Технология конструкционных материалов by Valdemar Dushinin

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»

Е. П. Чинков, А. Г. Багинский

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие

Издательство ТПУ Томск 2007

Чинков Е. П., Багинский А. Г. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 164 с.

УДК 620.22 Ч – 63 Ч – 63

В учебном пособии в краткой форме изложены закономерности формирования структуры и свойств материалов, используемых в машиностроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам теории и технологии термической обработки металлических материалов. Изложены основы технологии литейного производства, обработки давлением, сварки, механической обработки. Пособие подготовлено на кафедре материаловедения и технологии металлов, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов немашиностроительных специальностей Института дистанционного образования. УДК 620.22

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты: Б. П. Гриценко

– кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией Института физики прочности и материаловедения СО РАН;

П. С. Симонов

– технический директор ОАО «Томский инструментальный завод».

ВВЕДЕНИЕ Получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства, уровень развития которого и определяет научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологии конструкционных материалов. Материаловедение – наука о внутреннем строении и физических, механических и технологических свойствах металлов и неметаллических материалов и о возможности изменения этих свойств через упрочняющую или разупрочняющую обработку для целенаправленного использования в технике. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, которые работают в жестких условиях износа, а также воздействия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур. Для того чтобы обеспечить их работоспособность, надежность и долговечность, инженер должен иметь представление о возможности формирования необходимых свойств современных материалов, уметь ориентироваться во множестве вариантов и владеть основами знаний, необходимых при выборе материала для конкретных деталей и изделий. Кроме того, инженер должен знать возможности прогнозирования необходимых свойств используемых материалов и изготавливаемых из них деталей и изделий. Технология конструкционных материалов – совокупность знаний о современных прогрессивных методах обработки конструкционных материалов пластическим деформированием, литьем, сваркой, резанием и другими способами формообразования, применяемыми для изготовления заготовок и деталей машин заданной конфигурации и размеров, а также о рациональном применении этих методов. При конструировании машин и оборудования инженер должен иметь представление о взаимосвязи конструкции изделия с технологией его изготовления, знать технологические методы получения и обработки заготовок и деталей машин, области их рационального применения, принципиальные схемы типового технологического оборудования. Кроме того, инженер должен уметь правильно выбрать метод изготовления заготовок и деталей машин в зависимости от условий эксплуатации, выполнить сравнительный анализ различных вариантов технологического процесса. 3

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 1.1. Понятие о материалах Материал в инженерном понимании – вещество (совокупность веществ), из которого состоит или может быть изготовлено техническое изделие, имеющее определенное функциональное значение. Материалы классифицируют по составу, виду, состоянию, методу получения, назначению и т. д. Конструкционные материалы – материалы, из которых изготовляются детали машин, конструкций, сооружений, работающих под нагрузкой. Конструкционные материалы делятся на классы: по природе – на металлические, неметаллические и композиционные; по технологическому признаку – на деформированные (прокат, поковки, штамповки), литые, спекаемые, формуемые, свариваемые; по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионнои износостойкие; по прочности – на материалы малой, средней и высокой прочности. Металлические материалы классифицируются: по системам сплавов – на алюминиевые, титановые, медные, никелевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типу упрочнения – на закаливаемые, улучшаемые, цементуемые, азотируемые и др.; по структурному составу – на однофазные, многофазные и др. К этим материалам относятся все металлы и их сплавы. Черные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, чугуны) с содержанием железа не менее 50 %. Цветные металлы – металлы и их сплавы, имеющие естественную окраску (медь, алюминий, титан, магний и др.). Благородные металлы – золото, серебро, платина. Редкоземельные металлы – лантан, неодим и др. Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Пластмассы – материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с некоторыми добавками. Керамические материалы (керамика). Основа этих материалов – порошки тугоплавких соединений: карбиды, окислы, нитриды, бориды и др. Керамико-металлические материалы, основой которых является керамика с добавлением некоторого количества металла – связки. Стекло представляет собой систему, состоящую из окислов различных элементов. Резина – материал на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Древесина – сложная органическая ткань древесных растений. 4

Композиционные материалы – металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.). Они подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, и слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. 1.2. Рождение материала Рождение любого материала происходит в направлении усложнения (рис. 1.1) и отражает определенные уровни его строения. Все вещества состоят из атомов и молекул. Атом имеет сложную структуру и состоит из ядра и электронов. Силы, связывающие электроны и атомные ядра в атомах, атомы в молекулах, имеют электромагнитную природу. Атом Молекула Вещество (компонент)

Сложные

Простые

(сумма атомов разных элементов)

(сумма атомов одного элемента)

Агрегатное состояние вещества в зависимости от давления и температуры

Плазменное

Газообразное

Жидкое

Твердое

(беспорядочное)

(ближний порядок)

(ближний или дальний порядок)

Компоненты Фазы Система (совокупность двух и более фаз)

Рис. 1.1. Схема рождения материала

Движущими силами объединения частиц вещества (твердого, жидкого, газообразного) являются силы взаимного притяжения и отталкивания. Процесс рождения материала осуществляется в направлении плазма → газ → жидкость → твердое тело (атом → молекула → вещество) и сопровождается на каждом этапе уменьшением энергии системы, и поэтому развивается самопроизвольно. Наибольшим запасом энергии вещество обладает в состоянии плазмы. При разрушении (диспергировании) вещества процесс идет в обратном направлении и сопровождается поглощением энергии. Любой материал есть сложная физико-химическая система. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения. Компоненты – минимальное число химически различимых веществ, образующих систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения. Фаза – совокупность однородных частей системы, отделенных от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства, структура и химический состав резко изменяются. Твердое тело является одним из четырех агрегатных состояний вещества. Оно отличается от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы. Твердые тела могут быть кристаллическими, аморфными или квазикристаллическими. У кристаллических тел, в отличие от жидкости, присутствует дальний порядок в расположении атомов. Аморфное твердое тело можно рассматривать как жидкость с очень большой вязкостью. 1.3. Кристаллическое строение материалов Кристаллы – твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной (или молекулярной) структурой и имеющие форму правильных симметричных многогранников. В зависимости от типа химической связи кристаллы подразделяются на ионные, ковалентные, металлические и молекулярные. Ионная связь возникает в результате полного обмена валентными электронами, а ковалентная – частичного. Силы Ван-дер-Ваальса возникают без обмена зарядами. Металлическая связь по физической природе является ковалентной, но при этом обобществляется множество электронов. Кристаллическая структура (см. рис. 1.2) – периодически повторяющаяся в пространстве элементарная часть кристаллической решетки (элементарная ячейка). С каждой точкой этой ячейки связана некоторая группа атомов, которая называется базисом. Базис повторяется 6

z в пространстве и образует кристаллическую структуру. Параметры элементарной ячейки и основные характеристики: a, b, c – (параметры) периоды решетки – γ расстояние между центрами ближайших атомов; углы между осяy ми – α, β, γ; координационное число – количество атомов, располо- c a женных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома; b базис решетки – количество ато- x Рис. 1.2. Кристаллическая мов в элементарной ячейке; плотструктура ность упаковки – отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки. В зависимости от соотношений между величинами a, b, с и α, β, γ различают семь типов кристаллических решеток (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Решетки Браве. Сингонии: кубическая – куб со сторонами a = b = c и углами α = β = γ = 90°; тетрагональная – параллелепипед: a = b ≠ c, α = β = γ = 90°; ромбическая – параллелепипед: a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90°; тригональная (ромбоэдр – куб, вытянутый вдоль пространственной диагонали): a = b = c, α = β = γ ≠ 90°, < 120°; гексагональная – состоит из трех призм с основанием в форме ромба: a = b ≠ c, α = β = 90°, γ = 120°; моноклинная – параллелепипед: a ≠ b ≠ c, α = γ = 90°, β ≠ 90°; триклинная – косоугольный параллелепипед: a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

В металлах отсутствуют ярко выраженные направленные связи, т. к. валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Это и определяет высокую симметрию и компактность структур большинства металлических кристаллов. Наиболее распространены следующие структуры. Гранецентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах куба и центре каждой грани. Решетку имеют медь, алюминий, никель, золото. Объемноцентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах и центре куба – на пересечении его главных диагоналей. Решетку имеют альфа-железо, хром, вольфрам, ванадий, молибден. Гексагональная плотноупакованная решетка. Атомы находятся в вершинах и центрах шестиугольников; три атома расположены, чередуясь через грань, в центрах боковых граней. Решетку имеют цинк, магний, кадмий, бериллий. Тетрагональная решетка бывает объемно- и гранецентрированной. Решетку имеют индий и радий. У некоторых металлов (железо, титан) кристаллическая решетка меняется при изменении температуры – явление полиморфизма. Дефекты кристаллического строения. В кристаллах всегда имеются дефекты, которые сильно влияют на их механические свойства. Точечные дефекты. Вакансии – отсутствие атомов в узлах решетки. Атомы внедрения – внедрение своих или чужих (примесных) атомов в свободное пространство между атомами решетки основы. Атомы замещения – замещение атомов в узлах решетки чуа б жими атомами. Около дефектов всегда Рис. 1.4. Вакансия (а) возникают локальные искажения реи атом (б) в междоузлии шетки (рис. 1.4). Линейные дефекты. Краевая дислокация – лишняя атомная полуплоскость, которая вставлена в какой-то части кристалла (рис. 1.5, а). Винтовая дислокация (рис. 1.5, б) может быть получена при помощи сдвигающего напряжения (τ). Такой сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту. Винтовая дислокация может перемещаться по любой плоскости, а б проходящей через линию дислокации. Вакансии и атомы к винтовой дисло- Рис. 1.5. Краевая (а) и винтовая (б) дислокации кации не стекают. 8

σ, МПа

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций (ρ) – суммарной длиной дислокаций в 1 см3 материала, которая и определяет пластичность и прочность материала (рис. 1.6). В идеальном металле нет дислокаций. Теоретическая прочность железа 20000 МПа (точка 1 на рис. 1.6). 1 Прочность монокристаллов, ни2 тевидных кристаллов или «усов» (14000 МПа) близка к теоретической прочности (область 2 на рис. 1.6). Реальная 4 прочность металлов (область 4 3 на рис. 1.6) значительно ниже теоретической. Например, проч5 ность чистых отожженных металлов (область 3) составляет -2 ρ, см 250–300 МПа при плотности Рис. 1.6. Влияние плотности дислокаций 106–108 см-2, а после дислокаций на прочность материала холодной деформации увеличивается до 1000–1500 МПа (область 5 на рис. 1.6) при плотности дислокаций до 1011 см-2, что соответствует примерно 106 км дислокаций в 1 см3. Пути повышения прочности: создание материала с идеальной кристаллической решеткой либо с большим числом дислокаций. Реализация первого пути представляет большие трудности. Дислокационное упрочнение материала осуществляют пластическим деформированием, термической обработкой и т. д. Поверхностные и объемные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков, неметаллические включения, поры и т. д. (см. рис. 1.7). Металл состоит из множества мелких кристалликов (зерен) с размерами от 1 до 1000 мкм. Углы разориентации (β) между зернами – несколько десятков градусов. Говорят, что в этом случае зерна разделяет большеугловая граница (см. рис. 1.7, б), представляющая собой поверхностную зону шириной 5–15 межатомных расстояний с нарушением порядка в расположении атомов. Скопление в этой зоне дислокаций и различных примесей оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Отдельные зерна состоят из более мелких (0,1–1 мкм) блоков (субзерен), разориентированных относительно друг друга на небольшие углы (менее пяти градусов). Границу между фрагментами, блоками в этом случае называют малоугловой (см. рис. 1.7, а). Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией, или полигонизацией. Такую структуру называют блочной, или мозаичной. 9

зерно 1

межзеренная граница

зерно 2

б Рис. 1.7. Схема строения границы между зернами: а – малоугловая; б – большеугловая; β – угол разориентации между соседними зернами

1.4. Кристаллизация металлов Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения атомов (ионов), электронов, энергии упругих искажений кристаллической решетки и т. д. Та часть энергии, которая при изотермических условиях может быть превращена в работу, называется свободной энергией F = U – T ⋅ S, где F – свободная энергия; U – полная внутренняя энергия; T – температура; S – энтропия. Чем больше свободная энергия, тем менее устойчива система. Любое вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном агрегатных состояниях. Переход в новое состояние возможен, если оно является более устойчивым и обладает меньшим запасом свободной энергии. Кристаллизация – процесс образования участков кристаллической решетки (центров кристаллизации) в жидкой фазе и рост кристаллов из этих центров. Кристаллизация протекает, когда система переходит к термодинамически более устойчивому твердому состоянию. С ростом температуры свободная энергия металла, как в жидком, так и твердом состояниях, уменьшается, но закон изменения оказывается различным (см. рис. 1.8). Выше температуры Ттеор, называемой теоретической температурой кристаллизации, металл находится в жид10

Свободная энергия, F

ком состоянии, ниже – твердом. При температуре Ттеор свободные энергии жидкой и твердой фаз одинаковы (Fж = Fт), изменения энергии не происходит (ΔF = 0), обе фазы сосуществуют одновременно. Температура Тпр, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение расплава ниже равновесной температуры называют переохлаждением, которое характеризуют степенью переохлаждения: ΔT = Ттеор – Тпр. Чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения. Кристаллизация чистого металла. До точки 1 (рис. 1.9) охлаждение расплава сопровождается понижением температуры. Кристаллизация металла на участке 1–2 сопровождается выделением тепла, которое называют скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снижается, металл охлаждается в твердом состоянии.

Жидкость ΔF

Тпр

Т Ттеор

Ттеор ΔТ

Кристалл

Тпр 1

ΔТ

Температура, Т Рис. 1.8. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

Время, t Рис. 1.9. Кривая охлаждения чистого металла

Механизм кристаллизации. Вблизи температуры плавления в жидком металле образуются скопления атомов (ионов), в которых они расположены, как в кристаллах, правильными рядами. Эти скопления называют центрами кристаллизации, или зародышами (см. рис. 1.10, а). Для их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае они растворяются. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим, а зародыш – устойчивым. Зародыши образуются независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму (см. рис. 1.10, б, в). 11

При столкновении и срастании с другими кристаллами форма нарушается, рост продолжается в направлениях, где есть доступ жидкого металла (рис. 1.10, г, д).

г д е Рис. 1.10. Модель процесса кристаллизации

Скорость кристаллизации Число центров

Число центров кристаллизации (ч.ц.), скорость кристаллизации (с.к.) зависят от степени переохлаждения (рис. 1.11). При равновесной температуре кристаллизации (Ттеор) процесс кристаллизации не происходит. При переохлаждении расплава до температуры точки (Т1) образуются крупные зерна (мало центров кристаллизации, скорость роста большая). При переохлаждении до температуры точки (Т2) образуется мелкое зерно (много центров кристаллизации, скорость роста небольшая). Если расплав сильно переохладить (число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю), то образуется аморфное тело.

ч.ц.

с.к.

Т1 Ттеор

Т2 Степень переохлаждения

Рис. 1.11. Зависимость числа центров и скорости кристаллизации от степени переохлаждения

Большую роль в образовании центров кристаллизации металлов и сплавов играют различные включения, попадающие при плавке или вводимые специально. Процесс искусственного регулирования размеров зерен за счет добавления различных веществ (модификаторов) называется модифицированием. Нерастворимые модификаторы служат дополнительными центрами кристаллизации. Растворимые осаждаются на поверхности растущих кристаллов и также препятствуют их дальнейшему росту. В качестве модификаторов для стали используют алюминий, титан и ванадий, а для чугуна – магний, церий. Строение металлического слитка. Сначала на поверхности металла образуется тонкая корка (рис. 1.12, а). Кристаллизация в этой зоне происходит в условиях максимального переохлаждения. Образуется большое количество зародышей и сплав имеет мелкозернистую структуру с произвольно ориентированными кристаллами. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Рост кристаллов во второй зоне происходит в направлении, близком к направлению теплоотвода, перпендикулярно стенкам изложницы. Это оси роста первого порядка. На этих кристаллах под определенными углами формируются поперечные оси роста второго порядка. На них, в свою очередь, оси третьего порядка и т. д. Так образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 1.12, б). Дендриты образуют зону столбчатых кристаллов. Поскольку сначала кристаллизуется центральная часть дендритов (оси первого порядка), то она обогащена тугоплавкими компонентами. Периферийная часть дендритов будет обогащена легкоплавкими компонентами. Вследствие неравномерной кристаллизации дендритов возникает неоднородность химического состава сплава, которая называется внутрикристаллической (или дендритной) ликвацией. 4 1 2 3

Рис. 1.12. Схема стального слитка (а) и строение древовидного кристалла (б): 1 – корковая зона; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона крупных равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина

Теплоотвод от жидкого металла в средней части слитка в разные стороны происходит сравнительно равномерно с небольшой степенью переохлаждения. В центральной зоне образуются крупные кристаллы со случайной ориентацией. При переходе из жидкого состояния в твердое сплав уменьшается в объеме, верхняя корка прогибается и под ней образуется усадочная раковина, заполненная газами. Под раковиной сплав имеет рыхлую структуру вследствие того, что жидкий металл стекает вниз для заполнения пустот между кристаллами. Эта часть слитка (около 15–20 % от длины) подлежит отрезке и переплавке. 1.5. Деформация и разрушение металлов Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних сил (напряжений). Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали. Напряжения и вызываемые ими деформации возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т. д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах и связанных с изменением объема. При упругой деформации происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия в кристаллической решетке (рис. 1.13). Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания, которыми были связаны атомы, нарушается. При снятии нагрузки смещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает. τ С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая остается при снятии нагрузки. Величина деформации растет с увеличением нагрузки и ее продолжительности. При накоплении деформации τ металл теряет способность к дальнейшему деа б в формированию. При Рис. 1.13. Схема разрушения путем отрыва: а – идеальная решетка; б – упругая деформация; дальнейшем возрастании нагрузки металл разрув – хрупкое разрушение (отрыв) шается (рис. 1.13, в).

Дислокационный механизм пластической деформации осуществляется при движении дислокаций под действием напряжения в определенных кристаллографических плоскостях (рис. 1.14) и зависит от особенностей структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении к кристаллу сдвигающего напряжения (τ) краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 1.14, б, в). Затем разрываются новые межатомные связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла (рис. 1.14, д). За счет элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг в кристалле на величину межатомного расстояния.

τ а

Рис. 1.14. Дислокационный механизм пластической деформации

Если металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию (иногда до 30 %), то говорят о вязком разрушении. При отсутствии пластической деформации или ее незначительном развитии происходит хрупкое разрушение. Чисто вязкое разрушение характерно для таких материалов, как сырая глина; чисто хрупкое разрушение свойственно идеально упругим материалам, например алмазу. Большинству технических материалов присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, а разделение проводится условно по преобладанию того или иного вида разрушения. Сопротивление деформации, т. е. прочностные свойства металла, зависят от величины сил межатомных связей в кристаллической решетке и препятствий – барьеров, которые приходится преодолевать движущимся дислокациям. Основные механизмы торможения дислокаций – пути упрочнения материала. Упрочнение за счет торможения дислокаций точечными дефектами решетки (упрочнение твердым раствором). Эффективность механизма торможения дислокаций зависит от количества в материале точечных дефектов (собственных и примесных). Около этих дефектов всегда возникают локальные искажения решетки: чем они больше, тем выше сопротивление деформации. Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций. В реальном металле имеется большое количество дислокаций, расположенных 15

в разных плоскостях («лес» дислокаций). Среди них могут быть малоподвижные и неподвижные дислокации, скопления дислокаций. При пластической деформации движущимся дислокациям приходится преодолевать расположенные на их пути дислокации «леса». Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление деформации. Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. В структуре сплавов могут находиться дисперсные (очень мелкие) частицы какой-либо фазы: карбиды (Fe3C, Сr7С3, TiC, Fe3W3C и др.), интерметаллические соединения (Со7W6, СuАl2 и др.), окислы (SiO2, Аl2O3 и др.) и другие соединения или элементы. Эти частицы являются барьерами для движущихся дислокаций. Механизмы преодоления дислокациями дисперсных частиц: перерезание (прохождение через частицы) и прохождение между ними. Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков. На этих границах скапливаются дефекты решетки. Дислокации не могут переходить через границу в другое зерно и начинают тормозиться. Дополнительное напряжение, необходимое для пластической деформации, с учетом преодоления дислокациями границ, обратно пропорционально диаметру зерна. Поэтому мелкозернистый металл обладает более высоким сопротивлением деформации, чем крупнозернистый. 1.6. Свойства металлов и методы их испытаний Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении при действии внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамическом (ударный характер нагрузки) и циклическом нагружении (нагрузка многократно меняется по величине и направлению). Испытания на растяжение. При испытании металлов на растяжение (см. рис. 1.15) получают характеристики прочности и пластичности (ГОСТ 1497–84). Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материала к пластической деформации, т. е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Деформацию растяжения можно охарактеризовать абсолютным удлинением или абсолютной деформацией Δl, равной разности длин образца после растяжения lk и до него l0: Δl = lk – l0. Отношение абсолют16

ной деформации Δl к начальной длине образца l0 называют относительной деформацией: σ =

Δl . l0

В процессе испытания регистрируется первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка (P) – абсолютная деформация (Δl)». Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, испытания проводят на стандартных образцах (ГОСТ 1497–84), имеющих в поперечном сечении форму круга или прямоугольника. Результаты пересчитывают на относительные величины: прикладываемую нагрузку – в механическое напряжение ( σ =

P ); абсолютную деформацию – в относиF0

тельную, где F0 – площадь поперечного сечения образца до деформации. За единицу механического напряжения в системе СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м2. По результатам испытаний строят диаграммы растяжения, характеризующие поведение металла при деформировании от начала нагружения до разрушения. На диаграмме растяжения (см. рис. 1.15) выделяют следующие участки деформации: упругой до нагрузки Pупр; равномерной пластической от Pупр до Pmax; сосредоточенной пластической от Pmax до Pк. Тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс характеризует модуль упругости Юнга σ ε

(Е): E = . На участке от Pпц до Pупр линейная зависимость между P и Δl нарушается вследствие упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки. Пластическое деформирование выше Pупр идет при возрастающей нагрузке, так как металл при деформировании упрочняется (явление наклепа). Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка уменьшается от Pmax до Pк (см. рис. 1.15, а). Это объясняется появлением в образце местного утончения – шейки, в которой и развивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке растут, пока при нагрузке Pк не происходит разрушение образца (см. рис. 1.15, б). При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей нагрузки на площадь, которую образец имеет в момент измерения. Однако истинные напряжения обычно не определяют, а пользуются условным напряжением, считая, что поперечное сечение F0 образца остается неизменным. Пределы пропорциональности (σупр), текучести (σт) и прочности (σв) получают делением соответствующей нагрузки на начальную площадь поперечного сечения (F0). 17

Δl

в б а Рис. 1.15. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов: штриховая линия – диаграмма истинных напряжений

Теоретический предел упругости σупр – максимальное напряжение (Pупр), до которого образец получает только упругую деформацию. Определить его трудно, поэтому используют условный предел упругости – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005–0,05 % от начальной длины образца, которую указывают в обозначении. Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. Физический предел текучести – напряжение (Рт), при котором происходит увеличение деформации образца при постоянной нагрузке. Его определяют, когда на диаграмме растяжения имеется площадка текучести. У большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Условный предел текучести – напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 %, его обозначают σ0,2. Выбранная деформация 0,2 % довольно точно характеризует переход от упругой деформации к пластической, а напряжение σ0,2 несложно определить при испытаниях, независимо от того, имеется или нет площадка текучести. По величине σ0,2 при комнатной температуре различают три класса материалов по прочности (табл. 1.1). Таблица 1.1 Классификация сплавов по прочности Класс материалов Низкой прочности Средней прочности Высокой прочности

Fe – сплавы (стали) 650 650–1300 1300–1400

σ0,2, МПа Al – сплавы 200 200–400 400

Ti – cплавы 400 400–800 800

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: σ в =

Рmax . F0

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ: l −l F − Fk δ = k 0 ⋅100 % и ψ = 0 ⋅100 % , l0 F0

где Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Принято считать металл «надежным» при δ ≥ 15 % и ψ ≥ 45 %. Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб – более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры. Используют две схемы нагружения: сосредоточенной силой (способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба. Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих хрупких материалов применяют испытания на сжатие. Эти материалы разрушаются при растяжении путем отрыва, а при сжатии – срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие. Твердость – сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Всегда происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наиболее распространены методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (см. рис. 1.16). Метод Бринелля. Индентор – стальной закаленный шарик. Диаметр шарика (D = 2,5; 5; 10 мм) и величину нагрузки (P) выбирают в зависимости от твердости и толщины изделия. Для термически необработанной стали и чугуна P = 30 D2, для литой бронзы и латуни P = 10 D2, для алюминия и других мягких металлов P = 2,5 D2. Диаметр отпечатка измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Число твердости обозначается «HB» и определяется как отношение нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка: HB =

P 2P = F π D ⋅ (D − D2 − d 2 ) .

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой: для стали σв = 0,34 НВ, для медных сплавов σв = 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов σв = 0,35 НВ.

Рис. 1.16. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Метод Роквелла. Индентор для мягких материалов (до 230 НВ) – стальной шарик диаметром 1,59 мм, для твердых – алмазный конус с углом при вершине 120 °. Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н необходима для соприкосновения индентора с образцом. В течение некоторого времени действует общая нагрузка: Р = Р0 + Р1. После ее снятия определяют значение твердости по глубине вдавливания (h). При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и основную нагрузку Р1 = 1400 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают «HRC». Если используется стальной шарик и нагрузка Р1 = 900 Н, то твердость отсчитывают по шкале «В» и обозначают «HRB». При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и нагрузку Р1 = 500 Н, твердость отсчитывают по шкале «А» и обозначают «HRA». Метод Виккерса. Твердость по Виккерсу обозначается «HV» и определяется по величине отпечатка индентора – алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 ° (рис. 1.16, в) при нагрузке от 50 до 1000 Н. Нагрузка ниже 50 Н используется для определения твердости тонких изделий и упрочненных поверхностных слоев металла. Диагональ отпечатка (d) измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Преимущество данного способа – можно проводить измерение твердости любых материалов. В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных структурных составляющих и фаз сплава, тонких поверхностных слоев. Индентор – алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136 °. Нагрузка – от 0,05 до 5 Н. Размер диагонали отпечатка индентора 20

определяют под микроскопом, а затем по специальным таблицам пересчитывают на число твердости. Метод царапания (по Моосу). Десятибалльная шкала относительной твердости минералов состоит из 10 эталонов твердости: тальк – 1; гипс – 2; кальцит – 3; флюорит – 4; апатит – 5; ортоклаз – 6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз – 10. Если эталон с твердостью 5 царапает образец, который царапает эталон с твердостью 4, то относительная твердость образца равна 4,5. Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность материала с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал. Ударная вязкость характеризует надежность материала, способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на образцах определенной формы и размеров. По ГОСТу 9454–78 ударную вязкость обозначают KCV, KCU и KCT. Где KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 1.17) надрезом в сторону, противоположную удару маятника, который поднимают на определенную высоту. На разрушение образца затрачивается работа A = P ⋅ (H – h), где P – вес маятника, H и h – высоты подъема маятника до и после удара. Ударная вязкость (an) определяется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения (F) в месте надреза.

m F h

Рис. 1.17. Схема маятникового копра

Значение КС зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения меняется скачкообразно (порог хладоломкости). Ниже данной температуры имеет место хрупкое разрушение (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин), вы21

ше – вязкое разрушение (трещины распространяются с трудом). Для определения порога образцы испытывают при различных температурах и строят кривые в координатах «ударная вязкость – температура». Чем ниже порог, тем металл менее чувствителен к скорости деформации и концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия). Хладоломкость – склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную решетки. Усталость – процесс постепенного разрушения материала при повторных знакопеременных напряжениях, не превышающих предела текучести. Выносливость – свойство металлов сопротивляться разрушению от усталости. Испытания дают характеристики усталостной прочности. Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за большое число циклов нагружения. Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины. Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться разным способам холодной и горячей обработки. Литейные свойства – способность материала к получению качественных отливок без трещин, раковин и других дефектов. Основные показатели: жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять полость литейной формы; усадка (линейная, объемная) – уменьшение объема материала в процессе затвердевания и охлаждения; ликвация – неоднородность химического состава отливки по объему. Способность к обработке давлением – изменение формы и размеров материала под влиянием внешних нагрузок без разрушения. Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные соединения нужного качества. Оценивается по качеству сварного шва. Способность к обработке резанием характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанного поверхностного слоя. Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Количественные показатели: скорость электрохимической коррозии, оцениваемая по измене22

нию массы металла или линейных размеров образца; степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности. Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Количественными показателями являются: скорость окисления, оцениваемая по изменению массы металла или толщины оксидной пленки на поверхности; допустимая рабочая температура металла, при которой скорость окисления не превышает заданного значения. Жаропрочность – способность материала сохранять свои механические свойства при высоких температурах. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Антифрикционность – способность материалов образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение, а также легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться. Это способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относят микрогеометрическое строение поверхности (степень шероховатости или пористости) и способность материала «поглощать» твердые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым детали от износа.

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Сплавы – твердые вещества, которые получают сплавлением двух или более веществ (компонентов). Возможны другие способы изготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. Такие вещества называют псевдосплавами. Структура сплава (микроструктура) – строение металлографического шлифа сплава, наблюдаемое при помощи микроскопа. Образец сплава шлифуется и полируется, а затем шлиф протравливается раствором кислоты (для растворения границ раздела фаз и отдельных зерен). Ямки травления хорошо рассеивают свет и видны в оптический микроскоп в виде участков темного цвета. 2.1. Строение сплавов Строение сплава, структура и окончательные свойства зависят от вида взаимодействия компонентов сплава при кристаллизации. Металлы в жидком состоянии хорошо растворяются друг в друге, а в твердом могут образовать механические смеси, твердые растворы, химические соединения. Механические смеси образуются, если компоненты не вступают в химические реакции А и не растворяются друг в друге. Механическая смесь (рис. 2.1) состоит из зерен А и В, имеющих собственные кристаллические решетки. Примеры таких сплавов: Be–Al, Si–Al, Pb–Sb. B Твердые растворы образуются, когда Рис. 2.1. Механическая компоненты частично или полностью раствосмесь компонентов ряются друг в друге (см. рис. 2.2). Первый компонент – растворитель (Р) образует собственную кристаллическую решетку, второй – растворенное вещество (РВ) – присутствует в виде отдельных атомов, собственной решетки не имеет. Твердые растворы внедрения (см. рис. 2.2, а) образуются, когда атомы (ионы) растворенного вещества внедряются в междоузельные позиции решетки растворителя. Растворимость ограничена размерами промежутков между атомами решетки растворителя. Растворы внедрения образуются при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный (ионный) радиус (C, N, B, H). Если размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков, то это вызывает искажение решетки и возникновение механических напряжений. Концентрация растворов – не более 2–2,5 %. 24

Твердые растворы замещения (рис. 2.2, б) образуются в том случае, когда размеры атомов (ионов) компонентов отличаются не более чем на 15 %. Атомы растворенного вещества замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Если замещение осуществляется в случайных местах, то растворы называют неупорядоченными. Р

Р РВ

РВ а

Рис. 2.2. Твердые растворы: а – внедрения; б – замещения

Если размеры атомов (ионов) растворенного элемента больше размеров растворителя, то решетка растягивается, если меньше – сжимается. В первом приближении изменение параметров решетки пропорционально концентрации растворенного компонента и определяет изменение механических свойств твердых растворов замещения. Причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем увеличение. Твердые растворы замещения бывают ограниченными и неограниченными. В последнем случае, кроме близких атомных (ионных) радиусов, компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки, а также свойства. Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах: Cu–Ni, Cu–Au, Si–Ge. Твердые растворы вычитания образуются на основе химических соединений компонентов, в которых отдельные узлы кристаллической решетки не заняты атомами полностью, т. е. образуются вакансии. Появление вакансий связано, как правило, с присутствием ионов переменной валентности (Fe, Mn). Химические соединения компонентов. Сплав представляет химическое соединение компонентов, в котором сохраняется определенное соотношение атомов элементов. Состав можно выразить формулой AnBm, где А и В – компоненты, n и m – целые числа. Кристаллическая решетка сплава, а следовательно и свойства резко отличаются от строения и свойств чистых компонентов. Химические соединения типа металл–неметалл. К ним относятся фазы с ионным типом связи и фазы внедрения. В первом случае в структуре сплава образуются неметаллические включения сульфидов, 25

оксидов, фосфидов (FeS, MnO, Fe3P и т. д.). Фазы внедрения образуются, как отмечено выше, при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный (ионный) радиус. В этом случае образуются карбиды, нитриды, бориды. Химические соединения металл–металл. К ним относятся: электронные соединения (фазы Юм-Розери), фазы Лавеса и сигма-фазы и др. Электронные соединения образуют одновалентные металлы (Cu, Na, Li) с металлами переходной группы (Fe, Mn, Co) и с металлами с валентностью от 2 до 5 (Al, Mg, Zn). Электронные соединения – фазы переменного состава, в которых отношение числа валентных электронов к числу атомов различно: 3/2 – β-фазы; 21/13 – γ-фазы; 7/4 – ε-фазы. Эти соединения характерны для сплавов на медной основе (латунь, бронза), где являются фазами – упрочнителями. Фазы Лавеса образуются при соотношении радиусов атомов (ионов) компонентов от 1,1 до 1,6 (обычно 1,2), σ-фазы – между металлами с близкими радиусами атомов. 2.2. Диаграммы состояния сплавов В процессе охлаждения (нагревания), при изменении концентрации какого-либо компонента, в сплавах происходят фазовые и структурные изменения. Изменения можно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих графическое изображение состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации. Фазовые диаграммы строятся для равновесного состояния с минимумом свободной энергии системы, которое достигается при достаточно медленном охлаждении (или нагревании), что на практике трудно реализовать. При быстром охлаждении (нагреве) система может остановиться на промежуточном (метастабильном) уровне. Структура неустойчива и при соответствующих условиях может вернуться в равновесное состояние. Диаграммы состояния позволяют прогнозировать фазовые и структурные изменения в сплавах в метастабильном состоянии. Закономерности сосуществования равновесных фаз определяются правилом фаз (законом Гиббса): С = К – Ф + 2, где К – число компонентов, Ф – число фаз, С – число степеней свободы (вариантность системы), т. е. число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если C = 1, то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если C = 0, то внешние факторы нельзя изменить без изменения числа фаз в системе. Если все превращения происходят при постоянном дав-

лении, то число переменных уменьшается (единица учитывает возможность изменения температуры): С = К – Ф +1. Изменяя соотношение компонентов, получают разные сплавы, имеющие свою структуру и свойства, температуру плавления и затвердения. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма I рода) Сначала получают термические кривые охлаждения сплавов. Соединив точки начала и конца кристаллизации сплавов, получают диаграмму состояния (рис. 2.3). Линия на диаграмме, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется ликвидус диаграммы. Ниже линии солидус сплавы находятся в твердом состоянии. Строение сплавов механической смеси компонентов показано на рис. 2.4. Температура Б

А Д С

→ %Б

100 % Б

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов

Анализ диаграммы состояния. Количество компонентов К = 2 (химические элементы А, Б). Число фаз Ф = 3 (кристаллы А и Б, жидкая фаза Ж). Линии и точки диаграммы. Линия ликвидус АДБ состоит из двух ветвей, сходящихся в точке Д. Линия солидус СДЕ параллельна оси концентраций.

