4 -5. Сплавы металлов 6 час. 1
Металлы Черные Fe и его сплавы Цветные Благородные Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Os Легкие Al, Mg, Ti, Be Урановые Актиноиды Легкоплавкие Zn, Cd, Sn, Pb, Bi, Sb Щелочноземельные Na, K, Li Тугоплавкие W, Mo, Nb, Ta Редкоземельные Лантаноиды 2
n Также условно цветные металлы можно разделить на четыре группы: 1 Тяжелые металлы Cu, Ni, Pb, Zn, Sn; 2 Легкие металлы Al, Mg, Ca, K, Na, Be, Li; 3 Благородные металлы Au, Ag, Pt и ее природные спутники 4 Редкие металлы: тугоплавкие легкие радиоактивные редкоземельные 3
Чугуны n Чугун — сплав железа с углеродом (С более n n n 2, 14%) и некоторым количеством кремния, марганца и др. Различают чугуны: белый (С находится в форме цементита. Цементит — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe 3 C. Цементит содержит (по массе) 6, 67% С, он тверд и хрупок, твердость его достигает НВ 700) серый (С имеет форму пластинчатого графита); высокопрочный (С имеет шаровидную форму); ковкий (С имеет форму хлопьев); легированный. 4
n Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования, существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0 С, плотность – 2, 5 г/см 3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с (температура плавления – 5000 0 С). n В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe 3 C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). 5
n ЧУГУНЫ. Выплавляют в домнах. В них получают передельные (белый) –до 90%, специальные (ферросплавы) и литейные (серый) Ч. n Св ва Ч. зависят от св в металлической основы и структуры графита «С» . n Улучшенные виды получают часто в вагранках. 6
Домна 7
8
Вагранка 9
n Белые – весь «С» находится в форме цементита. n n Цементит — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe 3 C. Цементит содержит (по массе) 6, 67% С, он тверд и хрупок, твердость его достигает НВ 700. Половинчатый – в котором большая часть «С» имеет структуру перлита, ледебурита. Литейные: Серый – Весь свободный «С» имеет форму пластинчатого графита. Имеет низкие механические св ва при растяжении. Маркируют: СЧ 10. СЧ – серый чугун. 10 предел прочности на растяжение 100 МПа 10
n Вследствие большого количества цементита белые чугуны: • имеют высокую твердость и износостой кость; • являются очень хрупким материалом; • обладают невысокими технологическими свойствами; они плохо поддаются обработке резанием из за своей высокой твердости. 11
n Отбеливание происходит при заливке жидкого чугуна в металлическую форму (кокиль). Образование поверхностного слоя высокой твердости может быть: • вредным, если отливка в дальнейшем подвергается механической обработке • полезным, если полученная литая деталь практически не подвергается резанию и предназначена для работы в условиях, требующих высокой износостойкости 12
n Твердость чугунов и предел прочности при сжатии зависят в основном от металличес кой основы: n Феррит. . . . 150 НВ n Феррит + перлит. . . . . 170 200 НВ n Перлит. . . . 200 250 НВ Прочность при растяжении и изгибе, а также пластичность во многом зависят от формы, количества, размеров и характера распределения графитных включений. 13
Чугуны Структура металлической основы и формы графитных включений в чугунах с графитом 14
n Уровень пластичности чугунов определяется в значительной степени формой графита. Зависимость относительного удлинения δ %, от формы графитного включения n пластинчатый. . . ≤ 0, 5 n хлопьевидный. . . 3 12 n шаровидный. . . 2 17 15
n Пластинчатый графит, играющий роль острых трещин и надрезов, является резким концентратором напряжений. n Чугуны с шаровидным графитом имеют самую высокую прочность при растяжении и изгибе. n Уменьшение объема (усадка) при получении отливок из чугунов с графитом составляет всего около 0, 5 % (усадка у сталей до 1, 5 %). 16
n графит улучшает литейные свойства, уменьшая усадку чугунов при кристаллизации, улучшает обрабатываемость чугунов резанием, способствуя образованию мелкочешуйчатой стружки надлома (стружка ломается на графитовых включениях); n графит, выходящий на поверхность детали, выполняет роль смазки, вследствие чего чугуны обладают хорошими антифрикционными свойствами, позволяющими использовать их в парах трения; n графит гасит вибрации и резонансные колебания; 17
n Серый чугун представляет собой чугун с графитом пластинчатой формы (излом имеет серый цвет). Образование графита пластинчатой формы происходит при очень медленном охлаждении чугуна как в процессе самой кристаллизации, так и при дальнейшем охлаждении затвердевшей отливки. 18
Марки и механические свойства серых чугунов 19
20
Высокопрочные чугуны n Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют чаще путем обработки жидкого металла магнием (0, 03 -0, 07 %). Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. 21
n Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обозначаются буквами ВЧ и цифрами, первые указывают прочность при растяжении в кгс/мм 2, а вторые — относительное удлинение в %. 22
