Технология конструкционных материалов

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.

2

УДК 620.22 Ч – 63

Ч – 63

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

В учебном пособии в краткой форме изложены законо-мерности формирования структуры и свойств материалов, ис-пользуемых в машиностроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам теории и технологии термической обработки металлических материалов. Изложены основы тех-нологии литейного производства, обработки давлением, свар-ки, механической обработки.

Пособие подготовлено на кафедре материаловедения и технологии металлов, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов немашиностроительных специ-альностей 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».

© Томский политехнический университет, 2007



3

ВВЕДЕНИЕ

Получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства, уровень развития кото-рого 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 неметалличе-ских материалов и о возможности изменения этих свойств через упроч-няющую или разупрочняющую обработку для целенаправленного ис-пользования 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, надеж-ность и долговечность, инженер должен иметь представление о воз-можности формирования необходимых свойств современных материа-лов, уметь ориентироваться во множестве вариантов и владеть основами знаний, необходимых при выборе материала для конкретных деталей и изделий. Кроме того, инженер должен знать возможности прогнозиро-вания необходимых свойств используемых материалов и изготавливае-мых из них деталей и изделий.

Технология конструкционных материалов – совокупность зна-ний о современных прогрессивных методах обработки конструкцион-ных материалов пластическим деформированием, литьем, сваркой, ре-занием и другими способами формообразования, применяемыми для из-готовления заготовок и деталей машин заданной конфигурации и раз-меров, 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 обработ-ки заготовок и деталей машин, области их рационального применения, принципиальные схемы типового технологического оборудования. Кроме того, инженер должен уметь правильно выбрать метод изготов-ления заготовок и деталей машин в зависимости от условий эксплуата-ции, выполнить сравнительный анализ различных вариантов технологи-ческого процесса.



4

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, на-значению и т. д.

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготов-ляются детали машин, конструкций, сооружений, работающих под на-грузкой. Конструкционные материалы делятся на классы: по природе – на металлические, неметаллические и композиционные; по технологи-ческому признаку – на деформированные (прокат, поковки, штамповки), литые, спекаемые, формуемые, свариваемые; по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно- и износостойкие; по прочности – на материалы малой, средней и высо-кой прочности.

Металлические материалы классифицируются: по системам сплавов – на алюминиевые, титановые, медные, никелевые, вольфрамо-вые, на железной основе и др.; по типу упрочнения – на закаливаемые, улучшаемые, цементуемые, азотируемые и др.; по структурному со-ставу – на однофазные, многофазные и др. К этим материалам относят-ся 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, сереб-ро, платина. Редкоземельные металлы – лантан, неодим и др.

Неметаллические материалы подразделяют по изомерному со-ставу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотан-ные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элемен-тов) и по характеру их размещения и ориентации. Пластмассы – мате-риалы 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 количе-ства металла – связки. Стекло представляет собой систему, состоящую из окислов различных элементов. Резина – материал на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других эле-ментов. Древесина – сложная органическая ткань древесных растений.



5

Композиционные материалы – металлические и неметалличе-ские матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.). Они подразделяются на волокни-стые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристал-лами, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперс-ных частиц упрочнителей, и слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

1.2. Рождение материала

Рождение любого материала происходит в направлении усложне-ния (рис. 1.1) и отражает определенные уровни его строения. Все веще-ства состоят из атомов и молекул. Атом имеет сложную структуру и со-стоит из ядра и электронов. Силы, связывающие электроны и атомные ядра в атомах, атомы в молекулах, имеют электромагнитную природу.

Плазменное

Атом

Молекула

Вещество (компонент)

Простые (сумма атомов одного элемента)

Сложные (сумма атомов разных элементов)

Газообразное (беспорядочное)

Жидкое (ближний порядок)

Твердое (ближний или

дальний порядок)

Компоненты

Фазы

Система (совокупность двух и более фаз)

Рис. 1.1. Схема рождения материала

Агрегатное состояние вещества в зависимости от давления и температуры



6

Движущими силами объединения частиц вещества (твердого, жидкого, газообразного) являются силы взаимного притяжения и оттал-кивания. 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 (диспергиро-вании) вещества процесс идет в обратном направлении и сопровождает-ся поглощением энергии.

Любой материал есть сложная физико-химическая система. В ме-талловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения. Ком-поненты – минимальное число химически различимых веществ, обра-зующих систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения. Фаза – совокупность однородных частей системы, отделенных от других частей поверхностью раздела, при пе-реходе 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 кри-сталлическими, аморфными или квазикристаллическими. У кристалли-ческих 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 периодиче-ской атомной (или молекулярной) структурой и имеющие форму пра-вильных симметричных многогранников. В зависимости от типа хими-ческой связи кристаллы подразделяются на ионные, ковалентные, ме-таллические и молекулярные. Ионная связь возникает в результате пол-ного обмена валентными электронами, а ковалентная – частичного. Си-лы Ван-дер-Ваальса возникают без обмена зарядами. Металлическая связь по физической природе является ковалентной, но при этом обоб-ществляется множество электронов.

Кристаллическая структура (см. рис. 1.2) – периодически по-вторяющаяся в пространстве элементарная часть кристаллической ре-шетки (элементарная ячейка). С каждой точкой этой ячейки связана не-которая группа атомов, которая называется базисом. Базис повторяется



7

в пространстве и образует кри-сталлическую структуру. Пара-метры элементарной ячейки и ос-новные характеристики: a, b, c – (параметры) периоды решетки – расстояние между центрами бли-жайших атомов; углы между ося-ми – α, β, γ; координационное чис-ло – количество атомов, располо-женных на ближайшем одинако-вом расстоянии от любого атома; базис решетки – количество ато-мов в элементарной ячейке; плот-ность упаковки – отношение объ-ема, 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°

γ

Рис. 1.2. Кристаллическая структура

x

z

y

a

b

c



8

Рис. 1.5. Краевая (а) и винтовая (б) дислокации

а б

В металлах отсутствуют ярко выраженные направленные связи, т. к. валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Это и опреде-ляет высокую симметрию и компактность структур большинства метал-лических кристаллов. Наиболее распространены следующие структуры.

Гранецентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах куба и центре каждой грани. Решетку имеют медь, алюми-ний, 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, чере-дуясь через грань, в центрах боковых граней. Решетку имеют цинк, маг-ний, кадмий, бериллий.

Тетрагональная решетка бывает объемно- и гранецентрирован-ной. Решетку имеют индий и радий.

У некоторых металлов (железо, титан) кристаллическая решетка меняется при изменении температуры – явление полиморфизма.

Дефекты кристаллического строения. В кристаллах всегда име-ются 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 сво-бодное пространство между атомами решетки основы. Атомы замещения – замещение атомов в узлах решетки чу-жими атомами. Около дефектов всегда возникают локальные искажения ре-шетки (рис. 1.4).

Линейные дефекты. Краевая дислокация – лишняя атомная полу-плоскость, которая вставлена в какой-то части кристалла (рис. 1.5, а). Винто-вая дислокация (рис. 1.5, б) может быть получена при помощи сдвигаю-щего напряжения (τ). Такой сдвиг на-рушает параллельность атомных сло-ев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту. Винтовая дислокация может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и атомы к винтовой дисло-кации не стекают.

а б

Рис. 1.4. Вакансия (а) и атом (б) в междоузлии



9

Дислокационная структура материала характеризуется плотно-стью дислокаций (ρ) – суммарной длиной дислокаций в 1 см3 материа-ла, 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). Прочность монокристаллов, ни-тевидных кристаллов или «усов» (14000 МПа) близка к теоретической прочности (об-ласть 2 на рис. 1.6). Реальная прочность металлов (область 4 на рис. 1.6) значительно ниже теоретической. Например, проч-ность чистых отожженных ме-таллов (область 3) составляет 250–300 МПа при плотности дислокаций 106–108 см-2, а после холодной деформации увеличи-вается до 1000–1500 МПа (об-

ласть 5 на рис. 1.6) при плотности дислокаций до 1011 см-2, что соответ-ствует примерно 106 км дислокаций в 1 см3.

Пути повышения прочности: создание материала с идеальной кристаллической решеткой либо с большим числом дислокаций. Реали-зация первого пути представляет большие трудности. Дислокационное упрочнение материала осуществляют пластическим деформированием, термической обработкой и т. д.

Поверхностные и объемные дефекты – границы зерен, фрагмен-тов 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 больше-угловая 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.

Рис. 1.6. Влияние плотности дислокаций на прочность материала

ρ, см-2

1

2

σ

, МПа

5

3 4



10

1.4. Кристаллизация металлов

Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения атомов (ионов), электронов, энергии упругих искажений кристаллической решет-ки 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 – темпера-тура; S – энтропия. Чем больше свободная энергия, тем менее устойчива система. Любое вещество может находиться в твердом, жидком или га-зообразном агрегатных состояниях. Переход в новое состояние возмо-жен, если оно является более устойчивым и обладает меньшим запасом свободной энергии.

Кристаллизация – процесс образования участков кристалличе-ской решетки (центров кристаллизации) в жидкой фазе и рост кристал-лов из этих центров. Кристаллизация протекает, когда система перехо-дит к термодинамически более устойчивому твердому состоянию.

С ростом температуры свободная энергия металла, как в жидком, так и твердом состояниях, уменьшается, но закон изменения оказывает-ся различным (см. рис. 1.8). Выше температуры Ттеор, называемой тео-ретической температурой кристаллизации, металл находится в жид-

межзеренная зерно 1 граница зерно 2

Рис. 1.7. Схема строения границы между зернами: а – малоугловая; б – большеугловая;

β – угол разориентации между соседними зернами

а б

β



11

ком состоянии, ниже – твердом. При температуре Ттеор свободные энер-гии жидкой и твердой фаз одинаковы (Fж = Fт), изменения энергии не происходит (ΔF = 0), обе фазы сосуществуют одновременно. Темпера-тура Тпр, при которой практически начинается кристаллизация, называ-ется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение распла-ва 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) охлажде-ние расплава сопровождается понижением температуры. Кристаллиза-ция металла на участке 1–2 сопровождается выделением тепла, которое называют скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рас-сеивание теплоты в пространство, и температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снижается, ме-талл охлаждается в твердом состоянии.

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 способно-го к росту зародыша называется критическим, а зародыш – устойчи-вым. Зародыши образуются независимо друг от друга в случайных мес-тах. Сначала кристаллы имеют правильную форму (см. рис. 1.10, б, в).

Рис. 1.8. Изменение свободной энергии Рис. 1.9. Кривая охлаждения в зависимости от температуры чистого металла

ΔТ

ΔF Ттеор

Тпр

Температура, Т Время, t

Свободная

энергия

, F

Кристалл

Жидкость Т

ΔТ

1 2

Ттеор

Тпр



12

При столкновении и срастании с другими кристаллами форма наруша-ется, рост продолжается в направлениях, где есть доступ жидкого ме-талла (рис. 1.10, г, д).

Число центров кристаллизации (ч.ц.), скорость кристаллизации (с.к.) зависят от степени переохлаждения (рис. 1.11). При равновесной темпе-ратуре 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 зер-но (много центров кристаллизации, скорость роста небольшая). Если расплав сильно переохладить (число центров кристаллизации и ско-рость роста кристаллов равны нулю), то образуется аморфное тело.

Рис. 1.10. Модель процесса кристаллизации

а б в

г д е

Т1 Т2

Скорость кристаллизации

Чи

сло центров

ч.ц. с.к.

Ттеор Степень переохлаждения

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



13

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) называ-ется модифицированием. Нерастворимые модификаторы служат допол-нительными центрами кристаллизации. Растворимые осаждаются на по-верхности растущих кристаллов и также препятствуют их дальнейшему росту. В качестве модификаторов для стали используют алюминий, ти-тан и ванадий, а для чугуна – магний, церий.

Строение металлического слитка. Сначала на поверхности ме-талла образуется тонкая корка (рис. 1.12, а). Кристаллизация в этой зоне происходит в условиях максимального переохлаждения. Образуется большое количество зародышей и сплав имеет мелкозернистую струк-туру с произвольно ориентированными кристаллами.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях мень-шего 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 второ-го порядка. На них, в свою очередь, оси третьего порядка и т. д. Так об-разуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 1.12, б). Дендриты образуют зону столбчатых кристаллов. Поскольку сначала кристаллизу-ется центральная часть дендритов (оси первого порядка), то она обога-щена тугоплавкими компонентами. Периферийная часть дендритов бу-дет обогащена легкоплавкими компонентами. Вследствие неравномер-ной кристаллизации дендритов возникает неоднородность химического состава сплава, которая называется внутрикристаллической (или денд-ритной) ликвацией.

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

б

1

2

3

а

4



14

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 запол-нения 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 еди-ницу площади сечения детали. Напряжения и вызываемые ими дефор-мации возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжа-тия и т. д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в метал-лах и связанных с изменением объема.

При упругой деформации происходят небольшие смещения ато-мов 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. С ростом нагрузки начи-нается пластическая де-формация, которая оста-ется при снятии нагруз-ки. Величина деформа-ции растет с увеличени-ем нагрузки и ее про-должительности. При на-коплении деформации металл теряет способ-ность к дальнейшему де-формированию. При дальнейшем возрастании нагрузки металл разру-шается (рис. 1.13, в).

Рис. 1.13. Схема разрушения путем отрыва: а – идеальная решетка; б – упругая деформация;

в – хрупкое разрушение (отрыв)

τ

τ а б в



15

Дислокационный механизм пластической деформации осуще-ствляется при движении дислокаций под действием напряжения в опре-деленных кристаллографических плоскостях (рис. 1.14) и зависит от особенностей структуры металла, скорости приложения нагрузки, тем-пературы. При приложении к кристаллу сдвигающего напряжения (τ) краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатом-ных 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.

Если металл претерпевает перед разрушением не только упругую,

но и значительную пластическую деформацию (иногда до 30 %), то го-ворят 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 вяз-кое, и хрупкое разрушение, а разделение проводится условно по преоб-ладанию того или иного вида разрушения.

Сопротивление деформации, т. е. прочностные свойства металла, зависят от величины сил межатомных связей в кристаллической решет-ке и препятствий – барьеров, которые приходится преодолевать движу-щимся дислокациям. Основные механизмы торможения дислокаций – пути упрочнения материала.

Упрочнение за счет торможения дислокаций точечными дефек-тами решетки (упрочнение твердым раствором). Эффективность ме-ханизма торможения дислокаций зависит от количества в материале то-чечных дефектов (собственных и примесных). Около этих дефектов все-гда возникают локальные искажения решетки: чем они больше, тем вы-ше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций. В реаль-ном металле имеется большое количество дислокаций, расположенных

Рис. 1.14. Дислокационный механизм пластической деформации

τ а б в г д



16

в разных плоскостях («лес» дислокаций). Среди них могут быть мало-подвижные и неподвижные дислокации, скопления дислокаций. При пластической деформации движущимся дислокациям приходится пре-одолевать расположенные на их пути дислокации «леса». Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными части-цами. В структуре сплавов могут находиться дисперсные (очень мелкие) частицы какой-либо фазы: карбиды (Fe3C, Сr7С3, TiC, Fe3W3C и др.), интер-металлические 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 дисперс-ных частиц: перерезание (прохождение через частицы) и прохождение ме-жду ними.

Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков. На этих границах скапливаются дефекты решет-ки. Дислокации не могут переходить через границу в другое зерно и на-чинают 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 ма-териала, определяющая его общность или различие с другими материа-лами. Механические свойства определяют поведение материала при де-формации и разрушении при действии внешних нагрузок. В зависимо-сти от условий нагружения механические свойства могут определяться при статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамиче-ском (ударный характер нагрузки) и циклическом нагружении (нагрузка многократно меняется по величине и направлению).

Испытания на растяжение. При испытании металлов на растя-жение (см. рис. 1.15) получают характеристики прочности и пластично-сти (ГОСТ 1497–84). Прочность – способность материала сопротив-ляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность ма-териала к пластической деформации, т. е. способность получать оста-точное изменение формы и размеров без разрушения.

Деформацию растяжения можно охарактеризовать абсолютным удлинением или абсолютной деформацией Δl, равной разности длин об-разца после растяжения lk и до него l0: Δl = lk – l0. Отношение абсолют-



17

ной деформации Δl к начальной длине образца l0 называют относи-

тельной деформацией: 0

σl

lΔ= .