кр. А а

кр. А + кр. Б (Э) б

кр. Б в

Рис. 2.4. Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

Сплавы системы • Чистые компоненты кристаллизуются при постоянной температуре (точки А и Б на осях диаграммы). Структура сплава – однородные зерна. • Эвтектический сплав (Э) соответствует концентрации компонентов А и Б в точке Д. Механическая смесь двух (и более) кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости при постоянной, самой низкой температуре, называется эвтектикой. Эвтектическая реакция имеет вид: Ж →А + Б. • Кристаллизация доэвтектических сплавов начинается на линии ликвидуса АД с образования кристаллов избыточного компонента А. Микроструктура сплавов в области диаграммы АДС – жидкая и твердая фазы: кристаллы А + Ж. По мере роста кристаллов жидкая фаза обедняется компонентом А. При охлаждении до температуры, соответствующей линии диаграммы СД, состав жидкой фазы изменяется по ветви линии ликвидуса АД до эвтектического. На линии СД происходит одновременная кристаллизация компонентов А и Б. Доэвтектические сплавы содержат эвтектику: кристаллы А +Э. • Процесс кристаллизации заэвтектических сплавов происходит подобно процессу кристаллизации доэвтектических. Линия, ниже которой в микроструктуре сплавов образуется эвтектика, называется линией эвтектического превращения. Для сплавов механических смесей компонентов характерна ликвация (химическая неоднородность). При медленном процессе кристаллизации в нижней части слитка преобладают кристаллы с большим удельным весом. Чтобы предотвратить ликвацию применяют ускоренное охлаждение слитка, механическое перемешивание, вибрацию и т. д. Примеры сплавов с полной нерастворимостью компонентов – сплавы систем Al–Si, Pb–Sb. 28

Диаграмма состояния сплавов с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма II рода) Анализ диаграммы состояния (рис. 2.5). Количество компонентов К = 2 (химические элементы А, Б). Число фаз Ф = 2 (кристаллы α-твердого раствора А и Б, жидкая фаза Ж). Линии диаграммы. Линия АаБ – ликвидус, а АбБ – солидус. Температура а

p m

• б

Б n

б' α-твердый раствор А и Б

→%Б

100 % Б

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с полной растворимостью компонентов

Сплавы системы Чистые компоненты кристаллизуются при постоянных температурах (точки А и Б на ординатах диаграммы). Кристаллизация любого сплава начинается на линии ликвидуса (рис. 2.5, точка а) с выпадения из расплава зародыша α-твердого раствора, обогащенного тугоплавким компонентом Б. При понижении температуры до точки (б) количество жидкой фазы уменьшается, а твердой – увеличивается. За счет процессов диффузии постоянно изменяется состав А(Б) фаз. Периферийная часть растущего зерна обогащена легкоплавким компонентом А, что приводит к внутрикристаллической ликвации. Кристаллизация заканчивается в точке (б) на линии солидус. Строение сплавов с полной растворимостью компонентов представлено на рис. 2.6. Примеры сплавов – система Рис. 2.6. Твердый раствор Cu–Ni. компонентов

Число фаз и их соотношение Состав фаз. Через выбранную точку (m) проводят изотерму (коноду) до пересечения с линиями диаграммы ликвидус и солидус на рис. 2.5. Состав жидкой (твердой) фазы определяется проекциями точек пересечения изотермы с линией ликвидус (солидус) на ось концентрации. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, твердой – по линии солидуса. С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения содержания компонента Б. Соотношение жидкой и твердой фаз. Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Количество всего сплава (Q) определяет отрезок (pq), твердой фазы (Qтв) – отрезок (mp), прилегающий к линии ликвидус, жидкой (Qж) – отрезок (mq), прилегающий к линии солидус: Qтв =

mp ⋅100 % ; pq

Qж =

mq ⋅100 % . pq

Неравновесная кристаллизация Линия (Б n' n q' б') на рис. 2.5 – линия неравновесного солидуса. При неравновесной кристаллизации, при температуре соответствующей точке n', будут выделяться кристаллы α-твердого раствора. Состав твердой фазы будет соответствовать точке n', лежащей на линии равновесного солидуса. При температуре, соответствующей точке n, концентрация кристаллов α-твердого раствора отличается от равновесной. В сплаве содержится некоторое количество жидкой фазы:

Q′ж =

qn ⋅100 % . pn

Таким образом, при неравновесной кристаллизации сплавы затвердевают ниже равновесной температуры затвердевания. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма III рода) характеризует систему сплавов, образующих твердые растворы в ограниченной области составов, за пределами которой образуется механическая смесь из кристаллов твердых растворов. Диаграмма состояния представляет собой комбинацию первых двух типов диаграмм. 1. Диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превращением встречается в составе сложных диаграмм распространенных промышленных сплавов (Fe–C, Al–Cu). Особенность – постоянная (линия диаграммы EN на рис. 2.7) либо переменная (линия DF) предельная растворимость компонентов в твердом состоянии. 30

Температура

G C

D Э+α

N А

С' → %Б

Э+ D'

F Б

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов

Количество компонентов К = 2 (А и Б). Число фаз Ф = 3: жидкая фаза, кристаллы твердых растворов компонента Б в кристаллической решетке компонента А (α-твердый раствор) и компонента А в решетке компонента Б (β-раствор). Линии и точки диаграммы. Линия ликвидус – GCH, солидус – GEDH. Точки E и N указывают предельную постоянную растворимость α-твердого раствора, точки D и F – предельную растворимость β- раствора, которая уменьшается при понижении температуры от эвтектической до комнатной. Сплавы системы • Компоненты А и Б образуют твердые растворы слева от линии EN (α-раствор) и справа от линии DF (β-раствор). Процесс аналогичен тому, который происходит в сплавах с диаграммой состояния II рода. • Выше линии солидус в областях диаграммы GEC и CDH все сплавы имеют двухфазную структуру: (α + Ж) и (β + Ж). • Точка С – эвтектическая точка. Линия ED – линия, в пределах которой протекает эвтектическое превращение аналогично тому, как это имеет место на диаграммах состояния I рода. Отличие заключается в том, что в данном случае эвтектика состоит не из механической смеси компонентов А и Б, а из механической смеси α- и β-твердых растворов. • Кристаллизация доэвтектических сплавов (между точками С и Е) начинается с выделения кристаллов α-твердого раствора и заканчивается эвтектической реакцией α + Ж → α + Э (α + β). • Кристаллизация заэвтектических сплавов (между точками С и D) начинается с выделения β-твердого раствора. Структура – двухфазная.

На линии CD идет эвтектическая реакция β + Ж → β + Э(α + β). Однако процесс кристаллизации не заканчивается. При охлаждении этих сплавов от эвтектической температуры до комнатной предельная растворимость компонента А в Б падает, т. е. β-твердый раствор пересыщен компонентом А. Чтобы система пришла в равновесие, необходимо выделить излишек компонента А из β-раствора. Чистые компоненты не могут существовать в виде отдельной фазы. На основе кристаллов компонента А образуется α-твердый раствор, который в β-твердом растворе располагается в виде мелкодисперсных включений. Избыточные кристаллы, выделяющиеся не из жидкости, а из твердого раствора, обозначаются αII (вторичные α-кристаллы). Процесс выделения новой фазы – вторичная кристаллизация. 2. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением, при котором жидкая фаза взаимодействует при постоянной температуре с выделившимися кристаллами твердой фазы с образованием нового типа кристаллов. Оба компонента ограниченно растворимы в твердом состоянии, не образуют химических соединений, а образуют механические смеси. Пример сплавов – сплавы типа Ag–Pt. Количество компонентов К = 2 (А и Б). Число фаз Ф = 3: жидкость Ж, твердые растворы α и β. Линии и точки диаграммы. Линия ликвидус – АВС (рис. 2.8), солидус – APDC, линия перитектического превращения – BD, перитектическая точка – Р. Точки Р и D указывают предельную постоянную растворимость α- и β-твердых растворов. Температура

β+ Ж D

α+Ж β A

α A

α+β

Рис. 2.8. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением

Сплавы системы • В сплавах левее точки B и правее точки D перитектическая реакция не протекает. Сплавы кристаллизуются в интервале между ликвидусом и солидусом аналогично тому, как в сплавах на диаграммах состояния II рода. • В пределах границ перитектической линии (между точками B и D) протекает перитектическая реакция Ж + β = α, но процесс кристаллизации осуществляется различно. 1. Кристаллизация сплавов, расположенных между точками Р и D, начинается между ликвидусом и солидусом с выделения кристаллов βтвердого раствора. Структура сплава двухфазная: Ж + β. Имеется избыток твердой β-фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для перитектической реакции. При охлаждении ниже перитектической линии, кроме выделившегося продукта перитектической реакции (α-фазы), в структуре сплава образуется β-фаза. При приближении сплавов к точке Р количество продукта перитектической реакции не изменяется, а β-фазы – уменьшается. 2. Сплав точки Р имеет соотношение жидкой и твердой β-фазы, необходимое для протекания в полном объеме перитектической реакции. 3. Кристаллизация сплавов, расположенных между точками Р и B, начинается в области между ликвидусом и солидусом с выделения кристаллов β-твердого раствора. Структура сплава двухфазная: Ж + β. В сплавах имеется избыток жидкой фазы по сравнению с тем количеством (как для точки Р), которое необходимо для перитектической реакции. Вся твердая β-фаза расходуется в перитектической реакции на образование новой α-фазы. Оставшаяся жидкость между линиями перитектики и солидуса кристаллизуется с образованием α-твердого раствора. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением компонентов (диаграмма IV рода)

Компоненты сплава при определенном соотношении вступают в химическую реакцию и образуют устойчивое химическое соединение типа АmBn с собственной кристаллической решеткой. На диаграмме появляется вертикальная линия, верхняя точка которой (см. рис. 2.9) соответствует температуре плавления этого соединения. Если химическое соединение АmBn обозначить как компонент С, то вертикальная линия разбивает диаграмму на две части, которые аналогичны рассмотренным выше диаграммам. Левая часть – диаграмма с полной нерастворимостью компонентов, правая – диаграмма с ограниченной растворимостью компонента С в решетке В, в которой β-фаза является твердым раствором химического соединения в решетке компонента В. 33

Температура B C

А А+Ж

100 % А

Э (AmBn + β)

AmBn+Ж

Э (А + AmBn) А+Э

β+Ж

AmBn+Ж

AmBn +Э

Э + AmBn

Э+β

β+ AmBn

AmBn

100 % Б

Рис. 2.9. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением компонентов. Полиморфные превращения – превращения в твердом состоянии одного типа кристаллической решетки в другой при изменении температуры или давления. На диаграмме полиморфные превращения проявляются в виде системы линий ниже линии солидус. На рис. 2.10, а показана диаграмма состояния, когда оба компонента обладают полиморфизмом. Компонент А кристаллизуется с образованием α-решетки при температуре Аα, которая при температуре Аβ меняется на β-решетку. Высокотемпературные фазы компонентов характеризуются взаимной растворимостью во всей области составов, что проявляется соответствующей формой и положением линий солидус и ликвидус. Низкотемпературные фазы на диаграммах выделяются из твердого раствора, а не из жидкости, но закономерности их образования те же, что и при кристаллизации из жидкости. Зародыши новой фазы образуются и растут до полного завершения фазового превращения. Механическая смесь, состоящая из одновременно выделяющихся из твердого раствора α в точке Д кристаллов β и γ (см. рис. 2.10, в), называется эвтектоидом. На рис. 2.10, б приведена диаграмма состояния для сплава, в которой только компонент А обладает полиморфизмом.

Рис. 2.10. Диаграммы состояния сплавов с полиморфным превращением компонентов

2.3. Закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от вида диаграммы состояния (правила Н. С. Курнакова)

Если известны свойства чистых компонентов и вид диаграммы состояния для этой системы сплавов, то можно предсказать свойства любого сплава данной системы. Впервые на зависимость между видом диаграммы и свойствами сплавов в равновесном состоянии указал Н. С. Курнаков (см. рис. 2.11). 1. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Некоторые свойства, например электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств чистых компонентов. 2. Свойства механических смесей изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств каждого сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов. 3. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, свойства изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Крайние точки отражают свойства чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. 4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

σ В, ρ

Т,°С

Рис. 2.11. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

2.4. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Компоненты и фазы. Железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления – 1539 °С. Атомный радиус железа – 0,127 нм, ионный Fe2+ – 0,078 нм, Fe3+ – 0,064 нм, имеет две полиморфные модификации: α-железо (Feα) с ОЦК решеткой, существующее до 911°С и выше 1392 °С, и γ-железо (Feγ) с ГЦК решеткой, существующее в интервале 911–1392 °С. Период решетки α-железа – 0,286 нм; период решетки γ-железа – 0,365 нм. До температуры 768 °С (точка Кюри) железо ферромагнитное. Железо технической чистоты обладает малой твердостью (80 НВ) и прочностью (σВ = 250 МПа), но высокой пластичностью (δ = 50 % и ψ = 80 %). Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Углерод – неметалл, существует в виде модификации графита со слоистой гексагональной решеткой (рис. 2.12) 0,34 нм и метастабильной кубической модификацией алмаза. Атомный радиус углерода – 0,077 нм, ионный С4+ – 0,015 нм, температура плавления – 3500 °С. Метод синтеза алмазов – взрыв с параметрами: скорость детонации 7–8 км/с, давление – 20–30 ГПа 0,142 нм 4 (1 ГПа = 10 атм.), температура – около Рис. 2.12. Решетка графита 4000 °С.

Возможны следующие виды взаимодействия между углеродом и железом: расплав, твердые растворы внедрения, химическое соединение, свободный углерод в виде графита. В системе сплавов Fe–C существуют фазы: расплав, феррит, аустенит, цементит и графит (рис. 2.13). Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе (рис. 2.13, а). Феррит имеет минимальную предельную растворимость углерода 0,006 % (точка Q на рис. 2.14) при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при 727 °С (точка P). Выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 °С. Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость 130 НВ, предел прочности σВ = 300 МПа) и пластичен (δ = 30 %), магнитен до температуры 768°С.

атом железа атом углерода

Рис. 2.13. Кристаллические решетки: а – феррита; б – аустенита; в – цементита

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе (рис. 2.12, б) имеет минимальную предельную растворимость углерода 0,8 % при 727 °С (см. рис. 2.14, точка S), максимальную – 2,14 % при 1147 °С (точка Е). Аустенит прочнее феррита (твердость 200–250 НВ), пластичен (δ = 40–50 %), парамагнитен. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,69 % углерода, имеет ромбическую решетку (рис. 2.13, в). Полиморфных превращений не имеет. Температура плавления – 1252 °С. Температура Кюри – 210 °С. Цементит – метастабильная фаза: при нагреве до 1200 °С разлагается на железо и углерод. Твердость – 800 НВ. Цементит образует твердые растворы замещения: атомы углерода замещаются атомами неметаллов – азотом, кислородом; железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. В железоуглеродистых сплавах имеются фазы цементита первичного (ЦI), вторичного (ЦII) и третичного (ЦIII). Их химические и физические свойства одинаковы. На механические свойства сплавов влияет различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Це-

ментит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов, вторичный – из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита), третичный – из феррита, располагается в виде мелких включений у границ ферритных зерен. Превращения в сплавах системы Fe–C. Сплавы железа, содержащие более 6,69 % углерода, не имеют практического применения. Обычно рассматривается левая часть диаграммы (рис. 2.14). Линия АСD – ликвидус системы, линия AECF – солидус. На участке АС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. На участке АЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF, при постоянной температуре 1147 °С, идет эвтектическое превращение: расплав с содержанием 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного: Ж → А + Ц I. Температура, °C А 1539

E 1147 °C

911

727 °C

→%C

6,69 % С

100 % С Рис. 2.14. Диаграмма состояния сплавов железо–углерод

Эвтектика системы железо–цементит называется ледебуритом (Л) и содержит 4,3 % углерода. При температуре ниже 727 °С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит: Ж → П + ЦI. По линии GS начинается превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается. 38

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением предельной растворимости углерода в аустените при понижении температуры. При температуре 768 °С имеют место магнитные превращения. По линии PSK при постоянной температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение: аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного: А0,8 → Ф + ЦII. Эвтектоид системы железо–цементит называется перлитом (П), он содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что полированный и протравленный шлиф имеет перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, так как уменьшается растворимость углерода в феррите при снижении температуры. Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо–цементит (критические точки), условно обозначают буквой А (от французского arret – остановка): А1 – линия PSK (727 °С) – превращение П ↔ А; A2 – линия, соответствующая точке Кюри (768 °С); A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф ↔ А; Acm – линия SE – переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве, – начало выделения ЦII (иногда обозначается A3). При нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах. При обозначении процесса нагревания дополнительно добавляют букву (с) – Аc1, а охлаждения – букву (r) – Аr1. Структуры железоуглеродистых сплавов. Сплавы системы железо–цементит по структурному признаку делятся на стали и чугуны. 1. Сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называют техническим железом. Микроструктура сплава содержит зерна феррита при содержании углерода до 0,006 % (см. рис. 2.15, а). При увеличении углерода до 0,02 % по границам зерен феррита расположены зерна ЦIII. 2. Углеродистыми сталями называют сплавы железа с содержанием углерода 0,02–2,14 %. Они кристаллизуются с образованием аустенита, обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии. Микроструктура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. По содержанию углерода и структуре стали делятся: на доэвтектоидные (0,02 % < C < 0,8 %), структура (Ф + П) (см. рис. 2.15, б); эвтектоидные (0,8 % С), структура – пластинчатый перлит (см. рис. 2.15, в); 39

заэвтектоидные (0,8 % < C < 2,14 %), структура (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита (рис. 2.15, г). 3. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,69 % кристаллизуются с образованием легкоплавкой эвтектики (ледебурита) и называются чугунами. Ледебурит повышает литейные свойства. Эти чугуны называют белыми. Они имеют высокую хрупкость, излом серебристобелый.

а б в г Рис. 2.15. Микроструктуры технического железа и сталей: а – железо; б – доэвтектоидная; в – эвтектоидная; г – заэвтектоидная стали

По количеству углерода и структуре (рис. 2.16) белые чугуны делятся: на доэвтектические (2,14 % < C < 4,3 %), структура (П + Л + ЦII); эвтектические (4,3 % С), структура ледебурит (Л); заэвтектические (4,3 % < C < 6,69 %), структура (Л + ЦI). Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах одинаков: феррит и цементит. Однако свойства сталей и белых чугунов отличаются сильно.

б в Рис. 2.16. Микроструктуры белых чугунов:

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

2.5. Углеродистые стали

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом с общим содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства стали определяются количеством углерода (см. рис. 2.17) и содержанием примесей, ко40

торые взаимодействуют с железом и углеродом. С ростом содержа- HB ния углерода количество цементита в стали увеличивается, а феррита – уменьшается. Прочность повышается до содержания углерода около 1 %, а затем уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Увеличение углерода повышает порог хладоломкости, но снижает ударную вязкость (аn). Повышение углерода до 0,4 % ухудшает литейные свойства, обрабатываемость давлением. Низкоуглеродистые стали плохо обрабатываются резанием и плохо свариваются.

an ψ

σв

0,2

0,8 1,4 Содержание углерода, %

Рис. 2.17. Влияние углерода на свойства стали

Влияние примесей 1. Постоянные примеси: марганец, алюминий, кремний, сера, фосфор. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскисления при выплавке, они являются технологическими примесями. Содержание марганца и алюминия не превышает 0,5–0,8 %. Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, но резко снижает ее красноломкость, вызванную влиянием серы. Алюминий, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Содержание кремния не должно превышать 0,35–0,4 %. Кремний растворяется в феррите и увеличивает предел прочности и предел текучести. Фосфор попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание фосфора в сталях – 0,025–0,045 %. Растворяясь в феррите, он искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности, но снижает пластичность и вязкость; располагаясь вблизи зерен, повышает температуру перехода в хрупкое состояние (20–25 °С на 0,01 % Р). Стали с примесью фосфора до 0,1–0,15 % хорошо обрабатываются резанием, но склонны к ликвации. Сера также попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание серы в сталях – 0,025–0,06 %. Сера с железом образует химическое соединение сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается. Сера снижает ударную вязкость и пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке и находятся в раковинах и трещинах. Водород приводит к образованию флокенов – тонких трещин округлой формы серебристого цвета. Азот и кислород входят: в виде неметаллических включений нитридов Fe2N и окислов FeO, SiO2, Al2O3, которые являются концентраторами напряжений и снижают предел выносливости и вязкость; в виде твердых растворов, которые повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. 3. Случайные примеси: хром, никель, вольфрам и др. попадают в сталь из металлического лома (скрапа) при выплавке. Классификация и маркировка углеродистых сталей 1. По химическому составу: углеродистые и легированные. 2. По содержанию углерода: низкоуглеродистые – до 0,25 % С, среднеуглеродистые – 0,3 –0,6 % С и высокоуглеродистые – выше 0,7 % С. 3. По структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные. 4. По качеству (содержанию серы и фосфора): P,S ≤ 0,06–0,07 % – стали обыкновенного качества: P,S ≤ 0,03–0,04 % – качественные стали; P,S ≤ 0,025 % – высококачественные стали. 5. По способу выплавки: в мартеновских печах; в кислородных конверторах; в электрических печах: электродуговых, индукционных и др. 6. По назначению: общего назначения; конструкционные – для изготовления деталей машин и механизмов; инструментальные – для изготовления инструментов; специальные – стали с особыми свойствами. Маркировка сталей. Углеродистые стали общего назначения обыкновенного качества (ГОСТ 380) содержат повышенное количество серы и фосфора. Маркируются: Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, где Ст – индекс группы стали. Цифры от 0 до 6 – условный номер марки стали. Увеличение номера обозначает увеличение прочности, но снижение пластичности стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей. Для сталей группы А гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В гарантируются механические свойства и химический состав. Индексами указывается степень раскисленности: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Качественные углеродистые стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная. Конструкционные качественные углеродистые стали маркируются двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности стали, если она

отличается от спокойной. Например, стали марки 08 кп и марки 45 содержат углерода 0,08 и 0,45 % соответственно. Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента. Стали марки У8 и марки У13 содержат углерода соответственно 0,8 и 1,3 %. Высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным: в конце марки ставят букву А для обозначения высокого качества стали (сталь марки У10А и марки 50А). 2.6. Чугуны

Чугун отличается от стали по составу (высокое содержание углерода и примесей) и технологическим свойствам (высокие литейные свойства, но малая способность к пластической деформации). В белом чугуне углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, излом имеет белый цвет и металлический блеск. В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита (в связанном состоянии – до 0,8 %), излом серого цвета. Графитизация – процесс образования графита в чугуне. Образование графита происходит либо непосредственно из жидкой фазы при наличии центров кристаллизации графита и очень медленном ее охлаждении, либо при разложении цементита. Наиболее сильно ускоряет графитизацию наличие примеси кремния. Изменяя содержание примеси кремния от 0,5 до 4–5 %, можно получать чугуны, различные по структуре и свойствам. Металлическая основа чугунов похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали. Включения графита имеют низкую прочность и места его расположения можно считать нарушением сплошности металлической основы. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную включениями графита. В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый чугун – с пластинчатым, ковкий – с хлопьевидным и высокопрочный – с шаровидным графитом (см. рис. 2.18). Широко распространены чугуны с содержанием углерода 2,4–3,8 %. Графит улучшает обрабатываемость чугуна резанием (образуется ломкая стружка). Чугун имеет хорошие антифрикционные свойства, так как графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения. Пустоты, заполненные графитом, гасят вибрации, и чугун имеет повышенную циклическую вязкость; детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях). 43

Основа Серый

Класс чугуна Ковкий Высокопрочный

Феррит

Феррит + перлит

Перлит

Рис. 2.18. Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

Структура металлической основы чугунов зависит от количества углерода и кремния. С ростом их содержания увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные чугуны. Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии в виде цементита не более 0,8 %. Чем больше графита в свободном состоянии, тем ниже механические свойства чугуна. Около графитовых включений при деформации концентрируются напряжения, значения которых тем больше, чем они острее. Графитовые включения пластинчатой формы способствуют разупрочнению чугуна. Поэтому серый чугун имеет низкие механические свойства при испытании на растяжение, но довольно высокие – при испытании на сжатие. Из серого чугуна изготавливают детали, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам: зубчатые колеса, блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы. Серые чугуны содержат: углерода – до 3,7 %, кремния – 2,6 %, марганца – 0,5–0,8 %, фосфора – 0,1–0,3 %, серы – менее 0,12 %. Обозначаются индексом СЧ и значением предела прочности (σВ = 15 МПа): СЧ 15. Ковкий чугун. Это название условное, изделия получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Ковкие чугуны получают при графитизирующем отжиге белых чугунов, имеющих следую44

Температура Т, °С

щий химический состав: углерода – 2,2–3,0 %, кремния – 0,7–1,5 %, марганца – 0,2–1,0 %, фосфора – менее 0,18 %, серы – менее 0,1 %. Вследствие низкого содержания углерода ковкий чугун обычно выплавляют в электропечах. Отливки быстро охлаждают и получают структуру белого чугуна. Формирование окончательной структуры, свойств отливок происходит при дальнейшем длительном отжиге (до двух суток) при разложении цементита и образовании хлопьевидного графита: Fe3C → 3Feγ + C (графит) Структура после выдержки: зерна феррита или перлита и графит. Ферритный ковкий чугун. При медленном охлаждении (режим (а), рис. 2.19) в интервале 760–720 °С происходит разложение цементита, входящего в перлит. Структура чугуна состоит из зерен феррита и графита, излом темный. Этот чугун – мягкий материал (твердость 150 НВ) с высокой пластичностью δ = 12 % и хорошей прочностью σВ = 30 МПа. Перлитный ковкий чугун получают при более быстром охлаждении (режим (б)). В структуре чугуна сохраняется перлит, содержится меньше графита, излом более светлый. Феррито-перлитный ковкий чугун получается при среднем отжиге по режиму (в). Структура чугуна: зерна перлита и феррита, графит. По механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Ковкий чугун применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Обозначаются чугуны индексом КЧ и числами, показывающими предел прочности (σВ) и относительное удлинение (δ): например, КЧ 30–6. 950–970 760

720

а б

в Время t, ч

Рис. 2.19. Отжиг ковкого чугуна

Высокопрочный чугун получают из серых чугунов в результате модифицирования алюминием, а также щелочными или щелочноземельными металлами (обычно магнием) до 0,5 % от массы отливки, ферросилицием. Чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную

и перлитную металлическую основу. Механические свойства высокие, что вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита. Чугуны содержат: углерода – 2,7–3,6 %, кремния – 1,6–2,7 %, марганца – 0,6–0,8 %, фосфора – 0,12 %, серы – 0,3 %. Из них изготовляют ответственные детали: тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы молотов, изложницы. Обозначаются чугуны индексом ВЧ и значением предела прочности. Высокопрочный чугун с пределом прочности 42 МПа и относительным удлинением 12 % обозначается ВЧ 42-12. Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны содержат графит вермикулярной (червякообразной) формы в виде изогнутых лепестков, размеры которых меньше пластинок серого чугуна. По механическим свойствам и износостойкости вермикулярный чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Отбеленные и другие чугуны. Отбеленные чугуны – отливки, поверхностный слой которых состоит из белого чугуна, а внутри – серый или высокопрочный чугун. Этот слой получают в толстостенных деталях при литье в металлические или сырые земляные формы. В поверхностном слое много твердого (950–1000 НВ), но хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Чугуны используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц. Состав чугунов: углерода – 2,8–3,6 %, кремния – 0,59–0,86 %, марганца – 0,4–0,6 %. Легирующие элементы влияют как на металлическую основу, так и на размеры и форму графитовых включений. Легированные чугуны также подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств и структуры. Например, для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Коррозионностойкие чугуны часто легируют никелем (0,7–1,5 %), хромом (0,2–0,6 %), молибденом (0,3–0,6 %) и медью (0,2–0,5 %). Высоколегированные чугуны содержат до 12–18 % кремния (в их структуре образуются кремнистые сплавы – ферросилициды). Чугуны используются для изготовления деталей насосов, оборудования для концентрированных азотной и серной кислот и др.

3. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ 3.1. Виды термической обработки металлов

Термическая обработка металлов представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности и режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (рис. 3.1). 1. Отжиг I рода не сопровождается фазовыми превращениями в твердом состоянии и проводится для любых металлов и сплавов. При отжиге частично устраняется химическая неоднородность, уменьшаются внутренние напряжения. Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Охлаждение – медленное. 2. Отжиг II рода проводится для металлов и сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. При отжиге измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость. Нагрев проводят выше критических температур при очень медленном охлаждении (рис. 3.1, кривые 1 и 1а). 3. Закалка проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью максимального повышения твердости и прочности путем образования неравновесных структур. Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (кривые 2 и 2а). 4. Отпуск проводится с целью получения требуемых свойств (снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей) и снятия внутренних напряжений. Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А1 (рис. 3.1, кривая 3). Скорость охлаждения деталей роли не играет. Температура, °С

А3 А1

Время t, с Рис. 3.1. Графики видов термообработки: 1 и 1а – полного и неполного отжига; 2 и 2а – полной и неполной закалки; 3 – отпуска; 4 – нормализации

Предварительная термическая обработка применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций: обработки давлением и резанием. Окончательная термообработка формирует свойства готового изделия. 3.2. Превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении

Температура, °С

Любая термическая обработка металла состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежит стремление системы к минимуму свободной энергии. 1. Превращение перлита в аустенит (П→А) происходит при нагреве выше критической температуры А1 (см. диаграмму на рис. 3.2): Feα(C) + Fe3C → Feγ(C) 2. Превращение аустенита в перлит (А→П) происходит при охлаждении ниже критической температуры А1: Feγ(C) → Feα(C) + Fe3C 3. Превращение аустенита в мартенсит (А→М) происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия: Feγ(C) → Feα(C)′ 4. Превращение мартенсита в перлит (М→П) идет при любых температурах, так как свободная энергия мартенсита больше, чем перлита: Feα(C)′ → Feα(C) + Fe3C E Аcm

G A3

Содержание углерода, %

Рис. 3.2. Диапазон оптимальных температур нагрева стали при различных видах термообработки

3.3. Механизмы основных превращений 1. Превращение перлита в аустенит основано на диффузии углерода и сопровождается полиморфным превращением Feα →Feγ, а также растворением цементита в аустените. Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 3.3) на поверхности раздела феррит–цементит (решетка Ф ЦII А Feα перестраивается в Feγ) и заканчивается, когда весь цементит растворится в аустените. Образуются мелкие зерна аустенита. При повышеа б в г нии температуры или времени выдержки проРис. 3.3. Механизм превращения перлита в аустенит исходит рост зерна аустенита. Перегрев. При нагреве доэвтектоидной стали значительно выше температуры А3 происходит рост зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Структура называется видманштеттовой и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев исправляют повторным нагревом до оптимальных температур с медленным охлаждением. Пережог имеет место, когда температура нагрева близка к температуре плавления. Границы зерен окисляются, прочность стали резко снижается. Пережог – неисправимый брак. Схема превращений аустенита при охлаждении показана на рис. 3.4.