Марки и механические свойства высокопрочных чугунов 23
Ковкий чугун n Ковкий чугун представляет собой чугун с графитом хлопьевидной формы (получают графитизирующим отжигом отливок из белого чугуна, в процессе которого происходит графитизация с образованием хлопьевидного графита). 24
Рис. График графитизирующего отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна 25
Марки и механические свойства ковких чугунов 26
27
Другие виды чугунов n Применяют также легированные Ч. , вводя в его n n состав хром, алюминий, кремний, никель, медь, марганец. В результате получают чугуны: Износостойкие. ИЧХ 4 Г 7 Д, ИЧХ 28 Н 2 и т. д. Жаростойкие – стойкие к окалинообразованию (до 650 С). ЖЧХ 1, 5, но Л. также и кремнием и алюминием. Жаропрочные – ЧН 19 Х 3 Ш, ЧН 11 Г 7 Х 2 Ш и др. Коррозионно стойкие стойки в щелочах, нек. солях. , ДВС ЧНХТ, ЧН 1 ХМД, 28
Сталь n Сталь — сплав железа с углеродом (до 2, 14%) и другими элементами. С увеличением содержания углерода повышается механическая прочность стали и соответственно возрастает сопротивление ее резанию. Получают в мартенах, конвертерах, электропечах 29
СТАЛИ n Углеродистые стали промышленного производства, кроме n n двух основных компонентов железа и углерода содержат различные примеси (химические элементы). К их числу относятся постоянные и случайные примеси. Постоянные примеси подразделяются на: • вредные примеси, наличие которых в стали обусловлено невозможностью их полного удаления из металла в процессе его выплавки (сера, фосфор и газы (кислород, азот и водород); • полезные примеси, присутствие которых связано с технологическими особенностями производства сталей (марганец и кремний). Случайные примеси (хром, никель, медь, олово, мышьяк и др. ) попадают в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений (мало влияют на процессы превращений и свойства). 30
Рис. Влияние углерода на механические свойства стали 31
Влияние углерода n При повышении содержания углерода в стали более 1, 0 1, 1 % предел прочности уменьшается, твердость продолжает расти. n С увеличением содержания углерода в стали изменяются и другие физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопро тивление, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость. 32
Влияние серы n Сера попадает в металл из руд и печных газов и является вредной примесью. n Полностью растворяясь в жидком метал ле, сера лишь в очень незначительных количествах растворяется в железе в твер дом состоянии и образует с ним химичес кое соединение — сульфид железа Fe. S. 33
Красноломкость n Даже из за незначительного содержания серы в стали, ввиду ее повышенной склонности к ликвации образуются участки, обогащенные серой. При последующем нагреве слитка до температур 900 1150 °С (прокатка, ковка) возникают участки жидкости, по границам которого происходит разрушение ( «ломается» , надрывы, трещины). Это явление называется красноломкостью. n Красноломкость устраняется введением в сталь марганца Mn, при содержании серы менее 0, 025 % полностью отсутствует. 34
Влияние фосфора n Фосфор является вредной примесью попадает при выплавке из руды и флюса. n Растворяясь в феррите (до 1, 2 %) сильно искажает кристаллическую решетку, увеличивая пределы прочности и текучести, но значительно снижая пластичность и ударную вязкость. n Сдвигает порог хладноломкости в сторону более высоких температур. Р = 0, 01 % повышает порог хладноломкости на 7 20 ºС. 35
Хладноломкость n Хладноломкость – повышенная хрупкость стали в холодном состоянии n Температурная граница перехода металла из вязкого состояния в хрупкое (резкое снижение ударной вязкости) называется порогом хладноломкости. 36
Влияние газов n Водород не образует соединений с железом. Растворяясь в стали в процессе ее выплавки, он сильно охрупчивает сталь, приводит к образованию флокенов. n Кислород, азот и водород присутствуют в незначительных количествах в стали, но заметно ухудшают ее свойства. 37
Влияние марганца и кремния n Марганец и кремний являются полезными примесями, поэтому в качестве технологических добавок специально вводятся при выплавке чугуна и стали в расплавленный металл для раскисления. n марганец устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости; n кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. 38
Виды сталей n КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ производится по следующим признакам: химическому составу углеродистые и легированные; способу выплавки конверторные, мартеновские, электростали и стали особых методов выплавки; степени раскисления спокойные, кипящие и полуспокойные; качеству обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные; структуре поставляемые в отожженном и в нормализованном состоянии; назначению конструкционные, инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами. 39