В процессе испытания регистрируется первичная диаграмма рас-тяжения в координатах «нагрузка (P) – абсолютная деформация (Δl)». Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, испытания про-водят на стандартных образцах (ГОСТ 1497–84), имеющих в попереч-ном сечении форму круга или прямоугольника. Результаты пересчиты-вают на относительные величины: прикладываемую нагрузку – в меха-

ническое напряжение (0

σFP

= ); абсолютную деформацию – в относи-

тельную, где F0 – площадь поперечного сечения образца до деформа-ции. За единицу механического напряжения в системе СИ принята еди-ница паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м2. По результатам испытаний строят диа-граммы растяжения, характеризующие поведение металла при дефор-мировании от начала нагружения до разрушения. На диаграмме растя-жения (см. рис. 1.15) выделяют следующие участки деформации: упру-гой до нагрузки Pупр; равномерной пластической от Pупр до Pmax; сосре-доточенной пластической от Pmax до Pк. Тангенс угла наклона прямоли-нейного участка к оси абсцисс характеризует модуль упругости Юнга

(Е): εσ

=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 на-клепа). Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хо-тя 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 умень-шение 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 делени-ем 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).



18

Теоретический предел упругости σупр – максимальное напряжение

(Pупр), до которого образец получает только упругую деформацию. Оп-ределить его трудно, поэтому используют условный предел упругости – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005–0,05 % от на-чальной длины образца, которую указывают в обозначении.

Предел текучести характеризует сопротивление материала не-большим пластическим деформациям. Физический предел текучести – напряжение (Рт), при котором происходит увеличение деформации об-разца при постоянной нагрузке. Его определяют, когда на диаграмме растяжения имеется площадка текучести. У большинства сплавов пло-щадки текучести на диаграммах нет. Условный предел текучести – на-пряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 %, его обозначают σ0,2. Выбранная деформация 0,2 % довольно точно характе-ризует 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 темпера-туре различают три класса материалов по прочности (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Классификация сплавов по прочности

σ0,2, МПа Класс материалов Fe – сплавы (стали) Al – сплавы Ti – cплавы

Низкой прочности Средней прочности Высокой прочности

650 650–1300 1300–1400

200 200–400 400

400 400–800 800

Рис. 1.15. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов:

штриховая линия – диаграмма истинных напряжений

а б в

Р σ

Δl ε ε

σ



19

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напря-жение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает

образец до разрушения: 0

maxвσ F

Р= .

Пластичность материала характеризуется относительным удли-нением δ и относительным сужением ψ:

%100δ0

0 ⋅−

=l

llk и %100ψ0

0 ⋅−

=F

FF k ,

где Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Принято счи-тать металл «надежным» при δ ≥ 15 % и ψ ≥ 45 %.

Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возни-кают растягивающие и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб – более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испыты-вают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания прово-дят 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 спла-вов 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 по-верхность 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. Диа-метр шарика (D = 2,5; 5; 10 мм) и величину нагрузки (P) выбирают в за-висимости от твердости и толщины изделия. Для термически необрабо-танной 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 отноше-ние нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка:

)(π

222 dDDD

PFPHB

−−⋅== .



20

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.

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 необ-ходима для соприкосновения индентора с образцом. В течение некото-рого времени действует общая нагрузка: Р = Р0 + Р1. После ее снятия определяют значение твердости по глубине вдавливания (h). При испы-тании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и ос-новную 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 четырех-гранной пирамиды с углом при вершине 136 ° (рис. 1.16, в) при нагруз-ке от 50 до 1000 Н. Нагрузка ниже 50 Н используется для определения твердости тонких изделий и упрочненных поверхностных слоев метал-ла. Диагональ отпечатка (d) измеряется при помощи микроскопа, уста-новленного на приборе. Преимущество данного способа – можно про-водить 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

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

аб

в



21

определяют под микроскопом, а затем по специальным таблицам пере-считывают на число твердости.

Метод царапания (по Моосу). Десятибалльная шкала относи-тельной 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 величи-ну. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, способ-ность 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 вязко-сти, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом за-кругления (U), трещина (Т). Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 1.17) надрезом в сторону, противоположную удару маятни-ка, который поднимают на определенную высоту. На разрушение об-разца затрачивается работа A = P ⋅ (H – h), где P – вес маятника, H и h – высоты подъема маятника до и после удара. Ударная вязкость (an) опре-деляется как отношение работы разрушения к площади поперечного се-чения (F) в месте надреза.

Значение КС зависит от температуры. Для большинства конст-

рукционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения меняется скачкообразно (порог хла-доломкости). Ниже данной температуры имеет место хрупкое разруше-ние (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин), вы-

Рис. 1.17. Схема маятникового копра

H

m

F

h



22

ше – вязкое разрушение (трещины распространяются с трудом). Для оп-ределения порога образцы испытывают при различных температурах и строят кривые в координатах «ударная вязкость – температура». Чем ниже порог, тем металл менее чувствителен к скорости деформа-ции и концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия).

Хладоломкость – склонность металла к переходу в хрупкое со-стояние 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, выдерживае-мое материалом за большое число циклов нагружения.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разруше-ния 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 каче-ственных 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 разме-ров 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 мате-риала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться по-верхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Количественные пока-затели: скорость электрохимической коррозии, оцениваемая по измене-



23

нию массы металла или линейных размеров образца; степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.

Жаростойкость – способность материала сопротивляться окис-лению в газовой среде при высокой температуре. Количественными по-казателями являются: скорость окисления, оцениваемая по изменению массы металла или толщины оксидной пленки на поверхности; допус-тимая рабочая температура металла, при которой скорость окисления не превышает заданного значения.

Жаропрочность – способность материала сохранять свои механи-ческие свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластиче-ские свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материалов образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение, а также легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться. Это способству-ет равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосно-вения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относят микрогеометрическое строение поверхности (степень шероховатости или пористости) и способность материала «поглощать» твердые абра-зивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем са-мым детали от износа.



24

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 из-готовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. Такие вещества на-зывают псевдосплавами. Структура сплава (микроструктура) – строе-ние 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. Метал-лы 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 и не растворяются друг в друге. Механическая смесь (рис. 2.1) состоит из зерен А и В, имею-щих собственные кристаллические решетки. Примеры таких сплавов: Be–Al, Si–Al, Pb–Sb.

Твердые растворы образуются, когда компоненты частично или полностью раство-ряются друг в друге (см. рис. 2.2). Первый ком-понент – растворитель (Р) образует собственную кристаллическую ре-шетку, второй – растворенное вещество (РВ) – присутствует в виде от-дельных атомов, собственной решетки не имеет.

Твердые растворы внедрения (см. рис. 2.2, а) образуются, когда атомы (ионы) растворенного вещества внедряются в междоузельные по-зиции решетки растворителя. Растворимость ограничена размерами промежутков между атомами решетки растворителя. Растворы внедре-ния 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 иска-жение решетки и возникновение механических напряжений. Концен-трация растворов – не более 2–2,5 %.

Рис. 2.1. Механическая смесь компонентов

А

B



25

Твердые растворы замещения (рис. 2.2, б) образуются в том слу-чае, когда размеры атомов (ионов) компонентов отличаются не более чем на 15 %. Атомы растворенного вещества замещают атомы раство-рителя в узлах кристаллической решетки. Если замещение осуществля-ется в случайных местах, то растворы называют неупорядоченными.

Если размеры атомов (ионов) растворенного элемента больше

размеров растворителя, то решетка растягивается, если меньше – сжи-мается. В первом приближении изменение параметров решетки пропор-ционально концентрации растворенного компонента и определяет из-менение механических свойств твердых растворов замещения. Причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем увеличение. Твердые растворы замещения бывают ограниченными и не-ограниченными. 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. По-явление вакансий связано, как правило, с присутствием ионов перемен-ной валентности (Fe, Mn).

Химические соединения компонентов. Сплав представляет хи-мическое соединение компонентов, в котором сохраняется определен-ное 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 строе-ния 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,

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

Р

а б

РВ

Р

РВ



26

оксидов, фосфидов (FeS, MnO, Fe3P и т. д.). Фазы внедрения образуют-ся, как отмечено выше, при сплавлении металлов с неметаллами, имею-щими малый атомный (ионный) радиус. В этом случае образуются кар-биды, нитриды, бориды.

Химические соединения металл–металл. К ним относятся: элек-тронные 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 валентно-стью от 2 до 5 (Al, Mg, Zn). Электронные соединения – фазы перемен-ного состава, в которых отношение числа валентных электронов к числу атомов различно: 3/2 – β-фазы; 21/13 – γ-фазы; 7/4 – ε-фазы. Эти соеди-нения характерны для сплавов на медной основе (латунь, бронза), где являются фазами – упрочнителями. Фазы Лавеса образуются при соот-ношении 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 концентра-ции какого-либо компонента, в сплавах происходят фазовые и струк-турные изменения. Изменения можно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих графическое изображение состояния спла-вов 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 соответствую-щих условиях может вернуться в равновесное состояние. Диаграммы состояния позволяют прогнозировать фазовые и структурные изменения в сплавах в метастабильном состоянии. Закономерности сосуществова-ния 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 измене-ние 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-



27

лении, то число переменных уменьшается (единица учитывает возмож-ность изменения температуры):

С = К – Ф +1. Изменяя соотношение компонентов, получают разные сплавы,

имеющие свою структуру и свойства, температуру плавления и затвер-дения.

Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма I рода) Сначала получают термические кривые охлаждения сплавов. Со-

единив точки начала и конца кристаллизации сплавов, получают диа-грамму 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 спла-вов механической смеси компонентов показано на рис. 2.4.

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.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью

компонентов

→ % Б 100 % Б

Б

Е С

А

Д

Температура



28

Сплавы системы • Чистые компоненты кристаллизуются при постоянной темпе-

ратуре (точки А и Б на осях диаграммы). Структура сплава – однород-ные зерна.

• Эвтектический сплав (Э) соответствует концентрации компо-нентов 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 обедня-ется компонентом А. При охлаждении до температуры, соответствую-щей линии диаграммы СД, состав жидкой фазы изменяется по ветви ли-нии ликвидуса АД до эвтектического. На линии СД происходит одно-временная 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 эвтек-тика, называется линией эвтектического превращения.

Для сплавов механических смесей компонентов характерна ликва-ция (химическая неоднородность). При медленном процессе кристалли-зации в нижней части слитка преобладают кристаллы с большим удель-ным весом. Чтобы предотвратить ликвацию применяют ускоренное ох-лаждение слитка, механическое перемешивание, вибрацию и т. д. При-меры сплавов с полной нерастворимостью компонентов – сплавы сис-тем Al–Si, Pb–Sb.

кр. А кр. А + кр. Б (Э) кр. Б а б в

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

в – заэвтектического



29

Диаграмма состояния сплавов с полной растворимостью ком-понентов 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.

Сплавы системы Чистые компоненты кристаллизуются при постоянных температу-

рах (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 процес-сов диффузии постоянно изменяется состав фаз. Периферийная часть растущего зерна обогащена легкоплавким компонентом А, что приводит к внутрикристаллической ликва-ции. Кристаллизация заканчивается в точке (б) на линии солидус. Строение сплавов с пол-ной растворимостью компонентов представ-лено на рис. 2.6. Примеры сплавов – система Cu–Ni.

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с полной растворимостью компонентов

б

а

α-твердый раствор А и Б

→ % Б 100 % Б

А

Б

•m p q n

б'

q'

n'


Рис. 2.6. Твердый раствор компонентов

А(Б)



30

Число фаз и их соотношение Состав фаз. Через выбранную точку (m) проводят изотерму (ко-

ноду) 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 концентра-ции. 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), при-легающий к линии солидус:

Qтв %100⋅=pqmp ; Qж %100⋅=

pqmq .

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 равно-весного солидуса. При температуре, соответствующей точке n, концен-трация кристаллов α-твердого раствора отличается от равновесной. В сплаве содержится некоторое количество жидкой фазы:

Q′ж %100⋅=pnqn .

Таким образом, при неравновесной кристаллизации сплавы за-твердевают ниже равновесной температуры затвердевания.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимо-

стью компонентов в твердом состоянии (диаграмма III рода) харак-теризует систему сплавов, образующих твердые растворы в ограничен-ной области составов, за пределами которой образуется механическая смесь из кристаллов твердых растворов. Диаграмма состояния пред-ставляет собой комбинацию первых двух типов диаграмм.

1. Диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превраще-нием встречается в составе сложных диаграмм распространенных про-мышленных сплавов (Fe–C, Al–Cu). Особенность – постоянная (линия диаграммы EN на рис. 2.7) либо переменная (линия DF) предельная рас-творимость компонентов в твердом состоянии.



31

Количество компонентов К = 2 (А и Б). Число фаз Ф = 3: жидкая фаза, кристаллы твердых растворов ком-

понента Б в кристаллической решетке компонента А (α-твердый рас-твор) 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- рас-твора, которая уменьшается при понижении температуры от эвтектиче-ской 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 заканчивает-ся эвтектической реакцией α + Ж → α + Э (α + β).

• Кристаллизация заэвтектических сплавов (между точками С и D) начинается с выделения β-твердого раствора. Структура – двухфазная.

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов

А

G

E

N Э +

С' F

C

D'

D

H

Э + α


→ % Б Б



32

На линии CD идет эвтектическая реакция β + Ж → β + Э(α + β). Однако процесс кристаллизации не заканчивается. При охлаждении этих спла-вов от эвтектической температуры до комнатной предельная раствори-мость компонента А в Б падает, т. е. β-твердый раствор пересыщен ком-понентом А. Чтобы система пришла в равновесие, необходимо выде-лить излишек компонента А из β-раствора. Чистые компоненты не мо-гут существовать в виде отдельной фазы. На основе кристаллов компо-нента А образуется α-твердый раствор, который в β-твердом растворе располагается в виде мелкодисперсных включений. Избыточные кри-сталлы, выделяющиеся не из жидкости, а из твердого раствора, обозна-чаются αII (вторичные α-кристаллы). Процесс выделения новой фазы – вторичная кристаллизация.

2. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превра-щением, при котором жидкая фаза взаимодействует при постоянной температуре с выделившимися кристаллами твердой фазы с образова-нием 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), со-

лидус – APDC, линия перитектического превращения – BD, перитекти-ческая точка – Р. Точки Р и D указывают предельную постоянную рас-творимость α- и β-твердых растворов.

Рис. 2.8. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением

C

DPB

A

БA


Ж β+ Ж

β

α α + β

α+Ж



33

Сплавы системы • В сплавах левее точки B и правее точки D перитектическая ре-

акция не протекает. Сплавы кристаллизуются в интервале между ликви-дусом и солидусом аналогично тому, как в сплавах на диаграммах со-стояния II рода.

• В пределах границ перитектической линии (между точками B и D) протекает перитектическая реакция Ж + β = α, но процесс кристаллиза-ции осуществляется различно.

1. Кристаллизация сплавов, расположенных между точками Р и D, начинается между ликвидусом и солидусом с выделения кристаллов β-твердого раствора. Структура сплава двухфазная: Ж + β. Имеется избы-ток твердой β-фазы по сравнению с тем количеством, которое необхо-димо для перитектической реакции. При охлаждении ниже перитекти-ческой 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 из-меняется, а β-фазы – уменьшается.

2. Сплав точки Р имеет соотношение жидкой и твердой β-фазы, необходимое для протекания в полном объеме перитектической реак-ции.

3. Кристаллизация сплавов, расположенных между точками Р и B, начинается в области между ликвидусом и солидусом с выделения кри-сталлов 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 соли-дуса 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 по-является вертикальная линия, верхняя точка которой (см. рис. 2.9) соот-ветствует 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 нерастворимо-стью компонентов, правая – диаграмма с ограниченной растворимостью компонента С в решетке В, в которой β-фаза является твердым раство-ром химического соединения в решетке компонента В.



34

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением

компонентов. Полиморфные превращения – превращения в твердом со-стоянии 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 поли-морфизмом.

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 соответст-вующей формой и положением линий солидус и ликвидус.

Низкотемпературные фазы на диаграммах выделяются из твердо-го раствора, а не из жидкости, но закономерности их образования те же, что и при кристаллизации из жидкости. Зародыши новой фазы образу-ются и растут до полного завершения фазового превращения. Механи-ческая смесь, состоящая из одновременно выделяющихся из твердого раствора α в точке Д кристаллов β и γ (см. рис. 2.10, в), называется эв-тектоидом. На рис. 2.10, б приведена диаграмма состояния для сплава, в которой только компонент А обладает полиморфизмом.

AmBn

AmBn

AmBn +Э

100 % Б 100 % А

Э + AmBn А + Э

А+Ж

Ж

Ж

β+

β

Э + β

β + Ж

AmBn+Ж

Э (А + AmBn)

Э (AmBn + β)

AmBn+Ж А

CB


Рис. 2.9. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением



35

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 раство-римостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимо-сти. Некоторые свойства, например электросопротивление, могут зна-чительно отличаться от свойств чистых компонентов.

2. Свойства механических смесей изменяются по линейному зако-ну. Значения характеристик свойств каждого сплава находятся в интер-вале между характеристиками чистых компонентов.

