Химико-термическая обработка

Целью химико-термической обработки является получе­ние поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышен­ными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или кор­розионной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств эле­менты: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др. Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда очи выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизиро­ванный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и об­разует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее рас­пространенными видами химико-термической обработки стали яв­ляются цементация, азотирование, цианирование.

10.1.Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации под­вергают такие изделия, которые работают одновременно на истира­ние и удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым карбю­ризатором и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древес­ный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (ВаСО₃, Na₂CO₃, К₂СОз, СаСО₃ и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легиро­ванной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации.

Для цементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.

При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО.

В результате образуется оксид углерода, который на поверх­ности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его мас­совое содержание в аустените, далее по достижении предела раство­римости образуется цементит

3Fe + С → Fe₃C.

Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбю­ризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитиче­ским способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5—3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95— 1,1 % С.

При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генератор­ный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углево­дороды, из которых особое значение имеет метан СН₄. Газовую це­ментацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые капля­ми подаются в печь и, испаряясь, образуют газы-карбюризаторы.

Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух - трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процес­сом. Газовая цементация применяется очень широко.

Цементированные заготовки подвергают однократной или двой­ной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагревом до 820—850 °С применяют в большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная вы­держка в горячей печи при цементации не сопровождается боль­шим ростом зерен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твердость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят: 1) закалку или нормализа­цию с нагревом до температуры 880—900 °С для исправления струк­туры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и при­дания ему высокой твердости (до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150— 170°С).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от ско­рости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую кри­тическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

10.2. Азотирование. Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака

2NH₃ → 2N + ЗН₂.

Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).

Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500— 600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химиче­ские соединения — нитриды (AlN, MoN, Fe₃N и др.).

Азотирование на глубину 0,2—0,5 мм продолжается 25—60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100—1200 по Виккерсу, вместо 800—900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и мень­шая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для де­талей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров за­готовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.

10.3. Цианирование. Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей [NaCH, KCH, Са(СN)₂ и др.] при темпера­туре, достаточной для разложения их с выделением активных ато­мов С и N.

Низкотемпературное (550—600 °С ) цианирование применяют, главным образом, для инструментов из быстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах чистых циа­нистых солей. Высокотемпературное (800—850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40 %-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na₂CO₃ и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жид­костного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2—0,5 мм.

После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различ­ных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо - и коррозионная стойкость более высо­кие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизи­рованные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпе­ратурное.

При низкотемпературном (500—700 °С) газовом цианировании в сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование, так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном газовом цианировании (800—850 ° С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образо­ванием аустенита. После высокотемпературного цианирования заго­товки закаливают.

При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки более крупных деталей.

10.4. Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными ви­дами диффузионной металлизации являются алитирование, хромиро­вание, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 1000 °С) повышается жаростойкость стали.

Для алитирования алюминий сначала наносят на заготовку рас­пылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузион­ный отжиг заготовок при температуре 920°С в течение 3 ч. В про­цессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.

Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кисло­той, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl. Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержа­нием углерода не более 0,2%. Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплю­щиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из де­фицитной высокохромовой стали.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных за­готовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против кор­розии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, применяется для деталей, используемых в химической промышлен­ности.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в α-железе. Существует силицирование в порошкообразных смесях ферросилиция, а также газовое силицирование в среде хло­рида кремния SiCl₄.

 

Резюме

Х имико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев.

Наиболее рас­пространенными видами химико-термической обработки стали яв­ляются цементация, азотирование, цианирование.

Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации под­вергают такие изделия, которые работают одновременно на истира­ние и удар. Существуют два вида цементации: цементация твердым карбю­ризатором и газовая цементация.

Азотирование. Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака.

Цианирование. Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными ви­дами диффузионной металлизации являются алитирование, хромиро­вание, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кисло­той, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных за­готовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против кор­розии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.

Вопросы для повторения

1. Что такое химико-термическая обработка и когда целесообразно ее проведение?

2. Перечислите виды ХТО.

3. Как и для чего приводится цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизации?

 

Термомеханическая обработка

Как было отмечено, термомеханическая (термопластическая) об­работка заключается в совмещении двух способов упрочнения — пластической деформации и фазовых изменений.

Применительно к стали термомеханическая обработка (ТМО) за­ключается в наклепе аустенита с последующим его превращением.

