Черные и цветные металлы и сплавы

 

Вопросы, изучаемые в этой теме:

– свойства металлов и сплавов;

– чугуны, их маркировка, свойства, применение в качестве машиностроительных материалов;

– стали, классификация, маркировки, применение;

– цветные материалы.

 

Под металлами в технике подразумевают как химические элементами, так и их соединения (сплавы), которые характеризуются специфическими свойствами: металлическим блеском, высокими электро- и теплопроводностью, непрозрачностью, способностью подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии (обработке резанием, ковке, прокатке, волочению и т.п.).

В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка

Сплавы – это твердые вещества, образованные сплавлением двух и более компонентов. Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов – цветными.

К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физи­ческие, техно­логические и экс­плуатационные.

К механиче­ским свойствам материала отно­сятся прочность, пла­стичность, твердость, ударная вязкость (см. практическую работу №2).

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработке. К тех­нологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режу­щим инструмен­том.

Литейные свойства (жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации) определяются способностью расплавленного ме­талла или сплава к заполнению литейной фор­мы, степенью химической не­однородно­сти по сечению полученной отливки, а также величиной усадки – сокращением размеров при кристаллизации и дальней­шем охлаждении.

Деформируемость – способ­ность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разруше­ния и при наименьшем сопро­тивлении нагрузке. Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать неразъ­емные соединения требуемого качества. Обрабатываемостью называют свойства металла поддаваться обра­ботке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество по­верхностного слоя.

Эксплуатационныминазываются свойства материалов, непосредственно влияющие на показатели, характеризующие служебное назначение машины.

К эксплуатационным свойствам в за­висимости от условия работы машины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стой­кость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность материала и др.

Износостойкость – способность ма­териала сопротивляться поверхно­стному разрушению под действием внешнего тре­ния. Коррозионная стойкость – сопро­тивление материала воздействию агрессив­ных сред (кислотных и щелочных). Хладостойкость – способность материала сохранять требуемые пластические свой­ства при низких рабочих температурах (ниже 0°С). Жаропрочность – способность материала сохранять требуемые механические свой­ства при высоких рабочих температурах. Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Антифрикционность – способность материала прирабатываться по трущимся поверхностям к дру­гому материалу.

Чугуны – сплав железа с углеродом (2,14…4,5%) и некоторым количеством кремния, марганца и др.

Различают серый, высокопрочный, ковкий и легированные чугуны. Серый чугун (ГОСТ 1412-85) маркируют буквами «С» – серый «Ч» – чугун и группой цифр, характеризующими величину временного сопротивления (предел прочности при растяжении) в МПа . Например, марка СЧ 15 показывает, что чугун имеет =150 МПа. Для изготовления деталей чаще применяют серый чугун марок СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 30 твердостью в пределах НВ 163…255 и реже СЧ 35. Твердость серых чугунов изменяется в пределах НВ 190…275.

Модифицированный чугун отличается от серого добавкой графитизирующих элементов (ферросилиция, силикокальция или силикоалюминия), повышающих литейные и механические свойства. Путем модифицирования повышают прочностные характеристики серых чугунов за счет образования мелких графитных включений. Высокопрочный чугун получают введением перед разливкой в жидкий чугун в качестве модификатора магний. Маркируют высокопрочный чугун буквами ВЧ и группой цифр, характеризующих величину временного сопротивления в МПа , например ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45. Твердость высокопрочных чугунов изменяется в пределах НВ 140…360. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и группой цифр, обозначающих временное сопротивление в МПа и относительное удлинение в процентах, например марки КЧ 47-7, КЧ 50-5. Твердость ковких чугунов не превышает НВ 320. Название «ковкий чугун» условно, изделия из него получают литьем, пластической деформации они не подвергаются. Легированные чугуны получают введением легирующих элементов (хрома, кремния, алюминия, марганца и др.). Маркируют буквами и цифрами, например ЧХ 1, ЧХ9Н5, ЧС5Ш, где буква Ч обозначает чугун, Х, Н, С – легирующие элементы, а цифры – их содержание в %; буква Ш указывает на шаровидную форму графита.

Большое влияние на обрабатываемость резанием литых заготовок из серых чугунно оказывает поверхностный слой металла (литейная корка) толщиной 0,15…0,50 мм и твердостью НВ 285…321. По мере удаления от поверхности твердость снижается до НВ 187…229. Высокотемпературный отжиг чугунных отливок позволяет увеличить скорость резания в 1,5…2 раза.