3. При образовании твердых растворов с ограниченной раствори-мостью в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, свойства изменяются по криволинейному закону, а в двух-фазной области – по линейному закону. Крайние точки отражают свой-ства чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образую-щих данную смесь.

4. При образовании химических соединений концентрация хими-ческого соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

а б в Рис. 2.10. Диаграммы состояния сплавов

с полиморфным превращением компонентов



36

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 моди-фикации: α-железо (Feα) с ОЦК решеткой, существующее до 911°С и выше 1392 °С, и γ-железо (Feγ) с ГЦК решеткой, существующее в ин-тервале 911–1392 °С. Период решетки α-железа – 0,286 нм; период ре-шетки γ-железа – 0,365 нм. До температуры 768 °С (точка Кюри) желе-зо ферромагнитное. Железо технической чистоты обладает малой твер-достью (80 НВ) и прочностью (σВ = 250 МПа), но высокой пластично-стью (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 слои-стой гексагональной решеткой (рис. 2.12) и метастабильной кубической модифика-цией алмаза. Атомный радиус углерода – 0,077 нм, ионный С4+ – 0,015 нм, темпера-тура плавления – 3500 °С. Метод синтеза алмазов – взрыв с параметрами: скорость детонации 7–8 км/с, давление – 20–30 ГПа (1 ГПа = 104 атм.), температура – около 4000 °С.

Т,°С

А В А В А В А В

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

σ В, ρ

Рис. 2.12. Решетка графита

0,34 нм

0,142 нм



37

Возможны следующие виды взаимодействия между углеродом и железом: расплав, твердые растворы внедрения, химическое соедине-ние, свободный углерод в виде графита. В системе сплавов Fe–C суще-ствуют 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 высокотемпе-ратурный 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.

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. Темпера-тура плавления – 1252 °С. Температура Кюри – 210 °С. Цементит – ме-тастабильная фаза: при нагреве до 1200 °С разлагается на железо и уг-лерод. Твердость – 800 НВ. Цементит образует твердые растворы заме-щения: атомы углерода замещаются атомами неметаллов – азотом, ки-слородом; железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др.

В железоуглеродистых сплавах имеются фазы цементита первич-ного (ЦI), вторичного (ЦII) и третичного (ЦIII). Их химические и физиче-ские свойства одинаковы. На механические свойства сплавов влияет различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Це-

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

в б а атом железа атом углерода



38

ментит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пла-стинчатых 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 гра-ниц ферритных зерен.

Превращения в сплавах системы Fe–C. Сплавы железа, содер-жащие 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 эвтек-тическое превращение: расплав с содержанием 4,3 % углерода превраща-ется в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Ж → А + ЦI.

Эвтектика системы железо–цементит называется ледебуритом (Л)

и содержит 4,3 % углерода. При температуре ниже 727 °С в состав ле-дебурита входят цементит первичный и перлит:

Ж → П + ЦI. По линии GS начинается превращение аустенита в феррит, обу-

словленное полиморфным превращением железа. По линии PG превра-щение аустенита в феррит заканчивается.

Рис. 2.14. Диаграмма состояния сплавов железо–углерод

А

G

D

F

Q

E C

S P

→ % C

727 °C K

1147 °C 911

1539

Температура, °C

6,69 % С

100 % С



39

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из ау-стенита, 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 эвтек-

тоидное превращение: аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превра-щается 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 су-ществовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от усло-вий 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 точ-ки), 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 содержа-

ния углерода в сплаве) – превращение Ф ↔ А; Acm – линия SE – переменная температура, зависящая от содержа-

ния углерода в сплаве, – начало выделения ЦII (иногда обозначается A3). При нагреве и охлаждении превращения совершаются при раз-

личных температурах. При обозначении процесса нагревания дополни-тельно добавляют букву (с) – Аc1, а охлаждения – букву (r) – Аr1.

Структуры железоуглеродистых сплавов. Сплавы системы желе-зо–цементит по структурному признаку делятся на стали и чугуны.

1. Сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называют техниче-ским железом. Микроструктура сплава содержит зерна феррита при со-держании углерода до 0,006 % (см. рис. 2.15, а). При увеличении угле-рода 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 доэв-тектоидные (0,02 % < C < 0,8 %), структура (Ф + П) (см. рис. 2.15, б); эв-тектоидные (0,8 % С), структура – пластинчатый перлит (см. рис. 2.15, в);



40

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 % кристалли-зуются с образованием легкоплавкой эвтектики (ледебурита) и называ-ются чугунами. Ледебурит повышает литейные свойства. Эти чугуны называют белыми. Они имеют высокую хрупкость, излом серебристо-белый.

По количеству углерода и структуре (рис. 2.16) белые чугуны де-

лятся: 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 чугу-нов при нормальных температурах одинаков: феррит и цементит. Одна-ко свойства сталей и белых чугунов отличаются сильно.

2.5. Углеродистые стали

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом с общим содер-жанием остальных примесей не более 1 %. Свойства стали определяют-ся количеством углерода (см. рис. 2.17) и содержанием примесей, ко-

а б в г Рис. 2.15. Микроструктуры технического железа и сталей:

а – железо; б – доэвтектоидная; в – эвтектоидная; г – заэвтектоидная стали

а б в Рис. 2.16. Микроструктуры белых чугунов:

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического



41

торые взаимодействуют с железом и углеродом. С ростом содержа-ния углерода количество цементи-та в стали увеличивается, а ферри-та – уменьшается. Прочность по-вышается до содержания углерода около 1 %, а затем уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Увеличе-ние углерода повышает порог хла-доломкости, но снижает ударную вязкость (аn). Повышение углеро-да до 0,4 % ухудшает литейные свойства, обрабатываемость дав-лением. Низкоуглеродистые стали плохо обрабатываются резанием и плохо свариваются.

Влияние примесей 1. Постоянные примеси: марганец, алюминий, кремний, сера,

фосфор. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскис-ления при выплавке, они являются технологическими примесями. Со-держание марганца и алюминия не превышает 0,5–0,8 %. Марганец по-вышает прочность стали, не снижая пластичности, но резко снижает ее красноломкость, вызванную влиянием серы. Алюминий, дегазируя ме-талл, повышает плотность слитка. Содержание кремния не должно пре-вышать 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 темпе-ратуру 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. Содержа-ние серы в сталях – 0,025–0,06 %. Сера с железом образует химическое соединение сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с же-лезом легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве эвтектика плавит-ся, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах распо-ложения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разруша-ется. Сера снижает ударную вязкость и пластичность, ухудшает свари-ваемость и коррозионную стойкость.

Рис. 2.17. Влияние углерода на свойства стали

an

0,2 0,8 1,4 Содержание углерода, %

HB σв

an

ψ

δ

HB



42

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 являют-ся концентраторами напряжений и снижают предел выносливости и вязкость; в виде твердых растворов, которые повышают порог хладо-ломкости 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 кон-верторах; в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

6. По назначению: общего назначения; конструкционные – для из-готовления деталей машин и механизмов; инструментальные – для из-готовления 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 – ин-декс 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 – спо-койная.

Качественные углеродистые стали поставляют с гарантирован-ными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали маркиру-ются двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности стали, если она



43

отличается от спокойной. Например, стали марки 08 кп и марки 45 со-держат углерода 0,08 и 0,45 % соответственно.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркиру-ются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указы-вающим содержание углерода в десятых долях процента. Стали марки У8 и марки У13 содержат углерода соответственно 0,8 и 1,3 %.

Высококачественные углеродистые стали маркируются анало-гично качественным: в конце марки ставят букву А для обозначения вы-сокого качества стали (сталь марки У10А и марки 50А).

2.6. Чугуны

Чугун отличается от стали по составу (высокое содержание угле-рода 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, из-лом имеет белый цвет и металлический блеск. В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита (в свя-занном состоянии – до 0,8 %), излом серого цвета.

Графитизация – процесс образования графита в чугуне. Образо-вание графита происходит либо непосредственно из жидкой фазы при наличии центров кристаллизации графита и очень медленном ее охлаж-дении, либо при разложении цементита. Наиболее сильно ускоряет гра-фитизацию наличие примеси кремния. Изменяя содержание примеси кремния от 0,5 до 4–5 %, можно получать чугуны, различные по струк-туре и свойствам.

Металлическая основа чугунов похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали. Включения графита имеют низкую проч-ность и места его расположения можно считать нарушением сплошно-сти металлической основы. Чугун можно рассматривать как сталь, про-низанную включениями графита.

В зависимости от формы графита и условий его образования раз-личают: серый чугун – с пластинчатым, ковкий – с хлопьевидным и вы-сокопрочный – с шаровидным графитом (см. рис. 2.18).

Широко распространены чугуны с содержанием углерода 2,4–3,8 %. Графит улучшает обрабатываемость чугуна резанием (образуется лом-кая стружка). Чугун имеет хорошие антифрикционные свойства, так как графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения. Пустоты, заполненные графитом, гасят вибрации, и чугун имеет повы-шенную циклическую вязкость; детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях).



44

Структура металлической основы чугунов зависит от количества

углерода и кремния. С ростом их содержания увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры ме-таллической 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 цемен-тита не более 0,8 %. Чем больше графита в свободном состоянии, тем ниже механические свойства чугуна. Около графитовых включений при дефор-мации концентрируются напряжения, значения которых тем больше, чем они острее. Графитовые включения пластинчатой формы способствуют ра-зупрочнению чугуна. Поэтому серый чугун имеет низкие механические свойства при испытании на растяжение, но довольно высокие – при испы-тании на сжатие. Из серого чугуна изготавливают детали, которые подвер-гаются сжимающим или изгибающим нагрузкам: зубчатые колеса, блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы. Серые чугуны со-держат: углерода – до 3,7 %, кремния – 2,6 %, марганца – 0,5–0,8 %, фосфо-ра – 0,1–0,3 %, серы – менее 0,12 %. Обозначаются индексом СЧ и значени-ем предела прочности (σВ = 15 МПа): СЧ 15.

Ковкий чугун. Это название условное, изделия получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Ковкие чугуны полу-чают при графитизирующем отжиге белых чугунов, имеющих следую-

Рис. 2.18. Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы

и формы графитовых включений

Основа

Феррит

Феррит + перлит

Перлит

Класс чугуна Серый Ковкий Высокопрочный



45

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 выплав-ляют в электропечах. Отливки быстро охлаждают и получают структуру белого чугуна. Формирование окончательной структуры, свойств отли-вок 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 гра-фита, 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 охлажде-нии (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 промежуточ-ное положение между серым чугуном и сталью. Ковкий чугун приме-няют 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.

Высокопрочный чугун получают из серых чугунов в результате

модифицирования алюминием, а также щелочными или щелочнозе-мельными металлами (обычно магнием) до 0,5 % от массы отливки, ферросилицием. Чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную

Рис. 2.19. Отжиг ковкого чугуна Время t, ч

720

950–970

аб

в


Т, °С

760



46

и перлитную металлическую основу. Механические свойства высокие, что вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряже-ний из-за шаровидной формы графита.

Чугуны содержат: углерода – 2,7–3,6 %, кремния – 1,6–2,7 %, мар-ганца – 0,6–0,8 %, фосфора – 0,12 %, серы – 0,3 %. Из них изготовляют ответственные детали: тонкостенные отливки (поршневые кольца), ша-боты молотов, изложницы. Обозначаются чугуны индексом ВЧ и значе-нием 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 ле-пестков, размеры которых меньше пластинок серого чугуна. По меха-ническим свойствам и износостойкости вермикулярный чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами.

Отбеленные и другие чугуны. Отбеленные чугуны – отливки, по-верхностный слой которых состоит из белого чугуна, а внутри – серый или высокопрочный чугун. Этот слой получают в толстостенных дета-лях при литье в металлические или сырые земляные формы. В поверх-ностном слое много твердого (950–1000 НВ), но хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Чугуны используются для из-готовления 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 необходи-мых свойств и структуры. Например, для изготовления деталей, рабо-тающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Для де-талей, работающих в условиях износа при высоких температурах, ис-пользуют 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.



47

3. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ

3.1. Виды термической обработки металлов

Термическая обработка металлов представляет собой совокуп-ность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в опре-деленной последовательности и режимах, с целью изменения внутрен-него 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, уменьшают-ся внутренние напряжения. Основное значение имеет температура на-грева и время выдержки. Охлаждение – медленное.

2. Отжиг II рода проводится для металлов и сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также пере-менная 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 пре-вращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью мак-симального повышения твердости и прочности путем образования не-равновесных 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 охлаж-дения деталей роли не играет.

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

Время t, с

Температура, °С

А3

А1



48

Предварительная термическая обработка применяется для под-готовки структуры и свойств материала для последующих технологиче-ских операций: обработки давлением и резанием. Окончательная тер-мообработка формирует свойства готового изделия.

3.2. Превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении

Любая термическая обработка металла состоит из комбинации че-тырех основных превращений, в основе которых лежит стремление сис-темы к минимуму свободной энергии.

1. Превращение перлита в аустенит (П→А) происходит при на-греве выше критической температуры А1 (см. диаграмму на рис. 3.2):

Feα(C) + Fe3C → Feγ(C) 2. Превращение аустенита в перлит (А→П) происходит при охла-

ждении 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 пер-лита:

Feα(C)′ → Feα(C) + Fe3C

Темп

ература,

°С

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

Содержание углерода, %

K

E

Аcm

P

G

S A1

A3



49

3.3. Механизмы основных превращений

1. Превращение перлита в аустенит основано на диффузии уг-лерода и сопровождается полиморфным превращением Feα →Feγ, а также растворением цементита в аустените. Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 3.3) на поверхности раздела фер-рит–цементит (решетка Feα перестраивается в Feγ) и заканчивается, ко-гда весь цементит рас-творится в аустените. Образуются мелкие зерна аустенита. При повыше-нии температуры или времени выдержки про-исходит рост зерна ау-стенита.

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 понижен-ными механическими свойствами. Перегрев исправляют повторным на-гревом до оптимальных температур с медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева близка к темпе-ратуре плавления. Границы зерен окисляются, прочность стали резко снижается. Пережог – неисправимый брак.

Схема превращений аустенита при охлаждении показана на рис. 3.4.

Рис. 3.3. Механизм превращения перлита в аустенит

Ф ЦII А

а б в г

Рис. 3.4. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Превращение перлит сорбит перлитное троостит бейнит промежуточное

мартенситное

Время (t, c)

А→М

Темп

ература Т,

°С

М

МН

МК



50

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

а б в

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 выделе-нием углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовав-шегося цементита. В области температур 727–550 °С аустенит преобра-зуется в механическую смесь феррита и цементита (рис. 3.5). Зарожде-ние центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенит-ных зерен. Пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет сосед-ние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Рост колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой происходит процесс его образования. При увеличении степени переох-лаждения увеличивается количество зародышей новой фазы: чередую-щихся 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 опре-деляет дисперсность структуры (Δ). В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название (рис. 3.6).

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.

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



51

Сорбит (Δ=0,25 мкм) образуется при переохлаждении до 600–650 °С или охлаждении с V = 60 °С/с. Твердость – 250–350 НВ. Структура ха-рактеризуется 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, превра-щаются в цементит. Образующиеся кристаллы имеют игольчатую фор-му. Структура, состоящая из цементита и феррита и имеющая повы-шенное содержание углерода в феррите (0,1–0,2 %), называется бейни-том.

При температуре 550 °С (Δ = 0,12 мкм) – верхний бейнит. Струк-тура характеризуется недостаточной прочностью при низкой пластич-ности. При 300 °С (Δ = 0,008 мкм) – нижний бейнит. Структура харак-теризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью.

4. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Го-ризонтальные линии МН и МК на рис. 3.4 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенит–мартенсит, сопровождае-мого полиморфным переходом Feα в Feγ. Минимальная скорость охлаж-дения (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 ре-зультате образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор вне-дрения 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 при-ближении 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. Особенно-сти мартенситного превращения:



52

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 уг-лами 60 или 120° к первым, их размеры ограничены участками между первыми.

2. Мартенситное превращение происходит при непрерывном ох-

лаждении. 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.

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

С

Fe

c

a

б а

d, нм

0,5 1,0

0,30

0,29 a

с

С, %

Рис. 3.8. Схема образования мартен-ситных пластин в аустенитном зерне



53

5. Превращение мартенсита в перлит происходит при нагреве за-каленных сталей и связано с диффузией углерода.

Превращения при нагреве закаленной стали. При нагреве до

температуры 200 °С происходит перераспределение углерода в мартен-сите. Образуются пластинки карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На их образование углерод расходуется из участков мартен-сита, 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 уг-леродом. В высокоуглеродистых сталях остаточный аустенит превраща-ется 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, из-меняется 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 гру-бую феррито-цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

3.4. Отжиг и нормализация

Рис. 3.9. Ориентированность Рис. 3.10. Температуры начала кристаллов мартенсита и конца мартенситного превращения

Т, °С

Содержание С, %



54

Режимы термообработки назначают в соответствии с диаграмма-ми 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 на-грева 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 устра-

нения ликвации, выравнивания химического состава сплава. В основе ле-жит 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 напряже-ний 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 разме-ров). Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, на-ходится в широком диапазоне: Тн = 160–700 °С. Продолжительность за-висит от габаритов изделия.

