Термическая и химико-термическая обработка стали

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава и обусловленные этим изменения физических, механических и других свойств.

Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на основе a- и g-Fe. В результате полиморфизма происходит изменение кристаллической структуры сплавов в твердом состоянии. Следует отметить, что нагрев или охлаждение однокомпонентного металла (железа) не оказывает значительного влияния на его структуру и свойства. Между тем термическая обработка углеродистой стали при определенных условиях позволяет изменять структуру материала и его физико-механические свойства в широких пределах.

Термической обработке с целью требуемого изменения структуры и свойств (твердости, обрабатываемости и др.) подвергают как полуфабрикаты (заготовки), так и готовые изделия (детали, инструмент). В зависимости от структурного состояния стали, получаемого в результате применения термообработки, последняя подразделяется на отжиг (первого и второго рода), нормализацию, закалку и отпуск.

Технологический процесс термообработки включает 3 последовательно выполняемые операции:

1) нагрев до определенной температуры;

2) выдержку при этой температуре;

3) охлаждение с заданной скоростью.

Для понимания особенностей фазовых превращений, происходящих при термической обработке стали, необходимо рассмотреть процесс перехода аустенита в перлит. Этот процесс включает 4 этапа.

1. При охлаждении аустенита до температуры, равной 727 °С, происходит практически мгновенный переход g-Fe в a-Fe с изменением типа кристаллической решетки с ГЦК на ОЦК. При этом выделяется избыточный углерод, который не успевает диффундировать и остается в решетке железа. В результате образуется сплав – пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, который носит название мартенсит (твердость – 62 – 65 НВ).

2. Углерод начинает диффундировать к центрам кристаллизации, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и цементита Fe₃C. Линейный размер кристаллов цементита составляет ~10^-5мм. Такой сплав называется трооститом (твердость – 40 НВ).

3. Зерна Fe₃C увеличиваются до ~10^-4мм, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и Fe₃C, которая называется сорбитом (твердость – 30 НВ).

4. Зерна Fe₃C вырастают до размера, превышающего 10^-3 мм, и образуется перлит (твердость – 15–20 НВ).

Структуры аустенита и перлита являются стабильными (равновесными), а мартенсита, троостита и сорбита – неравновесными.

Известно, что если аустенит охлаждать со скоростью 50 град/с, образуется сорбит; 100 град/с – троостит; 150–200 град/с – мартенсит. При термообработке, вызывающей переход аустенита в мартенсит, плотность стали уменьшается [плотность аустенита – (8,0–8,1) г/см³, мартенсита – 7,8 г/см³], а линейные размеры и объем увеличиваются. Поэтому после термообработки в материале возникают внутренние механические напряжения.

Отжигом называется процесс термической обработки, включающий нагрев до определенной температуры, выдержку и последующее, как правило медленное, охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры стали. В результате отжига устраняются внутренние напряжения, измельчается зерно, повышается пластичность стали.

Отжиг первого рода – это термическая обработка, при которой, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные целевым назначением. В зависимости от температурного режима отжиг первого рода устраняет неоднородности химического состава или физических свойств, созданные предшествующими обработками. Разновидностями отжига первого рода являются диффузионный и рекристаллизационный.

Целью диффузионного отжига (гомогенизации) являются выравнивание химического состава и удаление дендритной структуры кристаллов в фасонных отливках и слитках легированной стали. Неоднородность химического состава заготовок повышает анизотропию их свойств и склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению. Диффузионный отжиг производится при температурах 1100 – 1200 °С в течение 30 – 50 ч. Только при таких условиях наиболее эффективно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали по всему объему. Общая продолжительность процесса, включающая нагрев, выдержку и медленное охлаждение со скоростью 30 – 100 град/ч (обычно вместе с печью), может превышать 100 ч.

Рекристаллизационный отжиг (разновидность низкого отжига) – термическая обработка холоднодеформированной стали, включающая нагрев выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Целью рекристаллизационного отжига является устранение наклепа и получение определенной величины зерна. Наклеп возникает в результате весьма высоких давлений, применяемых при обработке давлением, резанием и пр. Зерна поверхностных слоев приобретают вытянутую форму. Создаются относительные смещения (сдвиги) частей кристаллической решетки.

Рекристаллизационный отжиг применяют как до, так и после холодной обработки давлением для снятия созданных наклепом внутренних напряжений в материале.

Для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса температура отжига должна превышать температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей (содержащих 0,08 – 0,2 % углерода), чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига составляет 680 – 700 °С, продолжительность – от 0,5 до 1,5 ч.