Температура Т,°С

Превращение перлит сорбит троостит бейнит

перлитное

промежуточное

МН А→М мартенситное

МК

М Время (t, c)

Рис. 3.4. Диаграмма изотермического превращения аустенита

2. Диффузионное превращение аустенита в перлит имеет место при малых степенях переохлаждения и связано с диффузией углерода: Feγ(C) → Feα(C) + Fe3C Оно сопровождается полиморфным превращением Feγ→Feα и выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита. В области температур 727–550 °С аустенит преобразуется в механическую смесь феррита и цементита (рис. 3.5). Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Рост колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Рис. 3.5. Схема роста перлитных колоний: Ф – феррит; Ц – цементит

Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой происходит процесс его образования. При увеличении степени переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы: чередующихся пластинок феррита и цементита. Поэтому с ростом числа этих пластинок уменьшаются как их размеры, так и расстояния между ними. Расстояние между соседними пластинками феррита и цементита определяет дисперсность структуры (Δ). В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема феррито-цементитных структур: а – перлит; б – сорбит; в – троостит

Перлит (Δ = 0,7 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 650–700 °С или охлаждении со скоростью V = 30–60 °С/с. Твердость – 180–250 НВ.

Сорбит (Δ=0,25 мкм) образуется при переохлаждении до 600–650 °С или охлаждении с V = 60 °С/с. Твердость – 250–350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью, прочностью. Троостит (Δ = 0,1 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 550–600 °С или охлаждении с V = 150 °С/с. Твердость – 350–450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью, пластичностью. 3. Промежуточное превращение аустенита в бейнит. При температуре ниже 550 °С диффузия атомов железа подавлена, но атомы углерода обладают достаточной подвижностью. Механизм превращения: внутри зерна аустенита происходит перераспределение атомов углерода, участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Образующиеся кристаллы имеют игольчатую форму. Структура, состоящая из цементита и феррита и имеющая повышенное содержание углерода в феррите (0,1–0,2 %), называется бейнитом. При температуре 550 °С (Δ = 0,12 мкм) – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью при низкой пластичности. При 300 °С (Δ = 0,008 мкм) – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. 4. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Горизонтальные линии МН и МК на рис. 3.4 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенит–мартенсит, сопровождаемого полиморфным переходом Feα в Feγ. Минимальная скорость охлаждения (Vк), при которой весь аустенит переохлаждается до температуры МН и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. При высоких скоростях охлаждения диффузионные процессы не успевают произойти: углерод аустенита остается в решетке Feα. В результате образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в кубической решетке Feα. Решетка сильно искажается и превращается в тетрагональную (см. рис. 3.7, а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности (с/а > 1). В первом приближении оно пропорционально содержанию углерода (см. рис. 3.7, б). При искажении решетки железа атомами углерода возникают большие напряжения. Следствие компенсации напряжений – большая плотность дислокаций. Поэтому мартенсит имеет твердость до 65 HRC. Особенности мартенситного превращения:

d, нм 0,30 с С c

0,29

Fe a

0,5

1,0 С, %

б а Рис. 3.7. Тетрагональная ячейка мартенсита (а) и влияние углерода на ее параметры (б)

1. Ориентированность и высокая скорость роста (до 1000 м/с) кристаллов мартенсита. Пластинки мартенсита имеют игольчатую структуру (рис. 3.8–3.9). Они быстро растут до границы зерна аустенита либо ближайшего дефекта. Следующие пластинки расположены под углами 60 или 120° к первым, их размеры ограничены участками между первыми.

Рис. 3.8. Схема образования мартенситных пластин в аустенитном зерне

2. Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении. Температуры начала и конца мартенситного превращения зависят от содержания углерода, но не от скорости охлаждения. Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % температура МК уходит в область отрицательных температур (см. рис. 3.10). В структуре сталей с МК ниже 20 °С находится остаточный аустенит (Аост). Его количество тем больше, чем ниже температуры МН и МК: при содержании углерода 0,6–1 % – до 10 % аустенита; при 1,5 % – до 50 % аустенита. 3. Бездиффузионный характер. При превращении Feα в Feγ атомы смещаются на расстояния, меньше межатомных, диффузии железа нет. 4. Необратимость. Получить аустенит из мартенсита нельзя.

Т, °С

Содержание С, % Рис. 3.9. Ориентированность кристаллов мартенсита

Рис. 3.10. Температуры начала и конца мартенситного превращения

5. Превращение мартенсита в перлит происходит при нагреве закаленных сталей и связано с диффузией углерода. Превращения при нагреве закаленной стали. При нагреве до температуры 200 °С происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На их образование углерод расходуется из участков мартенсита, окружающих выделившиеся карбиды. Таким образом, в стали присутствуют карбиды и два α-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода). При нагреве до температуры 300 °С идет рост образовавшихся карбидов. Эти карбиды выделяются из мартенсита, и он обедняется углеродом. В высокоуглеродистых сталях остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. При нагреве до 400 °С избыточный углерод выделяется из Feα. Карбидные частицы приобретают строение цементита, начинают расти, и их форма приближается к сферической. Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска. Выше 400 °С изменение фазового состава не происходит, изменяется микроструктура за счет роста и сфероидизации цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. При температуре 550–600 °С образуется сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. При нагреве до 650–700 °С получают грубую феррито-цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит). 3.4. Отжиг и нормализация

Режимы термообработки назначают в соответствии с диаграммами состояния и изотермического распада аустенита. Скорость нагрева тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее структура, проще конфигурация детали. Оптимальная скорость нагрева – 1 мин на 1 мм сечения детали, время выдержки – 20 % от времени нагрева. Среда нагрева в печи оказывает на сталь различное действие: окисляющее (О2, СО2, Н2О); восстанавливающее (СО, СН4); обезуглероживающее (О2, Н2); науглероживающее (СО, СН4); нейтральное (азот, инертные газы). Для отжига характерно медленное охлаждение (30–100 °С/ч). Отжиг первого рода Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава. В основе лежит диффузия. При нагреве растворяются избыточные карбиды. Отжиг применяется для легированных сталей. Температура нагрева зависит от температуры плавления (Тн = 0,8 Тпл). Длительность – 8–20 часов. Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия напряжений после холодной пластической деформации. Температура нагрева детали: Тн= 0,4 Тпл. Продолжительность зависит от габаритов изделия. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров). Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: Тн = 160–700 °С. Продолжительность зависит от габаритов изделия. Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава. Скорость охлаждения выбирают таким образом, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат с целью улучшения обрабатываемости резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры при их нагреве на 30–50 °С выше критической температуры А3 (см. рис. 3.2). При отжиге аустенит получается мелкозернистый, после охлаждения сталь также имеет мелкозернистую структуру. Неполный отжиг проводится для заэвтектоидных сталей при их нагреве на 30–50 °С выше критической температуры А1. В структуре сохраняется цементит вторичный, который при отжиге приобретает сферическую форму (сфероидизация). Неполный отжиг обязателен для инструментальных сталей. Циклический, или маятниковый, отжиг применяют, если после неполного отжига цементит остается пластинчатым. После нагрева выше температуры А1 следует охлаждение до 680 °С, а затем снова нагрев

до 750–760 °С и медленное охлаждение. В результате отжига получают зернистый цементит. Нормализация – разновидность отжига, при которой сталь нагревают до аустенитного состояния на 30–50 °С выше А3 (или Аст) с охлаждением на воздухе. Твердость и прочность после нормализации несколько выше, чем после отжига. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. Изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины. 3.5. Закалка и отпуск

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, инструментальные – для повышения твердости и износостойкости. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5–2 мин., в пламенной печи – 1 мин., в соляной ванне – 0,5 мин., в свинцовой ванне – 0,1–0,15 мин. Полная закалка с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А3 (линия GS на рис. 3.2) применяется для доэвтектоидных сталей. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубо-игольчатого мартенсита. Изменение структуры стали: нагрев

охлаждение

П + Ф ⎯⎯ ⎯ ⎯→ A ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ М .

Неполная закалка с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А1 (линия SK на рис. 3.2) применяется для заэвтектоидных сталей, которые перед закалкой подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму. Изменение структуры стали: нагрев

охлаждение

П + Ц II ⎯⎯ ⎯ ⎯→ A + Ц II ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ М + Ц II .

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит: нагрев

охлаждение

П + Ф ⎯⎯ ⎯ ⎯→ A + Ф ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ М + Ф .

Охлаждение при закалке. Скорость охлаждения определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений, которые приводят к короблению и растрескиванию. Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1–MН для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН–MК с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. В качестве охлаждающих сред используют воду, технические масла, растворы солей и щелочей, растворы полимеров, расплавленные металлы. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения. При выборе охлаждающей среды нужно учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали. Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода: при содержании углерода менее 0,2 % сталь не закаливается. Прокаливаемость – способность стали получать закаленный слой определенной глубины с мартенситной или троосто-мартенситной структурой. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. При добавке молибдена, хрома или бора закаливаемость и прокаливаемость стали увеличиваются. Способы закалки. В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы (см. рис. 3.11). Закалка в одном охладителе (V1). В качестве охлаждающей среды используют воду для крупных изделий из углеродистых сталей, масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Недостаток – большие закалочные напряжения. Закалка в двух охладителях, или прерывистая (V2). Деталь быстро охлаждают в одном охладителе (вода) до 300 °С и медленно – в другом (масло). Применяется для закалки инструментов. Недостаток – сложно определить, когда переносить детали из одной среды в другую. Ступенчатая закалка (V3). Нагретое изделие помещают в охлаждающую среду (расплавленные соли или металлы), температура которой на 30–50 °С выше точки МН и выдерживают некоторое время, не-

обходимое для выравнивания температуры по всему сечению. После изотермической выдержки деталь охлаждают с малой скоростью. Изотермическая закалка (V4) отличается от ступенчатой большим временем выдержки при температуре выше МН в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка в охлаждающих средах (расплавленные соли и щелочи) обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Применяется для легированных сталей. Закалка с самоотпуском. Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду, выдерживают до неполного охлаждения и вытаскивают. Поверхностные слои изделия повторно прогреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры – осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: молотки, зубила). Температура Т, °С

А1

М + Аост V1

Рис. 3.11. Режимы закалки

Время, t

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (MК) ниже 0 °С. После закалки в стали сохраняется остаточный аустенит, который снижает твердость. Для его устранения проводят дополнительное охлаждение при отрицательных температурах (минус 80 °С) ниже точки MК. Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом на 1–4 HRC. Далее сталь подвергают низкому отпуску для снижения внутренних напряжений. Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Отпуск – окончательная термическая обработка с целью повышения вязкости и пластичности, снижения твердости и уменьшения внутренних напряжений закаленных сталей. Температуру выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали. Низкий отпуск с температурой нагрева 150–300 °С. В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска. Проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты, после цементации. Средний отпуск с нагревом до 300–450 °С. Структура стали – троостит отпуска, сочетающая высокую твердость (40–45 HRC), хорошую упругость и вязкость. Используется для изделий типа пружин, рессор. Высокий отпуск с нагревом 450–600 °С. Структура стали – сорбит отпуска, сочетающая высокую твердость и ударную вязкость. Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. Улучшение стали – термическая обработка, включающая закалку и высокий отпуск. Отпускная хрупкость. Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается. Однако в некоторых случаях наблюдается снижение ударной вязкости – отпускная хрупкость. Отпускная хрупкость I рода наблюдается при низком отпуске легированных и углеродистых сталей и не зависит от скорости охлаждения. Это явление связано с неравномерным распадом мартенсита по границам и внутри зерна при отпуске. Вблизи границ зерен карбиды выделяются более интенсивно, чем внутри зерна. Концентрация напряжений у границ делает их более хрупкими. Отпускная хрупкость II рода возникает в легированных сталях после высокого отпуска при медленном охлаждении. Приграничные зоны зерен обедняются легирующими элементами. Только при медленном охлаждении за счет диффузии в этих зонах образуются мелкодисперсные карбиды, фосфиды, нитриды, которые и снижают ударную вязкость. Хром, марганец и фосфор увеличивают отпускную хрупкость II рода; молибден (0,2–0,3 %), вольфрам (0,6–1,0 %), а также быстрое охлаждение способствуют ее уменьшению.

4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ 4.1. Упрочнение методом пластической деформации

Местной упрочняющей обработке подвергаются детали различных форм, размеров и назначений, изготовленные из различных конструкционных материалов – сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и т. п. Панели, профили, дуги упрочняют на специальных (вибрационных, барабанных или дробеструйных) установках с последующим дополнительным упрочнением отдельных, особо ответственных или не упрочненных участков. Цилиндры, балки, коленчатые валы обычно упрочняются поверхностным наклепом по всей поверхности и по отдельным, заранее определенным участкам. Местному поверхностному упрочнению часто подвергают зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, пазы), а также те участки, которые недоступны при упрочнении на специальных установках. В качестве параметров, определяющих способ и технологию упрочнения, принимают форму изделия, тип упрочняемой поверхности и требования к ее шероховатости. На основе экспертных оценок предложена приоритетность применения тех или иных методов обработки (выделено курсивом) для деталей различных групп сложности: 1 группа деталей: плоскости сплошные, плоскости с вырезами и выступами – обработка дробью, накатывание, обработка механическими щетками; 2 группа: отверстия круглого и произвольного сечения – раскатывание, дорнование, чеканка, обработка дробью; 3 группа: сложные поверхности (несквозные глубокие отверстия, окантовки и ребра жесткости, резьбовые и шлицевые поверхности) – обработка дробью, накатывание, обработка механическими щетками; 4 группа: сопряженные поверхности, пересечения плоских, сложных или цилиндрических поверхностей, фаски и скосы – обработка дробью, накатывание, обработка механическими щетками, чеканка. Дробеструйная обработка осуществляется на специальных установках, выбрасывающих стальную или чугунную дробь. Диаметр дроби – 0,2–4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию металла на глубину 0,2–0,4 мм. Применяют для упрочнения деталей в канав59

ках, на выступах. Обрабатывают изделия типа пружин, рессор; звенья цепей, гусениц; поршни; зубчатые колеса. При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков. Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или строгальные станки. Глубина упрочненного слоя при обкатке роликами достигает 15 мм. 4.2. Упрочнение методом поверхностной закалки

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Толщина закаленного слоя определяется глубиной нагрева. Широко распространены электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка. Закалка токами высокой частоты. Разработанный В. П. Вологдиным метод закалки (рис. 4.1) основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Обычно используются машинные генераторы с частотой 50–15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 106 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, Рис. 4.1. Схема процесса при этом необходимо постоянство зазора закалки ТВЧ между индуктором и поверхностью изделия. Деталь 1 нагревается в индукторе 2 в течение 3–5 с, а затем быстро перемещается в охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается жидкость. Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве ТВЧ должна быть выше, чем при обычном нагреве. После охлаждения получается структура мелко-игольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2–4 HRC по сравнению с обычной 60

закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости. Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, после – низкому отпуску при 150–200 °С (самоотпуск). Целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %. Преимущества метода: высокая производительность; отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности; меньше образуются закалочные трещины; возможность автоматизации процесса; закалка отдельных участков детали. Недостаток – высокая стоимость индукционных установок и индукторов. Газопламенная закалка. Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосино-кислородным пламенем с температурой 3000–3200 °С. Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита или мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя – 2–4 мм, твердость – 50–56 HRC. Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах. Недостатки метода: невысокая производительность; сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева). 4.3. Химико-термическая обработка

Для упрочнения поверхностного слоя деталей, увеличения его твердости и износостойкости производят диффузионное насыщение этого слоя различными элементами. Процесс изменения химического состава и свойств поверхности изделия под действием температуры и окружающей среды заданного состава называется химико- термической обработкой. Различают несколько разновидностей. Если поверхностный слой деталей насыщается углеродом, то обработка называется цементацией, азотом – азотированием, бором – борированием, алюминием – алитированием и т. д. Когда насыщение осуществляется двумя элементами, например углеродом и азотом, то обработка называется нитроцементацией. После химико-термической обработки проводится упрочняющая термическая обработка (закалка, отпуск). Химико-термическая обработка деталей применяется в промышленности с целью повышения: поверхностной твердости, износостойкости, сопротивления задиранию, изгибной усталостной прочности. Для резкого повышения сопротивления абразивному изнашиванию перспективны процессы борирования, диффузионного хромирования, позволяющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой 61

твердостью. Целью химико-термической обработки является также защита поверхности деталей от коррозии в агрессивных средах и образования окалины (алитирование, силицирование, хромирование и др.). Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цель цементации – достижение высокой твердости и износостойкости поверхности детали в сочетании с ее вязкой серединой. На цементацию поступают механически обработанные детали с припуском на шлифование 50–100 мкм (обычно стали с содержанием углерода 0,1–0,2 %). Осуществляется процесс цементации при высокой температуре (выше 950 °С), когда сталь находится в аустенитном состоянии (α-железо плохо растворяет углерод). Детали помещаются в среду определенного состава – карбюризатор. В качестве твердого карбюризатора используют смесь древесного угля с добавлением катализаторов: 20–25 % ВаСО3 и 3,5–5,0 % СаСО3. При термическом разложении карбюризатора образуется атомарный углерод, который диффундирует в поверхностный слой металла: 2C + O2 →2CO BaCO3 + C →BaO +2CO 2CO →СO2 + С Длительность процесса – от 5 до 24 часов, глубина науглероженного слоя составляет от 0,4 до 2,5 мм. Чем дольше процесс, тем на большую глубину происходит насыщение углеродом. Более высокопроизводительный процесс – цементация в газообразном карбюризаторе с углеродосодержащими газами (метан, пары керосина и т. п.). В специальных печах газы термически разлагаются с образованием атомарного углерода, который диффундирует в сталь. Процесс длится 3–5 часов, глубина слоя – 0,8–1,2 мм. Распределение углерода в поверхностном слое после цементации – неравномерное: поверхностная заэвтектоидная зона (содержание углерода более 0,9 %) имеет структуру перлит + вторичный цементит; эвтектоидная зона с содержанием углерода около 0,8 %; доэвтектоидная зона с содержанием углерода менее 0,7 %, плавно переходящая в структуру сердцевины. При длительной выдержке (при высокой температуре) сталь становится крупнозернистой (особенно при цементации в твердых карбюризаторах). После цементации проводят термическую обработку с целью упрочнения поверхностного слоя и измельчения зерна (см. рис. 4.2). Менее ответственные детали подвергают закалке от температуры цементации с последующим низким отпуском. Подстуживание снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое. Если требуются повы62

Температура

шенные механические свойства, то охлаждение производят медленно, закалка осуществляется при повторном нагреве с последующим низкотемпературным (150–200 °С) отпуском. Особый случай – сквозная цементация тонких штампованных деталей из низкоуглеродистой стали (детали пишущих машин, роликовых цепей и т. п.).

Время

Рис. 4.2. Режимы термической обработки цементованных деталей

Азотирование. При азотировании поверхностный слой деталей насыщается азотом с целью увеличения износостойкости поверхности. Достигается более высокая твердость (70–72 НRC) и износостойкость, чем при цементации, увеличивается коррозионная стойкость стали в атмосфере и усталостная прочность. Азотирование – более длительный процесс, чем цементация. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до 500–600 °С, что выше, чем у цементованного слоя. Осуществляется процесс азотирования при 500–600 °С в атмосфере аммиака, который разлагается с образованием атомарного азота, диффундирующего в металл:

2NH3 → 3H2 + 2N Азот образует с железом и легирующими элементами нитриды (Fe4N, Fe2N, CrN, MoN), которые имеют более высокую твердость, чем железо. Частицы нитридов мелкие (толщина до 2–4 нм) и являются эффективным препятствием для движения дислокаций. Скорость диффузии при низких температурах мала и процесс азотирования идет очень медленно. Слой глубиной 0,1–0,8 мм при температуре 500–520 °С образуется от 3 до 90 часов. Операция является заключительной в технологическом процессе изготовления изделий и заменяет операцию отпуска, проводится после полной механической обработки и закалки. Азотированию подвергаются конструкционные, среднеуглеродистые стали, легированные хромом, алюминием и другими элементами.

Нитроцементация – одновременное диффузионное насыщение поверхностного слоя деталей азотом и углеродом. По своим свойствам нитроцементованный слой стали занимает промежуточное положение между цементованным и азотированным слоями. Процесс нитроцементации осуществляется в газовой смеси науглероживающего газа (светильный газ, метан) или жидкой среде (аммиак). Длительность газовой нитроцементации – от 2 до 12 часов. После необходима упрочняющая термическая обработка – закалка и низкотемпературный отпуск. В структуре слоя образуются мартенсит и карбонитридные и нитридные мелкие частицы. Твердость достигает 67–68 HRC. Температура и продолжиГлубина слоя, мм тельность обработки влияет на концентрацию и соотношение элементов в поверхностном слое (рис. 4.3). При обработке (при 820–850 °С) получают слои 1,5–2,0 мм, в которых много углерода, но мало азота. После низкотемпературной обработки (при 530–570 °С) Температура, °С слои тоньше, в них много азоРис. 4.3. Глубина насыщенного углеродом та, но мало углерода. Низкои азотом слоя при газовой температурную нитроцеменнитроцементации тацию в жидкой среде называют цианированием. Нитроцементации подвергаются детали и инструмент, изготовленные из легированных сталей. Режим обработки и глубину упрочненного слоя выбирают в зависимости от условий работы, действующих нагрузок, срока эксплуатации. Диффузная металлизация – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали различными металлами. При жидкостной металлизации деталь погружают в расплав металла, при твердой и газовой – насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлами (AlCl3, CrCl3, SiCl4). Алитирование (насыщение алюминием) применяют для повышения стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воздухе, в сероводороде и топочных газах при повышенных температурах. Алитированию подвергают малоуглеродистую нелегированную сталь и жаропрочные сплавы на никелевой основе. Применяют три способа алитирования: в твердой среде (порошковых смесях), в расплаве, напылением расплавленного алюминия. Порошковые смеси для насыщения сталей и чугунов алюминием содержат от 30 до 90 % порошка железоалюминиевого сплава, легированного не-

большим количеством окиси алюминия и 1–2 % хлористого аммония. Насыщение алюминием проводят при 750–1050 °С в течение 1–20 часов. Глубина слоя – 0,02–0,7 мм, содержание алюминия на поверхности слоя 15–65 %. Алитирование в расплаве алюминия (с добавлением кремния) осуществляется погружением деталей в ванну при 720–850 °С с выдержкой 25–45 мин. Затем проводят диффузионный отжиг в течение 1–2 часов при 950 °С. Глубина слоя – 0,3–0,5 мм. Наличие легирующих элементов уменьшает глубину алитированного слоя. Хромирование направлено на повышение твердости, коррозионной стойкости и производится при 800–1300 °С порошками, в состав которых входят: Cr или FeCr, 1–3 % NH4Cl или NH4I, остальное – Al2O3. Перед хромированием детали подвергаются шлифовке, возможна предварительная цементация. При изготовлении штампового инструмента после хромирования производится притирка. Увеличение размеров при хромировании составляет 0,01–0,03 мм на сторону. Борирование осуществляется при температуре 920–950 °С в жидких средах (электролизное и в расплаве буры с карбидом бора), а также в газообразных средах и твердых смесях с целью повышения твердости и износостойкости. Борированные детали (втулки буровых насосов, струйных сопел, звеньев цепей пил) подвергаются объемной и поверхностной закалке токами высокой частоты. Время борирования в жидких средах и газах – от 2 до 20 часов, в порошках – 6 часов. Глубина борирированного слоя составляет 0,2 мм. Сульфоцианирование улучшает антифрикционные свойства, повышает усталостную прочность стали (обработка поршневых колец, гильз цилиндров, чугунных втулок, зубчатых и червячных колес). Процесс происходит в течение 1,5–2 часов при 560–580 °С. В зависимости от марки стали и состава ванны получают обогащенный серой, азотом и углеродом слой глубиной 0,05–0,1 мм. Силицирование применяется для деталей химического и нефтяного машиностроения с целью повышения коррозионной стойкости при работе в морской воде, серной, соляной, азотной кислотах и других агрессивных средах. Силицирование осуществляется при 950–1000 °С в газовых и жидких средах, а также в вакууме и порошкообразных смесях в течение 10–50 часов. Силицирование понижает предел прочности и относительное удлинение, ударную вязкость. Титанирование осуществляется при температурах 950–1300 °С в твердых смесях, жидких и газообразных средах с целью получения поверхностных слоев, стойких в различных агрессивных средах, для повышения сопротивления эрозии. Продолжительность – 0,25–6 часов, глубина обогащенного титаном слоя – от 0,02 до 0,45 мм; до 1,5 мм – при обработке ферротитановым порошком. 65

Титанированные железные листы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются.

5. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Температура

Легированные стали – стали, содержащие дополнительные легирующие элементы: хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, кобальт, титан, ванадий, никель. Эти элементы вводят для получения требуемых свойств стали. Во-первых, легирующие элементы могут замещать часть атомов железа в цементите. При достаточной концентрации этих элементов образуются специальные карбиды: Сr7С3, Сr23C6, W2C, VC. По сравнению с цементитом Fe3C эти карбиды имеют более высокую твердость, разлагаются и растворяются в аустените при более высоких температурах, медленнее растут. Поэтому такую сталь при закалке необходимо нагревать до более высоких температур. Сталь со специальными карбидами в структуре – более износостойкая и теплостойкая. Во-вторых, при большом количестве легирующих элементов в сталях и сплавах образуются интерметаллические соединения: Fe2W, Co7W6, Ni3Ti. В-третьих, легирующие элементы, попадая в твердые растворы (аустенит, феррит, мартенсит), влияют на их свойства и температурную область существования. Большинство легирующих элементов замедляют распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь. За счет замедления скорости диффузии на С-образной диаграмме кривые смещаются вправо по оси времени (рис. 5.1). Это приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволяет упрочнять закалкой более массивные изделия по сравнению с изделиями, изготовленными из углеродистых сталей. Прокаливаемость углеродистых сталей составляет 10–15 мм (критический диаметр), легированных сталей – до 100–200 мм и больше.

А1

Vк

Vкр

Время

Рис. 5.1. С-образные диаграммы для сталей: а – углеродистой; б – легированной эвтектоидной

Время

Попадая в феррит, легирующие элементы растворяются по типу замещения и вызывают некоторое упрочнение. Нелегированный феррит имеет твердость 60–80 НВ, при введении 4 % кремния твердость возрастает до 195 НВ. Легированный мартенсит более устойчив при нагреве, чем нелегированный. Влияние легирующих элементов на мартенсит используется при создании теплостойких сталей, работающих в изделиях при повышенных температурах. 5.1. Маркировка легированных сталей

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения буквами русского алфавита: Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (указывается в середине марки), Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий. В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. Например, сталь марки 15Х25Н19ВС2 содержит 0,15 % углерода, 25 % хрома, 19 % никеля, до 1,5 % вольфрама и 2 % кремния. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А. Маркировка легированных инструментальных сталей немного отличается. В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 % число не указывается. Например: сталь 9ХС, сталь ХВГ. Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания в процентах. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения. Например, быстрорежущие инструментальные стали. Сталь Р18: Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама (18 %). 5.2. Классификация легированных сталей

Классификация этого класса сталей может быть по нескольким признакам. По назначению различают три группы легированных сталей: конструкционные стали, инструментальные стали, стали с особыми свойствами. 67

Конструкционные стали – широко используются для изготовления различных видов деталей машин и механизмов (оси, валы, шестерни, рессоры, пружины и т. д.). Конструкционные легированные стали бывают низко- (0,1–0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3–0,6 %). Легирующие элементы (хром, никель, молибден) добавляются для увеличения прокаливаемости и порога хладоломкости сталей. Детали, изготовленные из среднеуглеродистых сталей, например марок 40Х и 30ХН, обычно подвергают улучшению, т. е. упрочняющей термической обработке (закалка плюс высокий отпуск). Низкоуглеродистые стали (марок 09Г2С и 20Х) используются для изготовления изделий методом холодной пластической деформации, для сварных конструкций и цементации. Инструментальные стали – материалы, предназначенные для изготовления различных видов инструмента: режущего, штампового и мерительного. Поскольку для инструмента, в соответствии с условиями работы, требуются высокие износостойкость и сопротивление деформации, прочность при удовлетворительных пластических свойствах, эти стали чаще всего высокоуглеродистые. Для инструмента, работающего при повышенных температурах, кроме этих свойств, необходима высокая теплостойкость, т. е. сохранение твердости, износостойкости при нагреве до температур эксплуатации. Среди инструментальных сталей можно выделить по назначению несколько подгрупп: а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогревом, – до 350 °С (стали ХМФ, 9ХС); б) для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, с разогревом, – до 500–650 °С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5); в) для штампов холодного деформирования (стали ХВГ, Х6ВФ); г) для штампов горячего деформирования (стали ХВ4Ф, Х12МФ); д) для измерительного инструмента (стали 9Х1, 9ХВГ). Стали с особыми свойствами – стали и сплавы, работоспособность которых оценивается как по механическим, так и по другим свойствам: теплофизическим, магнитным, электрическим и др. Прецизионные сплавы – металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или сочетанием свойств, уровень которых в значительной степени обусловлен точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки. Наиболее распространены стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, высоким электросопротивлением (при повышенной жаростойкости), магнитные стали и сплавы. Жаропрочные стали – материалы, работающие при высоких температурах под нагрузкой. Материал должен иметь достаточную прочность и плотные окисные пленки, защищающие его от дальнейшего

окисления. Жаропрочные стали применяются для изготовления деталей топливной аппаратуры, паровых котлов, турбин, ракет, двигателей внутреннего сгорания и др. Для деталей, работающих под нагрузкой до 650 °С, применяются стали легированные хромом, молибденом, ванадием (15ХН, 12Х2МФБ). Изделия, работающие при температурах 650–750 °С, изготавливают из высоколегированных сталей марок 40Х14Н14В2Н, 40Х12Н8Г8МФБ. При температурах выше 750–800 °С в качестве жаропрочных материалов используются сплавы на основе никеля или кобальта, выше 1000 °С – сплавы на основе молибдена (до 1500 °С) и вольфрама (до 2500 °С). Жаростойкие стали – материалы, работающие в ненагруженном состоянии при высоких температурах. Для них требуется хорошее сопротивление окислению в газовых средах при высоких температурах. До 560–600 °С окалина состоит в основном из плотного слоя оксидов Fe2O3 и Fe3O4. Выше 600 °С происходит растрескивание этих слоев. Рыхлый слой оксида FeO облегчает доступ кислорода к металлу. Для обеспечения необходимой жаростойкости сталей в них вводят: хром, алюминий, кремний, никель. Эти металлы образуют на поверхности изделий прочные окисные пленки (Сr2O3, Al2O3, SiO2). Количество введенных в сталь элементов зависит от требуемого уровня жаростойкости, определяемой рабочими температурами изделий, для которых используется материал. Основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Рабочая температуры стали марки 15Х5М (с 5 % хрома) – до 650 °С, а марки 12Х17 (17 % хрома) – до 900 °С. Нержавеющие стали – коррозионно-стойкие материалы. Значительное количество деталей, изделий в современной технике работает в агрессивной среде. Такой средой могут быть: влажная атмосфера, морская вода, пар, растворы солей, щелочей, кислот и т. п. Под действием этой среды поверхностный слой металла может разрушаться. Хром (не менее 12,5 %) – основной легирующий элемент, обеспечивающий защиту стали. При таком количестве хрома электрохимический потенциал стали становится положительным, что препятствует ее растворению (коррозии). Стали с 13 % хрома (20Х13, 40Х13) имеют хорошую коррозионную стойкость в таких средах, как водяной пар, вода, некоторые органические кислоты. Для увеличения коррозионной стойкости в сталь вводится от 17 до 28 % хрома (12Х17, 95Х18, 15Х25Т). Хорошие антикоррозионные свойства имеют хромоникелевые стали (12Х18Н10Т, 17Х20Н9Т). При добавлении никеля эти стали можно с помощью закалки перевести в однофазное состояние – аустенит, что положительно сказывается на сопротивлении коррозии.

Износостойкие стали предназначены для работы в условиях изнашивающих нагрузок, часто при интенсивном износе. При формировании структуры сталей учитывают: чем выше твердость (чем больше в них содержится твердых избыточных карбидов), тем выше сопротивление износу. Данные стали, как правило, высокоуглеродистые и легированы карбидообразующими элементами: Сr, V, W, Тi (Х12, ХВГ, ХВ4Ф). Представителем высокомарганцовистых высокоуглеродистых сталей является сталь Гадфильда марки 120Г13. При содержании марганца 13 % точки МН и МК на С-образной диаграмме (см. рис. 5.1) смещены в область более низких температур. При закалке получается аустенитная структура. Из высокомарганцовистых сталей изготавливают изделия, работающие в условиях износа с одновременным действием высоких давлений и ударных нагрузок: железнодорожные стрелки, траки гусениц тракторов и танков, детали камнедробилок. После охлаждения на воздухе из аустенитного состояния различают по структуре легированные стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Обусловлено это тем, что С-образные кривые под влиянием легирующих элементов могут смещаться вправо по оси времени (см. рис. 5.1), а температуры мартенситного превращения МН и МК – вниз, в область более низких температур. Поэтому при одних условиях охлаждения сталей разного состава получают различные структуры – перлит, мартенсит, аустенит. Стали перлитного класса обычно малолегированные (30Х, 55С2), мартенситного – более высоколегированные (40Х13, Р6М5), аустенитные стали – это высоколегированные материалы (120Г13, 55Х20Г9АН4). Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Стали для пружин должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть подвергнуты термической обработке – закалке и отпуску или деформационному упрочнению. Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали (65Г, 70, 75 и У10). В промышленности наиболее часто применяют кремнистые стали (55С2, 60С2А, 70С3А). Они имеют высокие пределы текучести и упругости, что обеспечивает хорошие свойства, поскольку кремний повышает прокаливаемость.