 

Рис. 58. Классификационная схема ТМО

 

Наиболее распространенными видами ТМО являются (рис. 58):

высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), которая состоит из деформирования аустенита выше температуры рекристаллизации (t_p, рис. 58) обычно выше критических точек и быстрого охлаждения;

низкотемпературная термо­механическая обработка (НТМО), которая состоит из деформирова­ния аустенита ниже t_p, т. е. не­стабильного аустенита переохла­жденного ниже критических точек с последующим охлаждением и фазовым превращением.

Имеется еще много других ва­риантов ТМО, различающихся условиями нагрева или охлажде­ния, характером деформации и другими деталями, описывать ко­торые здесь не представляется возможным.

Объединяет все варианты ТМО то, что аустенит в результате пластической деформации претерпевает изменения, которые в какой-то степени (может быть даже полностью) передаются мартенситу. В результате сталь упрочняется, как за счет мартенситной реакции, но и дополнительное упрочнение вносят дефекты строения, унаследованные мартенситом от деформированного аустенита.

 

Резюме

Термомеханическая (термопластическая) об­работка заключается в совмещении двух способов упрочнения — пластической деформации и фазовых изменений.

Термомеханическая обработка (ТМО) за­ключается в наклепе аустенита с последующим его превращением.

Виды ТМО: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)- деформирование аустенита выше температуры рекристаллизации t_p (обычно выше критических точек) и быстрое охлаждение; низкотемпературная термо­механическая обработка (НТМО) - деформирова­ние аустенита ниже t_p (ниже критических точек) с последующим охлаждением и фазовым превращением.

Вопросы для повторения

1. Что такое термомеханическая обработка,

2. Какие виды ТМО известны?

3. В чем отличие видов ТМО?

 

Цветные металлы и сплавы

12.1. Медь и ее сплавы

Медь используется человеком с давних времен и отмечена в истории культуры бронзовым веком. Наи­более важное свойство меди, обеспечившее ей широкое применение, — хорошие электропроводимость и тепло­проводность, высокая пластичность и способность образо­вывать технологичные сплавы, которые отлично обраба­тываются и обладают хорошими механическими свой­ствами.

Температура плавления меди 1083 °С, кипения 2360 °С. Предел прочности чистой меди не очень высок и состав­ляет 220 МПа. Ее кристаллическая решетка—кубическая гранецентрированная с параметрами а = 0,361 нм. Плот­ность меди 8,93 г/см³, твердость почти в 2 раза меньше, чем у железа.

 

Рис. 59. Диаграмма состояния медь—цинк

 

Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы. Латунями называют группу сплавов меди с цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное — цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием. Латуни широко используют в приборостроении, общем и химиче­ском машиностроении.

Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 % Zn, так как до этого предела (согласно диаграмме состояния) существует твердый раствор замещения меди цинком и, следовательно, сохраняется кристаллическая решетка куба с центрированными гранями (рис. 59).

Эти латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь — цинк латуни имеют хорошие литейные свойства (большую жидкотекучесть, отсутствие ликва­ции, малую усадку и др.). Но при их заливке в формы необходима хорошая вентиляция цеха, так как пары, выделяющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм человека.

Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают русской буквой Л; следующая за буквой цифра указывает средний процент меди в этом сплаве. Марка с максимальным содержанием меди Л96, с мини­мальным — Л60. Латуни более сложного состава в обо­значении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Например, ЛС59-1 означает латунь свинцовая, содержащая 57— 60 % Сu и 0,8—1,5 Pb; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцово-алюминиевая, содержащая 55,0—58,5%Сu, 2,5—3,5 % Мn и 0,5—1,5 % А1. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — ни­кель, К — кремний, А — алюминий и т.д.

Добавки этих металлов к латуням необходимы для улучшения их механических свойств или обрабатывае­мости, а также повышения коррозионной стойкости. Микроструктура латуни при­ведена на рис. 60.

Рис.60. Микроструктура латуни, х200:

а - α-латунь, б - α+β-латунь

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами (рис.61). Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь.

Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки и колокола. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшип­ников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Рис.61. Структура литой бронзы с 6% Sn, х200: а) после отжига, б) до отжига

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан и другие, обозначае­мые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за бук­вами, обозначают среднее содержание добавок этих до­полнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). На­пример, БрОЦ4-3 означает, что в бронзе содержится в среднем 4 % Sn, 3 % Zn, остальное медь. Сплавы, со­держащие небольшое количество олова, образуют твердый раствор замещения меди оловом, имеющим кристаллическую решетку куба с центрированными гранями, т. е. решетку, аналогичную решетке чистой меди.

Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % Sn и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из твердого раствора олова в меди. Олово дороже и дефицитнее меди. Поэтому широкое применение нашли заменители — в первую очередь алюминиевые бронзы как простые БрА5, так и более сложные БрАЖМцЮ-3-1,5.

Сплавы меди с небольшими добавками алюминия (до 10 %) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавки никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические и не­которые технологические свойства алюминиевых бронз.

Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремниевые бронзы, например БрКН-1-3, содержащая 0,6—1,1 % Si; 2,4—3,4 % Ni и 0,1—0,4 % Мn. Антифрикционными свойствами обладают бронзы БрОЦС4-4-4, содержащие по 3—5 % олова и цинка, и 3,5—4,5 % свинца.

Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8—2,1 % Be, 0,2—0,5 % Ni (остальное медь) и др. Из них изготовляют пружины, пружинящие контакты ответственных приборов и пр.

12.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий — второй (после железа) металл со­временной техники. Наиболее важное свойство алюми­ния, определяющее его широкое применение, — это его плотность, равная 2,7 г/см³ (т. е. алюминий почти в 3 раза легче железа), а также хорошая электрическая прово­димость, составляющая 65% электрической проводи­мости меди. Кроме того, алюминий имеет высокую тепло­проводность и теплоемкость, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздей­ствию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от оксида железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Его кристаллическая решетка — куб с центрированными гранями с параметром а = 0,404 нм. Никаких аллотропи­ческих превращений у алюминия не обнаружено.

Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения ~2500°С. Механические свойства алюминия невысоки. Предел прочности при разрыве составляет 90—180 МПа, НВ 20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку (1,8 %). Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия.

Сплавы алюминия принято делить на две группы: первая — сплавы, деформируемые обработкой, и вто­рая — литейные сплавы.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы ха­рактеризуются невысокой прочностью, но хорошей пла­стичностью (от 6 до 40 %). К ним относятся сплавы алюми­ния с марганцем и магнием, содержащие до 6 % Mg. Из этих сплавов широко применяют сплав АМц, содержа­щий 1—1,6 % Мn, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 2,6—1,8 Mg, 0,2—0,6 Мn и 4,8—5,8 Mg, 0,3—0,8 Мn. Эти сплавы почти все однофазные, имеющие структуру твердого раствора. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для мало­нагруженных деталей, изготовляемых холодной штам­повкой, и для сварных конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации, так как их упрочнение термической обработкой не удается.

Из группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, наиболее известны дуралюмины и авиаль.

Эти современные сплавы имеют в своем составе по три-четыре, а чаще и больше состав­ляющих. Их способность упрочняться термической обра­боткой хорошо иллюстрируется двойной диаграммой Аl— Сu (рис. 62); почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует медь, образующая с алюминием твердый раствор с предельной растворимостью 5,6 % при тем­пературе 548 °С. С понижением температуры раствори­мость меди в алюминии быстро уменьшается.

 

 

Рис.62. Диаграмма состояния сплавов алюминия с медью

 

Дуралюмины — сплавы на основе Al—Cu—Mg, в ко­торые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости сплава. Наиболее известны сплавы Д18, содержащий 2,2— 3 % Сu, 0,2 — 0,5 о/о Mg, и Д16, содержащий 3,8 — 4,6 % Сu, 1,2— 1,8 % Mg и 0,3 — 0,9 % Мn. Микроструктура дуралюмина показана на рис.63.

Рис.63. Микроструктура дуралюминия: а - отожженное состояние, х200; б - закаленное состояние, х100

 

Дуралюмины хорошо деформируются и в горячем, и в холодном состояниях: для их упроч­нения обычно применяют закалку в воде и естествен­ное старение. Наибольшее упрочнение достигается в те­чение первых суток после закалки и практически за­канчивается в течение пяти суток. Наиболее проч­ные алюминиевые сплавы — сплавы типа В95, содер­жащие 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Сu, 0,4 % Mn, 0,2 %Cr. Но, применяя их, следует иметь в виду, что эти сплавы еще менее коррозионностойки, чем дуралюмины, и не пригодны для работы при температурах выше 150 °С, так как их прочностные характерис­тики сильно понижаются при повышенной темпера­туре.