После отжига зерна поверхностных слоев материала, деформированные и сплющенные после наклепа, восстанавливают нормальную форму. Сталь приобретает мелкозернистое строение, пониженную твердость, повышаются пластичность и обрабатываемость в холодном состоянии.

Целью отжига второго рода являются фазовые превращения – перекристаллизация стали с достижением практически равновесного структурного (фазового) состояния. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический.

Полному отжигу подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений. Сталь нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше точки Ас₃. При нагреве исходная крупнозернистая ферритно-перлитная структура превращается в мелкозернистую структуру аустенита, обеспечивающую высокие вязкость и пластичность стали. Продолжительность выдержки должна быть достаточной для полного прогрева всего объема материала и завершения фазовых превращений. Чрезмерное повышение температуры выше точки Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура. Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей высокой твердости.

Скорость охлаждения, необходимая для полного отжига, зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, следовательно, от состава стали. В связи с этим легированные стали, отличающиеся высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (10 –100 °С/ч), чем углеродистые (200 – 250 °С/ч).

Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ас₁ (до 740 – 780 °С). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается и образуется структура цементит+аустенит.

При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется ферритоцементитная структура с зернистой формой цементита – зернистый перлит. Заэвтектоидные (инструментальные) стали подвергают только неполному отжигу для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, а также подготовки структуры к закалке.

Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко в связи с неполной перекристаллизацией структуры.

Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей с целью полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. Нагрев осуществляется при температуре, применяемой для полного отжига. Затем производят сравнительно быстрое охлаждение (переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки Ас₁ (~650 °С), и начинают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Преимущество изотермического отжига состоит в снижении продолжительности процесса по сравнению с полным отжигом. При выборе температуры выдержки изотермического отжига, близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области, достигается минимальное время процесса. Другим преимуществом отжига является получение более однородной структуры материала.

Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость стали резанием и чистоту поверхности, уменьшает склонность к деформации при последующих термической и (или) химико-термической обработках.

Нормализация – это термическая обработка, включающая нагрев до температуры на 30 – 50 градусов выше критических точек Ас₃ для доэвтектоидной стали и А ст для эвтектоидной стали, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.

Вследствие более быстрого охлаждения, чем при полном отжиге, структура перлита после нормализации является такой же, как после полного отжига, но более дисперсной (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).

Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после полного отжига. Нормализация применяется обычно для исправления структуры перегретой и литой стали, измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой и резанием, подготовки к закалке, устранения сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали [7]. Нормализация, по сравнению с отжигом, – более экономичная операция, так как не требует длительного охлаждения вместе с печью.

Закалка стали применяется для значительного повышения прочности и твердости материала. Закалка производится нагреванием на 30 – 50 градусов выше температур, соответствующих линии аустенитного превращения (GSK) диаграммы состояния Fe – C (рис. 3.12); затем осуществляется выдержка в течение необходимого времени. Охлаждение после закалки проводится с высокой скоростью 100 – 500 град/с. Основным и решающим фактором, определяющим структуру и физико-механические свойства закаленной стали, является именно скорость охлаждения.

Особое значение для закалки имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650 – 550 °С). Обычно этот интервал температур при закалке необходимо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300 – 200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом интервале требуется более медленное охлаждение во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

На практике применяют следующие охлаждающие среды: вода, 10 %-е растворы NaCl, H₂SO₃, Na₂CO₃ в воде, машинное масло, трансформаторное масло, эмульсия масла в воде, мыльная вода, керосин, воздух.

Углеродистые стали, имеющие высокую критическую скорость закалки, охлаждают (закаливают) в воде, а легированные стали, имеющие более низкую критическую скорость закалки, охлаждают в масле, где охлаждение происходит медленнее. Недостатком масла как охлаждающей среды являются его легкая воспламеняемость и относительно высокая стоимость. С понижением температуры охлаждающей среды закалка стали становится более резкой.

Существуют следующие способы закалки: в одном охладителе; в двух средах; с подстуживанием (перед погружением в охладитель материал некоторое время выдерживают на воздухе); ступенчатая; изотермическая закалка и др.

Существует метод поверхностной закалки – нагревание за счет теплового действия тока, индуцируемого в поверхностных слоях материала при помещении его в электромагнитное поле высокой частоты.

