Химия, 1990. — 240 с.

7. Лахтин Ю. М. Материаловедение / Ю. М. Лахтин. — М. : Машино-строение, 1993. — 255 с.

8. Либенсон Г. А. Процессы порошковой металлургии : в 2 т. — Т. 2.Производство металлических порошков / Г. А. Либенсон, В. Ю. Лопатин,Г. В. Комарницкий. — М. : Изд-во МИСиС, 2001. — 368 с.

9. Материаловедение / [Г. Г. Сеферов, В. Т. Батиенков, Г. Г. Сеферов,А. Л. Фоменко]. — М. : ИНФРА-М, 2005. — 160 с.

10. Материаловедение и технология металлов / [Г.П.Фетисов, М.Г.Карп-ман, В. М. Матюшин и др.]. — М. : Высш. шк., 2001. — 638 с.

11. Новые материалы / под научной редакцией Ю. С. Карабасова. —М. : Изд-во МИСиС, 2002. — 736 с.

12. Панов В. С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов иизделий из них / В. С. Панов, А. М. Чувилин. — 2-е изд., перераб. и доп. —М. : Изд-во МИСиС, 2001. — 464 с.

13. Сталь на рубеже столетий / под научной редакцией Ю. С. Караба-сова. — М. : Изд-во МИСиС, 2001. — 663 с.




колледж




колледж

»

270

Оглавление

Введение ................................................................................................................ 4

Глава 1. Понятие о металлических материалах ............................................ 61.1. Определение и классификация металлов ................................................. 61.2. Строение металлов ........................................................................................ 7

Глава 2. Свойства металлов и сплавов. Методы их изучения .................. 172.1. Группы свойств металлов (конструкционных материалов) ................. 172.2. Физические свойства металлов и сплавов .............................................. 172.3. Химические свойства металлов и сплавов .............................................. 192.4. Механические свойства металлов и сплавов .......................................... 272.5. Технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов .... 372.6. Методы выявления дефектов без разрушения деталей ....................... 44

Глава 3. Понятие и общая характеристика сплавов .................................. 503.1. Характеристика и виды сплавов ............................................................... 503.2. Железоуглеродистые сплавы .................................................................... 603.3. Влияние химических элементов на свойства железоуглеродистых

сплавов .......................................................................................................... 643.4. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов ........................... 67

Глава 4. Чугуны .................................................................................................. 744.1. Классификация чугунов ............................................................................. 744.2. Белый чугун .................................................................................................. 754.3. Литейный серый чугун ............................................................................... 764.4. Ковкий чугун ................................................................................................ 794.5. Высокопрочный чугун ................................................................................ 824.6. Специальные чугуны .................................................................................. 86

Глава 5. Стали ..................................................................................................... 915.1. Классификация сталей .............................................................................. 915.2. Углеродистые конструкционные стали ................................................... 975.3. Углеродистые инструментальные стали ............................................... 1015.4. Легированные конструкционные стали ................................................ 1035.5. Легированные инструментальные стали .............................................. 1085.6. Высоколегированные стали ..................................................................... 1125.7. Углеродистые и легированные стали специального назначения ...... 116

Глава 6. Термическая обработка .................................................................. 1236.1. Основы термической обработки металлов и сплавов ......................... 1236.2. Отжиг и нормализация ............................................................................. 132




колледж




колледж

»

6.3. Закалка и отпуск ........................................................................................ 1396.4. Химико-термическая обработка ............................................................. 148

Глава 7. Цветные металлы и сплавы ........................................................... 1587.1. Общие сведения о цветных металлах и сплавах .................................. 1587.2. Медь и сплавы на ее основе ..................................................................... 1607.3. Алюминий и сплавы на его основе ......................................................... 1657.4. Магний и сплавы на его основе .............................................................. 1707.5. Титан и сплавы на его основе .................................................................. 1737.6. Олово, свинец, цинк и сплавы на их основе ......................................... 175

Глава 8. Твердые сплавы и минералокерамические материалы ........... 1808.1. Краткие сведения о металлических порошках .................................... 1808.2. Классификация твердых сплавов

и минералокерамических материалов .................................................. 1828.3. Инновационные технологии в производстве твердых сплавов ........ 1858.4. Минералокерамические материалы ...................................................... 190

Глава 9. Неметаллические материалы ........................................................ 1939.1. Классификация неметаллических материалов .................................... 1939.2. Пластмассы ................................................................................................ 1949.3. Термопласты .............................................................................................. 1999.4. Слоистые пластмассы ............................................................................... 2019.5. Резины ......................................................................................................... 204

Глава 10. Абразивные материалы ................................................................ 20810.1. Классификация абразивного материала ............................................. 20810.2. Естественные абразивные материалы ................................................ 20910.3. Искусственные абразивные материалы ............................................. 21210.4. Связка абразивного инструмента ........................................................ 21710.5. Характеристика абразивного инструмента ........................................ 221

Глава 11. Пленкообразующие материалы. Композиты ........................... 22611.1. Лакокрасочные материалы .................................................................... 22611.2. Клеи ........................................................................................................... 23111.3. Композиционные материалы ................................................................ 233

Глава 12. Горюче-смазочные материалы .................................................... 24112.1. Смазочные материалы и технические жидкости .............................. 24112.2. Автомобильное топливо ......................................................................... 25412.3. Альтернативные виды топлива ............................................................. 260

Глава 13. Развитие материаловедения ........................................................ 26313.1. Основные и вспомогательные материалы с улучшенными

свойствами. Новейшие материалы ........................................................ 26313.2. Снижение материалоемкости производства ..................................... 266

Список литературы .......................................................................................... 269




колледж




колледж

»

Учебное издание

Заплатин Валентин Никандрович,Сапожников Юрий Иванович,Дубов Александр Викторович,Духнеев Евгений Михайлович

Основы материаловедения (металлообработка)

Учебник

8-е издание, стереотипное

Редактор Е. В. СоловьёваТехнический редактор Е. Ф. Коржуева

Компьютерная верстка: М. В. ВасильеваКорректоры Т. Н. Морозова, С. Ю. Свиридова

Изд. № 708212084. Подписано в печать 17.10.2016. Формат 60 × 90/16.Гарнитура «Балтика». Усл. печ. л. 17,0. Заказ №

ООО «Издательский центр «Академия». www.academia-moscow.ru129085, Москва, пр-т Мира, 101В, стр. 1.Тел./факс: (495) 648-0507, 616-00-29.Санитарно-эпидемиологическое заключение № РОСС RU.ПЩ01.H00695 от 31.05.2016.




колледж




колледж

»

Date post:	21-Jun-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	3 times
Download:	0 times

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ h c b d k q b g o l …левой части...

Documents