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового со-става. Скорость охлаждения выбирают таким образом, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат с целью улучшения обрабатывае-мости резанием средне- и высокоуглеродистых сталей.

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей для ис-правления структуры при их нагреве на 30–50 °С выше критической температуры А3 (см. рис. 3.2). При отжиге аустенит получается мелко-зернистый, 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 вы-ше температуры А1 следует охлаждение до 680 °С, а затем снова нагрев



55

до 750–760 °С и медленное охлаждение. В результате отжига получают зернистый цементит.

Нормализация – разновидность отжига, при которой сталь нагре-вают до аустенитного состояния на 30–50 °С выше А3 (или Аст) с охла-ждением на воздухе. Твердость и прочность после нормализации не-сколько выше, чем после отжига. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Для низкоуглеро-дистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуг-леродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпус-ком применяют вместо закалки с высоким отпуском. Изделие подверга-ется меньшей деформации, исключаются трещины.

3.5. Закалка и отпуск

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повы-шения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязко-сти и высокой износостойкости, инструментальные – для повышения твердости и износостойкости. Основные параметры при закалке – тем-пература 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 соля-ной ванне – 0,5 мин., в свинцовой ванне – 0,1–0,15 мин.

Полная закалка с нагревом на 30–50 °С выше критической тем-пературы А3 (линия GS на рис. 3.2) применяется для доэвтектоидных сталей. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефект-ную структуру грубо-игольчатого мартенсита. Изменение структуры стали:

МAФП охлаждениенагрев ⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯⎯⎯⎯ →⎯+ .

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:

IIохлаждение

IIнагрев

II ЦМЦAЦП +⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+⎯⎯⎯ →⎯+ .

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:

ФМФAФП охлаждениенагрев +⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+⎯⎯⎯ →⎯+ .



56

Охлаждение при закалке. Скорость охлаждения определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Ре-жим охлаждения должен исключить возникновение больших закалоч-ных напряжений, которые приводят к короблению и растрескиванию.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаж-дения в интервале температур А1–MН для предотвращения распада пе-реохлажденного аустенита в области перлитного превращения; мини-мальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН–MК с целью снижения остаточных напряжений и воз-можности образования трещин. В качестве охлаждающих сред исполь-зуют воду, технические масла, растворы солей и щелочей, растворы по-лимеров, расплавленные металлы. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале темпе-ратур мартенситного превращения. При выборе охлаждающей среды нужно учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твер-дость 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 мар-тенсита и троостита. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающее-ся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. При до-бавке 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 легирован-ных 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 охлаж-дающую среду (расплавленные соли или металлы), температура кото-рой на 30–50 °С выше точки МН и выдерживают некоторое время, не-



57

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 промежуточ-ного превращения. Изотермическая выдержка в охлаждающих средах (расплавленные соли и щелочи) обеспечивает полное превращение пе-реохлажденного аустенита в бейнит. Структура характеризуется высо-кой прочностью, пластичностью и вязкостью. Применяется для легиро-ванных сталей.

Закалка с самоотпуском. Нагретые изделия помещают в охлаж-дающую среду, выдерживают до неполного охлаждения и вытаскивают. Поверхностные слои изделия повторно прогреваются за счет внутрен-ней теплоты до требуемой температуры – осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударно-го действия: молотки, зубила).

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легирован-

ные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (MК) ниже 0 °С. После закалки в стали сохраняется остаточный аустенит, ко-торый снижает твердость. Для его устранения проводят дополнительное охлаждение при отрицательных температурах (минус 80 °С) ниже точ-ки MК. Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Уве-личение 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.

Рис. 3.11. Режимы закалки Время, t

Температура Т, °СА1

V1 V3 V2 V4

М + Аост



58

Отпуск – окончательная термическая обработка с целью повы-шения 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 ста-лей после закалки токами высокой частоты, после цементации.

Средний отпуск с нагревом до 300–450 °С. Структура стали – троо-стит отпуска, сочетающая высокую твердость (40–45 HRC), хорошую уп-ругость и вязкость. Используется для изделий типа пружин, рессор.

Высокий отпуск с нагревом 450–600 °С. Структура стали – сор-бит отпуска, сочетающая высокую твердость и ударную вязкость. Ис-пользуется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Улучшение стали – термическая обработка, включающая закалку и высокий отпуск.

Отпускная хрупкость. Обычно с повышением температуры от-пуска ударная вязкость увеличивается. Однако в некоторых случаях на-блюдается снижение ударной вязкости – отпускная хрупкость.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при низком отпуске ле-гированных и углеродистых сталей и не зависит от скорости охлажде-ния. 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 напря-жений у границ делает их более хрупкими.

Отпускная хрупкость II рода возникает в легированных сталях после высокого отпуска при медленном охлаждении. Приграничные зо-ны зерен обедняются легирующими элементами. Только при медленном охлаждении за счет диффузии в этих зонах образуются мелкодисперс-ные карбиды, фосфиды, нитриды, которые и снижают ударную вяз-кость. 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.



59

4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

4.1. Упрочнение методом пластической деформации

Местной упрочняющей обработке подвергаются детали различ-ных форм, размеров и назначений, изготовленные из различных конст-рукционных материалов – сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и т. п. Панели, профили, дуги упрочняют на специальных (виб-рационных, барабанных или дробеструйных) установках с последую-щим 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 поверхност-ному упрочнению часто подвергают зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, пазы), а также те участки, которые недос-тупны при упрочнении на специальных установках.

В качестве параметров, определяющих способ и технологию уп-рочнения, принимают форму изделия, тип упрочняемой поверхности и требования к ее шероховатости. На основе экспертных оценок предло-жена приоритетность применения тех или иных методов обработки (вы-делено курсивом) для деталей различных групп сложности:

1 группа деталей: плоскости сплошные, плоскости с вырезами и выступами – обработка дробью, накатывание, обработка механиче-скими щетками;

2 группа: отверстия круглого и произвольного сечения – раска-тывание, 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, слож-ных или цилиндрических поверхностей, фаски и скосы – обработка дробью, накатывание, обработка механическими щетками, чеканка.

Дробеструйная обработка осуществляется на специальных уста-новках, 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 канав-



60

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 обрабатывае-мого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обкатка роли-ками применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибров-ке труб, прутков. Не требуется специальное оборудование, можно ис-пользовать 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 по-верхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быст-рым охлаждением. Толщина закаленного слоя определяется глубиной на-грева. Широко распространены электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка.

Закалка токами высокой частоты. Разработанный В. П. Воло-гдиным метод закалки (рис. 4.1) основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить ме-таллическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вы-зывающие нагрев металла. Чем больше час-тота тока, тем тоньше получается закален-ный слой. Обычно используются машинные генераторы с частотой 50–15000 Гц и лампо-вые генераторы с частотой больше 106 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм. Индук-торы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благода-ря чему они не нагреваются. Форма индук-тора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Деталь 1 нагревается в индукторе 2 в течение 3–5 с, а затем бы-стро перемещается в охлаждающее устройство – спрейер 3, через отвер-стия которого на нагретую поверхность разбрызгивается жидкость. Вы-сокая 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 мар-тенсита. Твердость повышается на 2–4 HRC по сравнению с обычной

Рис. 4.1. Схема процесса закалки ТВЧ



61

закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости. Перед за-калкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, после – низкому отпус-ку при 150–200 °С (самоотпуск). Целесообразно использовать этот ме-тод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода: высокая производительность; отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности; меньше образуются зака-лочные трещины; возможность автоматизации процесса; закалка от-дельных участков детали. Недостаток – высокая стоимость индукци-онных установок и индукторов.

Газопламенная закалка. Нагрев осуществляется ацетиленокисло-родным, газокислородным или керосино-кислородным пламенем с тем-пературой 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 шестер-ни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Ис-пользуется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах. Недостатки метода: невысокая производитель-ность; сложность регулирования глубины закаленного слоя и темпера-туры 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- термиче-ской обработкой. Различают несколько разновидностей. Если поверх-ностный слой деталей насыщается углеродом, то обработка называется цементацией, азотом – азотированием, бором – борированием, алюми-нием – 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 промыш-ленности с целью повышения: поверхностной твердости, износостойко-сти, сопротивления задиранию, изгибной усталостной прочности. Для резкого повышения сопротивления абразивному изнашиванию перспек-тивны процессы борирования, диффузионного хромирования, позво-ляющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой



62

твердостью. Целью химико-термической обработки является также за-щита поверхности деталей от коррозии в агрессивных средах и образо-вания окалины (алитирование, силицирование, хромирование и др.).

Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхност-ного слоя стальных деталей углеродом. Цель цементации – достижение высокой твердости и износостойкости поверхности детали в сочетании с ее вязкой серединой. На цементацию поступают механически обрабо-танные детали с припуском на шлифование 50–100 мкм (обычно стали с содержанием углерода 0,1–0,2 %). Осуществляется процесс цемента-ции 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 уг-лерод, который диффундирует в поверхностный слой металла:

2C + O2 →2CO

BaCO3 + C →BaO +2CO

2CO →СO2 + С Длительность процесса – от 5 до 24 часов, глубина науглерожен-

ного слоя составляет от 0,4 до 2,5 мм. Чем дольше процесс, тем на большую глубину происходит насыщение углеродом.

Более высокопроизводительный процесс – цементация в газооб-разном 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 уг-лерода в поверхностном слое после цементации – неравномерное: по-верхностная заэвтектоидная зона (содержание углерода более 0,9 %) имеет структуру перлит + вторичный цементит; эвтектоидная зона с со-держанием углерода около 0,8 %; доэвтектоидная зона с содержанием углерода менее 0,7 %, плавно переходящая в структуру сердцевины.

При длительной выдержке (при высокой температуре) сталь стано-вится крупнозернистой (особенно при цементации в твердых карбюриза-торах). После цементации проводят термическую обработку с целью уп-рочнения 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 повы-



63

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

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 ат-мосфере и усталостная прочность. Азотирование – более длительный процесс, чем цементация. Высокая твердость азотированного слоя со-храняется при нагреве до 500–600 °С, что выше, чем у цементованного слоя. Осуществляется процесс азотирования при 500–600 °С в атмосфе-ре 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 эф-фективным препятствием для движения дислокаций. Скорость диффу-зии при низких температурах мала и процесс азотирования идет очень медленно. Слой глубиной 0,1–0,8 мм при температуре 500–520 °С обра-зуется от 3 до 90 часов. Операция является заключительной в техноло-гическом процессе изготовления изделий и заменяет операцию отпуска, проводится после полной механической обработки и закалки. Азотиро-ванию подвергаются конструкционные, среднеуглеродистые стали, ле-гированные хромом, алюминием и другими элементами.

Рис. 4.2. Режимы термической обработки цементованных деталей

Время Время Время

Темп

ература



64

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 нитроцемен-тации осуществляется в газовой смеси науглероживающего газа (све-тильный 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 продолжи-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) слои тоньше, в них много азо-та, но мало углерода. Низко-температурную нитроцемен-тацию в жидкой среде назы-

вают цианированием. Нитроцементации подвергаются детали и инстру-мент, изготовленные из легированных сталей. Режим обработки и глу-бину упрочненного слоя выбирают в зависимости от условий работы, действующих нагрузок, срока эксплуатации.

Диффузная металлизация – диффузионное насыщение поверх-ностного слоя стали различными металлами. При жидкостной металли-зации деталь погружают в расплав металла, при твердой и газовой – на-сыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металла-ми (AlCl3, CrCl3, SiCl4).

Алитирование (насыщение алюминием) применяют для повыше-ния стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воз-духе, 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 (порошко-вых смесях), в расплаве, напылением расплавленного алюминия. По-рошковые смеси для насыщения сталей и чугунов алюминием содержат от 30 до 90 % порошка железоалюминиевого сплава, легированного не-

Рис. 4.3. Глубина насыщенного углеродом и азотом слоя при газовой

нитроцементации

Температура, °С

Глубина слоя, мм



65

большим количеством окиси алюминия и 1–2 % хлористого аммония. Насыщение алюминием проводят при 750–1050 °С в течение 1–20 ча-сов. 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 тече-ние 1–2 часов при 950 °С. Глубина слоя – 0,3–0,5 мм. Наличие леги-рующих элементов уменьшает глубину алитированного слоя.

Хромирование направлено на повышение твердости, коррозион-ной стойкости и производится при 800–1300 °С порошками, в состав ко-торых входят: Cr или FeCr, 1–3 % NH4Cl или NH4I, остальное – Al2O3. Перед хромированием детали подвергаются шлифовке, возможна пред-варительная 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 жид-ких 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 поверх-ностной закалке токами высокой частоты. Время борирования в жидких средах и газах – от 2 до 20 часов, в порошках – 6 часов. Глубина бори-рированного слоя составляет 0,2 мм.

Сульфоцианирование улучшает антифрикционные свойства, по-вышает усталостную прочность стали (обработка поршневых колец, гильз цилиндров, чугунных втулок, зубчатых и червячных колес). Про-цесс 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 нефтяно-го машиностроения с целью повышения коррозионной стойкости при работе в морской воде, серной, соляной, азотной кислотах и других аг-рессивных средах. Силицирование осуществляется при 950–1000 °С в газовых и жидких средах, а также в вакууме и порошкообразных сме-сях 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 по-вышения 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.



66

Титанированные железные листы обладают высокой коррозион-ной стойкостью и хорошо свариваются.

5. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали – стали, содержащие дополнительные леги-рующие элементы: хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ко-бальт, титан, ванадий, никель. Эти элементы вводят для получения тре-буемых свойств стали.

Во-первых, легирующие элементы могут замещать часть атомов же-леза в цементите. При достаточной концентрации этих элементов образу-ются специальные карбиды: Сr7С3, Сr23C6, W2C, VC. По сравнению с це-ментитом 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 – бо-лее 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 замедля-ют распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь. За счет замедления скорости диффузии на С-образной диаграмме кри-вые смещаются вправо по оси времени (рис. 5.1). Это приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволя-ет упрочнять закалкой более массивные изделия по сравнению с изде-лиями, изготовленными из углеродистых сталей. Прокаливаемость уг-леродистых сталей составляет 10–15 мм (критический диаметр), легиро-ванных сталей – до 100–200 мм и больше.

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

Темп

ература

ВремяВремя б а

А1

Vк

Vкр

А1



67

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 возрас-тает до 195 НВ.

Легированный мартенсит более устойчив при нагреве, чем неле-гированный. Влияние легирующих элементов на мартенсит использует-ся при создании теплостойких сталей, работающих в изделиях при по-вышенных 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 ле-гирующие 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 от-личается. В начале марки указывается однозначное число, показываю-щее 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 со-держания в процентах.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения. Например, быстрорежущие инструментальные стали. Сталь Р18: Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Число показывает содержание ос-новного 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.



68

Конструкционные стали – широко используются для изготовле-ния различных видов деталей машин и механизмов (оси, валы, шестер-ни, рессоры, пружины и т. д.). Конструкционные легированные стали бывают низко- (0,1–0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3–0,6 %). Леги-рующие элементы (хром, никель, молибден) добавляются для увеличе-ния прокаливаемости и порога хладоломкости сталей. Детали, изготов-ленные из среднеуглеродистых сталей, например марок 40Х и 30ХН, обычно подвергают улучшению, т. е. упрочняющей термической обра-ботке (закалка плюс высокий отпуск). Низкоуглеродистые стали (марок 09Г2С и 20Х) используются для изготовления изделий методом холод-ной 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 условия-ми работы, требуются высокие износостойкость и сопротивление де-формации, прочность при удовлетворительных пластических свойствах, эти стали чаще всего высокоуглеродистые. Для инструмента, работаю-щего при повышенных температурах, кроме этих свойств, необходима высокая теплостойкость, т. е. сохранение твердости, износостойкости при нагреве до температур эксплуатации. Среди инструментальных ста-лей можно выделить по назначению несколько подгрупп:

а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогре-вом, – 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, работоспособ-

ность которых оценивается как по механическим, так и по другим свой-ствам: теплофизическим, магнитным, электрическим и др.