Кроме высоких прочности и твердости, закаленная сталь приобретает и повышенную хрупкость.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁ с выдержкой при этой температуре и с последующим сравнительно медленным охлаждением на воздухе. Целью отпуска являются частичное или полное устранение внутренних напряжений, снижение твердости и повышение вязкости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали. Основными факторами, влияющими на свойства стали после отпуска, являются температура нагрева и продолжительность выдержки. В зависимости от значения температуры отпуск разделяют на низко- и высокотемпературный.

Цель низкотемпературного отпуска, проводимого при 150 – 250 °С, – уменьшение внутренних напряжений в закаленной детали без снижения твердости. Отпуск проводят в масляных или солевых ваннах. Низкотемпературный (низкий) отпуск называют также отпуском на мартенсит.

Среднетемпературный (средний) отпуск – отпуск на троостит – происходит при нагреве до температур 350 – 450 °С. При этом снижается твердость стали.

Высокотемпературный (высокий) отпуск – отпуск на сорбит – производится при температуре 500 – 650 °С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением стали. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35 – 0,60 % С).

Химико-термическая обработка стали – это процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При химико-термической обработке протекают следующие процессы [7]: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диффузия).

Химико-термическая обработка позволяет получить стальную деталь с твердым поверхностным слоем и мягкой сердцевиной.

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, кремнием, бором и др.

Цементация – процесс химико-термической обработки, представляющей собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом. В поверхностном слое содержание углерода составляет 0,8 – 1,0 %.

Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь с добавлением углекислых солей (ВаСО₃, Na₂CO₃ и др.). Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в случаях, когда нужно получить тонкий цементированный слой с высоким содержанием углерода. Газовую цементацию проводят при нагреве деталей до 900 – 950 °С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий углеродсодержащий газ (метан, бензол и др.).

Цементированные детали (зубчатые колеса, ролики подшипников и др.) подвергают термической обработке, наиболее часто – закалке при 820 – 850 °С и отпуску.

Азотирование – процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель азотирования – получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование) [7].

Для азотирования детали нагревают (при 500 – 700 °С) в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH₃. Образовавшийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, воздействует на сталь и образует с элементами, входящими в ее состав (Fe, Cr, Al), нитриды, придающие поверхностному слою очень высокую твердость. Недостаток азотирования – длительность процесса (до 90 ч). Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, зубчатые колеса, штампы, пуансоны и др. Антикоррозионному азотированию подвергают в основном углеродистые стали при 600 – 700 °С с выдержкой в течение 0,5 – 1 ч.

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде – нитроцементацией. Цель этих процессов – получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей. Процессы проводятся при температуре 820 – 960 °С, их продолжительность 1,5 – 6,0 ч. Затем детали (широкой номенклатуры) охлаждают на воздухе, подвергают закалке и отпуску.

Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в соответствующей среде. Обычно борирование выполняют при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇), при этом стальное изделие является катодом. Процесс проводят при температуре 930 – 950 °С в течение 2 – 6 ч. В результате борирования износостойкость деталей возрастает в 2 – 6 раз.

Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости стальных деталей. Насыщение при 1000 – 1200 °С проводят в твердых, жидких и газовых средах.

84. Чугун (тюрк.) сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и Легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики (См. Эвтектика). Ч. — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (См. Чёрная металлургия) (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Ч. вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Ч. в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Ч. лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун). В современном машиностроении на долю деталей из Ч. приходится около 75% от общей массы отливок. По выпуску чугунного литья СССР занимает 1-е место в мире (1976).

Классификация и свойства чугуна. Ч., получаемый в доменных печах, подразделяется на Передельный чугун, используемый для передела в сталь, и Литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.

До 70-х гг. 20 в. в доменных печах иногда выплавляли т. н. зеркальный Ч. (10—25% Mn), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов Ч. При использовании для выплавки Ч. железных руд, содержащих Сг, Ni, Ti и др. легирующие элементы, получают т. н. природнолегированные Ч. При производстве отливок в чугунолитейных цехах Ч. подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, — на серый, белый и половинчатый (или отбелённый); в зависимости от формы включений графита — на Ч. с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный Ч.), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий Ч.) графитом; в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения — на конструкционный и Ч. со специальными свойствами; по химическому составу — на легированные и нелегированные.