Известно много других сложных деформируемых спла­вов для ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов очень много: их принято маркировать двумя буквами: АЛ (алюминиевый сплав, литейный). В соответствии с ГОCТ их принято делить на пять групп.

Группа I — сплавы на основе системы алюминий — кремний (АЛ2, АЛ4, АЛО). Эти сплавы часто называют силуминами, и они представляют интерес с точки зрения металловедения.

Группа II объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий—кремний—медь (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а также АЛ32, содержащий, кроме трех основных компонентов, еще марганец и титан).

Группа III — сплавы на основе системы алюминий — медь (АЛ7 и АЛ 19), которые из-за наличия значительного количества меди более дефицитны и дороги.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий — магний (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.), обладающие низкой плотностью (почти в 3 раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двой­ные сплавы начали широко использовать для получе­ния легких отливок различного оборудования для транс­портных машин.

К группе V относят сплавы на основе алюминия и дру­гих компонентов. Эта группа особенно велика: наиболее популярны из этой группы сплавов АЛ1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ11, включающий кроме алюминия и кремния большое количество цинка (7— 12 %) и немного магния. В эту группу входит также сплав АЛ24, содержащий магний, марганец, цинк, ти­тан и др.

Литейные сплавы алюминия с магнием, медью, а также многие другие более сложные сплавы на основе алюминия подвергают термической обработке, так как их основные прочностные и технологические свойства изменяются при этом в очень широких пределах. Многие алюминиевые сплавы с добавками меди и магния подвержены старению, т. е. изменяют свои свойства при хранении. Например, у сплава АЛ8, содержащего 9,5 — 11 % Mg, в литом состоянии относительное удлинение δ = 10 %; если этот сплав нагреть под закалку и медленно охладить с печью, то δ = 2 %, а после пяти суток выдержки при 20 °С δ увеличится до 20 %.

Наибольшей известностью пользуются силумины и сплавы алюминия с медью. Микроструктура силумина показана на рис.64. Типичный силумин — сплав АЛ2 содержит 10—13 % Si, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Кроме того, он устойчив про­тив коррозии и относительно легкоплавок. Удовлетвори­тельные механические свойства и структуру силумин приобретает только после модифицирования. Немодифи­цированный силумин имеет грубую игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования эвтектика ста­новится мелкозернистой, в результате чего сплав при­обретает пластичность. Модифицирование проводят до­бавкой в жидкий сплав незначительного количества ме­таллического натрия.

Рис.64. Микроструктура литейных сплавов алюминия, х200: а - немодифицированный силумин, б - модифицированный силумин

 

Однако эффект такого модифицирования сохраняется в жидком сплаве только 10—15 мин, и поэтому модифи­цирование необходимо непосредственно перед разливкой сплава. Более удобно модифицировать силумин смесью солей ²/з NaF и ¹/з NaCI, которая, будучи загружена в заливочный ковш, сохраняет эффект модифицирования около 1 ч.

Титан и его сплавы

Титан — металл серебристого цвета с голубо­ватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см³, плавится при температуре 1660 °С, кипит при 3260 °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан, имеющий гексагональную решетку с параметрами а₀ = 0,295 нм и с₀ = 0,468 нм, и при более высоких температурах — (β-титан с кубической объемно центрированной решеткой с параметром и а = 0,304 нм.

Механические свойства титана изменяются от содержа­ния в нем примесей. Чистый титан ковок, имеет невысо­кую твердость (НВ 70);

технический титан хрупок и тверд (НВ 180—280).

Вредные примеси титана — азот и кислород резко снижают его пластичность, а углерод при содержании более 6,15 % снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Во­дород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водо­родной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротив­ляемостью коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изме­няет свои механические свойства при нагреве до 400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кис­лород, ухудшаются его механические свойства, а выше 540 °С — становится хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве леги­рованной стали.

Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены ТiO₂, ТiО₃. Двуокись титана TiO₂ — амфотерный по­рошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.

Технический титан, применяемый промышлен­ностью, делят на две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0; в них допускается следующее содержание примесей, %: 0,05—0,07С; 0,1 — 0,12 О₂; до 0,04 N₂; 0,08—0,01 H₂; до 0,2 Fe; 0,008 — 0,1 Si. Однако механические свойства ВТ 1-0 несколько выше за счет увеличения суммы перечисленных примесей в нем.

