Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали.

Хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х). с увеличением содержания углерода увеличивается прочность, но снижается пластичность и вязкость. Эти стали применяются для деталей небольшого сечения, работающих без значительных динамических нагрузок. Прокаливаются на глубину 15-20 мм.

Хромистая сталь с бором (30ХРА) имеет повышенную прочность и прокаливаемость (на глубину 20-30 мм).

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН, 50ХН) обеспечивает высокий комплекс механических свойств в деталях сечением до 70 мм. Эти стали применяют для ответственных, сильно нагруженных деталей при наличии ударных нагрузок, например коленчатых валов, шатунов, шестерен, осей и др. Недостаток этих сталей – большая склонность к отпускной хрупкости.

Хромокремнемарганцевые стали (30ХГС, 30ХГСА), называемые хромансилями, имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются, штампуются, прокаливаются до глубины 20 мм; заменяют хромоникелевые стали.

Хромоникельмолибденовые стали (40ХН2МА, 38ХН3МА) – глубоко прокаливающиеся (более 100мм), высокопрочные и вязкие стали, теплоустойчивы до 450-500º С. Применяются для крупных деталей наиболее ответственного назначения (шатунов, роторов, турбин, деталей редукторов и др.).

 

Высокопрочные мартенситно-стареющие стали.

Это практически безуглеродистые (с содержанием углерода 0,03 %) сплавы железа с никелем (8-20 %), дополнительно легированные другими элементами (Ti, Mo, Co, Al). Упрочнение их достигается благодаря наличию мартенситной структуры, получаемой при закалке, и старению (отпуску). Широко применяется в технике сталь марки 03Н18К9М5Т. После закалки на воздухе от 800-850º С сталь состоит из безуглеродистого мартенсита и отличается высокой пластичностью и вязкостью. Предел прочности _В = 1100 МПа. После старения предел прочности повышается до 2000 МПа при сохранении достаточной пластичности и вязкости.

Применяют также менее легированные стали, например 02Н12Х5М3, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, с несколько меньшей прочностью. Мартенситно-стареющие стали находят применение для ответственных деталей в самолетостроении, ракетной технике, судостроении.

 

Рессорно-пружинные стали.

Детали из этих сталей служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и и поэтому основным требованием предъявляемым к сталям, являются высокие пределы упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные элементами Si, Mn, Cr, V, W, Ni, которые повышают предел упругости. Пружины изготавливают из сталей марок 65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2Н2А, 70С2ХА.

Высокие свойства пружины и рессорные листы имеют при твердости HRC 40-45 (структура троостит), которая достигается после закалки от 820-870º С и отпуска при 420-520º С.

Шарикоподшипниковые стали.

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Наибольшее применение имеет высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15. Заэвтектоидное содержание в ней углерода (0,95 %) и хрома (1,3-1,65 %), обеспечивают после закалки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости.

Сталь ШХ15 применяют для деталей небольших сечений. Для деталей более крупных подшипников с целью улучшения их прокаливаемости применяют хромокремнемарганцевые стали ШХ15СГ и ШХ20СГ.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18 ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали.

Хромистые коррозионно-стойкие стали. Содержание хрома в стали должно быть не менее 12 %. При меньшем содержании хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицательным. Широко применяют стали марок 12Х13, 40Х13, 12Х17, 08Х17Т.

Наибольшей коррозионной стойкость сталь 12Х13 (мартенситно-ферритного класса) обладает после закалки в масле с температуры 1000-1100º С и отпуска при температуре 700-750º С с последующей полировкой. Структура после термической обработки феррит и карбиды хрома. Твердость НВ 200-250. Эта сталь противостоит действию слабоагрессивных сред (воздуха, воды, пара).

Детали из стали 40Х13 (мартенситного класса) применяют после закалки в масле с температуры 1000-1050º С и отпуска при температуре 180-200º С, шлифования и полирования поверхности. После термической обработки сталь обладает высокой твердостью (HRC 52-55), структурой мартенсита; применяется для хирургических инструментов, пружин, предметов домашнего обихода и др.