Серый Ч. — наиболее широко применяемый вид Ч. (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Ч. характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого Ч. — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства Ч. Свойства серого Ч. зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Ч. имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый Ч. с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый Ч. представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном Ч.). Кристаллизация белых Ч. происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч. вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый Ч. содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется Ч. в отливках, изготовленных из белого Ч. и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий Ч. обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Ч. определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Ч. в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Ч., имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Ч. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Ч. модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий Ч. используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Ч. высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

Высокопрочный Ч., характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств Ч. с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Ч. обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Ч. применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч. Высокопрочные Ч., имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Ч. с шаровидным и Ч. с пластинчатым графитом. Этот Ч. обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Ч.). Ч. с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.

Легированные Ч. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Ч. особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Ч. классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Ч. с 5—7% Si (Силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Ч. с 12—18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой Ч., легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Ч. с 19—25% Al (Чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Ч. жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили Ч., легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) — нихарды. Аустенитные никелевые Ч., легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Ч. содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Ч.: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Ч. обозначают ЛК, в отличие от Ч., выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Ч. ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Ч. ЛК4). Каждая марка Ч. в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Ч. литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Ч., ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного Ч. в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Ч. указывают его механические свойства. Для серых Ч. приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм ²), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Ч. цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм ²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Ч. состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч., и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Ч.: ЧН19ХЗ — Ч., содержащий Чугун19% Ni и Чугун3% Cr. Если в легированном Ч. регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

Цветные металлы и сплавы

К цветным металлам* и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.

Выражение «цветной металл» объясняется цветом некоторых тяжёлых металлов: так, например, медь имеет красный цвет.

Если металлы соответствующим образом смешать (в расплавленном состоянии), то получаются сплавы. Сплавы обладают лучшими свойствами, чем металлы, из которых они состоят. Сплавы, в свою очередь, подразделяются на сплавы тяжёлых металлов, сплавы лёгких металлов и т.д.

Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы:

- тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово;

- лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций,стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;

- благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений,родий, палладий;

- малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

- тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий,хром, марганец, цирконий;

- редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий;

- рассеянные металлы — индий, германий, таллий, таллий, рений, гафний, селен, теллур;

- радиоактивные металлы — уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий.

Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, эа счёт искусственного и естественного старения и т. д.

Медь и её сплавы.

Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78):

Марка	МВЧк	MOO	МО	Ml	М2	МЗ
Содержание Cu+Ag, не менее %	99,993	99,99	99,95	99,9	99,7	99,5

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к - катодная, б – бес кислородная, р - раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди и серебра.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493-79, ГОСТ 613-79, ГОСТ 5017-74, ГОСТ 18175-78).

Латуни - сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием - сплавами, обрабатываемыми давлением.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие кол-во элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонентов сплавов:

 

А – алюминий Мц - марганец С - свинец Б - бериллий

Мг – магний Ср – серебро Ж - железо Мш - мышьяк

Су – сурьма К – кремний Н – никель Т – титан

Кд – кадмий О – олово Ф – фосфор Х – хром

Ц - цинк

Примеры:

БрА9Мц2Л - бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu ("Л"' указывает, что сплав литейный);

ЛЦ40Мц3Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;

Бр0Ф8,0-0,3 - бронза на ряду с медью содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;

ЛАМш77-2-0,05 - латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди:

Л96 - латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак);

Лб3 - латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn.

 

Алюминий и его сплавы.

Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени чистоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква "Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.

А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;

А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.

Чистый деформируемый алюминий обозначается буквами "АД" и условным обозначением степени его чистоты: АДоч (>=99,98% Al), АД000(>=99,80% Аl), АД0(99,5% Аl), АД1 (99,30% Al), АД(>=98,80% Аl).

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685-75) обладает хорошей жидко-текучестью, имеет сравнительно не большую усадку и предназначены в основном для фасонного литья. Эти сплавы маркируются буквами "АЛ" с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО.

Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае "М" обозначает медь. "К" - кремний, "Ц" - цинк, "Н" - никель; цифра - среднее % содержание элемента.

Из алюминиевых антифрикционных сплавов (ГОСТ 14113-78) изготовляют подшипники и вкладыши как литьем так и обработкой давлением. Такие сплавы маркируют буквой "А" и начальными буквами входящих в них элементов: А09-2, А06-1, АН-2,5, АСМТ. В первые два сплава входят в указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий 2,7-3,3% Ni и в четвертый медь сурьма и теллур.

 

Титан и его сплавы.

Титан - тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом. Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером:

ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14.

Пять титановых сплавов обозначены иначе:

0Т4-0, 0Т4, 0Т4-1, ПТ-7М, ПТ-3В.