Классификация по химическому составу n Углеродистые: n Обыкновенные (ВСт2) n Качественные (20 кп) – среднеуглеродистые, (65. . ) высокоуглеродистые n Специальные – автоматные (А 40 Г), инструментальные (У 9, ) n Легированные: n Конструкционные n Инструментальные n С особыми свойствами 40
Классификация по назначению n Конструкционные (предназначены для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций). n Инструментальные (подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования). n Специального назначения с особыми свойствами (нержавеющие (коррозионно стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др. ) 41
Классификация по качеству n обыкновенного качества (до 0, 06 % S и 0, 07 % P); n качественные (до 0, 04 % S и 0, 035 % P); n высококачественные (до 0, 025 % S и 0, 025 % P); n особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлур гическим процессом ее производства. 42
Классификация по степени раскисления Раскислением называется процесс удаления кислорода из жидкой стали. n Спокойные сп; n Полуспокойные пс; n Кипящие кп. 43
Обозначение сталей n ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА: n Три группы качества – А, Б, В. n А. обыкновенного качества. (гарантируют по n n механическим свойствам) Обозначают Ст. 3 кп, до 7. . Индекс «А» в марках не ставится. Б. –гарантируется по химическому составу. Обыкновенного качества. М- мартеновская, Ббессемеровская, К – конверторная. Обозначают : МСт. 3 и т. п. БСт5 сп. КП- кипящая, сп- спокойная, пс- полуспокойная В. повышенного качества. Гарантируются механические св- ва и хим. состав) ВМ Ст. 3 и т. п. 44
Применение сталей n Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. n Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки n Применяют для изготовления сварных, клепанных и болтовых конструкций. 45
Стали обыкновенного качества Группы поставки и марки сталей обыкновенного качества 46
Качественные стали n От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фос фора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содер жанием кремния и марганца. n Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1 %, иногда до 1, 5%). 47
n Качественные: n Марки 08, 10, 25, … 85. Термически обработанная – Т. n Низкоуглеродистые стали (С<0. 25%) 05 кп, 08, 07 кп, 10 кп обладают высокой прочностью и пластичностью. 48
n Среднеуглеродистые стали (0. 3 0. 5% С). Стали 30, 35, . . . , 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. n Эти стали по сравнению с низкоуглеродисты ми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. 49
ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ n Стали с высоким содержанием углерода (0. 6 0. 85% С) 60, 65, . . . , 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. n Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, шайбы, прокатные валки и т. д. 50
Механические свойства качественной конструкционн ой стали 51
Из марочника металлов (пример) Сталь08 для изготовления деталей, к которым предъявляются требования высокой пластичности: шайб, патрубков, прокладок и прочих деталей неответственного назначения, работающих в интервале температур от -40 °С до 450 °С; электросварных прямошовных труб; предназначенного для холодной штамповки; холоднокатаной ленты 0, 05 -4, 00 мм, предназначенной для гибки, штамповки деталей, изготовления труб, порошковой проволоки, деталей подшипников и других металлических изделий. n Сталь 08 кп для изготовления листового проката 4 -14 мм 1 -3 категории, предназначенного для холодной штамповки; прокладок, шайб, вилок, труб, а также деталей, подвергаемых химико-термической обработке - втулок, проушин, тяг; для изготовления деталей методом холодной штамповки - сталь имеет способность к весьма глубокой вытяжке (ВГ); . ; холоднокатаной ленты 0, 05 -4, 00 мм, предназначенной для гибки, штамповки деталей, изготовления труб, порошковой проволоки, деталей подшипников и других металлических изделий. n Сталь 08 пс для изготовления листового проката 4 -14 мм 1 -3 категории, предназначенного для холодной штамповки; электросварных прямошовных труб; холоднокатаной ленты 0, 05 -4, 00 мм, предназначенной для гибки, штамповки деталей, n Сталь 08 Фкп для изготовления прокладок, шайб и деталей, подвергаемых химикотермической обработке - втулок, проушин; для изготовления деталей методом холодной штамповки. n 52
Рис. Профили стали: 1 – круг, 2 – шестигранник, 3 – квадрат, 4 – полоса, 5 – неравнобокий уголок, 6 – равнобокий уголок, 7 – швеллер, 8 двутавр 53
Обозначение стандартных профилей n Обозначение профилей – диаметр, ширина толщина, (неравнополочная 2, 5/1, 6), швеллер №, двутавр № и № профиля. 54
Инструментальные углеродистые стали n Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. n Для режущих инструментов применяются следующие стали: У 7, У 8, У 9, У 10, У 11, У 12. 55
n Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость (до 200 ºС) – способность сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. 56
57
Автоматные стали n Автоматные стали — это стали повышенной обрабатываемости резанием. При их обработке достигается высокая производительность, обеспечивается малая шероховатость обработанной поверхности, хорошее стружкоотделение. Они используются в основном в массовом производстве для изготовления на станках автоматах деталей менее ответственного назначения (винты, шпильки, болты, гайки, мелкие детали сложной конфигурации и т. п. ). 58
Автоматные стали n Хорошая обрабатываемость резанием достигается за счет повышенного содержания S(до 0, 08 0, 35 %) и P(0, 06+0, 15 %), что способствует образованию при резании стружки надлома и получению низкой шероховатости обработанной поверхности т. к. S и P снижают вязкость и пластичность. n Для устранения красноломкости, вызываемой серой, вводят Mn в повышенных количествах (0, 7 1, 6 %). 59
n Сернистые стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости. Поэтому сернистые автоматные стали применяют лишь для изготовления неответственных изделий преимущественно нормалей или метизов. 60
Химический состав автоматных сталей 61
Легированные стали n Легированные стали — это такие стали, которые для обеспечения требуемых свойств содержат легирующие компоненты. n Легирующими компонентами называют такие элементы, которые специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств (легирующими компонентами могут быть лишь те элементы, которые взаимодействуют с основными компонентами стали: железом и углеродом). n В зависимости от концентрации в сталях легирующих компонентов различают конструкционные: низколегированные (до 2 3 %) среднелегированные (3 10 %) высоколегированные стали с особыми свойствами (более 10 %). n В машиностроении наиболее широко применяются конструкционные стали содержащие 1 6 % легирующих компонентов. 62
n Легированные. Обычно имеют мелкое зерно. n Качество в большой мере определяется содержанием серы и фосфора. n Обозначение: цифры перед маркой – содержание «С» в сотых %, после букв – содержание легирующего эл та. 15 ХСНД, 12 Х 18 Н 9 Т. n Пример марки легированной стали 63
Рис. Классификация легированных сталей по назначению 64
Маркировка легированных сталей n Легированные стали маркируются сочетанием букв и цифр. n Легирующие компоненты обозначаются буквами X хром, Н никель, К кобальт, С кремний, М молибден, Г марганец, В вольфрам, Ф ванадий, Т титан, Б ниобий, Д медь, Р бор, Ц цирконий, Ю алюминий. Цифра, стоящая за буквой, означает среднее содержание компонента в процентах. Если цифра отсутствует, то его содержание составляет около 1 %. 65
Влияние легирующих элементов на свойства стали Наименование легирующих элементов Влияние на свойства стали Хром (Х) Повышает твердость, износостойкость, хрупкость; повышает устойчивость против коррозии Марганец (Г) Повышает твердость и износостойкость; снижает ударную вязкость и повышает предел прочности при растяжении Никель (Н) Кремний (С) Повышает предел прочности при растяжении, предел текучести и вязкость Значительно повышает упругость стали; повышает предел прочности при растяжении снижает ударную вязкость и относительное удлинение Молибден (М) Повышает вязкость, применяется для повышения качества быстрорежущей и конструкционной стали. Хромистым и никелевым сталям придает мелкозернистую структуру Вольфрам (В) Повышает упругость и прочность 66
Виды легированных сталей n Различают: конструкционные: в т. ч. цементуемые, улучшаемые ( «С» =0, 3 0, 5%, лигатуры до 5%); рессорно-пружинные 60 Г, 60 С 2 А; шарикоподшипниковые – ШХ 15 СГ, ШХ 4 и т. д. ; износостойкая – 110 Г, 13 Л (сталь Гадфильда). Мех. обр ке не подвергают. n Инструментальные: для измерительного инструмента, режущего инструмент ( «алмазная» сталь ХВ 5 – сохраняет геометрию). Быстрорежущие Р 18, Р 9 К 10, n Штамповые Х 12 М, 5 ХГМ. 67
n Сталь легированная конструкционная, поставляемая по ГОСТ 4543— 71 в зависимости от назначения подразделяется на подгруппы: n а) для горячей обработки давлением и холодного волочения n б) для холодной механической обработ ки (точения, строгания, фрезерования и др. ) по всей поверхности. 68
Конструкционные улучшаемые легированные стали n Такие стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости. n При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно хрупкому разрушению низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины 69
Инструментальные лег. стали n Стали быстрорежущие обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т. е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали позволяет значительно повысить скорость резания (в 2 -4 раза) и стойкость инструментов (в 10 -30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью. n 70
n Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются вольфрам и его химический аналог - молибден. Сильно повышает теплостойкость (до 645 -650 (С) и твердость после термической обработки (67 -70 HRC) кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. 71