Чугуны широко применяются для изготовления отливок корпусных деталей. Отливки из высокопрочного чугуна используют для изготовления коленчатых валов, деталей прокатных станов, корпусов насосов, зубчатых колес. Ковкий чугун отличается высокой вязкостью, применяют для деталей машиностроения, получаемых отливкой, на которые во время работы могут действовать ударные нагрузки, для изготовления тонкостенных деталей, редукторов, фланцев, муфт.

Стали являются основным конструкционным материалом машиностроения. По назначению различают конструкционную, инструментальную, специальную. Инструментальные стали служат для изготовления различного инструмента (режущего, кузнечного, штамповочного, измерительного). В группу специальных сталей входят стали с особыми свойствами: коррозионно-устойчивые (нержавеющие), жаропрочные, кислостойкие, предназначенные для производства военной техники и др.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо качественные.

Классификационным признаком служит содержание в стали вредных примесей (фосфора, серы), растворенных газов и присутствующих неметаллических включений. Например, в стали обыкновенного качества содержание фосфора допускается в пределах 0,05…0,07% и серы 0,055…0,06%; в качественных – не более 0,035% каждого из этих элементов; в высококачественных и особокачественных – не более 0,025%.

По химическому составу стали различают как углеродистые и леги-рованные.

По содержанию углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистые – с содержанием углерода 0,25…0,6% и высокоуглеродистые – с содержанием углерода 0,6…2%.

Конструкционные углеродистые стали. В эту группу сталей включаются стали обыкновенного качества и качественные стали. Они имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94). Стали с нормированным содержанием углерода могут подвер­гаться тер­мической и химико-термической обработке. Стали этой подгруппы применяются в основном для изготовле­ния эле­ментов несущих сварных и несварных конструкций и неот­ветственных деталей – болтов, гаек, ручек, втулок, цапф, фланцев, осей, а также деталей, изготавли­ваемых глубокой вытяжкой.

Углеродистые стали обыкно­венного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6, обозначающие процентное содержание углерода в сотых долях процента (напри­мер, Ст 3, содержит 0,3% углерода).

Стали качественные углеродистые (ГОСТ 1050-88). Эти стали подразделяются на:

• низкоуглеродистые (до 0,2% С) малопрочные и высокопла­стичные стали. В основном применяются для деталей, изго­тавливаемых холодной штамповкой и высадкой. Без терми­ческой обработки в горячекатном состоянии из них изготав­ливаются шайбы, прокладки, патрубки, вкладыши, муфты, крюки, болты и другие детали;

• низкоуглеродистые (до 0,3% С) цементируемые стали. Из этих сталей изготавли­ваются детали с высокой поверхност­ной твердостью (с применением ХТО); это в основном малонагруженные шестерни, червяки, вилки, кулачки, толка­тели. В горячекатаном и нормализованном состояниях при­меняются также для изготовления деталей невысокой прочности – крепежных дета­лей, втулок, осей, валов, муфт, туцеров и многочисленных деталей котлотурбо­строения (труб, змеевиков);

• среднеуглеродистые (0,35…0,60% С). В улучшенном состоя­нии или с поверхно­стным упрочением ТВЧ из них изготавливают коленчатые валы мало­оборотных двигателей, шату­ны, ходовые винты, зубчатые колеса, маховики, оси, штоки, кулачки, бандажи, шпиндели, замочные шайбы и другие детали.

• стали высокоуглеродистые до 0,85% С, в том числе с повы­шенным содержа­нием марганца) применяют преимущест­венно в качестве рессорно-пружинных.

Качественные углеродистые стали обозна­чают числами, например марки 08; 10; 15; 20; 25. Цифры указы­вают на среднее со­держание углерода в сотых долях про­цента. Например, сталь 15 содержит угле­рода около 0,15%.

Стали низколегированные конструкционные. Это низкоуглеродистые стали (до 0,2 % С) с небольшим (2…3 %) содержа­нием легирующих элементов (ГОСТ 19281-89); применяются без термообра­ботки (упрочняются за счет легиро­вания феррита) и с термической обработкой, в том числе с карбонитридным упрочнением. Применительно к строительным конструкциям для этих ста­лей применяется специальная маркировка: обозначе­ние начинается с буквы «С», далее указывается предел текучести (три цифры), наличие термоупрочне­ния и повышенной коррози­онной стойкости (буквы Т и К).

Стали легированные конструкционные. Стали этой группы различаются по прочности: нормальной и повышен­ной прочности, высокопрочные (ГОСТ 4543-71).

Легированные конструкционные стали различают по содержанию легирующих элементов – хромистые, хромоникелевые и другие; по качеству – качественная и высококачественная. Кроме того, легиро­ванные стали делятся на низколегированную(легирующих элементов менее 3%), среднелегированную(легирующих элементов 3...5,5%) и высоколегированнуюс содержанием легирующих элементов свыше 5,5%.