Прецизионные сплавы – металлические сплавы с особыми физиче-скими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упруги-ми) 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 жаро-стойкости), 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



69

окисления. Жаропрочные стали применяются для изготовления деталей топливной аппаратуры, паровых котлов, турбин, ракет, двигателей внут-реннего 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 ис-пользуются 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 со-противление 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 введен-ных в сталь элементов зависит от требуемого уровня жаростойкости, опре-деляемой рабочими температурами изделий, для которых используется ма-териал. 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. Значи-тельное 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 действи-ем этой среды поверхностный слой металла может разрушаться. Хром (не менее 12,5 %) – основной легирующий элемент, обеспечивающий защиту стали. При таком количестве хрома электрохимический потен-циал стали становится положительным, что препятствует ее растворе-нию (коррозии). Стали с 13 % хрома (20Х13, 40Х13) имеют хорошую коррозионную стойкость в таких средах, как водяной пар, вода, некото-рые 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 мож-но с помощью закалки перевести в однофазное состояние – аустенит, что положительно сказывается на сопротивлении коррозии.



70

Износостойкие стали предназначены для работы в условиях из-нашивающих нагрузок, часто при интенсивном износе. При формирова-нии структуры сталей учитывают: чем выше твердость (чем больше в них содержится твердых избыточных карбидов), тем выше сопротивление из-носу. Данные стали, как правило, высокоуглеродистые и легированы кар-бидообразующими элементами: Сr, V, W, Тi (Х12, ХВГ, ХВ4Ф). Предста-вителем 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 ус-ловиях 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 разли-чают 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 ус-ловиях охлаждения сталей разного состава получают различные струк-туры – перлит, мартенсит, аустенит.

Стали перлитного класса обычно малолегированные (30Х, 55С2), мартенситного – более высоколегированные (40Х13, Р6М5), аусте-нитные 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 ма-лым пластическим деформациям, пределом выносливости и релаксаци-онной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости. Для полу-чения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть под-вергнуты термической обработке – закалке и отпуску или деформаци-онному упрочнению.

Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испыты-вающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали (65Г, 70, 75 и У10). В промышленности наиболее часто применяют кремни-стые стали (55С2, 60С2А, 70С3А). Они имеют высокие пределы текуче-сти и упругости, что обеспечивает хорошие свойства, поскольку крем-ний повышает прокаливаемость.



71

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 непре-рывно расширяется. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при повышении их прочности и жесткости. Высокая коррозионная стойкость цветных металлов обу-словлена 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 ста-новятся 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 модифи-каций: до температуры 882 °С устойчива α-фаза с ГПУ решеткой с пе-риодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм; выше 882 °С – β-фаза с ОЦК решет-кой (а = 0,332 нм при 900 °С). Плотность α-фазы при комнатной темпе-ратуре – 4,5 г/см3. Механические свойства титана (σв = 300 МПа, твер-дость 100 НВ) значительно зависят от его чистоты и состояния. Чистый титан сохраняет высокую пластичность (δ = 20 %, ψ = 50 %) при темпе-ратуре жидкого гелия (–269 °С). Однако при введении всего 0,03 % во-дорода, 0,2 % азота или 0,7 % кислорода титан теряет способность к пластической деформации.

Титановые сплавы. Примеси образуют с титаном твердые рас-творы замещения и изменяют температуру полиморфного α→β пре-вращения.

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 алюми-ния. 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- стабили-заторы (см. рис. 6.1, в) образуют интерметаллические соединения: при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение: β→α+TiX.



72

Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую пластичность и поддаются листовой штамповке в холодном состоянии; после старе-ния приобретают высокую прочность; хорошо свариваются. При темпе-ратурах выше 300 °С сплавы становятся хрупкими.

Нейтральные стабилизаторы (рис. 6.1, г) не влияют на фазовый состав сплавов.

Двухфазные сплавы (α + β) – большая группа промышленных ти-

тановых сплавов – отличаются более высокой пластичностью, чем α-сплавы, могут быть термически упрочнены и обладают высокой жа-ропрочностью, но плохо свариваются по сравнению с однофазными сплавами.

При легировании титана алюминием увеличивается прочность и жаропрочность, уменьшается вредное влияние водорода. Для повы-

Al, O, N % V, Nb, Mo, Ta, Re %

Sn, Zr, Hf, Th %

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

в г

а б

Рис. 6.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана:

а – α-стабилизаторы; б – изоморфные β-стабилизаторы; в – изоморфные β-стабилизаторы; г – нейтральные

882

882

T, °С

α

β



73

шения износостойкости сплавы подвергают цементации или азотирова-нию. Основной недостаток титановых сплавов – плохая обрабатывае-мость режущим инструментом и низкие антифрикционные свойства. По способу производства деталей различаются деформируемые и литейные сплавы.

Титановые сплавы применяются в авиа- и ракетостроении (корпу-са двигателей, сопла, детали крепежа), химической промышленности (компрессоры, клапаны), судостроении (гребные винты, обшивка мор-ских судов), криогенной технике.

6.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий металл (плотность 2,7 г/см3) серебристо-белого цвета с температурой плавления 660 °С. Полиморфных превра-щений не имеет, кристаллизуется в ГЦК решетку: а = 0,404 нм. Меха-нические 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 исследо-вательских целей. Из алюминия высокой чистоты (0,005–0,05 % приме-сей) изготавливают фольгу, токопроводящие и кабельные изделия, из-делия для химической промышленности. Алюминий технической чис-тоты (0,15–1 % примесей) применяется для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки. Алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью и удельной прочно-стью, легко обрабатывается давлением, сваривается газовой и контакт-ной сваркой, но плохо обрабатывается резанием и имеет большую усад-ку 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 химиче-ские соединения. Обобщенная диаграмма сплавов цветных металлов представлена на рис. 6.2. Если образуется пересыщенный твердый рас-твор, то такие сплавы подвергаются упрочняющей термической обра-ботке. По технологическим свойствам сплавы подразделяются на де-формируемые (упрочняемые или не упрочняемые термической обра-боткой) 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-



74

копрочные сплавы. Указывается условный номер сплава, обозначение, характеризующее состояние сплава: Т – термически обработанный (за-калка плюс старение); М – мягкий (отожженный); Н – наклепанный.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обра-боткой. 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 со-стоянии). Термическую обработку проводят для повышения пластично-сти. 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, средненагру-женных конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработ-кой. Это многокомпонентные сплавы. В состав вводят различные эле-менты 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 – выдерж-ка при нормальной или повышенной температуре. За счет диффузии атомы легирующего элемента образуют кристаллические зоны с повы-

Рис. 6.2. Диаграмма состояния сплавов: 1а – деформируемые неупрочняемые сплавы;

1б – деформируемые упрочняемые сплавы; 2 – литейные сплавы

Ж

C

E B D

F

A

100 % Me0 % Me



75

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 дополни-тельно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости. На-пример, сплав Д16 (σв = 540 МПа, δ = 11 %). Дуралюмины применяются для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повы-шенной прочности, требующих долговечности при переменных нагруз-ках. Особенно широкое применение они находят в авиастроении, авто-мобилестроении, 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 %) обрабатыва-ется резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой, обладает сопротивляемостью коррозии. Из него изготовляют элементы конструкций (листы, трубы и т. д.), несу-щих умеренные нагрузки.

Ковочные сплавы системы Al–Mg–Si–Cu отличаются высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами, позволяющими по-лучить качественные слитки для последующей обработки давлением. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочно-сти, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем со-стоянии. Сплав АК8 (σв = 480 МПа, δ = 10 %) – для изготовления на-груженных штампованных деталей (табл. 6.1).

Таблица 6.1 Химический состав упрочняемых алюминиевых сплавов

Химический состав, % Сплавы Марка Cu Mg Si Zn Fe Mn Ni Дуралюмин Д16 3,8–4,9 1,2–1,8 < 0,5 < 0,3 < 0,5 0,3–0,9 0,1 Авиаль АВ 0,2–0,6 0,4–0,9 0,5–1,2 < 0,2 < 0,5 0,1–0,3 – Ковочные АК6 1,8–2,6 0,4–0,8 0,7–1,2 < 0,3 < 0,7 0,4–0,8 < 0,1 Жаропрочные АК2 3,5–4,5 0,4–0,8 0,5–1,0 < 0,3 0,5–1,0 < 0,2 1,8–2,3Высокопрочные В95 1,4–2,0 1,8–2,8 – 5–7 – 0,2–0,6 –

Жаропрочные алюминиевые сплавы имеют более сложный хими-

ческий состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их до-полнительно легируют железом, никелем и титаном. Например, сплав Д20 (σв = 400 МПа, δ = 12 %) используют для изготовления деталей, ра-ботающих при температуре до 300 °С.



76

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 мар-ганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Например, сплав В95 (σв = 560–600 МПа, δ = 8 %) хорошо обрабатывается резанием и свари-вается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении и судо-строении 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 ма-лой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в соче-тании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением корро-зии. 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 эф-фекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность. Сплавы системы Al–Si ти-па АЛ2, АЛ9 (σв = 200 МПа) сравнительно легко обрабатываются реза-нием. Термической обработкой упрочняются только специальные силу-мины, которые применяются для изготовления средних и крупных ли-тых деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, карте-ров 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 кото-рого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, рабо-тающие при температуре до 300 °С. Из сплава AЛ19 системы Al–Cu из-готавливают 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 обра-батываемость 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 осо-бенностями химического состава: композиты из металлических и неме-таллических материалов; сплавы из металлических и неметаллических



77

компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде, например же-лезо-свинец, вольфрам-медь. Методами порошковой металлургии мож-но 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 резани-ем. В ряде случаев эти материалы имеют более высокие свойства, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают методом порош-ковой металлургии. Частицы имеют диаметр от нескольких микрометров до нескольких миллиметров и характеризуются малой ликвацией. Высо-кая скорость охлаждения частиц (100 °С/с), достигаемая, например, рас-пылением жидкого металла струей нейтрального газа, позволяет получать аномально пересыщенные твердые растворы: предельная растворимость легирующих элементов увеличивается в 2,5–5 раз. Особый интерес пред-ставляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) с элементами, которые практически нерастворимы при обычных условиях. Сплавы представляют собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсны-ми включениями второй фазы. В процессе технологической операции го-рячего (400–450 °С) прессования из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз, которые и увели-чивают 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 содер-жанием кислорода на ее частицах образуется тончайшая пленка окислов алюминия. Различают САП по содержанию Al2O3. Помол осуществля-ется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания происходит сращи-вание мелких частиц в более крупные конгломераты, в результате обра-зуется не воспламеняющаяся на воздухе тяжелая пудра. Пудру брикети-руют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации – прессованию, прокатке, ковке. По коррозионной стойко-сти САП не уступает чистому алюминию. Прочность САС на 50 % вы-ше прочности САП. САС обладает высокой прочностью при температу-рах 300–500 °С и не изменяет своих свойств даже после длительного (до 10000 час) прогрева при 500 °С. При добавлении небольшого количест-ва железа и никеля (до 1,5 %) САП способна длительно работать в паро-воздушной среде при температурах до 350 °С. Листовую САП сварива-ют контактной (точечной и роликовой) и аргонодуговой сваркой; мате-риал легко обрабатывается резанием.



78

6.3. Магний и его сплавы

Магний – легкий (плотность 1,74 г/см3), легкоплавкий (темпера-тура плавления 650 °С), блестящий серебристо-белый металл, тускнею-щий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной плен-ки. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристалличе-скую решетку: а = 0,320 нм, с = 0,520 нм. Механические свойства лито-го 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. Дальней-ший прогресс в развитии магниевых сплавов обусловлен открытием мо-дифицирующего и рафинирующего действия циркония: Mg–Zn–Zr, Mg–(редкоземельный металл)–Zr. Широкое применение получили спла-вы на основе системы Mg–Th, сверхлегкие сплавы – Mg–Li.

Сплавы разделяются на литейные (МЛ) – для производства фа-сонных отливок и деформируемые (МА) – для производства полуфаб-рикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой. Сплавы уп-рочняются 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 высо-кой 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 зна-копеременным нагрузкам: при конструировании деталей следует избе-гать резких переходов сечения, острых надрезов, образования пазов.

Деформируемые магниевые сплавы. Магний плохо деформирует-ся при нормальной температуре: в гексагональной кристаллической ре-шетке магния скольжение происходит по одной плоскости базиса. При высоких температурах (200–450°С) возникает скольжение по дополни-тельным кристаллографическим плоскостям и технологическая пла-стичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому операции обработки давлением магниевых сплавов проводятся в нагретом со-стоянии (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 деформи-руемых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядиль-ных 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



79

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

6.4. Медь и ее сплавы

Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета, имеет ГЦК решет-ку: 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 свойст-ва меди низкие; в качестве конструкционного материала применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием раз-личных 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 диа-грамма состояния системы Cu–Zn (рис. 6.3).

Вторая группа – элементы, нерастворимые в меди в твердом со-

стоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики: Pb, Bi.

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

3 – отжига для уменьшения остаточных напряжений

Zn, % (по массе)

Темп

ература Т,

o С

β α+β



80

Третья группа – неметаллические и полуметаллические элементы, образующие с медью химические соединения: P, As, O, S, Se, Te. Разли-чают 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 рас-творов: 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 изде-лий различают деформируемые и литейные латуни. Из однофазных ла-туней путем деформирования в холодном состоянии изготавливают ленты, гильзы патронов, проволоку. Двухфазные (α + β)-латуни исполь-зуются при изготовлении деталей путем деформирования в горячем со-стоянии (выше 500 oС) листов, прутков и других заготовок, которые подвергаются последующей механической обработке. Обрабатывае-мость резанием улучшается добавкой свинца («автоматная латунь»). Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость; ее можно повысить добавлением олова («морская латунь»). Добавка никеля и железа повы-шает механическую прочность. Литейные латуни не склонны к ликва-ции, отливки имеют высокую плотность. Латуни – хороший материал для изготовления конструкций, работающих при отрицательных темпе-ратурах.

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка. По

способу изготовления различают деформируемые и литейные бронзы. Оловянные бронзы образуют твердые растворы и склонны к лик-

вации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Спла-вы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре легкоплавкую со-ставляющую. Она состоит из мягкой и твердой фаз. Такое строение яв-

Рис. 6.4. Влияние цинка на механические свойства меди



81

ляется благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мяг-кая 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 со-держание 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, про-волоку. Литейные оловянные бронзы применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей: вту-лок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Алюминиевые бронзы содержат алюминий до 9,4 % и имеют од-нофазное 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 алюми-ниевые бронзы, содержащие 5–8 % Al. Увеличение содержания алюми-ния до 10–11 % ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Повышения прочности для сплавов с содер-жанием 8–9,5 % Al можно достичь закалкой.

Преимущества алюминиевых бронз: большая плотность отливок, высокая прочность и жаропрочность, меньшая склонность к хладолом-кости и внутрикристаллической ликвации. Недостатки: значительная усадка, склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристал-лизации и росту зерна при нагреве, спонтанный отпуск при медленном охлаждении, недостаточная коррозионная стойкость. Для устранения недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, ни-келем, свинцом. Из алюминиевых бронз изготавливают литьем и обра-боткой давлением мелкие, но высокоответственные детали типа шесте-рен, 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 кор-розионной 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 анти-фрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами они имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы – сплавы меди с 2–5 % бериллия – качест-венный материал для изготовления пружин. Растворимость бериллия



82

в меди с понижением температуры резко уменьшается. Это явление ис-пользуют для получения высоких упругих и прочностных свойств изде-лий 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 плотно-упакованную решетку, выше – объемноцентрированную кубическую. Бе-риллий – редкий металл: содержание в земной коре – 5·10-4 %. Для произ-водства бериллия в виде заготовок применяют методы порошковой метал-лургии. Пластичный бериллий (содержание примесей менее 10-4 %) полу-чают электролизом с последующей зонной плавкой. Бериллий плохо обра-батывается резанием. Соединения бериллия получают пайкой и дуговой сваркой в аргоне или в вакууме для предотвращения взаимодействия с воз-духом.

Механические свойства бериллия зависят от чистоты металла, технологии производства, размера зерна. Бериллий обладает уникаль-ным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости, по удельной теплоемкости он превосходит все другие металлы. Бериллий отличается высокой электро- и теплопровод-ностью. Недостаток бериллия – высокая стоимость, сложность его пере-работки, 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 ре-шетки бериллия и, как следствие, к сильному охрупчиванию металла. Легирование бериллия возможно теми элементами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимо-стью. Сплавы бериллия с алюминием (24–43 % Al): в таких сплавах твердые частицы бериллия равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Например, механические свойства сплава локел-лой (62 % Be), разработанного фирмой «Локхид» (США): σв = 600 МПа, δ = 1 %. Для увеличения прочности в сплавы Be–Al дополнительно вво-дят магний и серебро – элементы, растворимые в алюминиевой матрице. Сплавы бериллия с серебром (до 60 %) дополнительно легируют литием и лантаном.



83

Цинк и его сплавы. Цинк – синевато-белый металл с температу-рой 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 проч-ностью (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 техниче-ском цинке – свинец, железо, кадмий. Половина производимого цинка расходуется на защиту стали от коррозии.