Более коррозионностойкая сталь ферритного класса 12Х17, применяется (в отожженном состоянии) для химического и пищевого оборудования.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в этих сталях находятся карбиды хрома. (12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 04Х18Н10)

Эти стали имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые и их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в авиастроении, транспортном машиностроении, а также в строительстве.

 

Цветные металлы и сплавы.

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе. Широкое применение цветных металлов и их сплавов обусловлено их ценными свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, хорошими пластичностью и вязкостью. Они хорошо поддаются штамповке, отливке и обработке резанием, что обеспечивает возможность изготовления деталей машин различными высокопроизводительными методами.

 

Медь (Cu) и ее сплавы.

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении.

Читая медь - металл красного цвета. Ее кристаллическая решетка – гранецентрированный куб.

Температура плавления меди 1083º С, температура кипения 2360 º С, плотность 8,94 Мг/м³. Медь диамагнитна и не имеет полиморфизма. Механические свойства технической меди в отожженном состоянии: _В = 25 кг/мм², = 45 %, НВ = 60 кг/мм² (средние значения). Имея наименьшее (после серебра) удельное электрическое сопротивление (0,0178 мкОм м), медь широко применяется в электротехнике в качестве проводников электрического тока. На воздухе медь окисляется – поверхность покрывается налетом углекислой меди. Промышленностью выпускается 11 марок меди с различным содержанием примесей. В электронике применяют бескислородную (б) медь марок М00б (99,99 % Cu) и М0б (99,97 % Cu), в электротехнике и металлургии М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu) и др.

Обладая замечательными свойствами, медь в тоже время как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т.е. вводят в состав такие металлы как цинк, олово, алюминий и др., за счет чего улучшают ее механические и технологические свойства. По химическому составу медные сплавы подразделяют на латуни и бронзы, по технологическому назначению – на деформируемые, используемые для производства полуфабрикатов (проволоки, листа, полос, профиля), и литейные, применяемые для литья деталей.

Сплавы меди с цинком называют латунями, томпаками (до 10 % Zn) или полутомпаками (от 10 до 20 % Zn); все другие сплавы называют бронзами.

 

Латуни.

Латуни – сплавы меди с цинком, и другими компонентами. При содержании цинка менее 39 % латунь имеет структуру однофазного твердого раствора цинка в меди, называемую - латунью. Количество цинка свыше 39 % приводит к выделению из твердого раствора электронного соединения CuZn ( - фаза) и латуни имеют структуру + - латуни. При дальнейшем увеличении и цинка в сплаве прочность латуни уменьшается, а хрупкость увеличивается. Максимальную пластичность имеет латунь, содержащая около 32 % цинка ( = 55 %), а максимальную прочность – латунь, содержащая около 45 % цинка ( _В =35 кг/мм²). Если латунь подвергается наклепу, механические свойства ее меняются: прочность на разрыв повышается (до 60 кг/мм²), относительное удлинение снижается (до 1 %).

Для снятия внутренних напряжений латунные изделия, полученные холодной обработкой давлением, необходимо подвергнуть отжигу при температуре 400º С.

По сравнению с медью латунь обладает большей прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью и жидкотекучестью.

При практическом использовании следует иметь в виду, что повышенное процентное содержание меди в составе латуни улучшает ее пластичность, теплопроводность, электропроводность и коррозионную стойкость. Относительное повышение содержания цинка улучшает обрабатываемость латуни резанием, прирабатываемость, повышает износостойкость, снижает себестоимость латуни. Наличие в латуни олова, марганца, кремния, железа повышает ее прочность и способствует улучшению антикоррозионных свойств.

Деформируемые латуни обозначают (по ГОСТ 15527-70) буквой Л и цифрой, указывающей массовое содержание меди в сплаве в процентах (Л96, Л63). Если латунь легирована наряду с цинком другими элементами, то после буквы Л ставят обозначение этих элементов: С – свинец, О – олово, Ж – железо, А – алюминий, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель. Числа после букв показывают массовое содержание меди и последующих (согласно буквам) легирующих элементов, кроме цинка (ЛАН59-3-2 содержит ~59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni, Zn – остальное).