6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ Цветные сплавы – сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди. Они являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при повышении их прочности и жесткости. Высокая коррозионная стойкость цветных металлов обусловлена образованием на поверхности металла пленки оксида. Эта пленка обладает хорошим сцеплением с металлом благодаря близости их удельных объемов и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При нагреве цветных металлов выше некоторой температуры они становятся химически активными элементами. 6.1. Титан и его сплавы Титан – легкий металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1668 °С, кристаллизуется в виде двух полиморфных модификаций: до температуры 882 °С устойчива α-фаза с ГПУ решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм; выше 882 °С – β-фаза с ОЦК решеткой (а = 0,332 нм при 900 °С). Плотность α-фазы при комнатной температуре – 4,5 г/см3. Механические свойства титана (σв = 300 МПа, твердость 100 НВ) значительно зависят от его чистоты и состояния. Чистый титан сохраняет высокую пластичность (δ = 20 %, ψ = 50 %) при температуре жидкого гелия (–269 °С). Однако при введении всего 0,03 % водорода, 0,2 % азота или 0,7 % кислорода титан теряет способность к пластической деформации. Титановые сплавы. Примеси образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру полиморфного α→β превращения. Элементы, которые повышают температуру α→β превращения и стабилизируют α-твердый раствор, называются α-стабилизаторами (см. рис. 6.1, а). Практическое значение имеет только примесь алюминия. Это сплавы средней прочности, они не упрочняются термической обработкой, имеют отличные литейные свойства, хорошо свариваются. Низколегированные α-сплавы и технический титан поддаются листовой штамповке в холодном состоянии. Элементы, которые понижают температуру превращения α→β, называются β-стабилизаторами (см. рис. 6.1, б). Некоторые β- стабилизаторы (см. рис. 6.1, в) образуют интерметаллические соединения: при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение: β→α+TiX.

Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую пластичность и поддаются листовой штамповке в холодном состоянии; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются. При температурах выше 300 °С сплавы становятся хрупкими. Нейтральные стабилизаторы (рис. 6.1, г) не влияют на фазовый состав сплавов. T, °С

882

Al, O, N %

V, Nb, Mo, Ta, Re %

882

α в

Cr, Mn, Fe, Ni, Si, Cu, W %

Sn, Zr, Hf, Th %

Рис. 6.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана: а – α-стабилизаторы; б – изоморфные β-стабилизаторы; в – изоморфные β-стабилизаторы; г – нейтральные

Двухфазные сплавы (α + β) – большая группа промышленных титановых сплавов – отличаются более высокой пластичностью, чем α-сплавы, могут быть термически упрочнены и обладают высокой жаропрочностью, но плохо свариваются по сравнению с однофазными сплавами. При легировании титана алюминием увеличивается прочность и жаропрочность, уменьшается вредное влияние водорода. Для повы72

шения износостойкости сплавы подвергают цементации или азотированию. Основной недостаток титановых сплавов – плохая обрабатываемость режущим инструментом и низкие антифрикционные свойства. По способу производства деталей различаются деформируемые и литейные сплавы. Титановые сплавы применяются в авиа- и ракетостроении (корпуса двигателей, сопла, детали крепежа), химической промышленности (компрессоры, клапаны), судостроении (гребные винты, обшивка морских судов), криогенной технике. 6.2. Алюминий и его сплавы Алюминий – легкий металл (плотность 2,7 г/см3) серебристобелого цвета с температурой плавления 660 °С. Полиморфных превращений не имеет, кристаллизуется в ГЦК решетку: а = 0,404 нм. Механические свойства отожженного алюминия (σв = 60 МПа, твердость 20–25 НВ) в значительной степени зависят от его чистоты и состояния. Постоянные примеси алюминия: Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Алюминий особой чистоты содержит менее 0,001 % примесей и предназначен для исследовательских целей. Из алюминия высокой чистоты (0,005–0,05 % примесей) изготавливают фольгу, токопроводящие и кабельные изделия, изделия для химической промышленности. Алюминий технической чистоты (0,15–1 % примесей) применяется для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки. Алюминий обладает хорошей теплои электропроводностью, высокой пластичностью и удельной прочностью, легко обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием и имеет большую усадку затвердевания (6 %). Алюминиевые сплавы. В основном алюминий расходуется на производство алюминиевых сплавов. Механические свойства алюминия можно повысить за счет легирования основными элементами: Cu, Mg, Mn, Zn, Si, а также Ti, Be, Ni, Fe. Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и химические соединения. Обобщенная диаграмма сплавов цветных металлов представлена на рис. 6.2. Если образуется пересыщенный твердый раствор, то такие сплавы подвергаются упрочняющей термической обработке. По технологическим свойствам сплавы подразделяются на деформируемые (упрочняемые или не упрочняемые термической обработкой) и литейные. Сплавы маркируются аналогично легированным сталям. Сначала указывается тип сплава: Д – дуралюмин; А – технический алюминий; АК – ковочные алюминиевые сплавы; АЛ – литейные сплавы; В – высо-

копрочные сплавы. Указывается условный номер сплава, обозначение, характеризующее состояние сплава: Т – термически обработанный (закалка плюс старение); М – мягкий (отожженный); Н – наклепанный. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Эта группа сплавов систем Al-Mn и Al-Mg применяется вместо чистого алюминия, когда его прочность недостаточна. Примесь магния (0,5–5 %) действует только как упрочнитель, добавка марганца и хрома (1 %) повышает коррозионную стойкость. Дополнительное упрочнение сплавы получают в результате наклепа (деформации в холодном состоянии). Термическую обработку проводят для повышения пластичности. Сплавы типа АМц, АМг (σв = 110 МПа, δ = 20 %) применяются в отожженном состоянии и после наклепа для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, средненагруженных конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии.

Ж D

0 % Me

C E

100 % Me

Рис. 6.2. Диаграмма состояния сплавов: 1а – деформируемые неупрочняемые сплавы; 1б – деформируемые упрочняемые сплавы; 2 – литейные сплавы

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Это многокомпонентные сплавы. В состав вводят различные элементы с целью повышения прочности (Cu, Mg, Zn), жаропрочности (Fe), коррозионной стойкости (Mn, Mg). Термическая обработка сплавов – закалка и старение (естественное или искусственное). Линия DF на рис. 6.2 – линия предельной растворимости примеси. Закалка проводится выше температуры DF, охлаждение – со скоростью выше критической; результат – образование пересыщенного твердого раствора легирующего элемента в решетке основы. Старение – выдержка при нормальной или повышенной температуре. За счет диффузии атомы легирующего элемента образуют кристаллические зоны с повы-

шенной концентрацией, которые играют роль барьеров при деформации кристаллов. Таким образом, упрочнение сплавов происходит как за счет легирования, так и за счет распада пересыщенных твердых растворов. Для дополнительного упрочнения используют наклеп, производя его между закалкой и старением. Дуралюмины – сплавы системы Al–Cu–Mg, в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости. Например, сплав Д16 (σв = 540 МПа, δ = 11 %). Дуралюмины применяются для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих долговечности при переменных нагрузках. Особенно широкое применение они находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве. Авиаль – сплавы системы Al–Mg–Si уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Например, сплав АВ (σв = 260 МПа, δ = 15 %) обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой, обладает сопротивляемостью коррозии. Из него изготовляют элементы конструкций (листы, трубы и т. д.), несущих умеренные нагрузки. Ковочные сплавы системы Al–Mg–Si–Cu отличаются высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки для последующей обработки давлением. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 (σв = 480 МПа, δ = 10 %) – для изготовления нагруженных штампованных деталей (табл. 6.1). Таблица 6.1 Химический состав упрочняемых алюминиевых сплавов Сплавы

Марка

Дуралюмин Авиаль Ковочные Жаропрочные Высокопрочные

Д16 АВ АК6 АК2 В95

Cu 3,8–4,9 0,2–0,6 1,8–2,6 3,5–4,5 1,4–2,0

Mg 1,2–1,8 0,4–0,9 0,4–0,8 0,4–0,8 1,8–2,8

Химический состав, % Si Zn Fe < 0,5 < 0,3 < 0,5 0,5–1,2 < 0,2 < 0,5 0,7–1,2 < 0,3 < 0,7 0,5–1,0 < 0,3 0,5–1,0 – 5–7 –

Mn Ni 0,3–0,9 0,1 0,1–0,3 – 0,4–0,8 < 0,1 < 0,2 1,8–2,3 0,2–0,6 –

Жаропрочные алюминиевые сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Например, сплав Д20 (σв = 400 МПа, δ = 12 %) используют для изготовления деталей, работающих при температуре до 300 °С. 75

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Например, сплав В95 (σв = 560–600 МПа, δ = 8 %) хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении и судостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при температурах 100–120 °С. Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой и малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии. По назначению литейные алюминиевые сплавы можно разделить на следующие группы. Силумины – сплавы систем Al–Si, Al–Si–Mg, содержащие 10–13 % кремния, отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью. Силумины делятся на двойные (легированные только Si) и специальные (с небольшой добавкой других элементов – Mg, Cu, Mn, Ni). Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность. Сплавы системы Al–Si типа АЛ2, АЛ9 (σв = 200 МПа) сравнительно легко обрабатываются резанием. Термической обработкой упрочняются только специальные силумины, которые применяются для изготовления средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания. Высокопрочные жаропрочные сплавы Al–Cu–Mn, Al–Cu–Mn–Ni, Al–Si–Cu–Mn. Широко применяется сплав АЛ1 (σв = 260 МПа), из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре до 300 °С. Из сплава AЛ19 системы Al–Cu изготавливают детали, работающие в условиях высоких статических и ударных нагрузок при низких и повышенных до 300 °С температурах. Коррозионностойкие сплавы систем Al–Mn и Al–Mn–Zn имеют низкие литейные свойства, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Сплавы АЛ8 (σв = 350 МПа, δ = 10 %), АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере (судостроение, авиация). Гранулированные алюминиевые сплавы. Плавлением трудно, а иногда даже невозможно получить металлические материалы с особенностями химического состава: композиты из металлических и неметаллических материалов; сплавы из металлических и неметаллических 76

компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде, например железо-свинец, вольфрам-медь. Методами порошковой металлургии можно изготовить материалы с особыми физическими характеристиками и структурой, например многие пористые металлы. Спеченные материалы можно производить не только в виде заготовок и полуфабрикатов, но и в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей обработки резанием. В ряде случаев эти материалы имеют более высокие свойства, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением. Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают методом порошковой металлургии. Частицы имеют диаметр от нескольких микрометров до нескольких миллиметров и характеризуются малой ликвацией. Высокая скорость охлаждения частиц (100 °С/с), достигаемая, например, распылением жидкого металла струей нейтрального газа, позволяет получать аномально пересыщенные твердые растворы: предельная растворимость легирующих элементов увеличивается в 2,5–5 раз. Особый интерес представляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) с элементами, которые практически нерастворимы при обычных условиях. Сплавы представляют собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными включениями второй фазы. В процессе технологической операции горячего (400–450 °С) прессования из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз, которые и увеличивают прочность при обычных и повышенных температурах. Прочность материалов при повышенном содержании переходных металлов достигает значения 800 МПа, а предел текучести – 330 МПа. Спеченная алюминиевая пудра (САП) упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. При размоле пудры в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода на ее частицах образуется тончайшая пленка окислов алюминия. Различают САП по содержанию Al2O3. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания происходит сращивание мелких частиц в более крупные конгломераты, в результате образуется не воспламеняющаяся на воздухе тяжелая пудра. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации – прессованию, прокатке, ковке. По коррозионной стойкости САП не уступает чистому алюминию. Прочность САС на 50 % выше прочности САП. САС обладает высокой прочностью при температурах 300–500 °С и не изменяет своих свойств даже после длительного (до 10000 час) прогрева при 500 °С. При добавлении небольшого количества железа и никеля (до 1,5 %) САП способна длительно работать в паровоздушной среде при температурах до 350 °С. Листовую САП сваривают контактной (точечной и роликовой) и аргонодуговой сваркой; материал легко обрабатывается резанием. 77

6.3. Магний и его сплавы Магний – легкий (плотность 1,74 г/см3), легкоплавкий (температура плавления 650 °С), блестящий серебристо-белый металл, тускнеющий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной пленки. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку: а = 0,320 нм, с = 0,520 нм. Механические свойства литого магния: σв = 115 МПа, δ = 8 %. Магниевые сплавы. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования, невелик. Сначала применялись сплавы на основе систем Mg–Al–Zn и Mg–Mn. Дальнейший прогресс в развитии магниевых сплавов обусловлен открытием модифицирующего и рафинирующего действия циркония: Mg–Zn–Zr, Mg–(редкоземельный металл)–Zr. Широкое применение получили сплавы на основе системы Mg–Th, сверхлегкие сплавы – Mg–Li. Сплавы разделяются на литейные (МЛ) – для производства фасонных отливок и деформируемые (МА) – для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой. Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380–420 °С, старение – при температуре 260–300 °С в течение 10–24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку: от 4 до 24 часов. Детали из магниевых сплавов обладают высокой жесткостью и широко используются в самолето- и ракетостроении. Сплавы хорошо обрабатываются резанием (детали оптических приборов с очень тонкими стенками и мелкой резьбой), но чувствительны к знакопеременным нагрузкам: при конструировании деталей следует избегать резких переходов сечения, острых надрезов, образования пазов. Деформируемые магниевые сплавы. Магний плохо деформируется при нормальной температуре: в гексагональной кристаллической решетке магния скольжение происходит по одной плоскости базиса. При высоких температурах (200–450°С) возникает скольжение по дополнительным кристаллографическим плоскостям и технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому операции обработки давлением магниевых сплавов проводятся в нагретом состоянии (360–520 °С) при малых скоростях деформации. Исключение составляют сплавы с содержанием 10–14 % Li, которые имеют ОЦК решетку и допускают обработку в холодном состоянии. Из деформируемых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью. Литейные магниевые сплавы могут работать при температурах до 300 °С. Чтобы избежать горения металла при литье, в состав формовочных земель вводят защитные присадки, кокили окрашивают специальными

красками, в состав которых входит, например, борная кислота. Отливки получают всеми известными способами литья. При затвердевании магниевые сплавы дают большую усадку. Благодаря мелкозернистой структуре отливки из сплавов с цирконием имеют более высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья. Изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин. 6.4. Медь и ее сплавы

Температура Т, oС

Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета, имеет ГЦК решетку: а = 0,361 нм. Плотность – 8,96 г/см3, температура плавления – 1083 °С. Характерное свойство меди – высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Механические свойства меди низкие; в качестве конструкционного материала применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди. По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы, растворимые в твердой меди: Al, Fe, Ni, Zn, Ag, Au, Pt, Cd, Sb. В качестве примера приведена диаграмма состояния системы Cu–Zn (рис. 6.3).

α+β

Zn, % (по массе)

Рис. 6.3. Диаграмма состояния Cu–Zn и температурные интервалы: 1 – нагрева для обработки давлением; 2 – рекристаллизационного отжига; 3 – отжига для уменьшения остаточных напряжений

Вторая группа – элементы, нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики: Pb, Bi.

Третья группа – неметаллические и полуметаллические элементы, образующие с медью химические соединения: P, As, O, S, Se, Te. Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы. Латуни – сплавы меди с цинком. Повышение содержания цинка приводит к увеличению предела прочности (рис. 6.4): максимальная пластичность – при 37 % Zn. Медь с цинком образует ряд твердых растворов: α, β, γ, ε. Из диаграммы состояния системы медь-цинк (рис. 6.3) видно, что в зависимости от состава имеются однофазные (α-твердый раствор) и двухфазные (α + β)-латуни. По способу изготовления изделий различают деформируемые и литейные латуни. Из однофазных латуней путем деформирования в холодном состоянии изготавливают ленты, гильзы патронов, проволоку. Двухфазные (α + β)-латуни используются при изготовлении деталей путем деформирования в горячем состоянии (выше 500 oС) листов, прутков и других заготовок, которые подвергаются последующей механической обработке. Обрабатываемость резанием улучшается добавкой свинца («автоматная латунь»). Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость; ее можно повысить добавлением олова («морская латунь»). Добавка никеля и железа повышает механическую прочность. Литейные латуни не склонны к ликвации, отливки имеют высокую плотность. Латуни – хороший материал для изготовления конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Рис. 6.4. Влияние цинка на механические свойства меди

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка. По способу изготовления различают деформируемые и литейные бронзы. Оловянные бронзы образуют твердые растворы и склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре легкоплавкую составляющую. Она состоит из мягкой и твердой фаз. Такое строение яв-

ляется благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает прирабатываемость, твердая – износостойкость. Оловянные бронзы – хорошие антифрикционные материалы, имеют объемную усадку 1 % и используются в художественном литье. Фосфор улучшает жидкотекучесть. В деформируемых оловянных бронзах содержание олова не более 6 %. Деформируемые бронзы (в зависимости от состава) обладают высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными, упругими свойствами и используются в различных отраслях промышленности. Изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку. Литейные оловянные бронзы применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей: втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников. Алюминиевые бронзы содержат алюминий до 9,4 % и имеют однофазное строение α-твердого раствора. При увеличении содержания алюминия до 9,4–15,6 % сплавы системы медь-алюминий – двухфазные и состоят из α- и γ-фаз. Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5–8 % Al. Увеличение содержания алюминия до 10–11 % ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Повышения прочности для сплавов с содержанием 8–9,5 % Al можно достичь закалкой. Преимущества алюминиевых бронз: большая плотность отливок, высокая прочность и жаропрочность, меньшая склонность к хладоломкости и внутрикристаллической ликвации. Недостатки: значительная усадка, склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, спонтанный отпуск при медленном охлаждении, недостаточная коррозионная стойкость. Для устранения недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом. Из алюминиевых бронз изготавливают литьем и обработкой давлением мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев. Штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету. Кремнистые бронзы применяют как заменители оловянных бронз. Они не магнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов. Свинцовые бронзы используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами они имеют более низкие механические и технологические свойства. Бериллиевые бронзы – сплавы меди с 2–5 % бериллия – качественный материал для изготовления пружин. Растворимость бериллия 81

в меди с понижением температуры резко уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Изделия подвергают закалке при 800 oС, при комнатной температуре фиксируется пересыщенный твердый раствор бериллия в меди. Старение проводят при 300–350 °С. 6.5. Другие цветные металлы и сплавы Бериллий и его сплавы. Бериллий – легкий (плотность 1,845 г/см3), очень пластичный (δ = 140 %) металл светло-серого цвета. Температура плавления – 1284 °С. До 1250 °С бериллий имеет гексагональную плотноупакованную решетку, выше – объемноцентрированную кубическую. Бериллий – редкий металл: содержание в земной коре – 5·10-4 %. Для производства бериллия в виде заготовок применяют методы порошковой металлургии. Пластичный бериллий (содержание примесей менее 10-4 %) получают электролизом с последующей зонной плавкой. Бериллий плохо обрабатывается резанием. Соединения бериллия получают пайкой и дуговой сваркой в аргоне или в вакууме для предотвращения взаимодействия с воздухом. Механические свойства бериллия зависят от чистоты металла, технологии производства, размера зерна. Бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости, по удельной теплоемкости он превосходит все другие металлы. Бериллий отличается высокой электро- и теплопроводностью. Недостаток бериллия – высокая стоимость, сложность его переработки, а также низкие хладостойкость и ударная вязкость (ниже 5 Дж/см2). Сплавы бериллия. Размеры атома бериллия очень малы – 0,226 нм. Поэтому введение даже небольшого количества примесей, например 0,001 % Si, приводит к значительным искажениям кристаллической решетки бериллия и, как следствие, к сильному охрупчиванию металла. Легирование бериллия возможно теми элементами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимостью. Сплавы бериллия с алюминием (24–43 % Al): в таких сплавах твердые частицы бериллия равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Например, механические свойства сплава локеллой (62 % Be), разработанного фирмой «Локхид» (США): σв = 600 МПа, δ = 1 %. Для увеличения прочности в сплавы Be–Al дополнительно вводят магний и серебро – элементы, растворимые в алюминиевой матрице. Сплавы бериллия с серебром (до 60 %) дополнительно легируют литием и лантаном.

Цинк и его сплавы. Цинк – синевато-белый металл с температурой плавления 419 °С и плотностью 7,1 г/см3 – имеет гексагональную плотноупакованную решетку. Полиморфных модификаций не имеет. Чистый цинк обладает высокой пластичностью (δ = 50 %), низкой прочностью (σв = 150 МПа). При температурах 100–150 °С цинк пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной до сотых миллиметра. Однако при 250 °С становится хрупким. Основные примеси в техническом цинке – свинец, железо, кадмий. Половина производимого цинка расходуется на защиту стали от коррозии. Сплавы на основе цинка характеризуются невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью, легко обрабатываются давлением и резанием, хорошо паяются и свариваются. Основные легирующие элементы – алюминий (до 5–10 %) и медь (до 5 %). Маркируются цинковые сплавы буквой Ц, после которой следуют буквы А (алюминий) и М (медь), а также цифры, показывающие содержание этих элементов в процентах. Например, сплав ЦАМ4-3 содержит около 4 % алюминия и около 3 % меди. Свинец и его сплавы. Свинец – металл голубовато-серого цвета с температурой плавления 327 °С и плотностью 11,3 г/см2 – имеет гранецентрированную кубическую решетку. Полиморфных модификаций не имеет. Свинец обладает высокой пластичностью (δ = 60 %) и очень низкой прочностью (σв = 13 МПа). Чистый свинец применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, а также аппаратуры, стойкой в агрессивных средах. Поскольку свинец хорошо поглощает гамма- и рентгеновские лучи, то его широко применяют для изготовления различных экранов и контейнеров для хранения радиоактивных веществ. Большое количество свинца идет на изготовление оболочек электрических кабелей, защищающих их от коррозии и механических повреждений. Сплавы на основе свинца. Введение примесей Fe, Cu, Sb, Sn, Cd или Ca в небольших количествах не снижает коррозионную стойкость свинца, но значительно увеличивает его предел ползучести и длительную прочность. Высоколегированные сплавы содержат элементы, повышающие прочность, твердость и антифрикционные свойства. Свинцовые сплавы с теллуром (0,03–0,06 %), медью (0,04–0,08 %) и сурьмой (0,5–2,0 %) используются в качестве материалов для облицовки кислотоупорной аппаратуры и трубопроводов. Для оболочек электрических кабелей применяют сплавы с теллуром (0,04–0,06 %), кальцием (0,03–0,07 %), оловом (1–2 %) и сурьмой (0,4–0,8 %). Благодаря хорошей плотности и литейным свойствам свинцовые сплавы применяются для отливки дроби и сердечников пуль. Для решеток свинцовых аккумуляторов используют сплав свинца с сурьмой (6–9 %).

Олово и его сплавы. Олово – белый блестящий металл с температурой плавления 232 °С – характеризуется очень высокой пластичностью (δ = 90 %) и низкой прочностью (σв = 17 МПа). Олово имеет две полиморфные модификации. Белое олово (β-олово) с тетрагональной кристаллической решеткой и плотностью 7,3 г/см2 устойчиво до температуры 18 °С, а ниже – превращается в серое олово (α-олово) с решеткой типа алмаза (5,85 г/см2). Превращение белого олова в серое сопровождается увеличением объема примерно на 25 %. При охлаждении олово разрушается, рассыпаясь в серый порошок (так называемая «оловянная чума»). Скорость превращения β-олова в α-олово мала и достигает максимального значения (0,004 мм/ч) при температуре минус 32 °С. Поэтому при температуре ниже 18 °С белое олово сохраняется относительно длительное время. В зависимости от содержания примесей олово делится на марки. Олово О1 (99,9 % Sn) и О2 (99,56 % Sn) используется для лужения, а олово О3 (98,35 % Sn) и О4 (96,25 % Sn) применяют для пайки. Тугоплавкие металлы и сплавы. Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше 2200 °С: вольфрам (3410 °С), рений (3180 °С), тантал (2996 °С), молибден (2610 °С), ниобий (2468 °С), гафний (2222 °С), рутений и др. Эти металлы имеют объемноцентрированную решетку и не претерпевают фазовых превращений. Тугоплавкие металлы и их сплавы применяют как жаропрочные в авиационной и космической технике. Поскольку они имеют низкую жаростойкость, то возникает необходимость использования различных покрытий для защиты от окисления при высоких температурах. Металлы получают методом порошковой металлургии путем прессования и спекания, а также плавкой в электродуговых и электронно-лучевых печах. Вольфрамовую проволоку диаметром до 15 мм получают путем ковки заготовок и последующего волочения через алмазные волоки. Диаметр можно уменьшить до 5 микрон путем травления. Сплавы тугоплавких металлов прочнее чистых металлов. Изделия из сплава ниобия и тантала эксплуатируют в агрессивных средах серной или азотной кислот 2–3 года, из коррозионностойкой стали – 2–3 месяца. Сплавы вольфрама с 5–20 % рения применяют для изготовления термопар, измеряющих температуру до 3000 °С. Карбиды вольфрама, ниобия, тантала износоустойчивы и имеют высокую температуру плавления. Тантал широко применяется для изготовления пластин и проволоки в костной хирургии. Вольфрам и молибден используют для изготовления нитей накаливания, контактов. Рений находит применение для производства сверхточных навигационных приборов.

Для специальных конструкций используют псевдосплавы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов с разной температурой плавления. Спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при 1200–1500 °С жидкой составляющей – медью или серебром. Легкоплавкие металлы и сплавы. К ним относят сплавы с температурой плавления ниже температуры плавления их основной составляющей – олова (232 °С). Металлы с низкой температурой плавления (Pb, Cd, Bi, Zn) образуют с оловом многокомпонентные эвтектики. Маркируются сплавы буквой Л и цифрой, показывающей температуру плавления сплава в градусах Цельсия: Л199 (Sn – 8,9 % Zn). Широко распространен сплав Вуда на основе висмута Л68 (12,5 % Sn, 25 % Pb, 12,5 % Cd и 50 % Bi). Легкоплавкие сплавы используют в качестве предохранителей, припоев, моделей для пластмассовых отливок сложной формы.

7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 7.1. Полимеры

}

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, древесина и др.) в ряде случаев заменяют металлы. Достоинством этих материалов является сочетание необходимых химических, физических и механических свойств с низкой их стоимостью и высокой технологичностью. В основе неметаллических материалов лежат полимеры – высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных низкомолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. В мономерах отдельные атомы соединены прочными ковалентными связями. Между макромолекулами полимеров действуют более слабые связи. Это вещества с большой молекулярной массой (порядка 103). Соединения с меньшей молекулярной массой называются олигомерами. К природным полимерам относятся: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и др. Наиболее распространены синтетические полимеры. Для их получения наиболее часто применяют следующие мономеры: этилен, винилхлорид, винилацетат, пропилен, стирол, фенол, мочевину, меламин и формальдегид (уксусной кислоты). Полимеры различают в зависимости от способа образования. Полимеризация – процесс мономер мер соединения низкомолекулярных H H Н H H H H H соединений в высокомолекулярные │ │ │ │ │ │ │ │ с образованием длинных цепей. C=C + С=С ─C─C─ С─С─ │ │ │ │ │ │ │ │ Например, мономеры этилена C2H4 H H H H H H H H а или винилхлорида C2H3Cl после H H Н H H H H H разрыва двойных ковалентных свя│ │ │ │ │ │ │ │ зей образуют полимерные цепи из C=C + С=С ─C─C─ С─С─ мономерных звеньев (меров) – по│ │ │ │ │ │ │ │ H Cl H Cl H Cl H Cl лиэтилен и поливинилхлорид б (рис. 7.1). Полимеризацией также Рис. 7.1. Схема полимеризации получают полипропилен, полистиэтилена (а) и винилхлорида (б) рол, полибутадиен и др. Поликонденсация – ступенчатая реакция соединения большого количества одинаковых или разных мономеров в макромолекулы (поликонденсаты) с одновременным образованием побочных продуктов (вода, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метиловый спирт и др.).

С помощью такой реакции получают полиамиды, полиэстеры, фенопласты, аминопласты, поликарбонаты, силиконы и др. Полиприсоединение – реакция множественного присоединения мономеров, содержащих предельные группы, к мономерам, содержащим непредельные группы (двойные связи, активные циклы). Такие реакции протекают без выделения побочных продуктов. К ним относят получение полиуретанов, процесс отверждения эпоксидных смол. По составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры – наиболее обширная группа соединений – состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. В состав основных цепей элементоорганических соединений входят дополнительно атомы кремния, титана, алюминия и др. Это только синтетические полимеры. Например, основные цепи кремнийорганических соединений построены из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и др.) не содержат атомов углерода. Их основой являются оксиды кремния, алюминия, магния и др. Своеобразие свойств полимеров обусловлено их различной структурой (рис. 7.2). Полимеры с линейной структурой, например полиэтилен, представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки. Для цепочек характерна гибкость, что обусловливает высокую эластичность полимеров и отсутствие хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой (полипропилен, полиизобутилен) имеют боковые ответвления. Полимеры с лестничной структурой (кремнийорганические полимеры) состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. При а б соединении макромолекул полимеров между собой в поперечном направлении образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Такие полимеры с в г пространственной структурой обладают большой жесткостью и Рис. 7.2. Строение полимеров: а – линейное; б – разветвленное; теплостойкостью и являются осв – с поперечными связями; новой конструкционных немег – замкнутая структура таллических материалов. Полимеры состоят из кристаллических и аморфных областей. Кристаллическое состояние полимера характеризуется наличием дальнего порядка в расположении макромолекул. Монокристаллы полиме87

ров состоят из элементарных ячеек. Из них образуются более сложные структуры – ленты. Из лент строятся плоскости – основной структурный элемент кристаллического полимера. Когда образование правильных кристаллов затруднено, то формируется сферолитная структура. Сферолиты состоят из лепестков, образованных последовательным чередованием кристаллических и аморфных участков. Аморфное состояние полимера характеризуется ближним порядком в расположении молекул. Аморфные полимеры по строению подобны жидкостям с большим коэффициентом вязкости. Кристаллическая фаза способствует повышению механических характеристик полимера (твердости, прочности, модуля упругости и т. д.), но снижению гибкости молекул. Аморфная фаза уменьшает жесткость, делает полимер более пластичным. Отношение объема кристаллической фазы к общему объему называют степенью кристалличности. 7.2. Пластмассы

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не сами полимеры, а их сочетания с другими материалами органического или неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и др.). Пластмассы (пластики) – искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Достоинство пластмасс: малая плотность, химическая стойкость, электрои теплоизоляционные свойства, малая трудоемкость обработки. Недостатки: ограниченная теплостойкость, малая жесткость, вязкость, склонность к старению. В состав пластмасс входят: 1. Связующее вещество – обязательный компонент пластмасс. Это синтетические смолы, реже – эфиры. Простые пластмассы состоят почти из одного связующего (органическое стекло, полиэтилен, полипропилен). 2. Наполнители; бывают порошковые (сажа, графит, тальк, древесная мука), волокнистые (хлопковые, стеклянные, асбестовые волокна), листовые (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители повышают механическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нужные эксплуатационные свойства. Их содержание доходит до 70 %. 3. Стабилизаторы; нужны для того, чтобы структура и свойства макромолекул полимеров не изменялись с течением времени. 4. Пластификаторы; добавляют в количестве до 20 % для улучшения формуемости пластмасс и снижения хрупкости (олеиновая кислота, стеарин).