Сплавы на основе цинка характеризуются невысокой температу-рой плавления, хорошей жидкотекучестью, легко обрабатываются дав-лением и резанием, хорошо паяются и свариваются. Основные леги-рующие элементы – алюминий (до 5–10 %) и медь (до 5 %). Маркиру-ются 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 гра-нецентрированную кубическую решетку. Полиморфных модификаций не имеет. Свинец обладает высокой пластичностью (δ = 60 %) и очень низкой прочностью (σв = 13 МПа). Чистый свинец применяют в произ-водстве свинцовых аккумуляторов, а также аппаратуры, стойкой в аг-рессивных средах. Поскольку свинец хорошо поглощает гамма- и рент-геновские лучи, то его широко применяют для изготовления различных экранов и контейнеров для хранения радиоактивных веществ. Большое количество свинца идет на изготовление оболочек электрических кабе-лей, 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 длитель-ную прочность. Высоколегированные сплавы содержат элементы, по-вышающие прочность, твердость и антифрикционные свойства. Свин-цовые сплавы с теллуром (0,03–0,06 %), медью (0,04–0,08 %) и сурьмой (0,5–2,0 %) используются в качестве материалов для облицовки кисло-тоупорной 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 хоро-шей плотности и литейным свойствам свинцовые сплавы применяются для отливки дроби и сердечников пуль. Для решеток свинцовых акку-муляторов используют сплав свинца с сурьмой (6–9 %).



84

Олово и его сплавы. Олово – белый блестящий металл с темпера-турой плавления 232 °С – характеризуется очень высокой пластично-стью (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 темпе-ратуры 18 °С, а ниже – превращается в серое олово (α-олово) с решет-кой типа алмаза (5,85 г/см2). Превращение белого олова в серое сопро-вождается увеличением объема примерно на 25 %. При охлаждении олово разрушается, рассыпаясь в серый порошок (так называемая «оло-вянная чума»). Скорость превращения β-олова в α-олово мала и дости-гает максимального значения (0,004 мм/ч) при температуре минус 32 °С. Поэтому при температуре ниже 18 °С белое олово сохраняется относи-тельно 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 метал-лы, 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 объемно-центрированную решетку и не претерпевают фазовых превращений.

Тугоплавкие металлы и их сплавы применяют как жаропрочные в авиационной и космической технике. Поскольку они имеют низкую жа-ростойкость, то возникает необходимость использования различных по-крытий для защиты от окисления при высоких температурах. Металлы получают методом порошковой металлургии путем прессования и спе-кания, 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 туго-плавких металлов прочнее чистых металлов. Изделия из сплава ниобия и тантала эксплуатируют в агрессивных средах серной или азотной ки-слот 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 плав-ления. Тантал широко применяется для изготовления пластин и прово-локи в костной хирургии. Вольфрам и молибден используют для изго-товления нитей накаливания, контактов. Рений находит применение для производства сверхточных навигационных приборов.



85

Для специальных конструкций используют псевдосплавы, со-стоящие из взаимно нерастворимых компонентов с разной температу-рой плавления. Спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при 1200–1500 °С жидкой составляющей – медью или се-ребром.

Легкоплавкие металлы и сплавы. К ним относят сплавы с темпе-ратурой плавления ниже температуры плавления их основной состав-ляющей – 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.



86

7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

7.1. Полимеры

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стек-ло, древесина и др.) в ряде случаев заменяют металлы. Достоинством этих материалов является сочетание необходимых химических, физиче-ских и механических свойств с низкой их стоимостью и высокой техно-логичностью.

В основе неметаллических материалов лежат полимеры – высокомо-лекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных низ-комолекулярных 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 формальде-гид (уксусной кислоты). Полимеры различают в зависимости от способа образования.

Полимеризация – процесс соединения низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные с образованием длинных цепей. Например, мономеры этилена C2H4 или винилхлорида C2H3Cl после разрыва двойных ковалентных свя-зей образуют полимерные цепи из мономерных звеньев (меров) – по-лиэтилен и поливинилхлорид (рис. 7.1). Полимеризацией также получают полипропилен, полисти-рол, полибутадиен и др.

Поликонденсация – ступенчатая реакция соединения большого количества одинаковых или разных мономеров в макромолекулы (поли-конденсаты) с одновременным образованием побочных продуктов (во-да, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метиловый спирт и др.).

H H H H │ │ │ │ ─ C ─ C ─ С ─ С ─ │ │ │ │ H H H H

H H Н H │ │ │ │ C = C + С = С │ │ │ │ H H H H

а

Рис. 7.1. Схема полимеризации этилена (а) и винилхлорида (б)

H H H H │ │ │ │ ─ C ─ C ─ С ─ С ─ │ │ │ │ H Cl H Cl

H H Н H │ │ │ │ C = C + С = С │ │ │ │ H Cl H Cl

б

}

мер

}

мономер



87

С помощью такой реакции получают полиамиды, полиэстеры, фенопла-сты, аминопласты, поликарбонаты, силиконы и др.

Полиприсоединение – реакция множественного присоединения мономеров, содержащих предельные группы, к мономерам, содержа-щим непредельные группы (двойные связи, активные циклы). Такие ре-акции протекают без выделения побочных продуктов. К ним относят получение полиуретанов, процесс отверждения эпоксидных смол.

По составу полимеры делятся на органические, элементооргани-ческие и неорганические. Органические полимеры – наиболее обширная группа соединений – состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. В состав основных цепей элементоорганиче-ских соединений входят дополнительно атомы кремния, титана, алюми-ния и др. Это только синтетические полимеры. Например, основные це-пи 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 струк-турой (рис. 7.2). Полимеры с линейной структурой, например полиэти-лен, представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки. Для цепочек характерна гибкость, что обусловлива-ет высокую эластичность полимеров и отсутствие хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой (полипро-

пилен, полиизобутилен) имеют боковые ответвления. Полимеры с лестничной структурой (крем-нийорганические полимеры) со-стоят из двух цепей, соединен-ных химическими связями. При соединении макромолекул поли-меров между собой в попереч-ном направлении образуется сет-чатая структура с различной гус-тотой сетки. Такие полимеры с пространственной структурой обладают большой жесткостью и теплостойкостью и являются ос-новой конструкционных неме-таллических материалов.

Полимеры состоят из кристаллических и аморфных областей. Кристаллическое состояние полимера характеризуется наличием даль-него порядка в расположении макромолекул. Монокристаллы полиме-

Рис. 7.2. Строение полимеров: а – линейное; б – разветвленное; в – с поперечными связями; г – замкнутая структура

в г

а б



88

ров состоят из элементарных ячеек. Из них образуются более сложные структуры – ленты. Из лент строятся плоскости – основной структур-ный элемент кристаллического полимера. Когда образование правиль-ных кристаллов затруднено, то формируется сферолитная структура. Сферолиты состоят из лепестков, образованных последовательным че-редованием кристаллических и аморфных участков. Аморфное состоя-ние полимера характеризуется ближним порядком в расположении мо-лекул. Аморфные полимеры по строению подобны жидкостям с боль-шим коэффициентом вязкости. Кристаллическая фаза способствует по-вышению механических характеристик полимера (твердости, прочно-сти, модуля упругости и т. д.), но снижению гибкости молекул. Аморф-ная фаза уменьшает жесткость, делает полимер более пластичным. От-ношение 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 мате-риалами органического или неорганического происхождения (металло-пласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и др.).

Пластмассы (пластики) – искусственные материалы, получае-мые на основе органических полимерных связующих веществ. Досто-инство пластмасс: малая плотность, химическая стойкость, электро- и теплоизоляционные свойства, малая трудоемкость обработки. Недос-татки: ограниченная теплостойкость, малая жесткость, вязкость, склон-ность к старению. В состав пластмасс входят:

1. Связующее вещество – обязательный компонент пластмасс. Это синтетические смолы, реже – эфиры. Простые пластмассы состоят поч-ти из одного связующего (органическое стекло, полиэтилен, полипро-пилен).

2. Наполнители; бывают порошковые (сажа, графит, тальк, древес-ная мука), волокнистые (хлопковые, стеклянные, асбестовые волокна), листовые (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители повышают ме-ханическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нуж-ные 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 улуч-шения формуемости пластмасс и снижения хрупкости (олеиновая ки-слота, стеарин).



89

5. Отвердители; нужны для пластмасс на основе термореактив-ных 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, по-ливинилхлорид, 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, поли-эфиров и полиуретанов; кремнийорганические полимеры; стеклотексто-литы и стекловолокниты.

Различие в свойствах термопластичных и термореактивных пла-стмасс объясняется разным строением макромолекул полимеров. К тер-мопластам 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 тепло-стойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры, имею-щие структуры, показанные на рис. 7.2, б и 7.2, в, проявляют промежу-точные свойства по сравнению с этими предельными случаями.

Механические свойства пластмасс. Разное строение молекул полимеров обусловливает различную реакцию термопластичных и тер-мореактивных пластмасс на механическую нагрузку (см. рис. 7.3). У термопластов на кривой растяжения можно выделить: 1 – область уп-ругой деформации, 2 – область высокоэластичной деформации, 3 – об-ласть вязкого течения. Термореактивные пластмассы не имеют области высокоэластичной деформации и разрушаются хрупко, причем пределу прочности соответствует степень деформации 5–15 %. Остаточная де-формация у пластмасс, в отличие от металлов, составляет сотни процен-тов, так как скрученные макромолекулы могут вытягиваться. Механи-ческие 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 особенно-стями строения макромолекул. Реактопласты имеют более высокие прочностные характеристики, чем термопласты. Предел прочности стеклотекстолита – 600 МПа, по удельной жесткости и удельной проч-ности он превосходит некоторые стали, сплавы титана и алюминия. Об-разование кристаллической структуры приводит к повышению прочно-сти полимера: для полиэтилена низкого давления со степенью кристал-личности 80–90 % разрушающее напряжение при растяжении составля-



90

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

7.3. Композиционные материалы

Композиционные материалы относятся к новому классу легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию тре-щины. Необходимый комплекс свойств проектируется заранее и реали-зуется в процессе изготовления композиционного материала. Компози-ционные материалы имеют свойства, которыми не обладают отдельные компоненты. Для оптимизации свойств композитов выбирают компо-ненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойства-ми. 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 компо-нентами. Упрочнители должны обладать высокой прочностью, твердо-стью и высоким модулем упругости. Чем выше эти характеристики у наполнителей, тем выше соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. По ти-пу упрочняющих наполнителей композиционные материалы делят на дисперсноупрочненные, волокнистые, слоистые.

В дисперсноупрочненные материалы (см. рис. 7.4, а) вводят мел-кие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, окси-дов, нитридов и др., которые не взаимодействуют с матрицей и не рас-творяются в ней вплоть до температуры плавления. Чем мельче частицы

ε, %

σВ σТ

σ, МПа

5–20 % ε, % 5–15 %

σ, МПа

σВ

а б Рис. 7.3. Кривые растяжения полимеров: а – термопластичного; б – термореактивного



91

наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее материал. В таких материалах основным несущим элементом является матрица. Дисперсные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопро-тивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пла-стическую деформацию. Сопротивление движению дислокаций созда-ется вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дис-персноупрочненные 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 плете-ния. Армирование волокнистых композиционных материалов может осу-ществляться 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 метал-лическую проволоку, металлические или керамические нитевидные кри-сталлы с низкой плотностью дислокаций, стеклянные и керамические ни-ти, например из бора или углерода. Волокна являются элементами, вос-принимающими нагрузку, матрица распределяет нагрузку между волок-нами, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая разрушение хрупкого типа. Этот принцип упроч-нения композиционного материала противоположен различным методам упрочнения металлов, когда металлическая матрица упрочняется, напри-мер, за счет выделений второй фазы. Прочность (или твердость) матрицы благодаря наличию волокон не повышается.

Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное

упрочнение технологически легче осуществимо. Слоистые композиционные материалы (см. рис. 7.5, б) набирают-

ся из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких материалах могут иметь различ-ную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев напол-нителя из разных материалов с разными механическими свойствами.

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

а б в



92

Для слоистых композиций обычно используют неметаллические мате-риалы.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства композиционного мате-риала его армируют одновременно наполнителями различной формы и размеров. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матри-цей, армированной стеклянными волокнами, дополнительно вводят волокна бора.

Композиционные материалы, которые содержат два и более раз-личных наполнителя, называют полиармированными. Матрица связы-вает композицию и придает ей форму. От свойств матрицы зависят тех-нологические режимы получения композиционных материалов и экс-плуатационные характеристики: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды, плот-ность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с матрицей, состоящей из чередующихся слоев различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Например, использование в качестве мат-рицы алюминия и титана одновременно увеличивает прочность такого материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. В качестве матриц металлических композиционных материалов используют метал-лы: алюминий, магний, титан, жаропрочный никель и сплавы на их ос-нове; 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 на-пряжений. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения и не меняется при даль-нейшем 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 ар-

Рис. 7.5. Схемы армирования композиционных материалов: а – волокнистых; б – слоистых

а б



93

мировании. Однако по сравнению с одноосным армированием проч-ность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза.

Зависимость прочности композиционного материала от количест-ва 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 хруп-кий упрочнитель, что приводит к полному уничтожению сцепления во-локон с матрицей.

Снижение прочности композиционного материала при большом содержании уп-рочнителя связано с достиже-нием предела плотности упа-ковки упрочнителя без его разрушения. Прочность ком-позиционных материалов в большой степени зависит, как уже упоминалось, от прочно-сти сцепления волокон с мат-рицей. Требуемая прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями, протекающими на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы проте-кают при изготовлении композиционных материалов и при их исполь-зовании. Для металлических композитов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образова-нию 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 компо-нентами осуществляется с помощью адгезии (межмолекулярного взаи-модействия). Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные бор-ные, углеродные и керамические волокна. Улучшение сцепления дости-гается травлением или вискеризацией – выращиванием монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Волокна после обработки становятся «вор-систыми» и их называют «борсик».

Виды армирующих материалов. Углеродные волокна получают высокотемпературной обработкой в инертной среде синтетических ор-ганических волокон. В зависимости от вида исходного продукта угле-родные волокна могут быть в виде нитей, жгутов, ткани, лент. Обычно

Рис. 7.6. Влияние наполнителя на прочность композиционного материала

10 30 50 70 V, %

σ В



94

для производства углеродных волокон используют вискозу и полиак-рилнитрил. При нагреве синтетическое волокно разлагается с образова-нием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой.

При нагреве выше 450 °С на воздухе углеродные волокна окисляют-ся, в восстановительной и нейтральной атмосфере сохраняют свои меха-нические свойства до 2200 °С. К достоинствам этих волокон относятся высокие тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, к недостаткам – плохая смачиваемость расплавлен-ными материалами. Для улучшения смачиваемости на углеродные волок-на наносят покрытия; например, для алюминиевой матрицы наносят по-крытия из боридов титана и циркония.

Борные волокна получают разложением хлорида бора в среде во-дорода 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 не-большой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и же-сткостью. При температуре выше 400 °С борные волокна окисляются, выше 500 °С – вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимо-действия 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 корро-зионная стойкость.

Изготавливаются два вида стекловолокна: непрерывное диаметром 3–100 мкм, длиной до 20 км; штапельное диаметром 0,5–20 мкм, дли-ной 0,01–0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления кон-струкционных материалов с однородными свойствами, тепло- и звуко-изоляционных материалов. Непрерывное стекловолокно – для высоко-прочных композиционных материалов на неметаллической основе. Вы-пускают непрерывные волокна с квадратной, прямоугольной и шести-угольной формой поперечного сечения, что повышает прочность и же-сткость композитов благодаря более плотной упаковке в матрице.

Металлическая проволока является наиболее дешевым и техноло-гичным упрочнителем. В основном используют проволоку из коррози-онно-стойких сталей. Большая степень пластической деформации при волочении проволоки вызывает большое упрочнение. Высокая темпера-тура рекристаллизации легированной стали обеспечивает проволоке, особенно из сталей аустенитного класса, прочность при высокой темпе-ратуре. Для композитов с алюминиевой матрицей, армированной сталь-



95

ной проволокой, температура не должна превышать 550 °С, иначе про-исходит 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 прочно-стью обладает проволока из бериллия. Бериллиевую проволоку полу-чают выдавливанием из литой или порошковой заготовки, заключенной в никелевую оболочку. Деформированная бериллиевая проволока имеет высокую температуру рекристаллизации (700 °С). Бериллиевую прово-локу целесообразно применять для армирования матриц с малой плот-ностью (Al, Mg, Ti). Нитевидные монокристаллы («усы») имеют наи-большую жесткость и прочность из всех армирующих материалов. Для них характерна очень малая плотность дислокаций. Доказано, что скру-чивание усов в процессе образования монокристаллов Al2O3 и SiO2 вы-звано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположен-ной вдоль оси роста кристаллов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. По-лучение композиционных материалов на металлической основе осуще-ствляется в основном такими методами: формованием волокон в по-рошке, пропиткой волокон жидким металлом, предварительным осаж-дением 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 увели-чивают путем предварительного покрытия волокон металлами. Пропит-ка волокон проводится как за счет капиллярных сил, поднимающих жидкую матрицу по капиллярам между волокнами, так и заливкой свер-ху пропитываемых волокон матрицы. Преимуществом композиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы, т. е. в направлении, пер-пендикулярном 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 мате-риалов 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,



96

отличается низкой стоимостью упрочнителя и лучшими значениями те-пло- и электропроводности.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей. В качестве матриц используются полимерные, углеродные и керамиче-ские материалы. Наибольшее распространение получили композиты на полимерной основе из эпоксидных и фенолформальдегидных смол, по-лиамидов и др.