Литейные латуни используют для фасонного литья. Маркировка литейных латуней (по ГОСТ 17711-93) начинается с буквы Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставятся цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe и 2 % Mn.

 

Бронзы.

Бронзами называют сплавы на основе меди с оловом, алюминием, свинцом, кремнием и другими элементами. В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и безоловянные (специальные).

Деформируемые бронзы маркируют (по ГОСТ 5017-74, 18175-78) буквами Бр; затем буквами последовательно указывают легирующие элементы и в конце их содержание в сплаве. Например, БрОФ6,5-0,4 содержит 6,5 % Sn и 0,4 % P, Cu – остальное. Обозначение элементов в бронзах то же, что и при маркировке латуней. Кроме того, фосфор обозначают буквой Ф, цинк – Ц, хром – Х, бериллий – Б, цирконий – Цр. Маркировка литейных бронз (по ГОСТ 613-79, 493-79) начинается также с букв Бр, а дальше производиться аналогично обозначению литейных латуней. Например, БрО3Ц12С5 содержит 3 % Sn, 12 % Zn и 5 % Pb.

 

Оловянные бронзы по структуре бывают однофазными ( - твердый раствор олова в меди) и двухфазными, состоящими из - и (Cu₃₁Sn₈)-фаз. Обычно - фаза выделяется при содержании олова, больше 7-9 %. Она повышает твердость и хрупкость бронз.

Деформируемые оловянные бронзы (БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5) имеют однофазную структуру ( - твердый раствор), поскольку содержат до 7 % Sn. Деформируемые оловянные бронзы изготавливают в виде листа, прутков, проволоки, трубок, ленты и др.- главным образом штамповкой и прессованием. По сравнению с литейными деформируемые бронзы характеризуются более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью (в отожженном состоянии) и сопротивлением усталости.

Литейные оловянные бронзы (БрО3Ц12С5, БрО3Ц7С5Н1, БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрО10Ф1) имеют двухфазную структуру ( и ).

Оловянные бронзы характеризуются достаточной прочностью, высокими антифрикционными качествами, коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью. Повышение содержания олова в оловянных бронзах увеличивает их прочность и твердость, но уменьшает пластичность и ударную вязкость.

В качестве легирующих добавок в оловянные бронзы вводят цинк, свинец, никель, фосфор. Цинк и никель улучшают механические свойства бронзы, причем никель способствует измельчению зерна и улучшению структуры сплава; свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства и, кроме того, обрабатываемость резанием (фосфор) и износостойкость (свинец).

Специальные бронзы (не содержащие олова) обладают высокими механическими свойствами, отличаются высокой пластичность, коррозионной стойкостью и хорошими технологическими свойствами, в связи, с чем не только полностью заменяют оловянные бронзы, но и в ряде случаев превосходят их.

К специальным относятся бронзы: марганцовистые, алюминиевые, свинцовистые, кремниевые, бериллиевые и др.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (БрА5), так и дополнительно легированными никелем, марганцем, железом и др. содержащие до 4-5 % Al бронзы характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6-7 % Al в структуре наряду с - твердым раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая -фаза (Cu₃₂Al₁₉). Поэтому двухфазные сплавы обладают высокой прочностью, но пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Никель и железо повышают механические свойства бронз и их износостойкость. Алюминиевые бронзы хорошо пластически деформируются как в холодном, так и горячем состоянии, коррозионностойки, обладают высокими механическими свойствами.

Кремнистые бронзы (БрКМц3-1) характеризуются хорошей прочность и пластичностью. Они немагнитны, морозостойки. Никель и марганец повышают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. Сплавы свариваются, подвергаются пайке.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворительной тепло- и электропроводностью, хорошо свариваются.

Хромовые бронзы (БрХ0,5) обладают высокими механическими свойствами, хорошей электро- и теплопроводностью.

Свинцовистые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и применяются для высоконагруженных подшипников с большим удельным давлением, заменяя не только оловянную бронзу, но и дорогой высокооловянистый баббит, применяемый для вкладышей подшипников.