Примеры обозначения и применения n Сплав 17 ХНГТ, для упругих чувствительных элементов и пружинных деталей общего и специального назначения, работающих до 250 °С. С, сплав 36 НХТЮ, для упругих чувствительных элементов, работающих при температуре до 250 °С. С, сплав 36 НХТЮ 5 М, для упругих чувствительных n элементов, работающих при температуре до 350 °С. С, сплав 36 НХТЮ 8 М, для упругих чувствительных элементов, работающих при температуре до 400 °С. С, сплав НХМВТЮ, для заводных пружин наручных часов, сплав 40 КХНМ, для пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температуре до 400 °С. С, для кернов 72
Прецизионные сплавы В конце прошлого века французский исследователь Ч. Гийом обнаружил в системе «железо — никель» сплавы, обладающие тепловым расширением на целый порядок ниже расширения составляющих компонентов. При увеличении концентрации железа в сплаве происходит снижение температурного коэффициента линейного расширения а; n Особо резкое его падение начинается при содержании железа более 50 %. Полюс самого низкого «а» соответ ствует содержанию 65 % Fе в сплаве. Этот сплав был открыт Гийомом в 1886 г. и назван инваром из за очень низкого температурного коэффициента линейного расширения. n Аномалия свойств, связанная с инварным эффектом, используется при разработке специальных сплавов. n 73
О технологических св-вах n По состоянию материала сталь изготовляется: n без термической обработки; n — термически обработанная — Т. n В зависимости от назначения горячекатаная n n сталь делится да подгруппы: а) для горячей обработки давлением; б) для холодной механической обработки (обточки, фрезерования и т. д. ) по всей поверхности; в) для холодного волочения. Назначение стали (подгруппа) должно быть указано в заказе. 74
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ. n В земной коре содержится: n Алюминий =7, 45%, n железо=4, 2, n магний=2, 4, n олово=0, 08%, n Титан 0, 6, n Хром – 0, 03, n Никель – 0, 02%. 75
Медь n Медь — химический элемент I группы периодической n n n системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 29. Медь имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку. Температура плавления меди 1083 0 С. Плотность 8, 94 г/см 3. Медь — металл красноватого цвета, обладает очень высокой тепло- и электропроводностью, уступая по этим свойствам лишь серебру. Высокая пластичность и хорошо сопротивляется коррозии. Недостаток: высокая плотность, технологические недостатки - малая жидкотекучесть, а также низкая свариваемость и обрабатываемость резанием. В зависимости от чистоты выпускают медь следующих марок: М 00 (99, 99 % Си), М 0 (99, 95 % Си), М 1 (99, 9 % Си), М 2 (99, 7 % Си) и МЗ (99, 5 % Си). 76
n Медь хорошо сопротивляется коррозии, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства из за большой усадки. 77
n Медь является основой сплавов двух типов (латуни и бронзы). n Латуни — сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является цинк. n Бронзы — сплавы меди с другими компонентами, в числе которых не основным может быть и цинк. 78
n Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим компонентом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью. Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, износостойкость. Вместе с тем уменьшаются тепло и электропроводность, ухудшается коррозионная стойкость. 79
Химический состав латуней 80
Основные механические свойства некоторых латуней 81
n Бронзами называют сплавы меди, в которых основным может быть любой легирующий компонент, кроме цинка и никеля. В качестве легирующих компонентов используют олово, алюминий, марганец, кремний и др. 82
Виды бронзы n Делят также на : n оловянные и безоловянные. n Оловян. Бр. О 10 Ц 2 – олово=10%, цинк=2%. n Безоловян. Бр. АЖН 10 4 4. Алюминий =10%, железо=4% и никель=4%, остальное – медь. 83
Оловянные бронзы n Деформируемые оловянные бронзы поставляют в виде прутков, лент и проволоки. Их применяют для изготовления пружин и упругих элементов машин и приборов. n Литейные оловянные бронзы используют для изготовления деталей пар трения скольжения из за их высоких антифрикционных свойств (втулки и подшипники скольжения); для деталей, работающих в агрессивных средах — морской воде и маслах, так как они обладают высокой коррозионной стойкостью. Отливки из этих бронз имеют низкую усадку (менее 1 %). 84
Химические составы некоторых оловянных бронз 85
Алюминиевые бронзы n Сплавы, содержащие до 9 % Al – однофазные. n В структуре сплавов с большим содержанием алюминия присутствует вторая фаза – Cu 32 Al 19 обладающая высокой твердостью и хрупкостью. n По механическим свойствам и коррозионной стойкости превосходят оловянные бронзы, обладают хорошими антифрикционными свойствами. 86