Получают полимерные композиционные материалы заливкой жидкого полимера, например эпоксидной смолы, в заранее приготов-ленную форму с волокнистым упрочнителем. Вследствие быстрого от-вердения и низкого коэффициента диффузии в неметаллической матри-це переходный слой между компонентами отсутствует. Связь между во-локнами и матрицей осуществляется путем молекулярного взаимодей-ствия (адгезии). Для повышения прочности связей между компонентами проводят обработку поверхности волокон: травлением, окислением, вискеризацией (осаждение нитевидных монокристаллов на поверхность волокон). Преимуществом композиционных материалов с неметалличе-ской матрицей является хорошая технологичность, низкая плотность, большая, чем у металлических композитов, удельная прочность и жест-кость, 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 конст-рукционными материалами по удельной прочности и удельной жестко-сти. 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 ракетострое-нии. По удельной жесткости композиционные материалы превосходят металлы и их сплавы.

Стеклопластики являются конструкционным материалом. Из них изготавливают корпуса машин, кожухи, вентиляционные трубы, кон-тейнеры, электро- и радиомонтажные платы и др. Фиберглас – стекло-пластик, идущий на изготовление инвентаря для прыжков с шестом. Уг-лепластики используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, гребные винты), при изготовлении деталей авиационной техни-ки, 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.



97

Композиционные материалы с металлической матрицей исполь-зуются для корпусов и камер сгорания реактивных двигателей, в энер-гетическом турбостроении (рабочие лопатки турбин) и др.

Керамическими материалами (керамикой) называют порошко-вые материалы из минеральных веществ, твердых тугоплавких соедине-ний типа окислов, карбидов, нитридов, боридов и др., подвергнутых формированию в изделия с последующим спеканием при высокой тем-пературе. Кристаллическая фаза – основа керамики, определяющая многие ее свойства, область применения. Такой фазой являются окислы (Аl2O3, SiO2, ZrO2), карбиды (TiC, SiC, B4C), бориды (TiB2, ZrB2), нит-риды (Si3N4, TiN) и др. Аморфная фаза представляет собой прослойку стекловидных веществ, которая облегчает процесс изготовления мате-риала 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, за-полненная газами. Эта пористость может быть от 0 до 30–40 %. Так как аморфная и газовая фазы отрицательно влияют на прочностные свойст-ва материала, то в технической керамике, работающей под нагрузкой, количество этих фаз должно быть минимальным.

Особенности свойств керамических материалов: высокая тем-пература плавления и рабочие температуры; высокие твердость и изно-состойкость, жаропрочность и теплостойкость; хорошая коррозионная стойкость в различных средах; низкие пластические свойства, повы-шенная хрупкость; хорошие диэлектрические свойства; небольшой удельный вес (1,8–5,0 г/см3).

Высокие твердость и температура плавления керамических мате-риалов обусловлены большой силой ковалентных или ионных связей их кристллической решетки. Высокое сопротивление деформации свя-зано с сильным сопротивлением кристаллической решетки движению дислокаций. Специальной упрочняющей обработки не требуется. Глав-ный недостаток керамических материалов – низкие пластические свой-ства, низкая прочность при растяжении. При нагружении керамика раз-рушается всегда хрупко. С увеличением доли пор хрупкость увеличива-ется, прочность при растяжении уменьшается (см. рис. 7.7).

Технология изготовления изделий из керамики должна преду-сматривать получение или минимальной пористости или беспористого материала. Это необходимо для формирования достаточной прочности изделий, работающих под нагрузкой. Для получения прочной техниче-ской керамики используются мелкозернистые порошки кристалличе-ской фазы с размером частиц 1–3 мкм, иногда меньше 1 мкм. Поскольку



98

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. Та-кие 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 ке-рамика не выдерживает резких изменений температуры.

Керамика на основе глинозема Al2O3 наряду с высокой твердостью имеет хорошие диэлектрические свойства при обычных и высоких тем-пературах, химическую стойкость в расплавленных металлах, газах, ки-слотах. Материал, содержащий более 45 % Al2O3, называется высоко-глиноземистой 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 ра-диолокационных антенн; футеровки камер сгорания ракетных двигате-лей; фильер для волочения стальной проволоки; режущих инструмен-тов, работающих с большим разогревом; подложек интегральных схем электронно-вычислительных машин; электроизоляторов и др.

Керамика на основе кремнезема SiO2 имеет хорошую коррозион-ную стойкость во многих средах, отличается низкой теплопроводно-стью 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, све-товоды. Кремнезем как хороший изолятор используется в электротех-нической промышленности. Материал на основе кварца применяется как огнеупор для футеровки печей, разливочных ковшей. Оксидную ке-рамику используют как строительный материал: изготавливают кирпич, облицовочные плитки, черепицу, фарфоровую посуду, сантехнические изделия и т. п.

Бескислородная керамика. Материалы получают на основе туго-плавких 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 теплопровод-ность; стабильность механических свойств в широком диапазоне темпе-



99

ратур. Недостаток – большая хрупкость. Керамику используют для из-готовления нагревательных элементов электрических печей сопротив-ления, которые работают при высоких температурах на воздухе, без спе-циальной защитной атмосферы.

Керамика в виде карбида кремния SiC (карборунд) имеет высокую твердость, жаростойкость, износостойкость, химическую и коррозион-ную стойкость, низкий коэффициент термического расширения. Плот-ность – 3,2 г/см3. Из нее изготавливают нагреватели электрических пе-чей, чехлы термопар, лопатки газовых турбин, шлифовальные круги.

Керамика на основе нитрида кремния Si3N4 отличается высокой твердостью, износостойкостью. Плотность – 3,2 г/см3. Рабочая темпера-тура – 1350 °С. Из керамики изготавливают детали газовых турбин, коррозионностойкие и жаростойкие инструменты, тигли, кристаллиза-торы, 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 уменьше-ния хрупкости в керамику вводят некоторое количество металла. Мате-риал представляет смесь порошков тугоплавких соединений (керамиче-ская составляющая) и металла (металлическая составляющая), спресо-ванную в изделие необходимой формы и спеченную при высоких тем-пературах. 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 спла-вы подразделяют на безвольфрамовые материалы, материалы на основе карбида титана или карбонитрида титана с никель-молибденовой связ-кой. Благодаря высокой твердости, износостойкости и теплостойкости они применяются для изготовления режущего и штампового инстру-мента, инструмента для бурения скважин. Хорошую коррозионную стойкость до 1100 °С имеют керметы на основе карбида хрома с нике-левой связкой (11 %). Материалы хорошо работают в условиях абразив-ного 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 давле-нии 200–300 МПа и спекают при 1400–1800 °С в нейтральной или за-щитной атмосфере. При спекании увеличивается плотность получаемых изделий за счет уменьшения пористости.



100

8. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Основой металлургического производства стали является двух-ступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь. При доменной плавке про-исходит восстановление из руды не только железа, но и некоторых при-месей (фосфора, кремния, марганца). Восстановленное железо насыща-ется 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 чу-гуна в сталь в конвертерах, мартеновских и электрических печах проис-ходит 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 минера-лов. Руда состоит из минералов и пустой породы (песок, глина). В руде всегда присутствуют такие примеси, как сера, фосфор, кислород, водо-род 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. Промыш-ленное 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 обогаща-ют, 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 – окаты-шей. 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 хо-рошей текучестью – шлаки. Поэтому в печь загружают флюсы – обыч-ный известняк (СаСО3) или доломитизированный (с добавкой MgСО3).



101

При их термическом разложении образуются основные окислы и хими-ческий 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, кото-рый получают сухой перегонкой (при 1000 °С без доступа воздуха) ка-менного угля. При нагревании из него выделяются газообразные про-дукты, он размягчается и превращается в пористую массу – кокс. Тре-бования 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 нейтраль-ные в зависимости от того, какие окислы преобладают в их составе. Ди-насовый кирпич на 95 % состоит из кислого кремнезема SiО2 (огне-упорность 1700 °С); доломитовый, магнезитовый кирпич содержат ос-новные окислы СаО и MgO (огнеупорность 2000 °С); нейтральный ма-териал – 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 на-встречу 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 реак-цию 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 поднима-ется вверх и реагирует с новыми порциями кокса. Реакция идет с по-глощением 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 сле-дующей схеме:

Fе2О3 → Fe3O4 → FеО → Fе



102

Процесс восстановления закиси железа до Fе окисью углерода (га-

зом) называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Соответст-вующие окислительно-восстановительные реакции представлены ниже:

3Fе2О3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 ; 3Fе2О3 + С = 2Fe3O4 + СО Fе3О4 + СО = 3FеО + СО2; Fе3О4 + С = 3FеО + СО FеО + СО = Fе + СО2; FеО + С = Fе + СО Косвенное восстановление железа начинается при прогреве ших-

ты до 600 °С и интенсивно протекает при 750–900 °C. Из руды образу-ется твердое губчатое железо. Частично закись железа FеО восстанав-ливается 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 поро-ды, где находится в виде SiO2. Реакции идут с поглощением тепла:

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

1

2 3

4

5 6

7

8

910



103

SiO2 + 2С = Si + 2СО ; SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавлива-

ются 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. Фос-

фид 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, рас-творяется 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 обра-

зует шлак, который содержит силикат и алюминат кальция: CaO + SiO2 = CaSiO3; CaO + Аl2O3 = CaAl2O4.

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 оки-

слов SiO2, MnO, FeO, а также CaS. Шлак образуется постепенно, его со-став меняется по мере стекания вниз. Он легче чугуна. По мере скопле-ния 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 под-вергают 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 пере-дела в сталь в конвертерах или мартеновских печах. В зависимости от предназначения он бывает: коксовый, фосфористый и высококачествен-ный. 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 ли-тых деталей. Он содержит до 3 % кремния для увеличения жидкотеку-чести. Доменные ферросплавы применяют для легирования и раскисле-ния стали. К ним относятся: доменный ферромарганец (70–75 % Mn



104

и до 2 % Si); доменный ферросилиций (9–13 % Si и 3 % Mn); зеркаль-ный чугун (2 % Mn и Si).

Побочные продукты доменной плавки. Гранулированный шлак используют для производства цемента, строительных кирпичей и бло-ков, щебня, шлаковаты и других строительных материалов. Применя-ются также литые шлаковые изделия. Колошниковый газ содержит го-рючие составляющие: окись углерода и водород. После очистки от пы-ли используется для нагрева воздуха (в воздухонагревателях) и в каче-стве 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 дейст-вия: конвертерах, мартеновских печах, электропечах. От чугуна сталь отличается низким содержанием углерода (около 2 %) и вредных при-месей. Процесс получения стали заключается в удалении углерода и примесей путем избирательного их окисления при продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом. Ранее сталь выплавляли в бессеме-ровских и томасовских конвертерах путем продувки жидкого чугуна воздухом снизу. В настоящее время применяют более производитель-ный способ – продувка чугуна кислородом сверху.

Кислородный конвертер (рис. 8.2) футерован основным ог-неупорным кирпичом. Конвертер загружают через горловину в на-клонном положении: сначала стальной лом – скрап (до 30 % от массы чугуна), а затем заливают чугун (температура 1250–1400 °С). Через горловину вводят фурму и под давлением 9–14 атмосфер подают кислород с добавкой по-рошкообразной извести. Сначала наиболее интенсивно окисляется железо:

2Fе + О2 = 2FеО Одновременно происходит окисление примесей кислородом и за-

кисью железа:

Рис. 8.2. Схема конвертера: 1 – кислород и СаО; 2 – трубка

для кислородного дутья; 3 – шлак; 4 – ось; 5 – сталь; 6 – корпус

1 2

3

6

4 5



105

Si + O2 = SiO2; 2C + O = 2CO Si + 2FеО = SiО2 + 2Fе; Mn + FеО = МnО + Fе

2P + 5FeO = 5Fe + P2O5 Реакции окисления идут с выделением тепла и температура в кон-

вертере 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 ки-слородом и становится непригодной для дальнейшей обработки давле-нием (ковка, прокатка): образуются трещины при деформации в нагре-том состоянии. Для удаления закиси железа сталь раскисляют. Для это-го перед выпуском стали в конвертер или в ковш добавляют ферромар-ганец, ферросилиций и чистый алюминий, которые образуют нераство-римые окислы, всплывающие в шлак:

Mn + FеО = МnО + Fе; Si + 2FеО = SiO2 + 2Fе 2А1 + 3FеО = А12O3 + 2Fе

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода соот-ветствует норме. При излишке углерода, марганца и кремния делают додувку кислородом; при излишне высокой температуре в печь загру-жают скрап. Выделение пузырьков CO выглядит как «кипение» стали:

FeO + C = Fe + CO По поведению при разливке различают кипящие, спокойные и по-

луспокойные стали. Кипящие стали раскисляют ферромарганцем. В них частично остается закись железа. Раскисление продолжается при кри-сталлизации слитка. Спокойная сталь раскисляется ферросплавами и алюминием полностью. «Кипение» при кристаллизации не наблюда-ется. Полуспокойная – ферромарганцем и небольшим количеством фер-росилиция. В конвертерах выплавляют углеродистые и низколегиро-ванные (2–3 % примесей) конструкционные и инструментальные стали.

Мартеновская печь работает на газообразном (кислород, домен-ный или природный газ) или жидком (мазут) топливе. Для подогрева воздуха имеются два регенератора, через которые проходят горячие га-зы печи. Они работают периодически. Нагретый воздух поступает в го-ловку, 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 ки-слого процесса требуется чистая по сере и фосфору шихта. Сталь вы-плавляют главным образом основным мартеновским процессом. Он де-



106

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, ки-пение и раскисление. Как в кислородном конвертере, так и в мартенов-ской 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 взаи-модействуют 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. Ре-акция кипения называется главной, так как при этом происходит интен-сивное перемешивание металла и выравнивание температуры металла в ванне и его химического состава. Периодически делают химический анализ на содержание углерода, серы и фосфора. Затем сталь раскисля-ют ферросплавами или алюминием. Основным скрап-процессом вы-плавляют спокойную, углеродистую сталь. При выплавке легированных сталей руду не добавляют, легкоокисляющиеся примеси в виде ферро-сплавов вводят после раскисления.

Широко распространены двухванные печи (рис. 8.3). Тепло отхо-дящих газов, образующихся в первой ванне при продувке жидкого ме-талла кислородом, используется для нагрева холодной шихты во вто-рой. Затем во вторую ванну заливают чугун и начинают продувку, обра-зующиеся газы направляют в первую ванну, где выпущен готовый ме-талл и загружена холодная шихта. Производительность двухванных пе-чей в 2–4 раза выше, чем однованных, расход топлива в 10–15 раз меньше.

Рис. 8.3. Двухванная мартеновская печь: 1 – жидкий металл; 2 – шихта; 3 – продувочная фурма;

4 – дожигающая фурма; 5 – резервная горелка

3 4 5 5

2 1 3



107

Плавка стали в дуговых электропечах. Электрические печи ис-пользуют для переплава стального и чугунного металлолома в высоко-качественные 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 метал-лом. Футеровка печей бывает основная и кислая.