Эти стали могут быть низкоуглеродистыми (0,1…0,3% С) и среднеугле­родистыми (0,3…0,5% С).

В качестве легирующих элементов, придающих стали повышенную прочность и специальные свойства, используют хром, никель, молибден, ванадий и др. Легированные стали обозна­чают цифрами и буквами, например марки 20Х, 40ХС, 30ХГН, 20ХН3А. Первые циф­ры показывают среднее содержа­ние угле­рода в сотых долях процента, а буквы – наличие легирующих эле­ментов. Цифрами после букв отмечено процентное содержа­ние легирующих элементов. Предел прочности сталей возрастает от = 700МПа (сталь 15Х) до =1300 МПа (сталь 20Х2Н4А). Повышение содержания некоторых леги­рую­щих элементов, таких, как хром (X), молибден (М), ванадий (Ф), вольфрам (В), никель (Н), увеличивает прочность сталей и снижает теплопроводность, что ведет к ухудшению их обрабатываемости. Кремний (С) ухудшает обраба­тываемость стали из-за образования в ней силикатных абразивных включе­ний. Заготовки из крупнозернистой стали обрабатываются лучше, чем из мелкозернистой.

К сплавам цветных металлов относятся легкие спла­вы на основе алюминия и магния и сплавы меди с добавками (бронзы и латуни).

Алюминиевые сплавы. Алюминие­вые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, считаются сплавами с нор­мальной прочностью ( 150…400 МПа), к сплавам же повышенной и высо­кой прочности относятся термически упроч­няемые сплавы ( 400…500 МПа и > 500 МПа соответственно).

Сплавы нормальной и повышенной прочности. Сплавами с нормальной прочностью являются сплавы твердораствор­ного упрочнения (ГОСТ 4784-97), легированные в ос­новном марганцем (АМц) и магнием (типа АМг). Они отличаются высокой пластичностью, хорошей сва­риваемостью; используются в отожженном и нагартованном состояниях для из­готовления де­талей (изделий), формируемых глубокой вытяжкой и сваркой.

К сплавам повышенной прочности относятся сплавы типа дю­ралюминий (ГОСТ 4784-97), легированные в основном медью, магнием и марганцем (типа Д и АК); они упрочняются термиче­ской обработкой на старение. Сплавы типа Д широко применяют­ся в авиации. Ковочные сплавы типа АК используют при из­готовлении деталей сложной формы.

К высокопрочным относятся сплавы алюминия с цинком, ме­дью и маг­нием (типа В). Они упрочняются термической обработ­кой на старение; по ха­рактеристикам прочности превосходят спла­вы типа дюралюминий, однако об­ладают пониженной пластично­стью и вязкостью разрушения. Высокопрочные сплавы применяют для высоконагруженных элементов конструкций, работаю­щих в основном на сжатие; из них изготавливают корпуса и детали обшив­ки.

Магниевые сплавы обладают меньшей плотностью (1,8…1,9 т/м³), во мно­гом аналогичны алюминиевым. Разделяются на сплавы нормальной, повышенной прочности и высоко­прочные.

Сплавы медные деформируемые. По прочности медные сплавы уступают сталям (300…500 МПа), и только бериллиевая бронза сопоставима по прочности с улучшен­ной среднеуглероди­стой легированной сталью (1100…1200 МПа). Отличительная особенность большинства медных сплавов – высо­кая пластичность (по этому признаку они могут относиться и к сплавам высокой технологичности). В машиностроении приме­няются в основном латуни и бронзы.

Латунь – сплав меди с цинком; обозначают буквой Л и двузначным числом, показывающим среднее содержание меди (остальное – цинк). На­пример, ла­тунь Л62 содержит 62% меди и 38 % цинка. Для улучшения обра­батываемости в латунь вводят 1…2% свинца (С), а для повышения прочности – алюминий (А), никель (Н) и другие элементы. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 содержит 59% меди, 1%железа (Ж), 1%марганца (М), остальное – цинк.

Бронзой называют сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и други­ми элементами, кроме цинка или никеля (ГОСТ 5017-79).

Бронзы обозначают буква­ми Бр, начальными буквами основных эле­ментов, вошедших в сплав (А – алю­миний, Н – никель, О – олово, Ц – цинк, Ф – фосфор), и цифрами, указывающими среднее содержание этих элементов в процентах. Для лучшей обраба­тываемости бронз и улучшения их анти­фрикцион­ных свойств в состав бронз вво­дят свинец. Например, сплав БрОЗЦ12С5 со­держит в среднем 3% олова (О), 12% цинка (Ц), 5% свинца (С) и остальное – медь.