Химический состав и основные механические свойства некоторых алюминиевых бронз 87
Берилиевые бронзы отличаются высокими пределами прочности и упругости, высокой твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости, ползучести и изнашиванию. n Бериллиевые бронзы обладают достаточно высокой теплостойкостью. Изделия из них могут работать при нагреве до 340 °С. n Бериллиевые бронзы выпускают в виде проката (пруток, полоса, лента, проволока), однако из них можно получать и качественные отливки. Недостатком этих сплавов является их высокая стоимость. 88
Химические составы некоторых берилиевых бронз 89
Другие сплавы n Медно-никелевые сплавы : n мельхиор =медь+никель(18 20%), n константан= медь+никель(39 41% ). Монель металл – сплав никеля с медью(28%), железом (2, 5%) и марганцем (1, 5%). (для монет и др. ) 90
Алюминий n Алюминий — элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер алюминия 13. Кристаллическая решетка алюминия — кубическая гранецентрированная (ГЦК). Температура плавления — 660 °С. Алюминий не имеет полиморфных превращений. n Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Его важной особенностью является низкая плотность — 2, 7 г/см 3 (у стали — 7, 8 г/см 3). Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью и пластичностью. 91
Самым распространенным сырьем для производства алюминия являются боксит и глина каолин. Боксит содержит от 40 до 60% глинозема (оксида алюминия), до 10% оксида кальция, до 15% оксида кремния и до 15% оксида железа, которое окрашивает его в красновато бурый цвет. У окиси алюминия есть еще и другое название глинозем. n Некоторые виды глинозема вы знаете. Например, наждак, которым точат ножи. Это крупинки на редкость твердого камня корунда. Им пользуются, чтобы натачивать стальные инструменты, ножи. А корунд это глинозем, окись алюминия. n Добывать из бокситов глинозем сложный и долгий труд. Его выполняют в химических цехах алюминиевых заводов. Но добыть глинозем это только полдела. Чтобы получить алюминий, надо еще выгнать из глинозема кислород. Для этого высыпают в сделанные из графита ванны расплав глинозема и пропускают сквозь него сильный электрический ток. Тока нужно очень много. Поэтому заводы для получения алюминия строят всегда около мощных электростанций. n 92
Глинозем 93
n Технологический процесс получения алюминия состоит из n n n трех основных стадий: 1). Получение глинозема (Al 2 O 3) из алюминиевых руд; 2). Получение алюминия из глинозема; 3). Рафинирование алюминия. 1. Получение глинозема из руд. Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера) 94
n n n Получение алюминия из его окиси производят электролизом окиси алюминия. Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950 970°С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле рода (CO) или двуокись углерода (CO 2). На практике находят применение два типа анодов: Сила тока на электролизерах состав ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова тельно, т. е. получается система (серия) — длинныйряд, электролизеров. 95
Получение рафинированного алюминия n На иболееизвестен метод рафинирования — трехслой ный электролиз. n Рафинирование методом трехслойного электролиза в специальной ванне. Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе ванна для рафиниро вания состоит из уголь ной подины с токопод водами и теплоизоли рующей магнезитовой футеровки. В проти воположность электро лизу криолитоглино земного расплава ано дом здесь служит, как правило, расплавлен ный рафинируемый ме талл (нижний анодный слой). Электролит сос тавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фто ридов алюминия и нат рия (средний слой). Алюминий, растворяю щийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом 96
97
98
Рис. Классификация алюминиевых сплавов по технологическим свойствам 99
Свойства n Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2. 7 г/см 3 против 7. 8 г/см 3 для железа и 8. 94 г/см 3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электричес кой проводимости меди. В зависимости от чис тоты различают алюминий особой чистоты: А 999 (99. 999% Al); высокой чистоты: А 995 (99. 995% Al), А 99, А 97, А 95 и технической чистоты: А 85, А 8, А 7, А 6, А 5, А 0 (99. 0% Al). n Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД 1. 100
Алюминиевые сплавы n Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются Си, Мg, Si, Mn и Zn. n Достоинства алюминиевых сплавов: n малая плотность (2, 7 З, 0 г/см 3) при доста точно высоких механических свойствах n высокая коррозионная стойкость: n хорошая тепло и электропроводностью. 101
Сплавы алюминия n Сплавы можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д. ), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья. Обозначают – Д, В, АК, АД. n Деформируемые разделяют на неупрочняемые (с магнием и марганцем – АМц, АМг 2) – обладают низкой прочностью, высокой пластичостью и свариваемостью. Упрочняемые – дюралюмины – Д 1, Д 16, Д 18. , высокопрочные – В 96 – для авиации. А также ковочные, коррозионно стойкие, жаропрочные и др. n Литейные. Обозначают АЛ и цифра, обозначающая номер сплава. Всего 5 групп, 1 я – силумины. Литейные сплавы подвергаются термообработке. 102