 

Циркониевые бронзы сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, близкую к меди, и жаропрочность.

Марганцовистые бронзы имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают высокой сопротивляемостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

 

Области применения меди и ее сплавов.

Чистая медь широко используется в электротехнике и различного вида теплообменниках. Из высокотехнологичных латуней получают изделия глубокой вытяжки (радиаторные и конденсаторные трубки, гибкие шланги). Латуни, содержащие свинец, используют при работе в условиях трения (в часовом производстве, в типографских машинах).

Оловянные бронзы применяют для литья художественных изделий. При дополнительном легировании фосфором их используют для изготовления деталей, работающих на трение в коррозионной среде: подпятники, подшипники, уплотняющие втулки, пояски поршневых колец, клапаны. Алюминиевые бронзы, прежде всего, используют в качестве заменителей оловянных. Высокопрочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, подшипников, пружин, деталей электрооборудования. Из бериллиевой бронзы делают детали точного приборостроения, упругие элементы электронных приборов и устройств, мембраны. Для менее ответственных деталей используют кремнистые бронзы. Хромовые и циркониевые бронзы применяют в двигателестроении.

 

Магний (Mg) и его сплавы.

Магний открыт в XIX веке. Он широко распространен в природе, но в свободном виде не встречается. Мощные скопления образуют карбонаты магния – магнезит и доломит. Магний – пластичный металл серебристо-белого цвета. Это один из наиболее легких цветных металлов, его плотность составляет 1,74 Мг/м³. Температура плавления магния 651º С. Магний имеет компактную гексагональную кристаллическую решетку. Магний является химически активным металлом: образующаяся на воздухе оксидная пленка MgO в силу более высокой плотности, чем у самого магния, растрескивается и не обладает защитными свойствами; магний в виде порошка, пыли или стружки легко воспламеняется; при контакте расплавленного или горячего магния с водой происходит взрыв.

В промышленности магний используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими элементами. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и имеют сравнительно высокую прочность. Они удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Основными легирующими элементами в магниевых сплавах являются марганец, алюминий и цинк. Марганец повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплавов магния. Алюминий и цинк оказывают большое влияние на прочность и пластичность магниевых сплавов: максимальное значение механических характеристик достигается при введении в сплав6-7 % алюминия или 4-6 % цинка. Цирконий (Zr), титан(Ti), щелочноземельные (Са – кальций) и редкоземельные (La-лантан, Ce-церий, Nd-неодим) металлы и торий (Th) измельчают зерно, раскисляют сплав, повышают его жаропрочность.

По технологии изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на литейные (маркировка «МЛ») и деформируемые («МА»).

Литейные сплавы обладают следующими механическими свойствами: _В = 115 МПа, = 8 %, 30 НВ (кгс/мм²). В литых магниевых сплавах повышения механических свойств добиваются измельчением зерна посредствам перегрева расплава или его модифицирования добавками мела или магнезита. При этом в расплаве образуются твердые частицы, становящиеся центрами кристаллизации. Для предотвращения возгорания магниевых сплавов их плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса, а разливку - в парах сернистого газа, образующегося при введении серы в струю металла.

Деформируемые сплавы. Деформированный (прессованный) магний обладает более высоким комплексом механических свойств, чем литой: _В = 200 МПа, = 11,5 %, 40 НВ (кгс/мм²). Деформируемые сплавы производят в виде поковок, штамповых заготовок, горячекатаных полос, прутков и профилей.

Повышение механических свойств магниевых сплавов (отливок) достигают применением термической обработки: закалки и последующего искусственного старения. При этом отливки нагревают до температуры 380-415º С, длительно выдерживают при этой температуре (10-16 ч), затем охлаждают на воздухе. Старение производят при температуре 175º С на протяжении 15-16 ч. С этой же целью применяют также модифицирование сплавов хлорным железом и углесодержащими веществами. Для защиты от коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию (воронению), а также покрытию лакокрасочными материалами.