5. Отвердители; нужны для пластмасс на основе термореактивных смол в качестве катализаторов отверждения. 6. Специальные добавки – красители, смазки, антистатики и др. Термопластичные пластмассы (термопласты) многократно размягчаются при нагреве и снова затвердевают при охлаждении. К термопластам относятся: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, фторопласт, капрон, органическое стекло. Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве сначала размягчаются, а затем необратимо затвердевают. Дальнейшим нагревом их можно сжечь, обуглить, но не размягчить. К ним относятся: пластики на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол, полиэфиров и полиуретанов; кремнийорганические полимеры; стеклотекстолиты и стекловолокниты. Различие в свойствах термопластичных и термореактивных пластмасс объясняется разным строением макромолекул полимеров. К термопластам относят полимеры с линейной структурой (см. рис. 7.2, а), а к реактопластам – с замкнутой (см. рис. 7.2, г). Полимеры с замкнутой пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры, имеющие структуры, показанные на рис. 7.2, б и 7.2, в, проявляют промежуточные свойства по сравнению с этими предельными случаями. Механические свойства пластмасс. Разное строение молекул полимеров обусловливает различную реакцию термопластичных и термореактивных пластмасс на механическую нагрузку (см. рис. 7.3). У термопластов на кривой растяжения можно выделить: 1 – область упругой деформации, 2 – область высокоэластичной деформации, 3 – область вязкого течения. Термореактивные пластмассы не имеют области высокоэластичной деформации и разрушаются хрупко, причем пределу прочности соответствует степень деформации 5–15 %. Остаточная деформация у пластмасс, в отличие от металлов, составляет сотни процентов, так как скрученные макромолекулы могут вытягиваться. Механические нагрузки допустимы только в области упругой деформации. Механические характеристики пластмасс изменяются в широких пределах и являются условными величинами. Они зависят от времени действия и скорости приложения нагрузки, что объясняется особенностями строения макромолекул. Реактопласты имеют более высокие прочностные характеристики, чем термопласты. Предел прочности стеклотекстолита – 600 МПа, по удельной жесткости и удельной прочности он превосходит некоторые стали, сплавы титана и алюминия. Образование кристаллической структуры приводит к повышению прочности полимера: для полиэтилена низкого давления со степенью кристалличности 80–90 % разрушающее напряжение при растяжении составля89

ет около 30 МПа, для полиэтилена высокого давления (степень кристалличности 50–60 %) – не более 16 МПа. σ, МПа

σ, МПа

σТ

σВ

5–15 % ε, % а б Рис. 7.3. Кривые растяжения полимеров:

5–20 %

ε, %

а – термопластичного; б – термореактивного

7.3. Композиционные материалы

Композиционные материалы относятся к новому классу легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию трещины. Необходимый комплекс свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления композиционного материала. Композиционные материалы имеют свойства, которыми не обладают отдельные компоненты. Для оптимизации свойств композитов выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами. Принцип построения композиционного материала заимствован у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных. В композиционном материале главную роль в упрочнении играют наполнители, их называют упрочнителями, или армирующими компонентами. Упрочнители должны обладать высокой прочностью, твердостью и высоким модулем упругости. Чем выше эти характеристики у наполнителей, тем выше соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы делят на дисперсноупрочненные, волокнистые, слоистые. В дисперсноупрочненные материалы (см. рис. 7.4, а) вводят мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., которые не взаимодействуют с матрицей и не растворяются в ней вплоть до температуры плавления. Чем мельче частицы 90

наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее материал. В таких материалах основным несущим элементом является матрица. Дисперсные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные материалы отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести. Арматурой в волокнистых композиционных материалах (рис. 7.4, б) могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых композиционных материалов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (см. рис. 7.5). Прочные, но хрупкие волокна находятся в окружении металлической или пластмассовой матрицы. В качестве волокон используют прочную металлическую проволоку, металлические или керамические нитевидные кристаллы с низкой плотностью дислокаций, стеклянные и керамические нити, например из бора или углерода. Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку, матрица распределяет нагрузку между волокнами, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая разрушение хрупкого типа. Этот принцип упрочнения композиционного материала противоположен различным методам упрочнения металлов, когда металлическая матрица упрочняется, например, за счет выделений второй фазы. Прочность (или твердость) матрицы благодаря наличию волокон не повышается.

Рис.7.4. Строение композиционных материалов: а – дисперсноупрочненные; б – волокнистые; в – слоистые

Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо. Слоистые композиционные материалы (см. рис. 7.5, б) набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких материалах могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механическими свойствами. 91

Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы. Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства композиционного материала его армируют одновременно наполнителями различной формы и размеров. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянными волокнами, дополнительно вводят а б волокна бора. Рис. 7.5. Схемы армирования композиционных материалов: Композиционные материалы, а – волокнистых; б – слоистых которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными. Матрица связывает композицию и придает ей форму. От свойств матрицы зависят технологические режимы получения композиционных материалов и эксплуатационные характеристики: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы композиционные материалы с матрицей, состоящей из чередующихся слоев различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Например, использование в качестве матрицы алюминия и титана одновременно увеличивает прочность такого материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. В качестве матриц металлических композиционных материалов используют металлы: алюминий, магний, титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; неметаллические материалы – полимерные и керамические. Свойства и структура композиционных материалов. Свойства композитов зависят не только от свойств матрицы и наполнителей, но и от размеров армирующих волокон, схемы армирования и содержания наполнителя в матрице. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения и не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Схема армирования оказывает большое влияние на анизотропию свойств композитов. При растяжении предел прочности и модуль упругости достигают наибольших значений в направлении расположения волокон и наименьших – в поперечном направлении. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном ар92

мировании. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза. Зависимость прочности композиционного материала от количества наполнителя (V) носит линейный характер (рис. 7.6), за исключением материалов с очень низким (менее 5 %) или высоким (более 80 %) его содержанием. При малом содержании упрочнителя вязкая матрица до разрушения испытывает значительно большую деформацию, чем хрупкий упрочнитель, что приводит к полному уничтожению сцепления волокон с матрицей. Снижение прочности σВ композиционного материала при большом содержании упрочнителя связано с достижением предела плотности упаковки упрочнителя без его разрушения. Прочность композиционных материалов в большой степени зависит, как 10 30 50 70 V, % уже упоминалось, от прочности сцепления волокон с матРис. 7.6. Влияние наполнителя рицей. Требуемая прочность на прочность композиционного материала сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями, протекающими на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материалов и при их использовании. Для металлических композитов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на поверхность волокон наносят специальные покрытия для его обеспечения. Для композитов на неметаллической основе связь между компонентами осуществляется с помощью адгезии (межмолекулярного взаимодействия). Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные и керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением или вискеризацией – выращиванием монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Волокна после обработки становятся «ворсистыми» и их называют «борсик». Виды армирующих материалов. Углеродные волокна получают высокотемпературной обработкой в инертной среде синтетических органических волокон. В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгутов, ткани, лент. Обычно 93

для производства углеродных волокон используют вискозу и полиакрилнитрил. При нагреве синтетическое волокно разлагается с образованием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой. При нагреве выше 450 °С на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной атмосфере сохраняют свои механические свойства до 2200 °С. К достоинствам этих волокон относятся высокие тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, к недостаткам – плохая смачиваемость расплавленными материалами. Для улучшения смачиваемости на углеродные волокна наносят покрытия; например, для алюминиевой матрицы наносят покрытия из боридов титана и циркония. Борные волокна получают разложением хлорида бора в среде водорода с последующим осаждением бора из газовой фазы на горячей вольфрамовой нити диаметром 12 мкм. При взаимодействии бора с вольфрамом, при долгом нагреве, сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава, в основном WB4. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. При температуре выше 400 °С борные волокна окисляются, выше 500 °С – вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида бора толщиной 3–5 мкм. Стекловолокно получают продавливанием стекломассы через фильеры или вытягиванием из расплава. Для него характерна высокая прочность, теплостойкость, низкая теплопроводность и высокая коррозионная стойкость. Изготавливаются два вида стекловолокна: непрерывное диаметром 3–100 мкм, длиной до 20 км; штапельное диаметром 0,5–20 мкм, длиной 0,01–0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления конструкционных материалов с однородными свойствами, тепло- и звукоизоляционных материалов. Непрерывное стекловолокно – для высокопрочных композиционных материалов на неметаллической основе. Выпускают непрерывные волокна с квадратной, прямоугольной и шестиугольной формой поперечного сечения, что повышает прочность и жесткость композитов благодаря более плотной упаковке в матрице. Металлическая проволока является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем. В основном используют проволоку из коррозионно-стойких сталей. Большая степень пластической деформации при волочении проволоки вызывает большое упрочнение. Высокая температура рекристаллизации легированной стали обеспечивает проволоке, особенно из сталей аустенитного класса, прочность при высокой температуре. Для композитов с алюминиевой матрицей, армированной сталь94

ной проволокой, температура не должна превышать 550 °С, иначе происходит активное взаимодействие компонентов. Высокой жаропрочностью (1200–1500 °С) обладает проволока из тугоплавких металлов (Mo, W, Ta), и ее применяют для армирования жаропрочных матриц. Малой плотностью и большой удельной прочностью обладает проволока из бериллия. Бериллиевую проволоку получают выдавливанием из литой или порошковой заготовки, заключенной в никелевую оболочку. Деформированная бериллиевая проволока имеет высокую температуру рекристаллизации (700 °С). Бериллиевую проволоку целесообразно применять для армирования матриц с малой плотностью (Al, Mg, Ti). Нитевидные монокристаллы («усы») имеют наибольшую жесткость и прочность из всех армирующих материалов. Для них характерна очень малая плотность дислокаций. Доказано, что скручивание усов в процессе образования монокристаллов Al2O3 и SiO2 вызвано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов. Композиционные материалы с металлической матрицей. Получение композиционных материалов на металлической основе осуществляется в основном такими методами: формованием волокон в порошке, пропиткой волокон жидким металлом, предварительным осаждением материала матрицы на волокна с последующим формованием и спеканием, горячим формованием и спеканием и другими способами. Основной проблемой при этом является достижение равномерности смеси волокон и матрицы. Для хорошей пропитки волокон жидкой матрицей необходимо наличие хорошей смачиваемости. Плохая смачиваемость приводит к образованию пористости. При необходимости смачиваемость увеличивают путем предварительного покрытия волокон металлами. Пропитка волокон проводится как за счет капиллярных сил, поднимающих жидкую матрицу по капиллярам между волокнами, так и заливкой сверху пропитываемых волокон матрицы. Преимуществом композиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы, т. е. в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон. Прежде всего, это модуль упругости, прочность, пластичность и вязкость разрушения. У них большая, чем у композитов на неметаллической основе, теплостойкость и влагостойкость. Для матриц металлических композиционных материалов целесообразнее всего применять металлы и сплавы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti и их сплавы). Для жаропрочных сплавов в настоящее время широко используют никель. Композит КАС-1 на основе алюминиевой матрицы, армированной стальной проволокой, 95

отличается низкой стоимостью упрочнителя и лучшими значениями тепло- и электропроводности. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. В качестве матриц используются полимерные, углеродные и керамические материалы. Наибольшее распространение получили композиты на полимерной основе из эпоксидных и фенолформальдегидных смол, полиамидов и др. Получают полимерные композиционные материалы заливкой жидкого полимера, например эпоксидной смолы, в заранее приготовленную форму с волокнистым упрочнителем. Вследствие быстрого отвердения и низкого коэффициента диффузии в неметаллической матрице переходный слой между компонентами отсутствует. Связь между волокнами и матрицей осуществляется путем молекулярного взаимодействия (адгезии). Для повышения прочности связей между компонентами проводят обработку поверхности волокон: травлением, окислением, вискеризацией (осаждение нитевидных монокристаллов на поверхность волокон). Преимуществом композиционных материалов с неметаллической матрицей является хорошая технологичность, низкая плотность, большая, чем у металлических композитов, удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость и др. К недостаткам относятся потеря прочности выше 100–200 °С, низкая электропроводность. Применение композиционных материалов обусловлено в первую очередь их значительным превосходством над всеми известными конструкционными материалами по удельной прочности и удельной жесткости. Высокая удельная жесткость в сочетании с хорошей удельной прочностью позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости. Это особенно важно в самолето- и ракетостроении. По удельной жесткости композиционные материалы превосходят металлы и их сплавы. Стеклопластики являются конструкционным материалом. Из них изготавливают корпуса машин, кожухи, вентиляционные трубы, контейнеры, электро- и радиомонтажные платы и др. Фиберглас – стеклопластик, идущий на изготовление инвентаря для прыжков с шестом. Углепластики используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, гребные винты), при изготовлении деталей авиационной техники, аппаратуры химической промышленности. Карбоволокниты с углеродной матрицей применяют для тепловой защиты, в производстве дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры; бороволокниты – в авиационной и космической технике: лопатки компрессоров, лопасти винтов и валы вертолетов.

Композиционные материалы с металлической матрицей используются для корпусов и камер сгорания реактивных двигателей, в энергетическом турбостроении (рабочие лопатки турбин) и др. Керамическими материалами (керамикой) называют порошковые материалы из минеральных веществ, твердых тугоплавких соединений типа окислов, карбидов, нитридов, боридов и др., подвергнутых формированию в изделия с последующим спеканием при высокой температуре. Кристаллическая фаза – основа керамики, определяющая многие ее свойства, область применения. Такой фазой являются окислы (Аl2O3, SiO2, ZrO2), карбиды (TiC, SiC, B4C), бориды (TiB2, ZrB2), нитриды (Si3N4, TiN) и др. Аморфная фаза представляет собой прослойку стекловидных веществ, которая облегчает процесс изготовления материала и изделий и служит связкой для частиц кристаллической фазы. Количество аморфной (стекловидной) фазы составляет от 1 до 40 %. В некоторых видах керамики, полученных из чистых веществ, эта фаза может отсутствовать. Наличие газовой фазы связано с особенностями получения изделий из порошков. Остается некоторая пористость, заполненная газами. Эта пористость может быть от 0 до 30–40 %. Так как аморфная и газовая фазы отрицательно влияют на прочностные свойства материала, то в технической керамике, работающей под нагрузкой, количество этих фаз должно быть минимальным. Особенности свойств керамических материалов: высокая температура плавления и рабочие температуры; высокие твердость и износостойкость, жаропрочность и теплостойкость; хорошая коррозионная стойкость в различных средах; низкие пластические свойства, повышенная хрупкость; хорошие диэлектрические свойства; небольшой удельный вес (1,8–5,0 г/см3). Высокие твердость и температура плавления керамических материалов обусловлены большой силой ковалентных или ионных связей их кристллической решетки. Высокое сопротивление деформации связано с сильным сопротивлением кристаллической решетки движению дислокаций. Специальной упрочняющей обработки не требуется. Главный недостаток керамических материалов – низкие пластические свойства, низкая прочность при растяжении. При нагружении керамика разрушается всегда хрупко. С увеличением доли пор хрупкость увеличивается, прочность при растяжении уменьшается (см. рис. 7.7). Технология изготовления изделий из керамики должна предусматривать получение или минимальной пористости или беспористого материала. Это необходимо для формирования достаточной прочности изделий, работающих под нагрузкой. Для получения прочной технической керамики используются мелкозернистые порошки кристаллической фазы с размером частиц 1–3 мкм, иногда меньше 1 мкм. Поскольку 97

аморфная фаза отрицательно влияет на свойства, то ее количество должно быть минимально (1 %). Оксидная керамика на основе окислов различных элементов (Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.). Для таких соединений характерна ионная связь, что в значительной степени определяет свойства оксидной керамики. Такие материалы имеют высокую твердость, огнеупорность, химическую стойкость. Для них характерна высокая стойкость в кислотах и щелочах, в окислительных средах, на воздухе. Температуры плавления оксидной керамики – 2000–3300 °С, рабочие температуры Тр = 0,8–0,9 Тпл. Материал хорошо работает на сжатие, но имеет большую хрупкость. Оксидная керамика не выдерживает резких изменений температуры. Керамика на основе глинозема Al2O3 наряду с высокой твердостью имеет хорошие диэлектрические свойства при обычных и высоких температурах, химическую стойкость в расплавленных металлах, газах, кислотах. Материал, содержащий более 45 % Al2O3, называется высокоглиноземистой керамикой, более 95 % – корундом. Механические, а также диэлектрические свойства этой керамики возрастают по мере увеличения содержания Al2O3. Керамика на основе Al2O3 применяется для изготовления различных изделий: тонкостенных обтекателей радиолокационных антенн; футеровки камер сгорания ракетных двигателей; фильер для волочения стальной проволоки; режущих инструментов, работающих с большим разогревом; подложек интегральных схем электронно-вычислительных машин; электроизоляторов и др. Керамика на основе кремнезема SiO2 имеет хорошую коррозионную стойкость во многих средах, отличается низкой теплопроводностью и коэффициентом термического расширения. Изделия из кварца могут быстро нагреваться и охлаждаться без растрескивания. Из этого материала изготавливают химически стойкую и термостойкую посуду и другие изделия. Кварц прозрачен для видимого и ультрафиолетового света. Из него изготавливают лампы и стекло, оптические волокна, световоды. Кремнезем как хороший изолятор используется в электротехнической промышленности. Материал на основе кварца применяется как огнеупор для футеровки печей, разливочных ковшей. Оксидную керамику используют как строительный материал: изготавливают кирпич, облицовочные плитки, черепицу, фарфоровую посуду, сантехнические изделия и т. п. Бескислородная керамика. Материалы получают на основе тугоплавких соединений, не содержащих кислород: карбиды (Si3N4, AlN), бориды (TiB2, ZrB2). Эти химические соединения имеют ковалентную связь. Для керамики характерны: высокие твердость и износостойкость; низкий коэффициент термического расширения, хорошая теплопроводность; стабильность механических свойств в широком диапазоне темпе98

ратур. Недостаток – большая хрупкость. Керамику используют для изготовления нагревательных элементов электрических печей сопротивления, которые работают при высоких температурах на воздухе, без специальной защитной атмосферы. Керамика в виде карбида кремния SiC (карборунд) имеет высокую твердость, жаростойкость, износостойкость, химическую и коррозионную стойкость, низкий коэффициент термического расширения. Плотность – 3,2 г/см3. Из нее изготавливают нагреватели электрических печей, чехлы термопар, лопатки газовых турбин, шлифовальные круги. Керамика на основе нитрида кремния Si3N4 отличается высокой твердостью, износостойкостью. Плотность – 3,2 г/см3. Рабочая температура – 1350 °С. Из керамики изготавливают детали газовых турбин, коррозионностойкие и жаростойкие инструменты, тигли, кристаллизаторы, детали насосов и трубопроводов и др. Керамика может заменить жаропрочные сплавы, содержащие дефицитные элементы (вольфрам, молибден, кобальт, никель и др.). Керамико-металлические материалы (керметы). Для уменьшения хрупкости в керамику вводят некоторое количество металла. Материал представляет смесь порошков тугоплавких соединений (керамическая составляющая) и металла (металлическая составляющая), спресованную в изделие необходимой формы и спеченную при высоких температурах. Металл играет роль связки между частицами керамики, обеспечивающей некоторую пластичность материала. В качестве связки используются: кобальт, никель, железо, молибден и другие металлы. Чем больше металлической связки, тем выше пластические свойства, прочность при изгибе, но ниже твердость и износостойкость. Керметы, состоящие из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальтовой связки, называются твердыми сплавами. Твердые сплавы подразделяют на безвольфрамовые материалы, материалы на основе карбида титана или карбонитрида титана с никель-молибденовой связкой. Благодаря высокой твердости, износостойкости и теплостойкости они применяются для изготовления режущего и штампового инструмента, инструмента для бурения скважин. Хорошую коррозионную стойкость до 1100 °С имеют керметы на основе карбида хрома с никелевой связкой (11 %). Материалы хорошо работают в условиях абразивного износа, особенно в окислительных средах, но они более хрупкие, чем другие твердые сплавы, и имеют меньшую прочность при изгибе. Изделия из порошковых керметов прессуют в пресс-формах при давлении 200–300 МПа и спекают при 1400–1800 °С в нейтральной или защитной атмосфере. При спекании увеличивается плотность получаемых изделий за счет уменьшения пористости. 99

8. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО Основой металлургического производства стали является двухступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь. При доменной плавке происходит восстановление из руды не только железа, но и некоторых примесей (фосфора, кремния, марганца). Восстановленное железо насыщается углеродом, кислородом и серой. В результате из руды в доменных печах получают чугун – сплав железа с углеродом, в который также входят примеси марганца, кремния, фосфора и серы. При переделе чугуна в сталь в конвертерах, мартеновских и электрических печах происходит окисление углерода и примесей и удаление в шлак. 8.1. Основные сведения о производстве чугуна Материалы. Для выплавки чугуна в доменных печах используют железную руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. Руда. Железо составляет более 5 % земной коры. В природе оно находится в виде окислов, которые входят в состав различных минералов. Руда состоит из минералов и пустой породы (песок, глина). В руде всегда присутствуют такие примеси, как сера, фосфор, кислород, водород и азот. Они называются вредными, поскольку ухудшают свойства выплавляемого чугуна. Их необходимо частично удалить до плавки. Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы. Промышленное содержание железных руд – 30–50 % железа, медных – 3–5 % меди. Богатые железные руды – красный (Fe2O3) и магнитный (Fе3O4) железняк – содержат до 60–70 % железа. Перед плавкой руды обогащают, т. е. пустую породу удаляют путем дробления и промывания. После обогащения железорудный концентрат подвергают окускованию двумя способами. Агломерация заключается в спекании (при 1300 °С) шихты, состоящей из крупных фракций концентрата, известняка, кокса и влаги. Окатывание применяют для обработки измельченного концентрата: во вращающихся барабанах шихта приобретает форму шариков – окатышей. Их сушат и обжигают. Флюсы. Пустая порода состоит в основном из кислого окисла кремния (SiO2) и нейтрального окисла алюминия (Al2O3). Необходимо, чтобы в печи соотношение кислых и основных окислов было примерно одинаковым. В этом случае образуются легкоплавкие соединения с хорошей текучестью – шлаки. Поэтому в печь загружают флюсы – обычный известняк (СаСО3) или доломитизированный (с добавкой MgСО3).

100

При их термическом разложении образуются основные окислы и химический состав шлака выравнивается. Топливо. Для доменной плавки требуется твердое неспекающееся топливо, которое служит горючим для нагрева и расплавления шихты, а также химическим реагентом для восстановления окислов железа и примесей из руды и пустой породы. Обычно применяют кокс, который получают сухой перегонкой (при 1000 °С без доступа воздуха) каменного угля. При нагревании из него выделяются газообразные продукты, он размягчается и превращается в пористую массу – кокс. Требования к качеству кокса – низкое содержание золы (8–10 %), серы (до 2 %) и фосфора (до 0,2 %). Огнеупорные материалы. Так как плавка ведется при высоких температурах, то внутреннюю облицовку (футеровку) печей делают из огнеупорных материалов. Они делятся на кислые, основные и нейтральные в зависимости от того, какие окислы преобладают в их составе. Динасовый кирпич на 95 % состоит из кислого кремнезема SiО2 (огнеупорность 1700 °С); доломитовый, магнезитовый кирпич содержат основные окислы СаО и MgO (огнеупорность 2000 °С); нейтральный материал – шамотный кирпич – до 40 % Аl2O3 и 60 % SiО2 (огнеупорность до 1750 °С). Доменный процесс получения чугуна заключается в следующем: шихта (железная и марганцевая руда, кокс, флюсы) опускается вниз навстречу потоку газов и нагревается (см. рис. 8.1). При этом протекает одновременно несколько процессов: горение топлива, восстановление железа из оксидов и превращение его в чугун, шлакообразование. Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса вступает в реакцию с кислородом воздуха и сгорает с образованием углекислого газа и выделением большого количества тепла (Q): С + О2 = СО2 + Q Температура в печи достигает 2000 °С. Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с новыми порциями кокса. Реакция идет с поглощением тепла: СО2 + С = 2СО – Q. При температуре 400–700 °С в верхней части печи окись углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихте: 2СО = СО2 + С Восстановление железа. Восстановление оксидов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путем последовательного отщепления кислорода по следующей схеме:

Fе2О3 → Fe3O4 → FеО → Fе 101

2 3 4 5 6 7 8 10 9

Рис. 8.1. Доменная печь: 1 – руда, известняк, кокс; 2 – загрузочный конус; 3 – колошниковый газ; 4 – кладка печи; 5 – зона восстановления оксида железа; 6 – зона образования шлака; 7 – зона горения кокса; 8 – подача нагретого воздуха через фурмы; 9 – расплавленный чугун; 10 – расплавленный шлак

Процесс восстановления закиси железа до Fе окисью углерода (газом) называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Соответствующие окислительно-восстановительные реакции представлены ниже: 3Fе2О3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 ; 3Fе2О3 + С = 2Fe3O4 + СО Fе3О4 + С = 3FеО + СО Fе3О4 + СО = 3FеО + СО2; FеО + С = Fе + СО FеО + СО = Fе + СО2; Косвенное восстановление железа начинается при прогреве шихты до 600 °С и интенсивно протекает при 750–900 °C. Из руды образуется твердое губчатое железо. Частично закись железа FеО восстанавливается сажистым углеродом и твердым углеродом кокса. Образование чугуна происходит путем насыщения твердого железа углеродом при взаимодействии с окисью углерода и углеродом кокса с образованием карбида Fe3C: 2Fe + 2CO = Fe3C + CO2;

3Fe + C = Fe3C

Твердое железо переходит в жидкое состояние. Стекая по кускам раскаленного кокса, оно дополнительно насыщается углеродом (до 4 %), кремнием, марганцем, фосфором и в виде чугуна накапливается в печи. Кремний восстанавливается твердым углеродом из пустой породы, где находится в виде SiO2. Реакции идут с поглощением тепла: 102

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO SiO2 + 2С = Si + 2СО ; Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. Далее MnO восстанавливается до Mn углеродом и растворяется в железе, часть MnO переходит в шлак: МnO + С = Мn + СО Одновременно идет взаимодействие марганца с твердым углеродом с образованием карбида Mn3C, который также растворяется в железе. Фосфор содержится в руде в виде фосфатных соединений. Фосфид железа (Fe3P) и фосфор восстанавливаются как окисью углерода, так и твердым углеродом. Они полностью растворяются в железе. Сера присутствует в виде органической серы и соединений. Она летуча и удаляется при нагреве шихты, а часть ее, в виде S и FeS, растворяется в железе. Шлакообразование. При термическом разложении известняка (флюса) образуется оксид кальция (CaO) и углекислый газ: CaCO3 → CaO + CO2 Оксид кальция взаимодействует с твердой пустой породой и образует шлак, который содержит силикат и алюминат кальция: CaO + Аl2O3 = CaAl2O4. CaO + SiO2 = CaSiO3; Удаление серы в шлак также происходит при взаимодействии с продуктами термического разложения известняка: CaO + FeS = CaS + FeO Кроме того, в шлаке содержится часть не восстановившихся окислов SiO2, MnO, FeO, а также CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания вниз. Он легче чугуна. По мере скопления чугун и шлак выпускают из печи. В ковшах емкостью до 140 тонн чугун транспортируется в сталеплавильный цех для передела в сталь или на разливочные машины. Для удобства использования шлак подвергают мокрой грануляции: под действием струи воды он рассыпается на мелкие гранулы. Продукты доменной плавки. В доменных печах получают чугун разного химического состава. Передельный чугун выплавляют для передела в сталь в конвертерах или мартеновских печах. В зависимости от предназначения он бывает: коксовый, фосфористый и высококачественный. Содержание: 4 % C; 0,6–0,8 % Si; 0,2–1 % Mn; 0,15–0,3 % P и 0,03–0,07 % S. По содержанию фосфора чугуны делятся на классы, по сере – на категории. Литейный чугун используют для производства литых деталей. Он содержит до 3 % кремния для увеличения жидкотекучести. Доменные ферросплавы применяют для легирования и раскисления стали. К ним относятся: доменный ферромарганец (70–75 % Mn 103

и до 2 % Si); доменный ферросилиций (9–13 % Si и 3 % Mn); зеркальный чугун (2 % Mn и Si). Побочные продукты доменной плавки. Гранулированный шлак используют для производства цемента, строительных кирпичей и блоков, щебня, шлаковаты и других строительных материалов. Применяются также литые шлаковые изделия. Колошниковый газ содержит горючие составляющие: окись углерода и водород. После очистки от пыли используется для нагрева воздуха (в воздухонагревателях) и в качестве топлива. Технико-экономические показатели доменной печи: коэффициент использования полезного объема печи – отношение полезного объема печи к среднесуточной выплавке чугуна (0,4 м3 на тонну); удельный расход кокса – 450–550 кг на тонну чугуна. 8.2. Производство стали

Сталь выплавляют в агрегатах, имеющих разный принцип действия: конвертерах, мартеновских печах, электропечах. От чугуна сталь отличается низким содержанием углерода (около 2 %) и вредных примесей. Процесс получения стали заключается в удалении углерода и примесей путем избирательного их окисления при продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом. Ранее сталь выплавляли в бессемеровских и томасовских конвертерах путем продувки жидкого чугуна воздухом снизу. В настоящее время применяют более производительный способ – продувка чугуна кислородом сверху. Кислородный конвертер 1 (рис. 8.2) футерован основным ог2 неупорным кирпичом. Конвертер загружают через горловину в наклонном положении: сначала стальной лом – скрап (до 30 % от массы чугуна), а затем заливают 4 3 чугун (температура 1250–1400 °С). 5 Через горловину вводят фурму 6 и под давлением 9–14 атмосфер подают кислород с добавкой поРис. 8.2. Схема конвертера: рошкообразной извести. Сначала 1 – кислород и СаО; 2 – трубка наиболее интенсивно окисляется для кислородного дутья; 3 – шлак; железо: 4 – ось; 5 – сталь; 6 – корпус 2Fе + О2 = 2FеО Одновременно происходит окисление примесей кислородом и закисью железа: 104

2C + O = 2CO Si + O2 = SiO2; Mn + FеО = МnО + Fе Si + 2FеО = SiО2 + 2Fе; 2P + 5FeO = 5Fe + P2O5 Реакции окисления идут с выделением тепла и температура в конвертере поднимается до 2000–2500 °С. Процессы шлакообразования идут с участием продукта разложения флюса (СаО): SiO2 + 2CaO = 2CaO ⋅ SiO2; P2O5 + 4СаО = 4СаО ⋅ Р2O5 FеS + СаО = СаS + FеО Раскисление стали. В процессе переплава сталь насыщается кислородом и становится непригодной для дальнейшей обработки давлением (ковка, прокатка): образуются трещины при деформации в нагретом состоянии. Для удаления закиси железа сталь раскисляют. Для этого перед выпуском стали в конвертер или в ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и чистый алюминий, которые образуют нерастворимые окислы, всплывающие в шлак: Mn + FеО = МnО + Fе; Si + 2FеО = SiO2 + 2Fе 2А1 + 3FеО = А12O3 + 2Fе Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода соответствует норме. При излишке углерода, марганца и кремния делают додувку кислородом; при излишне высокой температуре в печь загружают скрап. Выделение пузырьков CO выглядит как «кипение» стали: FeO + C = Fe + CO По поведению при разливке различают кипящие, спокойные и полуспокойные стали. Кипящие стали раскисляют ферромарганцем. В них частично остается закись железа. Раскисление продолжается при кристаллизации слитка. Спокойная сталь раскисляется ферросплавами и алюминием полностью. «Кипение» при кристаллизации не наблюдается. Полуспокойная – ферромарганцем и небольшим количеством ферросилиция. В конвертерах выплавляют углеродистые и низколегированные (2–3 % примесей) конструкционные и инструментальные стали. Мартеновская печь работает на газообразном (кислород, доменный или природный газ) или жидком (мазут) топливе. Для подогрева воздуха имеются два регенератора, через которые проходят горячие газы печи. Они работают периодически. Нагретый воздух поступает в головку, где смешивается с топливом и образует факел, направленный на шихту. Футеровка – основная или кислая, в зависимости от того, какие окислы преобладают в шлаке. Различают кислый и основной мартеновские процессы. Для кислого процесса требуется чистая по сере и фосфору шихта. Сталь выплавляют главным образом основным мартеновским процессом. Он де105

лится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс. Первый применяется на заводах, где нет доменных печей: основная масса шихты – скрап с добавкой чушек чугуна. При скрап-рудном процессе шихта состоит из жидкого чугуна (до 75 %), скрапа и руды. Основной мартеновский процесс делится на этапы: плавление, кипение и раскисление. Как в кислородном конвертере, так и в мартеновской печи при плавлении чугуна и скрапа примеси кремния, марганца и фосфора окисляются кислородом печных газов и закиси железа FeO. Образующиеся оксиды SiO2, MnO, P2O5, а также сера в виде FeS взаимодействуют с оксидом кальция (продуктом разложения известняка) и образуют шлак. В процессе кипения окисляется углерод. Для этого в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом. Пузырьки СО всплывают на поверхность – ванна «кипит». Шлак вспенивается, увеличивается в объеме и выливается. Реакция кипения называется главной, так как при этом происходит интенсивное перемешивание металла и выравнивание температуры металла в ванне и его химического состава. Периодически делают химический анализ на содержание углерода, серы и фосфора. Затем сталь раскисляют ферросплавами или алюминием. Основным скрап-процессом выплавляют спокойную, углеродистую сталь. При выплавке легированных сталей руду не добавляют, легкоокисляющиеся примеси в виде ферросплавов вводят после раскисления. Широко распространены двухванные печи (рис. 8.3). Тепло отходящих газов, образующихся в первой ванне при продувке жидкого металла кислородом, используется для нагрева холодной шихты во второй. Затем во вторую ванну заливают чугун и начинают продувку, образующиеся газы направляют в первую ванну, где выпущен готовый металл и загружена холодная шихта. Производительность двухванных печей в 2–4 раза выше, чем однованных, расход топлива в 10–15 раз меньше. 3

4 5

5 2

3 1

Рис. 8.3. Двухванная мартеновская печь:

106

1 – жидкий металл; 2 – шихта; 3 – продувочная фурма; 4 – дожигающая фурма; 5 – резервная горелка

Плавка стали в дуговых электропечах. Электрические печи используют для переплава стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали. Широко распространенные дуговые электропечи (рис. 8.4) питаются переменным током (напряжение – 100–600 В, сила тока – 10 кА). Источник тепла – электрическая дуга (температура дуги – 3500 °С) – возникает между электродами и металлом. Футеровка печей бывает основная и кислая.