Принцип маркировки алюминиевых сплавов В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. n Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный. (Н- повышение твёрдости и n прочности металлич материала в результате холодной обработки давлением) 103
Свойства n n n Положительные свойства алюминия: дешевизна; хорошо отработанные технологии получения; низкий удельный вес (2, 7 г/см 3); высокая пластичность; высокая тепло и электропроводность; коррозионная стойкость (наличие оксидного слоя Al 2 O 3); Отрицательные свойства алюминия: низкая прочность (sв = 100 МПа); плохие литейные качества; требует специальных методов пайки и сварки; 104
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой n n К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена. n Сплавы (АМц, АМг 2, АМг 3) применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. 105
Жаропрочные сплавы. n Наибольшее применение получил сплав АЛ 1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 300°С. n АЛ 1 σв=260 МПа, δ=0. 6%. 106
Деформируемые алюминиевые сплавы n Наиболее широкое применение нашли сплавы системы Al Cu Mg дуралюмины (Д 1, Д 2, Д 18). n Сплав авиль (АВ) (уступает (Д) по прочности, но более пластичен); n высокопрочные сплавы (В 95, В 96); n сплавы для ковки и штамповки (АК 6, АК 8); n жаропрочные сплавы (АК 4 1, Д 20). 107
Химический состав и механические свойства дуралюминов 108
Литейные алюминиевые сплавы n Сплавы систем n Al Cu, n Al Mg, n Al Si – силумины (наибольшее применение) n Литейные. Обозначают АЛ и цифра, обозначающая номер сплава. Всего 5 групп, 1 я – силумины. Литейные сплавы подвергаются термообработке. 109
Химический состав и основные механические свойства силуминов 110
Формы выпуска n Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД 1. 111
Применение алюминия Соединения Ал. используют в качестве высокоэффективного ракетного топлива. Наибольший практический интерес как ракетное горючего имеет порошковый алюминий, как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах Боранат алюминия, Триметилалюминий. , Триэтилалюминий. n Триэтилалюминий (обычно, совместно с триэтилбором) используется также для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как он самовоспламеняется в газообразном кислороде. 112
n Магний — щелочно земельный металл. Кристаллическая решетка — гексагональная. Цвет — светло серый. Температура плавления магния 650 °С. Характерным свойством магния является наименьшая плотность (1, 7 г/см 3) среди промышленных металлов. n Технический магний выпускается трех марок Мг 90, Мг 95, Мг 96 (магния соответственно не менее 99, 9, 95 и 99, 96 %). 113
Магниевые сплавы n Легирующими компонентами магниевых сплавов являются алюминий, марганец и цинк, реже — цирконий и ниобий. n Легирование алюминием и цинком (до 6 7 %) повышает механические свойства; n марганец увеличивает коррозионную стойкость и улучшает свариваемость магниевых сплавов; n цирконий при его введении в сплавы магния с цинком измельчает зерно, что улучшает механические свойства и повышает коррозионную стойкость. 114
Химический состав и механические свойства магниевых сплавов 115
Применение n Все виды промышленного применения магния можно разделить на конструкционные и неконструкционные. Конструкционные – это изготовление деталей автомобилей, самолетов и других промышленных изделий. На них идет около 20% поставляемого промышленностью магния. n Магний пригоден для литья и обычных методов металлообработки. Как и большинство других металлов, он нуждается в легировании для повышения прочности и твердости. В качестве легирующих элементов магния чаще всего применяются алюминий, цинк, марганец, кремний, цирконий и редкоземельные металлы. 116
Титан n Титан — металл серебристо белого цвета. Температура плавления титана 1665 1670 ºС. Титан имеет две аллотропические модификации, легок. Технический Т двух марок – ВТ 1 00 и ВТ 1 0, включает примеси С, О, Н, азот, железо, кремний. Сплавы обозначают ВТ или ОТ с условным номером. (ВТ 6, ОТ 4 и т. д. ) n Технический титан: ВТ 1 -00 (99, 53 % Тi) и ВТ 1 -0 (99, 48 % Тi). 117
Сплавы на основе титана n Преимущества титановых сплавов: n небольшая плотность (~ 4, 5 г/см 3); n высокая стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. n Титановые сплавы превосходят по стойкости против коррозии в морской воде, а также в других агрессивных средах, медные сплавы. n К недостаткам титановых сплавов следует отнести плохую обрабатываемость резанием, высокий коэффициент трения 118
n Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность, но одновременно снижает пластичность и вязкость. n Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозион ную стойкость в растворах кислот Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удель ную прочность. Как и в железных сплавах, легиру ющие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. n ВТ 14 (Al 5. 5%, V 1. 2%, Mo 3. 0%) 119
Химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов 120
121
Сплавы титана n Титановый литейный сплав. Такие сплавы имеют индекс «Л» . Например, сплав ВТ 14 Л для изготовления отливок, а также ВТ 1 Л, ВТ 20 Л и др. n Другие сплавы. n Сплав АТ 6, для изготовления кавитационно стойких изделий; n Сплав ВТ 14, для деталей, длительно работающие при температуре до 400°C ; Сплав ВТ 20, для деталей длительно работающие при температуре до 500°, имеет хорошую коррозионную стойкость; n сплав ВТ 3 1 для кованых и штампованные деталей n 122
Тугоплавкие металлы и их сплавы n Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Ta и W. n Их применяют при строительстве ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500 -2000°С. Тугоплавкие металлы и их сплавы используют в основном как жаропрочные. n 123
n Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. n Ниобий и тантал - высокопластичные материалы, хорошо свариваются. n Сплав на основе ниобия ВН 2 А - t=1200°C, σв=850 МПа. Сплав на основе молибдена ЦМ 3 - t=1200°С, σв=500 МПа, Сплав на основе вольфрама ВВ 2 - t=1200 С°, σв=130 МПа, 124
Антифрикационные сплавы n Антифрикционные сплавы (металлические) – баббиты = свинец + олово (Б 83 олова 83%, Б 16 и др. ). Это легкоплавкие подшипниковые сплавы, применяемые для вкладышей подшип ников скольжения Баббиты свинцовые – БКА, БК 2 их упрочняют разл. в вами. Используют также спец. бронзы и латуни. n 125
Баббиты. Преимущества n Малый коэффициент трения n Достаточная износостойкость n Хорошая прирабатываемость n Сплавы системы «Pb Sb» и «Zn Sb» 126
Цинковые и алюминиевые антифрикционные (подшипниковые) сплавы n n n Цинковые антифрикционные сплавы. Чаще применяют сплавы ЦАМ 10 -5 и ЦАМ 9. 5 -1. 5, содержащие кроме алюминия и меди 0. 03 -0. 06% Mg. В литом виде сплавы применяют для монометаллических вкладышей, втулок и т. д. ; сплав ЦАМ 10 -5 применяется и для отливки биметаллических изделий со стальным корпусом. Алюминиевые антифрикционные (подшипниковые) сплавы. Чем больше в сплавы олова, тем выше его антифрикционные свойства. Сплавы АО 3 -1 и АО 9 -2 применяют для литья монометаллических вкладышей м втулок толщиной более 10 мм. Сплавы АО 20 -1 и АН -2. 5 предназначаются для получения биметаллической ленты со сталью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей. 127
Материалы применяемые для режущего инструмента 1. Углеродистые инструментальные стали У 7…У 13 (HRC 60… 64, t до 200… 250 ºС, V ≤ 10 м/мин) 2. Легированные и. с. Х 12, Х 13 Г… (HRC 60… 65, t до 300… 350 ºС, V = 20… 25 м/мин) 3. Быстрорежущие и. с. Р 18, Р 9, Р 6 М 5 (HRC 66, t до 600… 650 ºС, V = 50… 100 м/мин) 4. Металлокерамика (твердые сплавы) ВК, ТТК, ТН (HRА 88 -92, t до 800… 1000 ºС, V = 100… 300 м/мин) 5. Режущая керамика (очень хрупкие) (HRА до 96, t до 1200… 1400 ºС, V = 400… 600 м/мин) 6. Алмазы (t до 900 ºС, высокая износостойкость) 7. Сверх твердые материалы СТМ (эльбор (композит 01), гексанит-Р (композит 10)) 128
129
130
Благородные металлы n Золото. О белом золоте. Применяют как альтернативу платине. Используют свойства всех металлов в сплаве с золотом (кроме меди), при определенном содержании в сплаве золота, придавать ему белый цвет. n В практике ювелирного производства для этого используются, в первую очередь, никель и палладий, иногда платина, реже – серебро и цинк. n Белое золото подразделяется на так называемое «благородное» - с содержанием добавок благородных металлов - и «неблагородное» , легированное цветными металлами. К последнему, соответственно, принадлежат сплавы с никелем для получения белого золота. Наиболее часто используются многокомпонентные сплавы пробы 18 карат: золото – никель – серебро – цинк, часто с медью, которая добавляется для облегчения обработки. Но при этом даже малое содержание меди (2 -3 %) придает сплаву незначительный желтый цвет с коричневым оттенком. К сожалению, медицинские исследования последних лет показали, что при контакте с кожей никель может вызывать аллергические реакции n На сегодняшний день разработаны также новые сплавы, в которых в качестве «отбеливающей» составляющей дополнительно используют марганец или хром и железо. В этих сплавах палладий либо не содержится, либо его доля предельно мала n 131
Сплавы неблагородного белого золота Медь Никель Цинк Температ Твердость ура ликвидус % % % HV ° С 75 2, 2 17, 3 5, 5 220 960 750/000 75 8, 5 13, 5 3, 0 200 955 13, 0 8, 5 3, 5 150 950 22, 0 12, 0 7, 4 150 995 41, 7 32, 8 17, 1 8, 4 145 1085 375/000 37, 5 40, 0 10, 5 12, 0 130 1040 Проба Каратная 18 Золото Метричес % кая 75 14 10 9 585/000 58, 5 — 132
n Серебро n Платина. 133