Применение магниевых сплавов. Из сплавов магния изготавливают корпуса ракет, насосов, приборов, топливные и кислородные баки, рамы двигателя. Сплавы МЛ5 и МЛ6 (цифра показывает порядковый номер сплава) используют для литья тормозных барабанов, штурвалов, коробок передач, МЛ10 – деталей приборов высокой герметичности. Деформируемые сплавы МА1 применяют для изготовления арматуры, бензо- и маслосистем, а также сварных деталей, МА14 – для высоконагруженных деталей.

 

Алюминий и его сплавы.(Al)

Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Алюминий отличает очень низкая плотность – 2, 72 Мг/м³, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Al₂O₄. температура плавления 658,7º С, температура кипения 2500º С. Алюминий имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба (ГЦК). Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения, одной из причин которого является налипание металла на инструмент. Алюминий хорошо сваривается, имеет большую литейную усадку – 1,8 %.

 

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах. Cu, Zn, Mg, Fe, Mn - элементы, формирующие упрочняющие зоны и фазы. Марганец одновременно повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

Ni, Ti, Cr, Fe повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо - его коррозионную стойкость.

 

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время одновременно «существуют» две маркировки сплавов: буквенно-цифровая (Таблица.5.) и цифровая (Рис.65.)

 

 

Рис.65.

Таблица.5. Буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов.

Принцип классификации	Название сплава	обозначение
По химическому составу	-	AMr, AМц
По названию сплава	Дуралюмин	Д1, Д6
По технологическому назначению	Ковочный	АК6, АК8
По свойствам	Высокопрочный	В95, В96
По методу получения полуфабрикатов и изделий	спеченный литейный	САП, САС АЛ2
По виду полуфабрикатов	Проволочный	Амr5П

Таблица.6. Классификация алюминиевых сплавов.

 

 

Технология получения и обработки	Основные характеристики группы сплавов	Основные химические элементы и компоненты сплава	Примеры сплавов
Деформируемые	Коррозионностойкие, повышенной пластичности	Al-Mn Al-Mg Al-Mg-Si	АМц АМ6 АВ, АД31, АД33
Пластичные при комнатной температуре	Al-Cu-Mg	Д18, В65
Среднепрочные	Al-Cu-Mg	Д1, Д16
Высокопрочные	Al-Zn-Mg-Cu	В95, В96Ц1
Малой плотности, высокомодульные	Al-Mg-Li-Zr
Ковочные, пластичные при повышенной температуре	Al-Mg-Si-Cu	АК6, АК8
Жаропрочные	Al-Cu-Mg-Fe-Ni Al-Cu-Mn	АК4-1 Д20, Д21
Спеченные	Жаропрочные	Al-Al2O3 Al-Cu-Mg-Al2O3 Al-Cr-Zr	САП-1, САП-2 СПАК-4
Высокомодульные с пониженной плотность	Al-Mg-Li-Zr
Сплавы с низким коэффициентом линейного расширения	Al-Si-Ni Al-Si-Fe	САС1-50 САС-2
Высокопрочные	Al-Zn-Mg-Cu	ПВ90
Литейные	Герметичные	Al-Si Al-Si-Mg Al-Si-Cu-Mg	АЛ2, АЛ4, АЛ9 АЛ34 АЛ4М, АЛ32
Высокопрочные и жаропрочные	Al-Cu-Mn Al-Cu-Mn-Ni Al-Si-Cu-Mg	АЛ19 АЛ33 АЛ3,АЛ5
Коррозионностойкие	AL-Mg Al-Mg-Zn	АЛ8, АЛ27 АЛ24
Композиционные	Волокнистые: армированные борным волокном (Б.В.)	АД1-Б.В. АД33-Б.В.	ВКА-1 ВКА-2
Сплавы, армированные стальной проволокой	Матрица: АД1, АВ; Проволока 18Х15Н5АМ3	КАС-1, КАС-1А

 

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, также их разделяют по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые (закалка с 435-545º С, естественное старение при 20º С или искусственное – при 75-225º С, 3-48 ч)и не упрочняемые ей.