Рис. 8.4. Схема дуговой электропечи: 1 – электроды; 2 – жидкий металл; 3 – сектор для наклона

Плавка на углеродистой шихте применяется для производства конструкционных углеродистых сталей и имеет много общего с основным мартеновским скрап-процессом. Шихта состоит из скрапа (90 %), передельного чугуна или кокса для науглероживания стали и извести для образования шлака. После завалки шихты опускают электроды и включают ток: шихта плавится. В процессе окислительного периода плавки окисляются кремний, марганец и фосфор; их оксиды взаимодействуют с флюсами и переходят в шлак, который сливают. После прогрева металла и шихты до 1500 °С добавляют руду и известь. Кислород руды окисляет углерод и вызывает кипение жидкого металла. Это способствует уменьшению содержания в металле фосфора (до 0,01 %) и углерода. Шлак удаляют. Восстановительный период включает раскисление металла, удаление серы и доведение металла до заданного химического состава. При глубинном раскислении ферромарганец, ферросилиций и алюминий добавляют в жидкую сталь, при диффузионном – в измельченном виде их засыпают на поверхность шлака. В последнем случае раскисляется шлак: 2FеО + Si = 2Fе + SiО2;

FеО + С = Fе + СO 107

Процесс протекает в шлаке и на границе шлак-металл. Содержание FеО в шлаке уменьшается; из стали FеО переходит в шлак. Оксиды (SiО2, СO) остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь. Удаление серы обеспечивается лучше, чем в мартеновской печи: FеS + СаO = FеО + СаS В ходе восстановительного периода берут пробы для определения химического состава стали. При выплавке легированных сталей вводят ферросплавы. Плавку на легированной шихте производят из отходов легированных сталей (например, быстрорежущую сталь выплавляют из ее отходов). Это переплав. При необходимости металл доводят до нужного химического состава. Выплавка стали в индукционных электропечах. Эти печи бывают тигельные (см. рис. 8.5) и канальные. Они имеют преимущество перед дуговыми: отсутствует электрическая дуга, нет науглероживания стали за счет электродов, металл не перегревается. Печь состоит из огнеупорного тигля, индуктора и имеет съемную крышку. Индуктор выполнен в виде катушки из медной трубки, охлаждаемой водой. При прохождении через него переменного тока (частота 500–2500 Гц) образуется переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичном контуре (тигель с загруженным металлом) вихревые переменные токи Фуко, под действием которых металл нагревается и расплавляется. Вихревые токи создают интенсивную циркуляцию жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, выравниванию температуры и состава расплава, всплыванию неметаллических включений. Скрап и ферросплавы загружают одновременно, так как плавка протекает быстро. Анализ химического состава не делают. После расплавления металла засыпают флюс. Раскисление стали ферромарганцем, ферросилицием или алюминием производится перед выпуском. Недостаток – высокая стоимость оборудования и низкая металлургическая активность шлака, который нагревается только за счет тепла металлической ванны. Индукционные печи применяются для выплавки высококачественных низкоуглеродистых и специальных легированных сталей и сплавов. Бездоменная металлургия. Получение губчатого железа в шахтных печах. На Оскольском комбинате из руд Курской магнитной аномалии выплавляют сталь, минуя доменный процесс. Руду обогащают и получают железнорудный концентрат (содержание железа до 70 %). Он измельчается, добавляется вещество для склеивания частиц концентрата в шарики – окатыши. Окатыши поступают в шахтную печь, где при температуре 500–800 °C металлизируются: водород (Н2) и оксид углерода (СО) восстанавливают железо. В печи температура увеличивается до 108

1100 °C. Металлизированные окатыши (содержание железа 90–95 %) поступают в дуговые электропечи. 2 1

Рис. 8.5. Индукционная печь: 1 – индуктор; 2 – жидкий металл; 3 – тигель

Восстановление железа в кипящем слое. Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решетку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением. Совершая непрерывное движение, частицы руды находятся как бы во взвешенном состоянии. Образуется «кипящий» слой, в котором обеспечивается хороший контакт окислов железа с газом. На тонну железного порошка расход водорода составляет до 600 м3. Получение губчатого железа в капсулах-тиглях. Капсулы загружаются шихтой слоями. Внутренний и наружный восстановительные слои – измельченное твердое топливо и известняк (для удаления серы). Между ними находится слой измельченной руды или концентрата. Капсулы устанавливаются на вагонетки и медленно продвигаются в печи, где происходит нагрев до 1200 °C. Восстановленное железо получают в виде труб, их дробят и измельчают, получая порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1–0,2 %. 8.3. Разливка стали

Сталь выпускают в разливочный ковш и транспортируют к месту разливки. Из ковша сталь разливается в изложницы (чугунные формы) разного поперечного сечения. Из слитков квадратного сечения получают сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки, рельсы). Слитки прямоугольного сечения прокатывают в листы, слитки круглого сечения идут для производства труб, многогранные – для поковок. Для разливки спокойной стали применяются изложницы, расширяющиеся кверху (см. рис. 8.6, б). Они имеют прибыльные надставки 8, 109

футерованные огнеупором 9. Сталь дольше находится в жидком состоянии и питает затвердевающий слиток: уменьшаются глубина усадочной раковины и отходы при обрезке. Размеры изложниц зависят от назначения слитка. Для разливки кипящей стали применяются изложницы, расширяющиеся книзу. В изложницу сталь заливается из ковша 1 сверху (см. рис. 8.6, а), брызги застывают на стенках. Сифонная разливка применяется для легированных и высококачественных сталей. Заполняется одновременно несколько изложниц (рис. 8.6, б). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого находится центральный литник 3, футерованный трубками 4. Жидкая сталь 2 из ковша по каналу 7 поступает в нижнюю часть изложницы 5. Заполнение изложниц происходит без брызг, поверхность слитка получается чистой. При непрерывной разливке (рис. 8.7) жидкую сталь из ковша 1 через промежуточный ковш 2 подают в изложницу без дна – кристаллизатор 3. В его нижнюю часть вводят затравку (стальную штангу в виде ласточкиного хвоста), на которой затвердевает металл. Затравка движется вниз при помощи роликов 5, вытягивая затвердевающий слиток 6. Окончательное затвердевание происходит при охлаждении водой 4. Далее слиток попадает в зону резки 7. Слитки не имеют усадочных раковин и поступают на станы сортовой прокатки, минуя блюминги и слябинги. Стойкость изложниц – до 300 заливок. Выплавляемая сталь содержит газы, вредные примеси и неметаллические включения. 1

1 2

3 4

1 8

9 5

5 6 7

6 а

Рис. 8.6. Разливка стали в изложницы: а – сверху; б – сифоном

110

Рис. 8.7. Схема непрерывной разливки

Способы повышения качества стали: 1. Продувка стали в ковше инертными газами. Пузырьки газа поглощают включения и растворенные в стали водород, азот и кислород. 2. Обработка стали синтетическим шлаком. Способ позволяет удалять газы, неметаллические включения, серу. Шлак содержит окислы кальция (55 %), алюминия (40 %), кремния и магния. Его предварительно расплавляют и заливают в ковш. С определенной высоты в ковш выливают сталь. Интенсивное перемешивание стали и шлака способствует ускорению химических реакций. 3. Такой же эффект достигается продувкой стали порошкообразной шлакообразующей смесью, состоящей из извести и плавикового шпата. 4. Очистка стали вакуумированием. При уменьшении давления растворимость газов уменьшается: выделяющиеся пузырьки газа увлекают за собой неметаллические включения. 5. Эффект повышения качества стали при повторном переплаве достигается при очистке стали жидким шлаком или при ее вакуумировании. К таким способам относятся: электрошлаковый переплав, переплав в вакуумно-дуговой печи, переплав в электронно-лучевой печи и др.

111

9. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Литейное производство – процесс получения заготовок или готовых изделий в виде отливок. Расплавленный металл заполняет специальную литейную форму – рабочую полость. Внутренняя полость литейной формы имеет конфигурацию будущей отливки. При охлаждении металл затвердевает и сохраняет форму этой полости. Литье – часто единственный способ изготовления деталей больших размеров и массы, сложной конфигурации. Применяется в случае, когда сплав, например чугун, малопластичен и не поддается обработке давлением (ковке, штамповке). Около 50 % всех деталей изготовляют литьем. Отливки получают различными способами: литьем в песчаные формы, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, в металлические формы (кокили), литьем под давлением, центробежным литьем и др. Большая часть отливок изготовляется литьем в песчаные формы. Остальные способы получили название специальных. По количеству заливок литейные формы делятся на разовые и многократные. Разовые формы разрушаются при извлечении отливок. 9.1. Литейные свойства сплавов

Получение качественных отливок определяется литейными свойствами сплавов. Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов заполнять в расплавленном состоянии все полости литейной формы и точно воспроизводить очертания отливки. Для измерения жидкотекучести применяют заливку технологических проб в виде тонкого прутика или спирали сечением 0,56 см2. Усадка – уменьшение линейных размеров и объема сплава при затвердевании. Различают линейную и объемную усадку. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры и скорости охлаждения сплава, конструкции отливки и формы. Усадка вызывает появление в отливках раковин и пористости. Усадочные раковины (крупные полости) и усадочная пористость (скопление мелких пустот) обычно образуются в тех местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь без доступа расплавленного металла. Для его непрерывного поступления делают прибыль (дополнительную емкость с расплавленным металлом), а также проводят принудительное охлаждение массивной части отливки: скорости охлаждения массивных и тонких частей отливок при этом выравниваются. Трещиностойкость – способность сплава противостоять образованию трещин в отливках. При неравномерном по объему охлаждении 112

и затвердевании отливки внутренние напряжения возникают вследствие того, что усадка крупных и мелких частей отливок происходит неодинаково. Возникают трещины. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации отливки. Холодные трещины возникают в затвердевшем сплаве. Внутренние напряжения могут привести также к короблению отливки – изменению ее формы и размеров. Газопоглощение. В расплавленном состоянии сталь обладает хорошей способностью поглощать различные газы из атмосферы. При затвердевании сплава газы выделяются и образуются газовые раковины и поры. Плавку необходимо проводить под слоем флюса или в среде инертных газов. Необходимо также уменьшать влажность формовочной смеси, подсушивать формы. 9.2. Литье в песчаные формы

Основные операции технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах показаны на рис. 9.1. Для изготовления литейной формы необходимы модельный комплект и формовочная смесь. Изготовление моделей и стержневых ящиков

Сборка форм

Приготовление формовочных и стержневых смесей

Приготовление расплавленного металла

Изготовление стержней

Заливка форм

Изготовление полуформ моделей

Выбивка и очистка отливок

Сдача отливок

Рис. 9.1. Технология изготовления отливок в песчаных формах

В модельный комплект входят: модели, подмодельные, подопочные и сушильные плиты, стержневые ящики, опоки и др. С помощью модели в песчаной форме получают внутреннюю полость, соответствующую конфигурации отливки. В стержневом ящике изготовляется стержень для образования внутренних полостей отливки. Модели и стержневые ящики делают цельными или разъемными, что облегчает выемку модели из формы и стержня из ящика. Опоки – металлические рамы, служащие для удержания формовочной смеси и образования литейной песчаной формы. Подопочные плиты предназначены для уста113

новки опок и готовых форм под заливку. Модельный комплект изготовляют по чертежам отливки. Размеры модели и стержня должны быть больше размеров отливок на линейную усадку. Отливки должны иметь припуск для механической обработки. Материалами для моделей и стержневых ящиков служат дерево, металлы и пластмассы. На рис. 9.2 показана схема литейной формы для получения втулки 1, которая состоит из двух полуформ, полученных набивкой формовочной смеси в металлические рамки – опоки 5 и 6. Для изготовления верхней и нижней полуформ используют разъемную модель 2. Отверстие в отливке получают с помощью стержня 4, отдельно изготовленного из стержневой смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнезда), образованные в форме формовочными знаками 3 модели. 8

4 5

Рис. 9.2. Схема процесса литья в песчано-глинистые формы

Металл заливают через литниковую систему 7 (рис. 9.3). Она обеспечивает подвод металла в форму и заполнение с требуемой скоростью, задержание шлака, неметаллических включений, выход газов и паров из формы, непрерывное питание отливки при затвердевании. Воздух и газы удаляются через выпор 8. Готовую отливку 9 извлекают, отрезают литники, очищают поверхность от остатков формовочных материалов и направляют на механическую обработку. Материалы, из кото5 рых изготовляют литейные 1 5 1 формы, называют формо6 6 1 вочными смесями. Смеси 2 2 должны обладать опреде3 ленными технологически3 ми свойствами. Прочность – способность смеси со4 7 хранять форму без разру4 шения при заливке металла. Пластичность – споРис. 9.3. Литниковая система: 1 – литниковая чаша; 2 – стояк; собность смеси восприни3 – шлакоуловитель; 4 – питатели; мать очертания модели. 5, 6 – чаша и стояк выпоров; 7 – фильтр Непригораемость – спо114

собность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без химического с ним взаимодействия или плавления смеси. Газопроницаемость – способность смеси пропускать газы через стенки формы. Податливость – способность формы или стержня сжиматься при усадке отливки. Формовочные смеси состоят из наполнителя (песок, бывшие в употреблении смеси), связующего материала (глина) и различных добавок (каменноугольная пыль, графит, борная кислота и др.). На поверхности форм и стержней наносят краски (обычно цирконовую) и пасты, которые уменьшают пригар и увеличивают поверхностную прочность. Выбор состава смесей зависит от вида сплава, из которого получают отливки. Состав указывают в технологической карте. Приготовление смесей начинают с подготовки материалов. Кварцевый песок промывают, сушат. Глину и уголь тонко измельчают, сушат. Отработанную смесь восстанавливают: спекшиеся куски дробят и пропускают через магнитный сепаратор для отделения металлических включений. Компоненты смешивают в нужных пропорциях. Смесь направляется в бункер-отстойник для выдержки (выравнивание влажности по объему). Готовую формовочную и стержневую смеси подают к месту формовки. Ручная формовка малопроизводительна, трудоемка, имеет ограниченное применение. При машинной формовке механизируются операции уплотнения смеси в опоке и извлечения модели из формы. По способу уплотнения формовочной смеси в опоках формовочные машины делят на встряхивающие, прессовые, вакуумные, пескометные и др. Температура жидкого металла должна быть на 50–150 °С выше температуры плавления. Охлаждение длится от минут до нескольких суток, в зависимости от массы отливки. Далее производится выбивка отливки – извлечение из литейной формы. Форма разрушается. Это трудоемкая операция, и в единичном производстве мелких отливок производится вручную. При обрубке отливок производят удаление литников, прибылей, выпоров и заливов по месту соединения полуформ. Обрубка производится пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, газовой резкой и другими способами. Очистка отливок – удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с поверхности отливки производится во вращающихся барабанах, гидропескоструйных камерах, путем химической или электрохимической обработки. 9.3. Плавка сплавов

В литейном производстве для каждого металла требуется своя плавильная печь и технология плавки. Плавка стали проводится в ин-

115

дукционных и дуговых электропечах, пламенных печах, конвертерах и тиглях. Плавку чугунов производят в основном в вагранках. В качестве шихты применяют доменный чушковый чугун, чугунный лом, стальные отходы и ферросплавы. Топливом является кокс или природный газ. Вагранка – типичная шахтная печь, отличается от других печей более высоким коэффициентом полезного действия, большой производительностью, простотой конструкции. На ряде заводов применяют вагранки закрытого типа, оснащенные специальными системами очистки и дожигания ваграночных газов. Операции загрузки шихтой, плавка чугуна, выпуск металла и шлака производятся в автоматическом режиме. Для плавки высококачественного чугуна служат дуговые печи. Белый чугун плавят дуплекс-процессом – сначала в вагранке, а затем в электропечи. При получении высокопрочного чугуна используют индукционные электропечи, выплавляющие чугун из стальных отходов. Плавку сплавов на медной основе производят в тигельных, пламенных печах, в дуговых и индукционных электропечах. Плавка ведется на воздухе, в среде защитных газов и в вакууме. Алюминиевые сплавы плавят в электропечах сопротивления, индукционных печах, тигельных горнах. Помимо обычной заливки в земляные формы, применяют заливку в формы под давлением воздуха для получения отливок повышенной плотности. Магниевые сплавы склонны к самовозгоранию при температурах, близких к температуре плавления. Вести плавку на воздухе невозможно; ее производят в атмосфере без кислорода или под слоем флюса на основе фторидов и хлоридов щелочных металлов в тигельных электрических и индукционных печах. Для плавки титановых сплавов применяют тигельные печи; плавку и заливку производят в защитной атмосфере (обычно в среде аргона). Для производства отливок для авиационной промышленности используют электронно-лучевые вакуумные электропечи. 9.4. Специальные методы литья

В производстве литых заготовок значительное место занимают более производительные и экологически чистые специальные методы литья, позволяющие получить отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на обработку, высокими эксплуатационными свойствами. Литье по выплавляемым моделям. Модель точных размеров изготовляют в пресс-форме из материалов с невысокой температурой плавления – воска, стеарина, парафина или полистирола. Для образования оболочковой формы модель многократно погружают в огнеупор116

ную суспензию из кварцевой муки и раствора этилсиликата (связующего материала). Получается неразъемная тонкостенная (6–8 мм) оболочка. Перед заливкой расплава модель удаляют из формы путем плавления или выжигания. Этим способом получают главным образом отливки очень сложной конфигурации, максимально приближенные к конфигурации готовой детали, практически из любых сплавов. Шероховатость поверхности не превышает 2,5 мкм. Литье в оболочковые формы. Способ применяется в массовом производстве мелких отливок высокой точности. Формовочная смесь состоит из мелкого кварцевого, магнезитового песка (92–95 %) и термореактивной фенолформальдегидной смолы (5–8 %). Смола сначала плавится, но при дальнейшем нагреве из жидкого состояния необратимо переходит в твердое состояние. Смесь засыпают в бункер и накрывают металлической нагретой плитой. На нижней поверхности плиты крепятся металлические модели отливок. Бункер переворачивается, и формовочная смесь засыпает модели. Смола плавится и вместе с песком прилипает к поверхности модели – образуется оболочка толщиной 6–8 мм. Полуформы снимают, соединяют между собой и заливают металлом. Затвердевшая смола выгорает, формы легко разрушаются. Поскольку неметаллические формы обладают плохой теплопроводностью, то кристаллизация расплава происходит медленно. Металл отливки получается крупнозернистым, необходима дополнительная термообработка. Литье в кокиль. Кокиль представляет собой металлическую (обычно из чугуна) форму из двух половинок и используется многократно. Металл заливается сверху. Формовочная смесь не применяется. Для образования внутренних полостей (отверстий) в отливках применяют металлические или песчаные стержни. Перед заливкой на поверхность кокиля наносят теплоизоляционный слой из огнеупорных (кварцевой муки, графита, мела, талька) и связующего материала (жидкого стекла), а затем подогревают. Литье в кокиль применяют в крупносерийном и массовом производстве. Литье под давлением. Металлическая форма заполняется расплавом под давлением до 3000 атмосфер. Затвердевают отливки также под избыточным давлением. Используются только металлические неразъемные стержни. Литье осуществляется в специальных машинах с холодной и горячей камерами прессования. На машинах с горячей камерой прессования (см. рис. 9.4) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении поршня 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении поршня вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки поршень возвращается в исходное положение, остатки 117

расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка уда2 1 4 3 ляется выталкивателями 6. Условия работы камеры прессования и поршня неблагоприятные, так как они погружены в расплав. В машинах с горизонтальной холодной камерой прессования условия работы камеры и поршня более благоприятны, можно развивать большие давления пресРис. 9.4. Схема изготовления сования. В таких машинах изготавотливки на машинах с горячей ливают массивные отливки из всех камерой прессования известных сплавов. Литье под давлением – высокопроизводительный способ изготовления отливок с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхностей. Центробежное литье. Жидкий металл заливают во вращающуюся с определенной скоростью литейную форму. Вращение формы продолжается в течение всего времени кристаллизации отливки. Металл центробежной силой прижимается к стенкам формы (обычно металлической). Отливки получаются с повышенной прочностью, так как более легкие фракции (газы и шлак) вытесняются во внутренние полости отливок и в дальнейшем удаляются. Ось вращения может быть горизонтальной (рис. 9.5) и вертикальной. На рисунке показано получение отливок, имеющих форму тела вращения. Ось вращения совпадает с осью отливки, толщина стенок определяется количеством заливаемого металла. При изготовлении мелких отливок ось вращения формы может не совпадать с осью отливки. Такой способ называется центрифугированием. Центробежное литье применяют в массовом и единичном производстве отливок из разных сплавов в металлических и песчаных (оболочковых) формах. Отливают трубы, цилиндровые втулки, гильзы и поршневые кольца двигателей, колеса, шкивы, орудийные стволы и двухслойные (биметаллические) отливки. Широко ценРис. 9.5. Центробежная машина с горизонтальной осью вращения тробежное литье применяют для изготовления чугунных труб. Литье под низким давлением. Заполнение формы расплавом и затвердевание отливки происходит под избыточным давлением инертного газа. Расплавленный металл содержится в подогреваемом тигле, 6

118

в который погружается металлическая труба – металлопровод. Под давлением газа металл из тигля по трубе поднимается в форму. Можно легко управлять процессом заполнения формы расплавом, улучшить качество отливки, исключив образование газовых раковин и оксидных пленок. Изготавливают тонкостенные крупногабаритные отливки. Электрошлаковое литье. Метод заключается в том, что одновременно происходит и плавка, и заполнение литейной формы путем переплава электродов. Источником тепла является шлаковая ванна, нагреваемая проходящим электрическим током (рис. 9.6). Сначала в кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак специального состава. Электрический ток подводится к 7 электродам 7 и затравке 1 в нижней 6 5 части кристаллизатора. Шлаковая 4 ванна 4 нагревается до 1700 °С, погруженные в нее концы электродов оплавляются. Металл плавящихся электродов, стекая на дно шлаковой 2 ванны, очищается от вредных при1 месей и образует металлическую Рис. 9.6. Схема ванну 3. Затвердевание отливки 2 электрошлакового литья происходит в нижней части кристаллизатора путем отвода тепла через его стенки. Электроды, по мере их оплавления, постепенно поднимаются вверх. Литье применяется в металлургии для изготовления прокатных валков, кокилей для литья труб центробежным способом, а также в судостроении для производства коленчатых валов дизелей. Литье выжиманием. В литейной выжимной установке имеются две полуформы, распложенные под углом друг к другу (рис. 9.7). Между ними находится металлоприемник, в который заливается металл. При повороте подвижной полуформы 1 металл выжимается и заполняет полость 2 между полуформами. Излишек металла выливается в ковш 3. Способ позволяет заполнять формы тонкостенных, крупногабаритных отливок. Отливки имеют хорошую структуру и высокие а б механические свойства, так как формирование отливки и заполнение Рис. 9.7. Схема литья выжиманием формы происходят одновременно. 119

Литье вакуумным всасыванием (рис. 9.8). Охлаждаемая водой литейная форма 3 устанавливается на керамическое основание 2, которое соприкасается с поверхностью расплавленного металла. Если из формы откачивается воздух, то форма будет заполняться жидким металлом из раздаточной печи 1 за счет разрежения, создаваемого в форме вакуумным насосом. При его затвердевании образуется отливка 4. Затем полость формы соединяется с атмосферой, незатвердевший металл сливается обратно в печь. Заполнение формы расплавом управляется скоростью откачки воздуха. Способ позволяет: заполнять формы тонкостенных отливок, исключить попадание воздуха в расплав, повысить механические свойства отливок. Преимущество – полуРис. 9.8. Схема литья чение качественных отливок без расхода вакуумным всасыванием металла на литники и прибыли. Непрерывное и полунепрерывное литье. Сущность этих способов заключается в том, что в металлическую форму (кристаллизатор) с одной стороны заливается жидкий металл, а с другой стороны этой формы затвердевший металл извлекается и продолжает остывать на воздухе. В зависимости от поперечного сечения кристаллизатора отливка представляет собой круглый пруток, прямоугольную штангу, трубу или какой-либо длинный брусок сложного профиля. Если изделие извлекается тянущими валками, то процесс называют непрерывным. Если изготавливается отливка заданной длины, то процесс называют полунепрерывным. Стенками кристаллизатора являются тонкие металлические пластины или трубы, охлаждаемые водой. 9.5. Сплавы для изготовления отливок

Наибольшее количество отливок изготовляют из чугуна. Он имеет высокие литейные, антикоррозионные и антифрикционные свойства, достаточно высокую прочность и невысокую стоимость. Серый чугун характеризуется высокой жидкотекучестью, малой усадкой (0,9–1,2 %). Отливки – качественные, без усадочных раковин, пористости и трещин. Отливки из серого чугуна изготовляют: в песчаных и оболочковых формах, кокилях, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем. Высокопрочный чугун имеет такую же жидкотекучесть, как и серый, но усадка больше (1,2–1,7 %). Отливки 120

имеют усадочные дефекты. Отливки могут иметь различные дефекты: усадочные раковины и поры, коробление, трещины. Отливки из высокопрочного чугуна получают теми же способами, что из серого. Детали из ковкого чугуна получают путем отжига отливок из белого чугуна. Белый чугун обладает низкой жидкотекучестью. Необходима повышенная температура заливки. Усадка белого чугуна больше, чем серого. Возникают усадочные раковины, пористости и трещины. Отливки из белого чугуна получают в песчаных формах, оболочковых формах и кокилях. Стальные отливки обладают более высокой прочностью и вязкостью, чем отливки из чугуна. По литейным свойствам сталь уступает чугуну, имеет большую усадку (до 2,5 %), низкую жидкотекучесть. Это приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках. Низкоуглеродистые стали склонны к образованию горячих трещин вследствие повышенной температуры заливки. Из-за низкой теплопроводности в высокоуглеродистых сталях возникают значительные внутренние напряжения. Стальные отливки получают в песчаных формах и специальными способами литья. Лучшими литейными свойствами среди медных сплавов обладают оловянные бронзы (хорошая жидкотекучесть, усадка 1,6 %), но они затвердевают в широком интервале температур, что приводит к образованию пористости. Безоловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, но большую усадку (2,4 %), что приводит к образованию усадочных раковин. Все медные сплавы склонны к образованию трещин. Около 80 % отливок медных сплавов получают литьем в песчаные и оболочковые формы. Лучшими литейными свойствами среди алюминиевых сплавов обладают силумины. Они характеризуются хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой (1 %), узким интервалом температур затвердевания, не склонны к образованию трещин. Отливки из алюминиевых сплавов (до 80 %) получают литьем в кокиль или под давлением. Виды брака литья: газовые, усадочные, шлаковые и песчаные раковины, рыхлость, пористость; недостаточное заполнение литейной формы металлом; горячие и холодные трещины, коробление; несоответствие микроструктуры, химического состава, механических свойств металла отливок требованиям ГОСТа. Дефекты отливок выявляются различными методами контроля. Контроль размеров позволяет предупредить массовый брак из-за износа или коробления модели и стержневых ящиков. Механические свойства, микроструктура контролируются испытаниями отдельных отливок. Внутренние дефекты выявляются методами радиографической или ультразвуковой дефектоскопии. Способы исправления дефектов отливок – правка, заварка, пропитка форм твердеющими материалами, стойкими к воздействию агрессивных сред (бакелитовый лак, полистирол). 121

10. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Под действием внешней нагрузки (удара молота, давления пресса) металл изменяет свою форму. При этом происходит изменение внутреннего строения металла и, как следствие, его механических свойств. Необратимое изменение формы и свойств материала без разрушения называют пластической деформацией. Чтобы деформация произошла, к металлу необходимо приложить механическое напряжение, которое было бы больше предела упругости, но меньше предела прочности. Если после снятия нагрузки форма и размеры тела восстанавливаются, то деформацию называют упругой. Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок необходимой формы и размеров путем их пластической деформации. Обработка давлением применима только к пластичным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы), но не к хрупкому чугуну и может производиться как в холодном, так и горячем их состоянии. При обработке металла в холодном состоянии зерна деформируются, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличиваются, пластичность и вязкость – уменьшаются. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Большая плотность дислокаций и высокая концентрация точечных дефектов в наклепанном слое препятствует свободному перемещению дислокаций и затрудняет дальнейшую пластическую деформацию. При обработке металла в горячем состоянии сопротивление деформации уменьшается за счет увеличения пластичности металла при нагреве. Наклеп при деформировании можно уменьшить даже при небольшом нагреве металла, при котором частично исчезают дефекты решетки и снимаются вызванные ими искажения кристаллической решетки, однако деформированная форма зерен сохраняется. Это явление называется возвратом металла. При нагреве до более высокой температуры наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых зерен взамен деформированных называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит рост одних зерен за счет других. Этот процесс называют вторичной рекристаллизацией. Температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурным порогом рекристаллизации (Тр). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара: Тр = α ⋅ Тпл. Коэффициент α зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5–0,6, для чистых металлов – 0,3–0,4); температура – в градусах Кельвина. 122

Если деформирование металла происходит при Т > Тр, то наклеп не образуется: одновременно идут процессы упрочнения и разупрочнения – рекристаллизации. Такая деформация называется горячей. Если деформирование происходит при Т < Тр, то деформация называется холодной. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свой нижний и верхний пределы. На рис. 10.1 показана A зона 1 нагрева углеродистой стали для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода. ВерхE ний предел зоны нагрева лежит на 150–200 °С ниже температуры начала плавления (линии солидуса), а нижний – на 60–70 °С выше температур G превращения перлита и цементита в аустенит. Зона 3 P S пережога находится примерно на 100 °С выше зоны 2 перегрева. Пережженный металл идет на переплавку. В зоне перегрева происходит Рис. 10.1. Левая часть диаграммы интенсивный рост зерна. железо-цементит с областями: Крупнозернистая структура 1 – горячей обработки давлением; металла делает его непроч2 – перегрева; 3 – пережога ным и хрупким. Необходим отжиг для ее измельчения. Ниже линии нижних температурных пределов находится зона наклепа. При правильном режиме горячей обработки зерно получается тем мельче, чем ближе температура конца обработки к нижнему пределу. Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах. Нагревать нужно быстро, чтобы не успели вырасти крупные зерна. В отличие от камерных в пламенных методических печах рабочее пространство разделено на зоны: подогрева заготовки (600–800 °С), максимального нагрева (1200–1300 °С) и выдержки. В устройствах электроконтактного нагрева ток большой силы (при малом напряжении) проходит через заготовку, которая и служит сопротивлением. В индукционных печах заготовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается действием вихревых токов. По сравнению с другими печами время нагрева в этом случае сокращается в 15–20 раз, меньше слой окалины, отсутствует обезуглероживание. 123

10.1. Прокатка

Прокатка – вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется между вращающимися валками. Заготовка двигается за счет сил трения, которые возникают при ее сдавливании. Толщина уменьшается, но увеличивается длина и ширина. Форма поперечного сечения – профиль. Прокаткой обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы. При продольной прокатке (рис. 10.2, а) заготовка деформируется между вращающимися в разные стороны валками и движется поступательно перпендикулярно оси валков. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат. При поперечной прокатке (рис. 10.2, б) оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном. Заготовка деформируется и движется вдоль оси валков. Поперечная прокатка применяется для производства изделий, представляющих собой тела вращения – шары, оси, шестерни. При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рис. 10.2, в) валки расположены под углом, вращаются в одну сторону и придают заготовке вращательно-поступательное движение. За счет перекоса валков заготовка получает поперечную и продольную деформацию. Этим видом прокатки производят, например, бесшовные трубы.