Для повышения механических свойств титана его почти всегда легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана. Наоборот, элементы, понижающие эту температуру, называют β-стабилизаторами. К ним отно­сятся: молибден, ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие металлы.

В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α - твердого раствора, либо смешанной структурой (α+β)-твердого раствора.

Микроструктура титанового сплава показана на рис.65.

Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, заме­щая и стабилизируя α-фазу, увеличивает прочность ти­тана, жаропрочность и сопротивляемость окислению при высоких температурах, хотя и понижает пластичность. Поэтому алюминий является наиболее важной состав­ляющей титановых сплавов и всегда входит в их состав (сплав ВТ5 и др.).

Рис.65. Микроструктура титановых сплавов, х400:

а - твердый раствор α (сплав ВТ1); б - фаза α` (мартенсит, полученный после закалки сплавов ВТ1 с 1075^o С).

 

Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют дополнительно хромом, мар­ганцем, молибденом, а иногда и другими β-стабилизаторами.

Сплавы смешанной структуры (α+β) обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с чистым титаном. Однако эта повышенная прочность сохраняется до температуры 430°С. Большинство этих сплавов обладает хорошей пластичностью даже при низких температурах, и поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем однофазные титановые сплавы. Сварка этих сплавов затруднена, так как они при сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость.

Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распространенным в этой группе является сплав ВТЗ-1 (5,5—7 % Аl; 0,8—2,3 % Cr; 2—3 % Мо; 0,2—0,4 % Si). Он обладает термической стабиль­ностью, не становится хрупким при длительном нагреве (до 10 000 ч) до температуры 400°С, а при кратковремен­ной работе — до 450 °С; σ_в = 900—1150 МПа; δ = 10— 16 %.

Сплав ВТ9 (6—7 % Al; 3 — 4 % Мо; 0,3 % Si; 0,8 — 2 % Zr) можно применять при изготовлении конструкций и деталей, длительно работающих при нагреве до темпе­ратуры 450 °С, σ_в = 980—1150 МПа, δ = 8—16 %. Эти сплавы штампуются и куются, из них прокатываются и прессуются прутки и фасонные профили.

Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому обладающие α-структурой (например, сплав ВТ5, содер­жащий 4,3—6,2 % Al), хорошо свариваются, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С, сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 °С. Однако их пластичность ниже пластичности двухфазных сплавов, имеющих α- и β-фазу. Все деформируемые сплавы титана можно приме­нять и для фасонного литья, но делают это редко, так как титан легко взаимодействует с газами и формовочными материалами.

Сплавы титана со структурой, имеющей одну β-фазу, в промышленности почти не применяют, хотя они обла­дают отличной пластичностью. Причиной служит их чувствительность к загрязнению атмосферными газами при нагреве, неизбежному в процессе производства.

 

12.4. Антифрикционные сплавы

Наряду с подшипниками качения в машинах широко используются подшипники скольжения. Поскольку вкладыши под­шипников скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют из сплавов достаточно пластичных, чтобы было легко прирабатываться к поверхности вращающегося вала, и до­статочно прочных, чтобы служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются подшипниковыми или антифрикцион­ными.

Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой равномерно рассеяны более твердые частицы. При вращении в под­шипнике вал опирается на эти твердые частицы, а мягкая основа сплава по поверхности соприкосновения с валом изнашивается, в результате чего образуется сеть микроканалов, по которым пере­мещается смазка. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца (баббиты) и алюминия; сплавы на основе меди, чугуны серые, моди­фицированные и ковкие; металлокерамические пористые материалы; пластмассы.

Баббиты. В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы и меди в олове, а твер­дыми частицами — соединения SnSb и Cu₃Sn. Микроструктура баб­бита Б83 приведена на рис. 66.

Рис.66. Микроструктура баббита: а - Б83, б - Б16

 

Баббиты Б83 применяют для заливки подшипников особо нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из свинца (например, баббитом марки Б16).

В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu₃Sn, рассеянные в мягкой основе — растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для под­шипников средней нагруженности (например, в тракторных и авто­мобильных двигателях).

 

Резюме

Медь. Свойства - хорошие электропроводимость и тепло­проводность, высокая пластичность и способность образо­вывать технологичные сплавы