Рис. 10.2. Схемы видов прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая

Прокатные валки изготовляют из углеродистой и легированной стали, высокопрочного чугуна. Они состоят из рабочей части – бочки 1, шеек 2 и трефы 3 (см. рис. 10.3). Шейки валков вращаются в подшипниках. Трефа предназначена для соединения с муфтой или шпинделем. Валки бывают гладкими и калиброванными, т. е. имеющими ручьи определенного профиля. Ручей – профиль выреза на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями – бурты. Калибром называют полость, составленную смежными ручьями двух валков. Сначала заготовку обжимают в обжимных и черновых калибрах, а затем – в чистовых. 124

б Рис. 10.3. Прокатные валки: а – гладкий; б – калиброванный

Прокатку осуществляют на прокатных станах. Оборудование для деформирования металла называется основным, если оно располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей). Классификация прокатных станов: по числу валков в клетях – двухвалковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), многовалковые, универсальные; по направлению вращения валков – нереверсивные и реверсивные (с переменой направления вращения валков); по конструкции валков – с гладкими и калиброванными валками; по назначению – обжимные, сортовые, листовые, рельсовые, трубопрокатные и т. д.; по размеру – мелкосортные и крупносортные. Крупные станы называют блюмингами или слябингами. Слитки массой до 15 тонн прокатывают в квадратные заготовки – блюмы (для сортового проката) либо в прямоугольные листовые заготовки – слябы (для листового проката). Продукция прокатного производства – готовые изделия (балки, трубы, рельсы и др.), а также заготовки для последующей обработки (ковкой, штамповкой, волочением или резанием). В зависимости от профиля прокат делится на листовой, сортовой, трубный и специальный. Сортовой прокат бывает простой (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонный (уголок, двутавр, швеллер, рельс и др.). Листовой прокат – толстолистовой (до 160 мм) и тонколистовой (менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют жестью или фольгой. Толстолистовой прокат получают в горячем состоянии. Трубный прокат получают на трубопрокатных станах. Бесшовные горячекатаные трубы получают из заготовок круглого сплошного сечения прокаткой сначала на стане поперечно-винтовой прокатки, где заготовка получает винтообразное движение и внутри ее образуется полость, а затем на стане продольной прокатки (пилигримовый стан), где из полой заготовки (гильзы) получают трубу требуемых размеров. Сварные трубы изготовляют газовой и электрической сваркой из горя125

чекатаной ленты (штрипса) на непрерывных прокатных станах. Штрипс завивают по спирали на цилиндрических оправках с непрерывной сваркой спирального шва автоматической сварочной головкой. К специальным видам проката относятся: периодический прокат колеса, кольца, шары. Гнутые профили, используемые в строительстве зданий, получают прокаткой стального листа, ленты, швеллеров, уголков на роликогибочных станах. При бесслитковой прокатке жидкий металл заливается в зазор между двумя охлаждаемыми водой вращающимися валками. 10.2. Волочение и прессование

Волочение – вид обработки металлов давлением, при котором заготовка (обычно в холодном состоянии) протягивается через сужающееся отверстие – волоку (рис. 10.4). Применяют волочение через ряд уменьшающихся отверстий. Волочением обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы; изготовляют проволоку, калиброванные прутки и тонкостенные трубы. Изделия получаются с гладкой поверхностью и точными размерами. Поскольку волока работает в жестких условиях, то ее изготовляют из инструментальной стали или из твердого металлокерамического сплава, а при волочении тонкой проволоки – из технических алмазов. Для уменьшения трения, повышения стойкости инструмента и отвода тепла применяют жидкие и сухие смазки (минеральное масло, эмульсии, мыло, графит). При волочении происходит наклеп металла, который устраняют отжи2 4 1 гом с последующим травлением P окалины. Волочильные станы состоят из станины с держателем для 3 волоки и тянущего устройства: с прямолинейным движением проРис. 10.4. Схема волочения: тягиваемого металла (цепной, ре1 – волока; 2 – заготовка; 3 – острый конец заготовки; 4 – захват; P – усилие ечный стан) или с наматыванием на барабан. Прессование – вид обработки давлением, при котором нагретый металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице 2 (см. рис. 10.5). Металл принимает форму прутка простого или сложного сечения. Прессование проводится при температурах, соответствующих температурам горячей обработки давлением. При прямом методе прессования металл выдавливается в направлении движения пуансона 4 (см. рис. 10.5, а), при обратном – металл движется навстречу движению пуансона пресса (см. рис. 10.5, б). Из заготовки 3 готовые прутки 1

126

сплошного сечения и любой формы получают методом обратного прессования, трубы – только прямым. Прессование – единст1 2 3 4 1 4 2 3 венный метод обработки материалов с низкой пластичностью (специальные стали, цветные металлы и сплавы). Можно получить изделия сложного поперечного сечения. Инструмент работает в жестких условиях (большое давление, высокая темпераа б тура) и быстро изнашиваетРис. 10.5. Схемы прессования прутка: ся. Его изготовляют из инста – прямым методом; б – обратным рументальных сталей и жаропрочных сплавов. Для снижения износа инструмента применяют смазку: минеральные масла, графит, канифоль; при прессовании труднодеформируемых сталей и сплавов – жидкое стекло. Недостаток: весь металл не выдавливается, остается пресс-остаток (до 40 %). 10.3. Ковка

Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется ударами молота или давлением пресса. Изделия называют поковками. Ручная ковка имеет низкую производительность. Инструмент – наковальня и кувалда. Наиболее распространена машинная ковка. При ковке металл течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента (см. рис. 10.6). Заготовка помещается между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса. Процесс ковки состоит из основных и вспомогательных операций. При осадке происходит уменьшение высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. При высадке металл осаживается только на части длины заготовки – поковка имеет утолщения. Протяжка – увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения; выполняется последовательными ударами молота по соседним участкам заготовки с одновременным ее перемещением вдоль оси протяжки и поворотами на 90° вокруг оси. Раскатка на оправке – увеличение внутреннего и наружного диаметров кольцевой заготовки при уменьшении толщины ее стенок. Прошивкой получают в заготовке полости (сквозные, глухие отверстия) за счет вытеснения металла. Инструмент – прошивни. Отход металла называют выдрой. 127

Выдра

2 1 3

Торцы

Рис. 10.6. Основные операции ковки: 1 – осадка; 2 – высадка; 3 – протяжка; 4, 5 – прошивка; 6, 7 – рубка; 8 – сварка

Рубка – операция отделения одной части заготовки от другой. Гибка придает заготовке изогнутую форму по заданному контуру. Выполняют ее при помощи опор и приспособлений. Изготовляют угольники, скобы. Скручивание – операция поворота части заготовки вокруг продольной оси. Молот деформирует металл ударом, а пресс – статической нагрузкой. Молот имеет два бойка: один наносит удары и закреплен на падающей части (ее называют баба), а другой (на нем лежит заготовка) – закреплен в шаботе. Падение бабы происходит под действием силы тяжести (молоты простого действия) либо с приложением силы давления пара, воздуха (молоты двойного действия). 10.4. Штамповка

Штамповка – способ изготовления сложных изделий давлением с помощью специального инструмента – штампа. Различают объемную и листовую штамповки, которые проводят в горячем и холодном состоянии. При объемной штамповке заготовкой является пруток, металл заполняет всю полость штампа. При листовой штамповке толщина полученных деталей незначительно отличается от толщины исходного листа – заготовки. Объемная штамповка чаще бывает горячей, а листовая – холодной. 128

Горячая штамповка. Горячей объемной штамповкой в специальных штампах из заготовок получают штампованные поковки. Штамп – металлическая форма, состоящая обычно из двух частей, в которых имеются полости – ручьи. Одна часть штампа закрепляется на шаботе молота или плите пресса, а другая – в подвижной их части. При штамповке в открытых штампах (рис. 10.7, а) между частями штампа имеется зазор высотой h, в который вытекает избыток металла – заусенец (облой). Заусенец закрывает выход из полости штампа и заставляет металл заполнять всю форму. При штамповке в закрытых штампах (рис. 10.7, б) зазор очень мал и образование заусенца не происходит. Расход металла меньше, лучше структура металла. Различают штамповку в 1 одноручьевых и многоручьевых штампах. Одноручьевые штампы имеют одну полость. В них штампуют изделия простой конфигурации. Поковка в многоа б ручьевом штампе происходит Рис. 10.7. Схемы штамповки: сначала в заготовительных (чера – в открытых штампах; новых) ручьях, в которых выб – в закрытых штампах; 1 – облой полняются операции вытяжки или гибки, а затем – в штамповочных (предварительных и окончательных) ручьях. Штампы изготавливают из легированного чугуна (для листовой штамповки) и специальных сталей, обладающих высокой твердостью и жаропрочностью. Оборудование для горячей штамповки – паровоздушные штамповочные молоты, гидравлические прессы. Горячую листовую штамповку применяют при обработке давлением металлов, которые не обладают достаточной пластичностью в холодном состоянии, а также толстых (свыше 20 мм) листов из низкоуглеродистых сталей. К завершающим и отделочным операциям относятся: калибровка, термообработка, очистка, правка и чеканка. Холодная штамповка имеет очень высокую производительность, низкую стоимость, точность и взаимозаменяемость деталей, возможность получения простых и сложных деталей. Разновидности холодной объемной штамповки: Холодное выдавливание – процесс формирования сплошного или полого изделия за счет пластического течения металла из полости штампа через отверстие. Выдавливание имеет много общего с прессованием и бывает прямое, обратное, комбинированное, в зависимости от того, через какое отверстие выдавливается металл.

129

Холодная высадка – осадка части заготовки. Этим способом производят крепежные изделия. Холодная объемная штамповка производится аналогично горячей объемной штамповке в открытых штампах. К разделительным операциям холодной листовой штамповки относятся отрезка, вырубка и пробивка. Отрезка – отделение части листа в штампах или машинах – ножницах. Вырубка, пробивка – отделение части листа по замкнутому контуру. В первом случае отделяемая часть – деталь, а во втором – отход. К формообразующим операциям относятся правка, вытяжка, гибка, отбортовка, обжим, вальцовка. Правка необходима для устранения неровностей и искривлений плоских деталей после вырубки, пробивки. Вытяжка – получение пустотелых, открытых с одной стороны деталей из плоской заготовки. Гибка – изменение кривизны заготовки. Отбортовка – процесс получения горловины или бортов вокруг предварительно пробитых отверстий. Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр концевой части полой заготовки. Вальцовка (рельефная формовка) – получение из листовых заготовок волнистой (гофрированной) поверхности, различных выступов и поверхностей (накатывание резьбы на цоколях электроламп). Сложная штамповка – комбинация нескольких вышеуказанных операций. Штамповка взрывом. Установленная на матрице листовая заготовка опускается в воду, затем производится взрыв. Под действием давления жидкости или газов заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Электрогидравлическая штамповка подобна штамповке взрывом, но ударная волна возникает при электрическом разряде в жидкости. Специализированные процессы обработки давлением. К таким процессам относятся: обкатывание, раскатывание и калибрование отверстий, накатывание рифлений, зубьев, резьбы и т. д. Обкатыванием и раскатыванием упрочняют плоские, конические и цилиндрические, наружные и внутренние поверхности деталей с применением, например, вращающихся роликов и шариков. Калиброванием называют однократное или многократное перемещение инструмента в отверстии, имеющем несколько меньшие размеры. Инструмент – шарик, оправка-дорн, специальная прошивка. Происходит сглаживание неровностей и упрочнение поверхности. Накатывание служит для получения внешних фасонных поверхностей при вдавливании инструмента в материал заготовки. Этим методом выполняют резьбы, клейма, рифления и т. д. 130

11. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ Несмотря на внедрение в машиностроение различных методов получения точных заготовок, обработка металлов резанием остается основным методом окончательной обработки деталей. Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом слоя металла с заготовки в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали. Слой металла, который необходимо удалить, называют припуском на обработку. Удаление припуска ручным способом называют слесарной обработкой, на станках – механической. 11.1. Основы резания металлов

Движения рабочих органов станков делятся на рабочие, установочные и вспомогательные. Рабочие движения сообщаются инструменту и заготовке для срезания слоя металла. Установочные – определяют взаимное положение инструмента и заготовки, а вспомогательные – их закрепление. К рабочим относят главное движение резания и движение подачи, т. е. поступательные и вращательные движения заготовки и режущего инструмента. Главное движение резания Dr определяет скорость деформирования и отделения стружки, а движение подачи DS – непрерывность процесса резания. Главное движение – одно, движений подачи может быть несколько. При точении главное движение резания – вращательное движение заготовки, резец совершает прямолинейное поступательное движение подачи (рис. 11.1, а).

Рис. 11.1. Схема процесса резания (а) и элементы резца (б)

131

При любом методе механической обработки детали различают три вида поверхностей: обрабатываемая поверхность – поверхность заготовки, которая частично или полностью удаляется при обработке; обработанная поверхность – поверхность, образованная в результате обработки; поверхность резания образуется режущей кромкой инструмента. Токарный резец состоит из рабочей и крепежной частей. Основные элементы рабочей части показаны на рис. 11.1, б. Для определения углов режущей части инструмента вводится статическая система координат – прямоугольная система координат с началом в точке режущей кромки. В эту систему входят координатные плоскости (рис. 11.2): основная плоскость Рv проводится через точку режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного движения резания; плоскость резания Рn – плоскость, касательная к режущей кромке и перпендикулярная основной плоскости; главная секущая плоскость Рτ – перпендикулярна линии пересечения основной плоскости и плоскости резания; в рабочей плоскости Рs расположены направления скоростей главного Рис. 11.2. Координатные движения резания и движения подачи. плоскости при точении В главной секущей плоскости Рτ измеряют следующие углы (см. рис. 11.3). Главный передний угол γ – угол между передней поверхностью резца и основной плоскостью. С увеличением угла γ уменьшается деформация срезаемого слоя, снижаются силы резания, повышается качество обработанной поверхности, но снижается прочность лезвия, ухудшается отвод тепла от режущей кромки. Обычно угол γ имеет значения от -10° до +20°. Главный задний угол α – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Наличие угла α уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания, что уменьшает износ инструмента. Угол заострения β – угол между передней и задней поверхностями. Главный угол в плане ϕ образуется проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи, вспомогательный угол в плане ϕ1 – проекцией вспомогательной режущей кромки на эту плоскость и направлением, противоположным движению подачи. Угол в плане при вершине резца ε – между проекциями режущих кромок на основную плоскость. 132

N N

N φ

φ D S

N ε

Рис. 11.3. Геометрические параметры токарного резца

Процесс образования стружки. Резец деформирует находящийся перед ним металл. Когда напряжение превышает силы внутреннего сцепления частиц металла, происходит сдвиг элемента стружки. При движении резца отделяются второй и последующие элементы стружки. Плоскость, по которой происходит скалывание отдельных элементов стружки, называют плоскостью скалывания, а угол между плоскостью скалывания и направлением скорости резания – углом скалывания. При обработке вязких металлов (мягкая сталь, медь, алюминий) этот угол (30–35°) почти не зависит от геометрии резца и образуется сливная стружка в виде ленты, завивающейся в спираль. При обработке менее вязких металлов (стали повышенной твердости, некоторые марки латуни) образуется стружка скалывания: после образования нескольких витков она отламывается. Стружка надлома – совокупность отдельных частиц неправильной формы – получается при обработке хрупких металлов (чугун, бронза) и неметаллических материалов (мрамор, стекло). Силы резания. Для отделения стружки режущий инструмент должен преодолеть силы сопротивления металла резанию, которые зависят: а) от усилий, возникающих при деформировании и отделении срезаемого слоя; б) от сил трения стружки о переднюю поверхность обрабатываемой детали и заднюю поверхность режущего инструмента. Равнодействующая всех сил, действующих на режущий инструмент, называется силой резания Р. С увеличением твердости, прочности и вязкости обрабатываемого материала возрастает и сила резания. В зависимости от типа применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей сила резания уменьшается от 3 до 25 % по сравнению с работой всухую. Знание сил резания необходимо при расчете на прочность инструментов и приспособлений, а также для определения потребляемой мощности. Для удобства экспериментального определения силу резания расклады-

133

вают на составляющие (рис. 11.4). Касательная составляющая силы резания РZ действует в направлении скорости главного вращательного движения резания в вершине лезвия. Осевая составляющая силы резания РX действует параллельно оси главного вращательного движения резания. Радиальная составляющая силы резания РY направлена по радиусу главного вращательного движения резания в вершине лезвия. Параметры режима резания. Скорость главного движения резания (V) – скорость перемещения точки режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности в направлении главного движения. Для вращательного главного движения скорость резания (м/мин) V = π · D · n ·10-3. Скорость движения подачи – Рис. 11.4. Силы, действующие скорость рассматриваемой точки рена резец в процессе резания жущей кромки в направлении движения подачи. Подача (S) – перемещение инструмента в направлении движения подачи за один оборот (мм/об). Глубина резания (t) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное перпендикулярно к последней и пройденное за один проход инструмента (мм). Выбор режима резания. Для каждого случая обработки существуют свои оптимальные режимы резания, которые зависят от материала обрабатываемой детали, материала инструмента и его геометрии, особенностей станка, требований к точности и качеству поверхности обрабатываемой детали. В зависимости от материала детали выбирается и инструментальный материал. Существуют эмпирические формулы для расчета режимов резания. Практически режимы резания определяются по таблицам, приведенным в справочниках. Образование нароста при резании. При обработке пластичных металлов на передней поверхности инструмента образуется слой металла, который называют нарост. Силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления материала стружки, и при определенных условиях металл прочно оседает на поверхности (см. рис. 11.5, а). Размеры и форма нароста меняются, нарост срывается и возникает вновь. Образование нароста полезно при черновой обработке, когда снимается большой слой металла, возникают большие силы резания и выделяется много тепла. При чистовой обработке он вреден. 134

Упрочнение при резании. Режущая кромка имеет радиус закругления (ρ), который при обычных методах заточки составляет 0,02 мм (рис. 11.5, б). Инструмент может срезать с заготовки стружку только при условии, когда глубина резания соизмерима с радиусом ρ. В стружку переходит слой металла, лежащий выше линии CD. Слой металла, лежащий между линиями AB и CD, будет упруго деформироваться. При работе режущая кромка затупляется и радиус возрастает. Расстояние между линиями AB и CD увеличивается. Упрочнение металла заготовки проявляется в повышении поверхностной твердости в 1,5–2 раза, глубина наклепанного слоя составляет 0,02–0,2 мм. Твердость и толщина упрочненного слоя зависят от способа обработки (максимальные – при сверлении), материала заготовки, геометрии инструмента, режима резания. При перемещении резца происходит упругое восстановление деформированного слоя на величину hу, в результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и задней поверхностью инструмента. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше упругая деформация, тем больше сила трения. Для уменьшения силы трения инструмента предусматривается задний угол.

а б Рис. 11.5. Схемы образования: а – нароста; б – упрочнения при резании

Износ и стойкость инструмента. Трение стружки о поверхности режущего инструмента приводит к его изнашиванию. На передней поверхности образуется лунка шириной b, на главной задней поверхности – ленточка шириной h (см. рис. 11.6). Образование ленточки уменьшает глубину резания: изменяется вылет резца и снижается точность обработки. Критерий износа – допустимое значение износа инструмента h по главной задней поверхности. Для токарных резцов, изготовленных из быстрорежущей стали, h = 1,5–2 мм, для резцов с пластинами твердого сплава h = 0,8–1 мм. Период стойкости инструмента –

135

время работы между переточками – зависит от свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки. Стойкость токарных резцов – 30–90 мин. Износ инструмента вызывает рост силы резания, что увеличивает деформацию заготовки и инструмента. Растет глубина наклепанного слоя на заготовке и увеличивается сила трения между заготовкой и инструментом.

Рис. 11.6. Характер изнашивания резца

11.2. Обработка на токарных станках

Схема токарно-винторезного станка представлена на рис. 11.7. Станина 1 закреплена на тумбах 10 и 12. На ней имеются направляющие для перемещения продольных салазок суппорта 6 и задней бабки 9 вдоль оси станка. В передней бабке 4 расположена коробка скоростей для изменения частоты вращения шпинделя 5, в котором крепится заготовка. Гитара сменных колес 3 служит для передачи вращения от передней бабки к коробке подач 2. Последняя предназначена для изменения продольных и поперечных подач суппорта 6, установки нужного шага при нарезании резьбы и передачи движения ходовому винту либо ходовому валику. Первый используется при нарезании резьбы резцом, второй – для обтачивания. На продольном суппорте смонтирована каретка с верхним суппортом 8, на котором располагается четырехпозиционный резцедержатель 7. На фартуке 11 смонтирован механизм подач для преобразования вращательного движения в прямолинейное движение суппорта. Задняя бабка служит второй опорой при обработке длинных деталей, используется для крепления и подачи инструмента при обработке отверстий сверлами, зенкерами, развертками и нарезании резьбы метчиками и плашками. 4 5 6

2 1 12

11 Рис. 11.7. Схема токарного станка

136

На токарных станках производят следующие работы (рис. 11.8). Обтачивание (обработка наружных цилиндрических поверхностей) выполняется проходными резцами 5, подрезание торца – подрезными 3, отрезание – отрезными 7. Сверление, зенкерование и развертывание отверстий производят соответствующими инструментами, например сверлом 1. Растачивание внутренних цилиндрических поверхностей – расточными резцами 2, фасонных поверхностей – фасонными резцами 6. Обтачивание наружных конических поверхностей – широкими токарными резцами, поворотом каретки верхнего суппорта, смещением корпуса задней бабки в поперечном направлении и с помощью конусной линейки. Нарезание резьбы выполняют резьбовыми резцами 4, плашками и метчиками. Высота неровности поверхности при черновой обработке – 160–80 мкм; при чистовой – 40–10 мкм; при тонкой чистовой обработке алмазным инструментом – 1,2–0,6 мкм. 1

Рис. 11.8. Виды работ, выполняемых на токарных станках

11.3. Обработка на сверлильных станках

Сверление – способ получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в сплошном материале заготовки. В качестве инструмента при сверлении используется сверло, имеющее две главные режущие кромки. Для сверления отверстий диаметром 50–80 мм используют спиральные сверла (см. рис. 11.9, а). Диаметр отверстия увеличивают сверлом большего диаметра либо пустотелым кольцевым сверлом. Такая операция называется рассверливанием (см. рис. 11.9, б). Для получения отверстий высокой точности и чистоты поверхности после сверления выполняются операции зенкерования (см. рис. 11.9, в) и развертывания (см. рис. 11.9, г). Зенкер имеет жесткую рабочую часть, число зубьев не менее трех. Развертка – многолезвийный инструмент, срезающий более тонкие слои с обрабатываемой поверхности. 137

Рис. 11.9. Обработка отверстий на сверлильном станке: а – сверление; б – рассверливание; в – зенкерование; г – развертывание

Схема вертикально-сверлильного станка показана на рис. 11.10. На плите 1 смонтирована колонна 3. В ее верхней части размещена шпиндельная головка 6, несущая электродвигатель 5 и шпиндель 7 с инструментом 8. На вертикальных направляющих колонны установлена шпиндельная бабка 4 с механизмом вертикального перемещения шпинделя, а также штурвал 2 для его ручного перемещения. Стол 9 для установки и закрепления заготовок можно устанавливать на различной высоте. Прочие типы станков свер6 лильной группы. Широкое распространение имеют радиально5 сверлильные станки. Они бывают 4 стандартного типа, универсальные и широкоуниверсальные (переносные). сверлильные 3 Многошпиндельные 7 2 станки используются главным обра8 зом в массовом производстве. Особое место занимают расточные и гори9 1 зонтально-расточные станки. Алмазно-расточные станки предназначены для получения отверстий высокой точности. Координатно-расточные Рис. 11.10. Схема станки служат для обработки точных сверлильного станка и строго взаимосвязанных отверстий. 11.4. Обработка на фрезерных станках

Фрезерование – способ формообразования деталей многолезвийным режущим инструментом – фрезой. Главное движение резания – вращение фрезы, а движение подачи заготовки может быть поступательным и вращательным. Каждый зуб врезается в заготовку с ударом 138

и осуществляет резание в пределах определенного угла поворота фрезы, а затем вращается вхолостую до следующего врезания. Особенность фрезерования – периодичность и прерывистость процесса резания. Основные типы фрез. Слово фреза (fraise) в переводе с французского означает «земляника». Первые фрезы имели мелкие насеченные зубья и напоминали своим внешним видом землянику. Фрезы классифицируют: по назначению, форме зубьев и их направлению, конструкции, методу крепления. По конструкции их разделяют на цельные, напайные, наборные, с вставными зубьями (фрезерные головки). Схема горизонтально-фрезерного станка представлена на рис. 11.11. В станине 1 размещена коробка скоростей 2. По вертикальным направляющим станины перемещается консоль 6 с коробкой подач 7. Заготовка крепится на столе 4, который перемещается как в продольном, так в поперечном и вертикальном направлениях. На хоботе 3 закреплена подвеска 5, поддерживающая конец фрезерной оправки 8 Рис. 11.11. Схема горизонтальнофрезерного станка с закрепленной на ней фрезой 9. На фрезерных станках выполняют следующие работы (рис. 11.12): горизонтальные плоскости фрезеруют цилиндрическими фрезами 2; вертикальные – торцевыми фрезами 1; наклонные плоскости и скосы – одноугловыми фрезами 3; угловые и фасонные пазы – двухугловыми 4 и фасонными 5 дисковыми фрезами; уступы и прямоугольные пазы – дисковыми фрезами 6 и 7; фасонные поверхности – фасонными фрезами 8. Аналогичные работы выполняют на вертикально-фрезерных станках торцевыми 9 и концевыми 10 фрезами. 2

9 10

Рис. 11.12. Виды работ, выполняемых на фрезерном станке

139

11.5. Обработка на строгальных и долбежных станках

Строгальные и долбежные станки применяют в основном для тех же работ, что и фрезерные станки, т. е. для обработки плоскостей, различного вида пазов и фасонных линейчатых поверхностей. Особенность этих станков состоит в том, что движение резания у них возвратнопоступательное. На строгальных станках выполняются следующие виды работ: строгание горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостей (рис. 11.13, а) производят проходными и подрезными резцами; разрезные и прорезные работы (рис. 11.13, б) – отрезными резцами; строгание тавровых пазов (рис. 11.13, в) и пазов типа «ласточкин хвост» (рис. 11.13, г) – пазовыми резцами соответствующей конфигурации; строгание фасонных линейчатых поверхностей – фасонными или галтельными резцами по разметке (рис. 11.13, д).

S S

Рис. 11.13. Виды обработки поверхностей строганием: д

а – плоскостей; б – канавок; в – тавровых пазов; г – пазов типа «ласточкин хвост»; д – фасонных поверхностей

В поперечно-строгальных станках (см. рис. 11.14) возвратнопоступательное движение ползун 3 совершает по направляющим станины 4. На торце ползуна установлен суппорт 2, который вручную перемещается в вертикальной плоскости. Резцедержатель крепится на откидной планке 1, которая позволяет резцу отклоняться при обратном холостом ходе, что уменьшает его износ. На вертикальных направляющих станины установлена траверса 5, по которой в горизонтальной плоскости перемещается стол 6, осуществляя движение подачи. Продольно-строгальные станки. Этот тип станков служит для обработки крупногабаритных и тяжелых деталей. Широко распространены одно- и двухстоечные строгальные станки. В этих станках движение резания совершает стол с установленной на нем обрабатываемой деталью, а движение подачи сообщается суппортам с резцами. 140

В процессе долбления долбежный резец (долбяк) совершает возвратно- поступательное движение в вертикальной плоскости, обрабаты4 ваемая заготовка совершает движение подачи. Долблением обрабатывают глухие и сквозные фасонные отверстия, внутренние направляющие и шпоночные пазы, мно6 5 гошпоночные (шлицевые) отРис. 11.14. Схема строгального станка верстия. Операция долбления малопроизводительна, применяется в единичном, мелкосерийном производстве. Аналогичные технологические задачи в крупносерийном и массовом производстве решаются протягиванием. Протягивание осуществляется многолезвийным режущим инструментом (протяжкой) – длинным стержнем с режущими зубьями из высококачественной инструментальной стали. 1

11.6. Обработка на шлифовальных и отделочных станках

При шлифовании в качестве режущего инструмента используют абразивный круг, который состоит из большого количества острых и твердых абразивных зерен, связанных между собой специальной связкой. Шлифовальный круг можно рассматривать как фрезу с множеством мелких зубьев. Особенностью является высокая твердость зубьев (зерен), способность к самозатачиванию: затупившиеся зерна на поверхности круга выкрашиваются, в работу вступают новые зерна. Шлифование применяется для окончательной обработки деталей. Абразивные инструменты. К ним относят шлифовальные круги, бруски, шлифовальные головки, шкурки, порошки и пасты. Важнейшие абразивные инструменты – шлифовальные круги, которые различают по абразивным материалам, связке, зернистости, твердости, структуре, форме. Абразивными материалами называют неметаллические вещества, которые применяют для обработки конструкционных материалов. Абразивные материалы бывают природные (алмаз, корунд, кварц) и искусственные (синтетические алмазы, электрокорунд, карбид кремния). Они характеризуются зернистостью, твердостью, механической прочностью, абразивной способностью. Материалы делят на шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки и тонкие микропорошки. Зернистость шлифзерна и шлифпорошков определяют в сотых долях миллиметра, микропорошков – в микрометрах. Связка должна 141

прочно удерживать зерна в круге и обеспечивать выкрашивание затупившихся зерен, иначе круг затупится (засалится). Неорганическая связка бывает керамической, силикатной. Керамическую связку получают из глины, полевого шпата и талька. Она отличается высокой тепловой и химической стойкостью, обеспечивает высокую производительность при шлифовании и широко применяется. К органической связке относят: вулканитовую, бакелитовую и щеллаковую. Вулканитовые связки получают из каучука и серы при нагревании до температуры 170 °С. К ним относится так называемая эбонитовая связка, состоящая из 43 % каучука, 30 % серы и примесей. Круги на вулканитовой связке отличаются высокой упругостью и поэтому изготовляются толщиной до 1,5 мм. Бакелитовую связку получают из фенолальдегидных смол при соединении фенола с формалином. Она менее упруга, чем вулканитовая, но дешевле. Если связка прочно удерживает зерна, то круг считается твердым. Структура круга определяется его пористостью. Поры являются приемниками стружки и составляют до 50 % объема круга. Структура бывает плотной, среднеплотной и открытой. Зернистость круга выбирается в зависимости от требуемой шероховатости поверхности. Чем меньше должна быть шероховатость, тем более мелкозернистым должен быть шлифовальный круг. Однако с уменьшением зернистости круга падает и его производительность. Методы шлифования. Главным движением при шлифовании является вращение шлифовального круга, перемещение круга относительно детали является движением подачи. Различают следующие схемы шлифования: плоское, круглое, внутреннее. Плоское шлифование осуществляется периферией или торцом вращающегося шлифовального круга, заготовка совершает возвратно-поступательное движение. При круглом шлифовании, помимо возвратно-поступательного, заготовке также придается вращательное движение. Круглошлифовальные станки предназначены для обработки наружных цилиндрических, пологих конических и торцевых поверхностей. Они бывают стандартными, универсальными, специализированными. Плоскошлифовальные станки выпускают с прямоугольным или круглым столом. Последние применяют для непрерывного шлифования в условиях массового производства. Каждый из этих типов станков подразделяется на станки, работающие периферией или торцом круга. Заточные станки служат для заточки режущих инструментов. Их выпускают в виде точил, универсальных и специализированных заточных станков. Отделочные станки предназначены для окончательной обработки деталей с целью достижения высокой точности размеров или малой шероховатости поверхности. Их разделяют на полировальные, притирочные, хонинговальные и суперфинишные. 142

12. СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений различных материалов. Физическая сущность заключается в образовании связей между атомами соединяемых заготовок. Для возникновения связей необходимо: во-первых, сблизить соединяемые поверхности на короткое расстояние (порядка параметра кристаллической решетки); во-вторых, чтобы поверхностные атомы заготовок были достаточно активны (ослаблены их связи с атомами заготовки, разорваны связи с атомами внешней среды). Активизация состояния поверхности требует затрат энергии – тепловой (нагрева), механической (пластической деформации), радиации (облучения). Поверхностные атомы заготовок образуют общие кристаллические решетки – сварной шов. При термических методах сварки (электродуговой, электрошлаковой, газовой, электронно-лучевой, плазменной, термитной, лазерной и др.) происходит плавление кромок заготовок. При механических методах сварки (трением, взрывом, холодной, ультразвуковой сваркой и др.) соединение заготовок происходит путем пластической деформации соединяемых поверхностей при приложении внешних сил. При термомеханических методах (контактной, диффузионной, газопрессовой и др.) одновременно с приложением давления материал в зоне соединения нагревают для снижения сопротивления деформации и повышения пластичности. Термический класс сварки называют сваркой плавлением, а термомеханический и механический – сваркой давлением. 12.1. Сварка металлов плавлением Дуговая сварка. Электриче1 ская дуга горит между двумя электродами. Под действием тепла дуги 2 кромки деталей оплавляются и об4 3 4 разуется сварочная ванна (рис. 12.1). При перемещении дуги вдоль кромок деталей сварочная ванна затвердевает и образуется сварной Рис. 12.1. Схема дуговой сварки шов, соединяющий детали. Если одплавящимся электродом: ним из электродов является свари- 1 – электрод; 2 – электрическая дуга; 3 – сварочная ванна; ваемое изделие, то дуга называется 4 – соединяемые детали дугой прямого действия. Сварку производят на постоянном и переменном токах. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. Сварку производят неплавящимся (графитовым, вольфрамовым) и плавящимся (металлическим) электродом.

143

Ручная дуговая сварка выполняется сварочными электродами, которые вручную перемещают вдоль заготовки. Неплавящиеся электроды применяют для сварки цветных металлов, наплавки твердых сплавов, сварки деталей малой толщины на постоянном токе. Наибольшее применение имеет сварка покрытым электродом (рис. 12.2). Электрическая дуга 8 горит между металлическим стержнем 7 электрода и металлом 1. Расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. При плавлении покрытия электрода 6 образуется защитная газовая атмосфера 5 вокруг дуги 7 и шлаковая ванна 4 на поверхности металла. Металлическая и шлаковая ванны об6 разуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная 1 2 3 4 5 ванна затвердевает и форми8 руется сварной шов 3, жидкий 9 шлак образует сверху твердую корку 2. Метод применяется для сварки коротких, прерывистых швов и швов сложной конфигурации в труднодоступных местах в любом поло- Рис. 12.2. Схема сварки металлическим покрытым электродом жении: нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном. Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса. В канавку на стыке двух свариваемых заготовок насыпается гранулированный флюс. Механизированная сварочная головка 2 подает в сварочную зону непокрытую электродную проволоку 3; ток подводится через токопровод 1 (см. рис. 12.3). Электрическая дуга 10 горит между проволокой 3 и металлом 8. Столб дуги и ванна жидкого металла 9 закрыты слоем флюса 5 толщиной 30–50 мм. Часть флюса плавится, образуя жидкий шлак 4 на поверхности металла. При перемещении электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого шлаковой коркой 6. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление металла. Сварка производится со скоростью 6–30 м/ч. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса. Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению. Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые 144

получают путем сплавления мар2 ганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах. 1 Флюсы для сварки легированных 4 и высоколегированных сталей 5 должны обеспечивать минималь6 7 ное окисление легирующих эле8 ментов в шве. Применяют керамические низкокремнистые, без10 9 кремнистые и фторидные флюсы, Рис. 12.3. Схема автоматической которые изготавливают из порошдуговой сварки под слоем флюса кообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочноземельных металлов. Дуговая сварка в защитных газах. Расплавленный металл от взаимодействия с воздухом защищен струей инертного (аргон) или активного газа (углекислый газ). Сварку в инертных газах выполняют неплавящимся (вольфрам) и плавящимся электродами. Неплавящийся электрод применяется при сварке заготовок толщиной 0,2–6 мм. При необходимости для усиления сварного шва в дугу подается присадочная проволока. Аргонодуговую сварку применяют для сварки почти всех металлов и сплавов, в том числе таких химически активных, как титан, алюминий, магний, бериллий, цирконий и их сплавы. Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. Чтобы защитить жидкий металл от окисления кислородом используют проволоку с повышенным содержанием раскислителей – марганца и кремния. Это исключает проникновение азота воздуха в сварной шов и, следовательно, хрупкость металла. Применяется для сварки низкоуглеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей. Преимущество – низкая стоимость углекислого газа. Плазменная сварка и резка металлов. Источником тепла для нагрева и плавления металла является плазма – направленный поток электрически нейтральных (молекул газа) и заряженных частиц (электроны, положительные ионы). Плазму получают в горелках при пропускании холодного газа через электрическую дугу, которая сжимается за счет возрастания плотности тока в ее центральной части (общий ток дуги не меняется). Температура дуги увеличивается в несколько раз и может достигать 20000 °С. В качестве газов применяют углекислый газ, гелий и др. Через горелку подается также дополнительный газ (аргон), который обеспечивает защиту зоны плавки от контакта с воздухом. Плаз145

менной высокотемпературной струей можно производить сварку, резку, пайку, напыление, термообработку различных материалов и сплавов, обрабатывать неметаллические материалы (керамику, стекло). Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок. Электрошлаковая сварка. Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении (рис. 12.4). В зазор между заготовками и охлаждаемыми медными ползунами 4 засыпают флюс слоем 50–70 мм. При пропускании большого тока (до 1000 А) флюс расплавляется и образует между свариваемыми заготовками шлаковую ванну 5. Расплавленный флюс является электролитом и при прохождении через него тока выделяется много тепла. Температура в ванне достигает 2000 оС. Боковые поверхности свариваемых заготовок оплавляются, одновременно плавится электродная проволока 7, которая подается с помощью механизма подачи 6. Расплав стекает вниз и образует металлическую ванну 8. При затвердевании образуется сварной шов. В начале шва образуется непровар кромок, в конце – усадочная раковина. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой. Благодаря медленному охлаждению из металла удаляются газы и неметаллические включения, но образуется крупное зерно в шве и около него. Необходима термическая обработка для измельчения зерна. Этим способом сваривают стали разных марок, сплавы алюминия, магния и титана. Толщина стыков достигает 450 мм. Электрошлаковая сварка широко применяется в тяжелом машиностроении для изготовления различных конструкций: станин и деталей мощных Рис. 12.4. Схема прессов и станков, коленчатых валов суэлектрошлаковой сварки довых дизелей и т. п. Электронно-лучевая сварка. Свариваемые заготовки собираются без зазора и помещаются в вакуумную камеру. Место контакта облучают пучком электронов, ускоренных электрическим полем. При соударении электроны тормозятся, кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию: температура в месте соударения достигает 6000 °С. Это достаточно для плавления любых металлов при их сварке или тепловой обработке (резке, сверлении, испарении). Электронный луч легко управляется и позволяет с высокой точностью регулировать температуру. Сварной шов отличается высокой прочностью и чистотой. Способ применяют для сварки деталей из тугоплавких, химически активных 146

металлов и их сплавов (вольфрам, тантал, молибден), высоколегированных сталей. Толщина заготовок – от 0,02 до 100 мм. Лазерная сварка. Источником тепла является мощное (плотность энергии до 1010 Вт/см2), монохроматическое излучение лазера. Можно расплавить любые материалы. Малые размеры пятна лазерного луча (десятые доли миллиметра) позволяют получать соединения с минимальным расплавлением металла, что снижает напряжения и деформации в сварных конструкциях. Этот способ применяется при сварке цветных металлов, обычных углеродистых и низколегированных сталей, а также высокоуглеродистых сталей. Недостаток – низкий коэффициент преобразования светового излучения в тепло для нагрева. Термитная сварка. Нагрев и оплавление заготовок происходят за счет тепла термитов – порошкообразной горящей смеси из металлов и оксидов металлов. Обычно используется алюминиевый термит: 22 % алюминия и 78 % железной окалины (Fe2O3 и Fe3O4). Горение алюминия в окалине протекает с выделением большого количества тепла: 8Al + 3 Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + Q. Температура достигает 3000 oС. Расплавленный металл затекает в свариваемый стык и образуется сварное соединение. Алюминиевый термит применяется ограниченно (дефицит алюминия), в основном для сварки рельсовых стыков трамвайных путей, а магниевый термит – для сварки стальных проводов связи. Газовая сварка. При нагревании пламенем 4 газовой горелки 3 кромки заготовок 1 и присадочный материал 2 расплавляются (рис. 12.5). Этим способом 2 3 выполняют такие же виды сварных соединений, как и при электродуговой свар4 ке. Нагрев и охлаждение заготовки проис1 ходит плавно. Тепло образуется при сгорании горючих газов в атмосфере технического кислорода. Природный газ, водород, пары Рис. 12.5. Схема бензина или керосина применяются для газовой сварки кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени. Для газовой сварки используют ацетилен (C2H2), имеющий температуру сгорания 3300 °С. 12.2. Сварка металлов давлением

При всех способах сварки давлением происходит пластическая деформация в зоне соединения. Пластически деформировать можно 147

с нагревом и без него. Место соединения нагревают до расплавления или до пластичного состояния. Контактная сварка. Свариваемые заготовки нагреваются проходящим электрическим током небольшого напряжения (3–10 В) и большой силы (десятки кА). Место стыка обладает большим сопротивлением для прохождения тока (неровности поверхности, окисная пленка), и здесь выделяется максимальное количество тепла. При достижении необходимой температуры прикладывается давление. Контактную сварку делят на стыковую, точечную, шовную. При стыковой сварке соединение заготовок происходит по всей поверхности их соприкосновения. Заготовки 1 зажимают в колодках (зажимах) 2, подключенных к вторичной обмотке 3 сварочного трансформатора (рис. 12.6, а). Включается ток, в месте стыка торцы нагреваются. Ток отключается. Производится сдавливание нагретых заготовок – осадка. Заготовки свариваются. При стыковой сварке сопротивлением торцы заготовок тщательно обрабатывают, нагрев происходит до пластического состояния металла. Способ стыковой сварки оплавлением не требует предварительной обработки торцов. Прочность шва не уступает прочности основного металла. Сварка применяется для соединения ответственных деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов. Точечная сварка. Изделия свариваются в отдельных точках. Заготовки собирают внахлест и сдавливают между неподвижным и подвижным медными электродами, подключенными к вторичной обмотке сварочного трансформатора (рис. 12.6, б). Место контакта свариваемых заготовок нагревается: внутренние слои – до расплавления, внешние – до пластического состояния. После выключения тока и снятия давления образуется литая сварная точка. Прочность сварного соединения – высокая. Способ применяют в массовом производстве: сварка кузовов легковых автомобилей, сборка электрических схем. 1

Р 1 3

а б в Рис. 12.6. Схемы сварки: а – стыковой; б – точечной; в – шовной; 1 – свариваемое изделие; 2 – электроды; 3 – трансформатор; Р – усилие сжатия

148

Шовная (роликовая) сварка осуществляется по линии качения плоских роликов. Листовые заготовки собирают внахлест между двумя роликами – электродами, подключенными к вторичной обмотке трансформатора (см. рис. 12.6). При прохождении тока в месте соприкосновения выделяется тепло и происходит образование сплошного шва. Как при точечной сварке, внутренние слои нагреваются до расплавления. Сваривают: листы из низкоуглеродистой стали, латуни, бронзы, алюминиевые сплавы. Конденсаторная сварка – разновидность контактной сварки. Она бывает стыковой, точечной и шовной. При разрядке конденсатора накопленная энергия за короткое время преобразуется в тепло, которое используется при сварке деталей в основном небольшой толщины. Диффузионная сварка. Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают и нагревают в большинстве случаев в вакууме до температуры ниже температуры плавления (обычно до температуры рекристаллизации). Затем длительно выдерживают. При сварке происходит взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях. Плавление металла отсутствует; свойства после сварки изменяются незначительно, малы остаточные напряжения и деформации. Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород. Метод применяют для соединения материалов, которые обычными методами сварки соединить трудно или невозможно (сталей с ниобием, титаном, чугуном, вольфрамом; металлов со стеклом и графитом). Сварка трением. Заготовки соприкасаются друг с другом торцами, одной из них придается вращение. Механическая энергия трения превращается в тепло: заготовки нагреваются до пластического состояния. Вращение прекращают, и сдавливают заготовки. Возникают связи между атомами свариваемых поверхностей. Неровности и оксидные пленки разрушаются. Образуется сварное соединение. Сваркой трением обычно сваривают цилиндрические заготовки диаметром до 140 мм. Сварка взрывом. Одна из заготовок неподвижна и служит основанием. Вторая располагается под некоторым углом. На нее укладывают взрывчатое вещество. При взрыве образуется ударная волна и происходит соударение поверхностей заготовок. Процесс длится тысячные доли секунды. Кумулятивная струя разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки. В зоне соударения металл течет подобно жидкости, и образуется прочное соединение. Сваривают углеродистые и легированные стали, сплавы цветных металлов и другие материалы, которые трудно поддаются обычным способам сварки. Холодная сварка – способ сварки без нагрева, путем пластического деформирования металла в местах соединения. Металл заготовок должен быть достаточно пластичен при комнатной температуре (алю149

миний, медь, серебро, цинк, никель и их сплавы). Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения (проволоки и шин встык, сварка полых деталей по контуру). Индукционная сварка. При прохождении через индуктор переменного тока высокой частоты в металле наводятся вихревые токи, и он нагревается. Температура на поверхности выше по сравнению с внутренними слоями. При сдавливании заготовок происходит сварка. В зависимости от частоты тока нагрев может происходить как с оплавлением, так и без оплавления поверхностей. Этот способ применяют для сваривания шовных труб на непрерывных станах. Кузнечная (горновая) сварка. Нагретые в печах до 1300 °С полосы стали в волочильной оправке свертывают в трубу, происходит заварка продольного шва. Для очистки окисленной поверхности используют флюсы (бура, борная кислота). Разновидность кузнечной сварки – газопрессовая сварка: место сварки нагревается пламенем горелок, соединение происходит при сдавливании. Способ применяется при сварке магистральных газо- и нефтепроводов. Ультразвуковая сварка. В этом способе используется давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. Обезжиренные поверхности сжимают. Под действием ультразвуковых колебаний с частотой 15–70 кГц происходит трение одной поверхности о другую, выделяется тепло. Металл пластически деформируется, возникает сварное соединение. Этим способом соединяют листы фольги с металлом, сваривают пластмассы между собой и металлами. Типы сварных соединений. Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых заготовок (рис. 12.7).

а б в г Рис. 12.7. Основные типы сварных соединений: а – стыковое; б – внахлест; в – тавровое; г – угловое

12.3. Термическая резка и пайка металлов Резка металлов. Газокислородная резка основана на способности металлов сгорать в струе кислорода. Металл нагревается пламенем горючих газов (природный газ, ацетилен). Подается струя кислорода и металл горит – окисляется с выделением большого количества тепла; образующиеся жидкие оксиды с места реза выдуваются струей кислорода.

150

Ручную электродуговую резку применяют для грубой резки металлов. Она основана на расплавлении металла теплом электрической дуги и удалении его с места реза под действием силы тяжести и давления газов дуги. Разновидностью является воздушно-дуговая резка. При этом способе используют графитовые электроды, вдоль которых подается струя сжатого воздуха. Резку производят на постоянном токе. Пайка металлов – процесс получения неразъемного соединения заготовок с помощью специальных металлов и сплавов – припоев. При пайке металлов до плавления доводят только относительно легкоплавкий припой. Температура нагрева должна быть на 50–80 °С выше температуры плавления припоя. Соединение заготовок происходит вследствие взаимной диффузии атомов припоя и металла заготовок. При последующем охлаждении и кристаллизации расплава образуется прочное соединение заготовок. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения. Для обеспечения процесса диффузии необходима тщательная очистка соединяемых поверхностей. Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. Их подразделяют на мягкие (температура плавления ниже 400 °С) и твердые (600–1300 °С). К мягким припоям относятся сплавы легкоплавких металлов: висмута, индия, олова, цинка, свинца. Чаще всего используют сплавы олова и свинца. Например, припой оловянно-свинцовый ПОС–61 содержит 61 % олова и 39 % свинца. В производстве называется третником (примерно 1/3 свинца). Чаще применяются оловянно-цинковые припои: ПОЦ–90, ПОЦ–70 и др. К твердым припоям относят чистую медь и ее сплавы с цинком, никелем и благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Наиболее часто применяют медно-цинковые припои ПМЦ-42, ПМЦ–47, содержащие соответственно 42 и 47 % меди. При пайке деталей ответственного назначения применяют медно-серебряные припои – ПСр–10, ПСр–25, ПСр–72, содержащие соответственно 10, 25 и 72 % серебра (остальное – медь и цинк). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения. В качестве флюсов применяют канифоль, хлористый цинк или его смесь с хлористым аммонием и др. Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, в том числе инструментальные и коррозионно-стойкие, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, большинство цветных металлов, а также металлы с неметаллическими материалами.

151

13. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 13.1. Электрофизические способы Электроискровая обработка основана на использовании кратковременных искровых разрядов, возникающих между поверхностями заготовки (анодом) и инструмента (катодом). Метод основан на явлении электрической эрозии – разрушении металла под действием электрических искровых разрядов. На поверхности заготовки образуется лунка, а оторвавшиеся частицы охлаждаются и оседают. Процесс происходит в баке, заполненном маслом или керосином (рис. 13.1). Способ используют для прошивки отверстий любой формы в трудно обрабатываемых, но токопроводящих материалах. Точность размеров и шероховатость обработанной поверхности зависят от режима обработки.

1 2 3 4 5

Рис. 13.1. Схема электроискрового станка: 1 – инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – изолятор

Электроимпульсная обработка основана на использовании разрядов, возникающих между поверхностями инструмента и заготовки. Используется более продолжительный (1–10 мс) и мощный дуговой разряд, чем при электроискровой обработке. Способ применяют при обработке штампов, турбинных лопаток, ручьев в валах периодического проката, резцов, фрез и штампов из жаропрочных и твердых сплавов. Низкочастотная электроимпульсная обработка дает более грубую шероховатость поверхности, чем высокочастотная. Электроконтактная обработка. Способ заключается в электромеханическом разрушении обрабатываемого материала на воздухе без применения электролита. Инструментом является вращающийся чугун-

152

ный или медный диск. В местах контакта заготовки и инструмента возникают искровые разряды. Происходит локальный разогрев (или плавление) металла и его удаление механическим способом за счет возвратно-поступательного движения заготовки относительно диска. Эту обработку применяют для резки заготовок, обдирки отливок и слитков, заточки инструмента, плоского шлифования, прошивки отверстий. 13.2. Электрохимические способы Электрохимическая обработка металлов основана на растворении металла (анода) при пропускании через раствор электролита постоянного тока. Электрохимическое травление используют для очистки поверхности металлов и сплавов от загрязнений. В ванну, заполненную электролитом (растворы кислот, солей и щелочей), между электродамикатодами помещают заготовку (анод) и включают ток. Жировая пленка, ржавчина не могут удержаться на поверхности и удаляются под действием электрического тока. Для повышения эффективности процесса электролит подогревают до 70–80 °С. Электрохимическое полирование. Струя электролита протекает в зазоре между катодом и обрабатываемой поверхностью заготовки – анодом (рис. 13.2). Катод – пластинка из свинца, меди, стали. При прохождении тока происходит избирательное растворение выступов на поверхности, поскольку на их вершинах плотность тока наибольшая. Впадины между выступами заполняются продуктами растворения: окислами и солями металлов. Электрохимическое полирование и глянцевание используют как окончательную чистовую обработку при изготовлении режущих инструментов (сверл, фрез, калибров), зубьев, колес, клапанов и других деталей сложной конфигурации. 5 3 2 1

Рис. 13.2. Схема электрохимического полирования: 1 – ванна; 2 – заготовка; 3 – катод; 4 – электролит; 5 – микровыступ; 6 – продукты растворения

Размерная электрохимическая обработка характеризуется тем, что электролит прокачивается под давлением через небольшой зазор 153

между инструментом (катодом) и заготовкой (анодом). Инструменту придается форма, обратная форме заготовки. Образующиеся на поверхности заготовки продукты анодного растворения (соли) электролит растворяет и удаляет из зоны обработки. Этим методом достигается высокая точность и качество обработанной поверхности. Используется для формообразования лопаток паровых турбин, профильных валков, снятия заусенцев и сверления (прошивания) отверстий. Электроабразивная обработка применяется в основном для шлифования металлов и твердых сплавов. Инструментом служит шлифовальный круг, который изготовляется из абразивных материалов на токопроводящей связке. Между вращающимся кругом (катодом) и заготовкой (анодом) имеется зазор, в который подается электролит. Продукты анодного растворения удаляются абразивными зернами круга, как при механическом шлифовании. Электроалмазная обработка – разновидность предыдущего способа. Используют токопроводящие алмазные круги. Около 75 % припуска удаляется за счет анодного растворения, а 25 % – за счет механического шлифования. Электрохонингование. Этот способ качественно подобен процессу хонингования абразивными головками – получению отверстий высокой точности и малой шероховатости. Отличие состоит в следующем: обрабатываемая заготовка устанавливается в ванне с электролитом и подключается к аноду; хонинговальная металлическая головка оснащается не абразивными брусками, а брусками из дерева или пластмассы и подключается к катоду. Продукты анодного растворения удаляются брусками за счет вращательного и возвратно-поступательного движений головки. Иногда в электролит добавляют абразивные материалы. Поверхность заготовки приобретает металлический блеск. Анодно-дуговая обработка. Этот метод обработки сочетает в себе как электрофизические, так и электрохимические процессы. В качестве инструмента (катода) используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Заготовку (анод) обрабатывают в среде электролита (водный раствор жидкого натриевого стекла). При пропускании тока происходит анодное растворение – процесс, присущий электрохимической обработке. В точках контакта инструмента с неровностями поверхности заготовки возникает электроэрозия – процесс, присущий электроискровой обработке. Кроме того, металл в точках контакта разогревается, как это имеет место при электроконтактной обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются за счет относительных движений заготовки и инструмента. Этим методом обрабатывают все токопроводящие материалы, разрезают заготовки на части, прорезают пазы и щели, шлифуют и полируют поверхности. 154

Химические методы обработки. Химическая обработка основана на разрушении металлов путем травления в растворах кислот и щелочей. Перед травлением поверхности тщательно очищают. Поверхности, которые не подлежат травлению, защищают химически стойкими покрытиями (лаком, красками). Заготовки опускают в ванну с раствором кислоты или щелочи, в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Для увеличения скорости травления раствор подогревают до 40–80 °С. Потом заготовки вынимают, промывают и сушат. Снимают защитное покрытие. Химико-механическую обработку осуществляют с помощью паст или суспензий, которые наносят на поверхность заготовки. В результате химических реакций на поверхности появляется рыхлая масса, удаляемая абразивным инструментом. Обработку применяют для притирки, чистовой доводки и шлифования металлов и сплавов. Ультразвуковая обработка является разновидностью механической обработки материалов. Она основана на использовании явления магнитострикции – способности материала (сердечника) изменять геометрические размеры в переменном магнитном поле ультразвуковой частоты (20–30 кГц). При приложении поля поперечное сечение сердечника уменьшается, а длина увеличивается (объем остается неизменным). При снятии поля первоначальные размеры восстанавливаются. Ультразвуковые колебания сердечника передаются к жестко закрепленному на нем инструменту – вибратору, который опускают в абразивную суспензию (воду с абразивным материалом). Вибратор наносит удары по зернам абразивного материала (карбиды бора и кремния). Зерна ускоряются и ударяются о заготовку, скалывая с ее поверхности микрочастицы. Инструмент изготовляют из конструкционной стали. По форме и размерам он должен соответствовать профилю обрабатываемой поверхности заготовки. Ультразвуковую обработку применяют для прошивания отверстий, долбления полостей и других видов обработки заготовок из твердых и хрупких металлов. Лучевые методы обработки

Электронно-лучевая обработка. Место обработки облучают пучком электронов, ускоренных электрическим полем. При соударении электроны тормозятся, кинетическая энергия преобразуется в тепловую: температура достигает 6000 °С. Любой тугоплавкий материал плавится и испаряется на малой площади. Способ используют для получения отверстий, пазов малых размеров в трудно обрабатываемых материалах. Светолучевая (лазерная) обработка – разновидность тепловой обработки материалов. Источник тепла – излучение лазера. Любой материал можно обработать с помощью излучения лазера. Лазером осуществляются разрезка металла, получение очень малых отверстий и вы155

полнение других видов размерной обработки. Лазеры работают в импульсном режиме. Фокусировка лазерного луча позволяет уменьшить площадь обрабатываемой поверхности до 0,01 мм. Недостаток – низкий коэффициент преобразования светового излучения в тепловую энергию. Плазменная обработка. Способ качественно подобен методу плазменной сварки. Источник тепла – плазма – направленный поток электрически нейтральных и заряженных частиц. Плазму получают в горелках при пропускании газа (углекислый газ, гелий и др.) через электрическую дугу. Температура достигает 20000 °С. Плазменной струей можно производить обработку различных материалов и сплавов, обрабатывать неметаллические материалы (керамику, стекло), прошивать отверстия, разрезать заготовки и вырезать их из листового материала и т. д.

156

14. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 14.1. Выбор материала

Правильный выбор материала для изготовления изделия является важной задачей и проводится с учетом ряда критериев, которые определяются как физическими, химическими и механическими свойствами самого материала, так и эксплуатационными и технологическими требованиями к выпускаемой продукции. Когда имеются варианты, то определяющую роль при выборе играет цена материала. Но выбор дешевого материала не всегда будет оптимальным. Эксплуатационные требования характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. Приборы, оборудование, конструкции работают в условиях воздействия низких или высоких температур, динамических, статических и циклических нагрузок, агрессивных сред и т. п. Выбор следует начинать с анализа номенклатуры с целью поиска материалов с необходимым сочетанием эксплуатационных параметров. Надежность работы отдельных элементов оборудования и конструкций во многом определяется способностью конкретных материалов сопротивляться износу и разрушению, которые и являются в большинстве случаев причиной сокращения срока службы изделия. Поэтому при выборе следует руководствоваться не только анализом механических свойств отдельных материалов, но и стендовыми испытаниями приборов и конструкций при требуемых условиях эксплуатации. В процессе эксплуатации изделия длительное воздействие знакопеременных нагрузок приводит к накоплению механических повреждений, которые могут явиться причиной разрушения. Однако повышение сопротивления деталей оборудования и конструкций хрупкому или вязкому разрушению ограничено пределом прочности конкретного материала. Использование более прочного материала дает возможность повысить не только срок службы, но и увеличить мощность и производительность оборудования, изготовленного из таких материалов. Не только прочность материала, но и качество обработки изделия существенно влияет на срок его службы, поскольку развитие усталостных трещин чаще всего происходит на неровностях его поверхности как концентраторов напряжений. Наличие на поверхности напряжений сжатия, как следствие упрочняющей обработки, может предупредить образование 157

трещин и значительно продлить срок службы изделия. Кроме того, любая упрочняющая обработка способствует увеличению сопротивления материала износу, а также коррозии, продлевая тем самым срок службы изделия. Технологические требования характеризуют способность материала быть обработанным тем или иным способом. Материал должен удовлетворять минимальной трудоемкости изготовления изделия, т. е. обладать хорошей обрабатываемостью давлением, резанием и т. д. Применение более технологичного материала позволяет применить более экономичные методы изготовления и обработки: себестоимость изготовления изделия ниже, меньше брака и отходов. Экономические требования. Качественный материал является дорогостоящим. Правильный выбор материала должен учитывать как экономический эффект от повышения качества, так и увеличение цены материала. Необходимо проводить сравнительный расчет экономической эффективности применения различных материалов. По их результатам делают окончательный выбор. Если увеличение цены перекрывается полученным экономическим эффектом, то применение дорогостоящего материала целесообразно. Например, хромоникелевые стали являются коррозионностойкими, но эксплуатация при высоких температурах (450–850 °С) приводит к развитию в них межкристаллитной коррозии. Для ее уменьшения в сталь дополнительно вводят легирующий элемент титан и снижают содержание углерода. Такая сталь стоит дороже, но ее использование окупается более длительным сроком службы. Широкое внедрение пластмасс в машино- и приборостроение обусловлено их ценными специфическими свойствами, которые делают их незаменимыми, но одновременно не позволяют конкурировать с металлическими материалами. Если применение пластмасс технически оправдано, то оно экономически эффективно. Благодаря малой плотности пластмассы резко снижается масса изделий. Вследствие хорошей технологичности производство пластмассовых изделий обходится дешевле, чем металлических. Применение пластмасс в машинах и оборудовании приводит к уменьшению затрат на смазку, ремонт; повышению надежности; увеличению срока службы и т. д. Себестоимость пластмассовых изделий в 2–3 раза ниже. 14.2. Основные направления экономии материалов

Стоимость материалов составляет 40–70 % от всех затрат на изготовление готовой продукции. Экономия материалов – важнейший резерв снижения себестоимости. Необходимо учитывать, что природные 158

запасы сырья для производства материалов (руды для металлов и сплавов, нефти и газа для полимерных материалов и др.) ограничены. Много материалов теряется в виде отходов в процессе производства. В России, вследствие устаревших методов разливки, из тонны литого металла получается 750 кг проката. В машиностроении из тонны проката 250 кг уходит в отходы. Эти потери материала ложатся на себестоимость конечного продукта. Коэффициент выхода годных заготовок – отношение массы полученных заготовок к общей массе затраченного на их изготовление материала. При литье в песчаные формы выход годных отливок из чугуна составляет 0,7–0,8. При разливке стали коэффициент равен 0,4–0,7, но повышается при использовании специальных способов литья. Например, для простых отливок, полученных центробежным литьем, из-за отсутствия литников он доходит до 1,0. Для сложных отливок, полученных литьем в кокиль, составляет 0,7–0,9. Выход сортового проката – 0,91–0,96, листового – 0,6–0,8, выход годных труб – 0,85–0,95. При прессовании выход годных изделий составляет 0,8. Коэффициент использования материала – отношение масс готового изделия и заготовки. Для профильного проката он составляет 0,8, прутков – 0,5, горячей штамповки – 0,75 и свободной ковки – 0,6. Более высокий коэффициент характерен для литейного производства: для литья в песчаные формы – 0,75, литья в кокиль – 0,8, в оболочковые формы – 0,8, литья по выплавляемым моделям – 0,9 и литья под давлением – 0,95. Очень высок коэффициент использования материала при изготовлении изделий из металлических порошков и пластмасс. Таким образом, главная экономия материала в процессе производства может быть получена за счет использования современных малоотходных и безотходных технологий: непрерывной разливки стали, малоотходных методов штамповки, специальных способов литья, методов порошковой металлургии. Использование вторичных ресурсов – важное направление экономии материалов. Это и экологическая задача, так как скопление отходов наносит вред окружающей среде. Переработка отходов не всегда технически выполнима и экономически рентабельна. Использование металлолома в производстве металлов и сплавов не вызывает технических трудностей и экономически выгодно. С экологической точки зрения важна переработка шлаков, находящихся в отвалах. Переработка пластмасс вызывает большие проблемы. Экологическая проблема состоит в том, что полимеры разлагаются очень медленно или не разлагаются совсем. Их сжигание вызывает загрязнение атмосферы. Термореактивные пластмассы не поддаются переработке. Причем каждый вид пластмасс требует своего способа переработки. Возни159

кает необходимость сортировки, что практически неосуществимо: распознать тип пластмассы трудно. Решение проблемы – использование измельченных отходов пластмасс в качестве наполнителя при производстве строительных материалов и дорожных покрытий. Не вызывает трудностей вторичная переработка стекла и резины. Защита от коррозии – важное направление экономии металлических материалов. Ежегодно потери от коррозии достигают 10 % от общей массы выплавляемого металла. Например, применение коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей обходится в 4–8 раз дороже, чем обыкновенных углеродистых. Поэтому в каждом конкретном случае надо искать и применять соответствующий метод защиты от коррозии (гальванические покрытия, протекторная защита). Борьба с износом – один из путей экономии материалов. Решение проблемы заключается в использовании износостойких и антифрикционных материалов (металлических и неметаллических); в правильном применении смазочных материалов; повышении износостойкости термической, химико-термической обработкой и поверхностным деформированием; наплавке на поверхность изделия износостойкого слоя; нанесении износостойких покрытий. Способы снижения материалоемкости изделий: рациональное конструирование и расчет с использованием компьютера; правильный выбор материала; использование новых производственных технологий; увеличение единичной мощности машин и оборудования.

160

ЛИТЕРАТУРА 1. Ржевская С. В. Материаловедение: учебник для вузов. – М. : ЛОГОС, 2004. – 424 с. 2. Колесов С. Н., Колесов И. С. Металловедение и технология конструкционных материалов. – М. : Высш. шк., 2004. – 519 с. 3. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение: учебник для вузов. – СПб. : Химиздат, 2004. – 736 с. 4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. – М. : Машиностроение, 1990. – 528 с. 5. Арзамасов Б. Н. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. – М. : Машиностроение, 1986. – 384 с. 6. Гуляев А. П. Металловедение: учебник для вузов. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с. 7. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А. М. Дальский, Т. М. Барсукова, Л. Н. Бухаркин и др.; под. ред. А. М. Дальского. – М. : Машиностроение, 2002. – 512 с. 8. Интернет: http://lalls.narod.ru/Literatura/index.htm 9. Интернет: http://supermetalloved.narod.ru/

161

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................ 3 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ......................................................... 4

1.1. Понятие о материалах...................................................................................4 1.2. Рождение материала .....................................................................................5 1.3. Кристаллическое строение материалов ......................................................6 1.4. Кристаллизация металлов ..........................................................................10 1.5. Деформация и разрушение металлов........................................................14 1.6. Свойства металлов и методы их испытаний ............................................16 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ ....................................................... 24

2.1. Строение сплавов........................................................................................24 2.2. Диаграммы состояния сплавов ..................................................................26 2.3. Закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от вида диаграммы состояния (правила Н. С. Курнакова) ....................35 2.4. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов ..............................36 2.5. Углеродистые стали....................................................................................40 2.6. Чугуны..........................................................................................................43 3. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ .................................... 47

3.1. Виды термической обработки металлов...................................................47 3.2. Превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении .........48 3.3. Механизмы основных превращений.........................................................49 3.4. Отжиг и нормализация ...............................................................................53 3.5. Закалка и отпуск..........................................................................................55 4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ............................ 59

4.1. Упрочнение методом пластической деформации....................................59 4.2. Упрочнение методом поверхностной закалки .........................................60 4.3. Химико-термическая обработка................................................................61 5. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ..................................................................................... 66

5.1. Маркировка легированных сталей ............................................................67 5.2. Классификация легированных сталей ......................................................67 6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ..................................................................... 71

6.1. Титан и его сплавы......................................................................................71 6.2. Алюминий и его сплавы.............................................................................73 6.3. Магний и его сплавы ..................................................................................78 6.4. Медь и ее сплавы ........................................................................................79 6.5. Другие цветные металлы и сплавы ...........................................................82

162

7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............... 86

7.1. Полимеры.....................................................................................................86 7.2. Пластмассы..................................................................................................88 7.3. Композиционные материалы .....................................................................90 8. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ..................................................... 100

8.1. Основные сведения о производстве чугуна ...........................................100 8.2. Производство стали ..................................................................................104 8.3. Разливка стали...........................................................................................109 9. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО............................................................................ 112

9.1. Литейные свойства сплавов .....................................................................112 9.2. Литье в песчаные формы..........................................................................113 9.3. Плавка сплавов..........................................................................................115 9.4. Специальные методы литья .....................................................................116 9.5. Сплавы для изготовления отливок..........................................................120 10. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ...................................................... 122

10.1. Прокатка...................................................................................................124 10.2. Волочение и прессование.......................................................................126 10.3. Ковка ........................................................................................................127 10.4. Штамповка...............................................................................................128 11. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ .......................................................... 131

11.1. Основы резания металлов ......................................................................131 11.2. Обработка на токарных станках ............................................................136 11.3. Обработка на сверлильных станках ......................................................137 11.4. Обработка на фрезерных станках..........................................................138 11.5. Обработка на строгальных и долбежных станках ...............................140 11.6. Обработка на шлифовальных и отделочных станках .........................141 12. СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА ................................................................................ 143

12.1. Сварка металлов плавлением.................................................................143 12.2. Сварка металлов давлением...................................................................147 12.3. Термическая резка и пайка металлов....................................................150 13. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ............................................................................ 152

13.1. Электрофизические способы .................................................................152 13.2. Электрохимические способы.................................................................153 14. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ......................... 157

14.1. Выбор материала.....................................................................................157 14.2. Основные направления экономии материалов ....................................158 ЛИТЕРАТУРА .............................................................................................................. 161

163

Евгений Петрович Чинков Андрей Геннадьевич Багинский МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Редактор Н. Т. Синельникова

Подписано к печати. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Плоская печать. Усл. печ. л. 9,53. Уч. -изд. л. 8,63. Тираж экз. Заказ . Цена свободная. Издательство ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30.

164