Плавка на углеродистой шихте применяется для производства конструкционных углеродистых сталей и имеет много общего с основ-ным 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 взаимодей-ствуют с флюсами и переходят в шлак, который сливают. После прогре-ва металла и шихты до 1500 °С добавляют руду и известь. Кислород ру-ды окисляет углерод и вызывает кипение жидкого металла. Это способ-ствует уменьшению содержания в металле фосфора (до 0,01 %) и углерода. Шлак удаляют. Восстановительный период включает рас-кисление металла, удаление серы и доведение металла до заданного хи-мического состава. При глубинном раскислении ферромарганец, ферро-силиций 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

Рис. 8.4. Схема дуговой электропечи: 1 – электроды; 2 – жидкий металл;

3 – сектор для наклона

1

23



108

Процесс протекает в шлаке и на границе шлак-металл. Содержа-ние 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 ле-гированных 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 бы-вают 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 ог-неупорного тигля, индуктора и имеет съемную крышку. Индуктор вы-полнен в виде катушки из медной трубки, охлаждаемой водой. При прохождении через него переменного тока (частота 500–2500 Гц) обра-зуется переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вто-ричном контуре (тигель с загруженным металлом) вихревые перемен-ные токи Фуко, под действием которых металл нагревается и расплав-ляется. Вихревые токи создают интенсивную циркуляцию жидкого ме-талла, что способствует ускорению химических реакций, выравниванию температуры и состава расплава, всплыванию неметаллических вклю-чений. Скрап и ферросплавы загружают одновременно, так как плавка протекает быстро. Анализ химического состава не делают. После рас-плавления металла засыпают флюс. Раскисление стали ферромарганцем, ферросилицием или алюминием производится перед выпуском. Недос-таток – высокая стоимость оборудования и низкая металлургическая ак-тивность шлака, который нагревается только за счет тепла металличе-ской ванны. Индукционные печи применяются для выплавки высокока-чественных низкоуглеродистых и специальных легированных сталей и сплавов.

Бездоменная металлургия. Получение губчатого железа в шахт-ных печах. На Оскольском комбинате из руд Курской магнитной анома-лии выплавляют сталь, минуя доменный процесс. Руду обогащают и по-лучают железнорудный концентрат (содержание железа до 70 %). Он из-мельчается, добавляется вещество для склеивания частиц концентрата в шарики – окатыши. Окатыши поступают в шахтную печь, где при тем-пературе 500–800 °C металлизируются: водород (Н2) и оксид углерода (СО) восстанавливают железо. В печи температура увеличивается до



109

1100 °C. Металлизированные окатыши (содержание железа 90–95 %) по-ступают в дуговые электропечи.

Восстановление железа в кипящем слое. Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решетку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением. Совершая непрерыв-ное движение, частицы руды находятся как бы во взвешенном состоя-нии. 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 загру-жаются шихтой слоями. Внутренний и наружный восстановительные слои – измельченное твердое топливо и известняк (для удаления серы). Между ними находится слой измельченной руды или концентрата. Кап-сулы 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 получа-ют 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, расши-ряющиеся кверху (см. рис. 8.6, б). Они имеют прибыльные надставки 8,

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

3 – тигель

32

1



110

футерованные огнеупором 9. Сталь дольше находится в жидком состоя-нии 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 из-ложницу сталь заливается из ковша 1 сверху (см. рис. 8.6, а), брызги за-стывают на стенках. Сифонная разливка применяется для легированных и высококачественных сталей. Заполняется одновременно несколько изложниц (рис. 8.6, б). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в цен-тре которого находится центральный литник 3, футерованный трубками 4. Жидкая сталь 2 из ковша по каналу 7 поступает в нижнюю часть излож-ницы 5. Заполнение изложниц происходит без брызг, поверхность слит-ка получается чистой.

При непрерывной разливке (рис. 8.7) жидкую сталь из ковша 1 че-рез промежуточный ковш 2 подают в изложницу без дна – кристаллиза-тор 3. В его нижнюю часть вводят затравку (стальную штангу в виде ласточкиного хвоста), на которой затвердевает металл. Затравка дви-жется вниз при помощи роликов 5, вытягивая затвердевающий слиток 6. Окончательное затвердевание происходит при охлаждении водой 4. Да-лее слиток попадает в зону резки 7. Слитки не имеют усадочных рако-вин и поступают на станы сортовой прокатки, минуя блюминги и сля-бинги. Стойкость изложниц – до 300 заливок.

Выплавляемая сталь содержит газы, вредные примеси и неметал-лические включения.

Рис. 8.6. Разливка стали в изложницы: Рис. 8.7. Схема а – сверху; б – сифоном непрерывной разливки

а б 7

1 2

3 4

1

2 1

4 5

6 7

8

9

5

6



111

Способы повышения качества стали: 1. Продувка стали в ковше инертными газами. Пузырьки газа по-

глощают включения и растворенные в стали водород, азот и кислород. 2. Обработка стали синтетическим шлаком. Способ позволяет

удалять газы, неметаллические включения, серу. Шлак содержит окис-лы кальция (55 %), алюминия (40 %), кремния и магния. Его предвари-тельно расплавляют и заливают в ковш. С определенной высоты в ковш выливают сталь. Интенсивное перемешивание стали и шлака способст-вует ускорению химических реакций.

3. Такой же эффект достигается продувкой стали порошкообраз-ной шлакообразующей смесью, состоящей из извести и плавикового шпата.

4. Очистка стали вакуумированием. При уменьшении давления растворимость газов уменьшается: выделяющиеся пузырьки газа увле-кают за собой неметаллические включения.

5. Эффект повышения качества стали при повторном переплаве дос-тигается при очистке стали жидким шлаком или при ее вакуумировании. К таким способам относятся: электрошлаковый переплав, переплав в ваку-умно-дуговой печи, переплав в электронно-лучевой печи и др.



112

9. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейное производство – процесс получения заготовок или гото-вых изделий в виде отливок. Расплавленный металл заполняет специ-альную литейную форму – рабочую полость. Внутренняя полость ли-тейной 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 металли-ческие формы (кокили), литьем под давлением, центробежным литьем и др. Большая часть отливок изготовляется литьем в песчаные формы. Остальные способы получили название специальных. По количеству за-ливок литейные формы делятся на разовые и многократные. Разовые формы разрушаются при извлечении отливок.

9.1. Литейные свойства сплавов

Получение качественных отливок определяется литейными свой-ствами сплавов.

Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов заполнять в расплавленном состоянии все полости литейной формы и точно вос-производить очертания отливки. Для измерения жидкотекучести при-меняют заливку технологических проб в виде тонкого прутика или спи-рали сечением 0,56 см2.

Усадка – уменьшение линейных размеров и объема сплава при за-твердевании. 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 по-лости) и усадочная пористость (скопление мелких пустот) обычно обра-зуются в тех местах отливки, которые затвердевают в последнюю оче-редь без доступа расплавленного металла. Для его непрерывного посту-пления делают прибыль (дополнительную емкость с расплавленным ме-таллом), а также проводят принудительное охлаждение массивной части отливки: скорости охлаждения массивных и тонких частей отливок при этом выравниваются.

Трещиностойкость – способность сплава противостоять образо-ванию трещин в отливках. При неравномерном по объему охлаждении



113

и затвердевании отливки внутренние напряжения возникают вследствие того, что усадка крупных и мелких частей отливок происходит неоди-наково. Возникают трещины. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации отливки. Холодные трещины возникают в затвердев-шем сплаве. Внутренние напряжения могут привести также к коробле-нию отливки – изменению ее формы и размеров.

Газопоглощение. В расплавленном состоянии сталь обладает хо-рошей способностью поглощать различные газы из атмосферы. При за-твердевании 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 от-ливок в песчаных формах показаны на рис. 9.1. Для изготовления ли-тейной формы необходимы модельный комплект и формовочная смесь.

В модельный комплект входят: модели, подмодельные, подопоч-

ные и сушильные плиты, стержневые ящики, опоки и др. С помощью модели в песчаной форме получают внутреннюю полость, соответст-вующую 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 ли-тейной песчаной формы. Подопочные плиты предназначены для уста-

Рис. 9.1. Технология изготовления отливок в песчаных формах

Изготовление моделей и стержне-

вых ящиков

Изготовление стержней

Приготовление формовочных и

стержневых смесей

Изготовление полуформ моделей

Сборка форм

Заливка форм

Выбивка и очистка отливок

Сдача отливок

Приготовление расплавленного

металла



114

новки опок и готовых форм под заливку. Модельный комплект изготов-ляют 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 отлив-ке получают с помощью стержня 4, отдельно изготовленного из стержне-вой смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнезда), образованные в форме формовочными знаками 3 модели.

Металл заливают через литниковую систему 7 (рис. 9.3). Она обеспечивает подвод металла в форму и заполнение с требуемой скоро-стью, 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 ма-териалов и направляют на механическую обработку.

Материалы, из кото-рых изготовляют литейные формы, называют формо-вочными смесями. Смеси должны обладать опреде-ленными технологически-ми свойствами. Прочность – способность смеси со-хранять форму без разру-шения при заливке метал-ла. Пластичность – спо-собность смеси восприни-мать очертания модели. Непригораемость – спо-

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

1 2

3

4

5

6 8 7

9

Рис. 9.3. Литниковая система: 1 – литниковая чаша; 2 – стояк;

3 – шлакоуловитель; 4 – питатели; 5, 6 – чаша и стояк выпоров; 7 – фильтр

1 5

6

2

3

1 2

3

1 5 6

7 4

4



115

собность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без химического с ним взаимодействия или плавления смеси. Газопро-ницаемость – способность смеси пропускать газы через стенки формы. Податливость – способность формы или стержня сжиматься при усад-ке отливки.

Формовочные смеси состоят из наполнителя (песок, бывшие в употреблении смеси), связующего материала (глина) и различных до-бавок (каменноугольная пыль, графит, борная кислота и др.). На по-верхности 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. Приго-товление смесей начинают с подготовки материалов. Кварцевый песок промывают, сушат. Глину и уголь тонко измельчают, сушат. Отрабо-танную 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 объе-му). Готовую формовочную и стержневую смеси подают к месту фор-мовки. Ручная формовка малопроизводительна, трудоемка, имеет огра-ниченное применение. При машинной формовке механизируются опе-рации уплотнения смеси в опоке и извлечения модели из формы. По способу уплотнения формовочной смеси в опоках формовочные маши-ны 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 тру-доемкая операция, и в единичном производстве мелких отливок произ-водится 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 – уда-ления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с поверхно-сти отливки производится во вращающихся барабанах, гидропескост-руйных 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-



116

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. Ва-гранка – типичная шахтная печь, отличается от других печей более вы-соким коэффициентом полезного действия, большой производительно-стью, простотой конструкции. На ряде заводов применяют вагранки за-крытого типа, оснащенные специальными системами очистки и дожи-гания 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, пла-менных печах, в дуговых и индукционных электропечах. Плавка ведет-ся на воздухе, в среде защитных газов и в вакууме. Алюминиевые спла-вы плавят в электропечах сопротивления, индукционных печах, тигель-ных горнах. Помимо обычной заливки в земляные формы, применяют заливку в формы под давлением воздуха для получения отливок повы-шенной плотности. Магниевые сплавы склонны к самовозгоранию при температурах, близких к температуре плавления. Вести плавку на воз-духе невозможно; ее производят в атмосфере без кислорода или под слоем флюса на основе фторидов и хлоридов щелочных металлов в ти-гельных электрических и индукционных печах. Для плавки титановых сплавов применяют тигельные печи; плавку и заливку производят в за-щитной атмосфере (обычно в среде аргона). Для производства отливок для авиационной промышленности используют электронно-лучевые ва-куумные 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 обработ-ку, высокими эксплуатационными свойствами.

Литье по выплавляемым моделям. Модель точных размеров из-готовляют в пресс-форме из материалов с невысокой температурой плавления – воска, стеарина, парафина или полистирола. Для образова-ния оболочковой формы модель многократно погружают в огнеупор-



117

ную суспензию из кварцевой муки и раствора этилсиликата (связующе-го материала). Получается неразъемная тонкостенная (6–8 мм) оболоч-ка. Перед заливкой расплава модель удаляют из формы путем плавле-ния или выжигания. Этим способом получают главным образом отлив-ки очень сложной конфигурации, максимально приближенные к конфи-гурации 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 термо-реактивной фенолформальдегидной смолы (5–8 %). Смола сначала пла-вится, 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 крепят-ся металлические модели отливок. Бункер переворачивается, и формо-вочная смесь засыпает модели. Смола плавится и вместе с песком при-липает 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 кри-сталлизация расплава происходит медленно. Металл отливки получает-ся крупнозернистым, необходима дополнительная термообработка.

Литье в кокиль. Кокиль представляет собой металлическую (обычно из чугуна) форму из двух половинок и используется много-кратно. Металл заливается сверху. Формовочная смесь не применяется. Для образования внутренних полостей (отверстий) в отливках приме-няют металлические или песчаные стержни. Перед заливкой на поверх-ность кокиля наносят теплоизоляционный слой из огнеупорных (квар-цевой муки, графита, мела, талька) и связующего материала (жидкого стекла), а затем подогревают. Литье в кокиль применяют в крупносе-рийном и массовом производстве.

Литье под давлением. Металлическая форма заполняется распла-вом под давлением до 3000 атмосфер. Затвердевают отливки также под избыточным давлением. Используются только металлические неразъ-емные стержни. Литье осуществляется в специальных машинах с хо-лодной и горячей камерами прессования. На машинах с горячей каме-рой прессования (см. рис. 9.4) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем поло-жении поршня 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессова-ния. При движении поршня вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания от-ливки поршень возвращается в исходное положение, остатки



118

расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка уда-ляется выталкивателями 6. Условия работы камеры прессования и порш-ня неблагоприятные, так как они по-гружены в расплав. В машинах с го-ризонтальной холодной камерой прессования условия работы камеры и поршня более благоприятны, мож-но развивать большие давления прес-сования. В таких машинах изготав-ливают массивные отливки из всех известных сплавов. Литье под давле-

нием – высокопроизводительный способ изготовления отливок с высо-кой точностью размеров и малой шероховатостью поверхностей.

Центробежное литье. Жидкий металл заливают во вращаю-щуюся с определенной скоростью литейную форму. Вращение формы продолжается в течение всего времени кристаллизации отливки. Металл центробежной силой прижимается к стенкам формы (обычно металли-ческой). Отливки получаются с повышенной прочностью, так как более легкие фракции (газы и шлак) вытесняются во внутренние полости от-ливок и в дальнейшем удаляются.

Ось вращения может быть горизонтальной (рис. 9.5) и вертикаль-ной. На рисунке показано получение отливок, имеющих форму тела вращения. Ось вращения совпадает с осью отливки, толщина стенок оп-ределяется количеством заливаемого металла. При изготовлении мелких отливок ось вращения формы может не совпадать с осью отливки. Та-кой способ называется центрифугированием. Центробежное литье при-

меняют в массовом и единичном производстве отливок из разных сплавов в металлических и песча-ных (оболочковых) формах. Отли-вают трубы, цилиндровые втулки, гильзы и поршневые кольца двига-телей, колеса, шкивы, орудийные стволы и двухслойные (биметал-лические) отливки. Широко цен-тробежное литье применяют для изготовления чугунных труб.

Литье под низким давлением. Заполнение формы расплавом и затвердевание отливки происходит под избыточным давлением инерт-ного газа. Расплавленный металл содержится в подогреваемом тигле,

Рис. 9.5. Центробежная машина с горизонтальной осью вращения

Рис. 9.4. Схема изготовления отливки на машинах с горячей

камерой прессования

6 5

4 3 2 1



119

в который погружается металлическая труба – металлопровод. Под дав-лением газа металл из тигля по трубе поднимается в форму. Можно лег-ко управлять процессом заполнения формы расплавом, улучшить каче-ство отливки, исключив образование газовых раковин и оксидных пле-нок. Изготавливают тонкостенные крупногабаритные отливки.

Электрошлаковое литье. Метод заключается в том, что одно-временно происходит и плавка, и заполнение литейной формы путем переплава электродов. Источником тепла является шлаковая ванна, на-греваемая проходящим электрическим током (рис. 9.6). Сначала в кри-сталлизатор 6 заливают расплав-ленный шлак специального состава. Электрический ток подводится к электродам 7 и затравке 1 в нижней части кристаллизатора. Шлаковая ванна 4 нагревается до 1700 °С, по-груженные в нее концы электродов оплавляются. Металл плавящихся электродов, стекая на дно шлаковой ванны, очищается от вредных при-месей и образует металлическую ванну 3. Затвердевание отливки 2 происходит в нижней части кри-сталлизатора 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 производст-ва 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 кото-рый заливается металл. При повороте подвижной полуформы 1 металл вы-жимается и заполняет полость 2 меж-ду полуформами. Излишек металла выливается в ковш 3. Способ позво-ляет заполнять формы тонкостенных, крупногабаритных отливок. Отливки имеют хорошую структуру и высокие механические свойства, так как фор-мирование отливки и заполнение формы происходят одновременно.

Рис. 9.6. Схема электрошлакового литья

7 6 5 4

2 1

Рис. 9.7. Схема литья выжиманием а б



120

Литье вакуумным всасыванием (рис. 9.8). Охлаждаемая водой литейная форма 3 устанавливается на керамическое основание 2, кото-

рое соприкасается с поверхностью рас-плавленного металла. Если из формы от-качивается воздух, то форма будет запол-няться жидким металлом из раздаточной печи 1 за счет разрежения, создаваемого в форме вакуумным насосом. При его за-твердевании 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 тон-костенных отливок, исключить попадание воздуха в расплав, повысить механические свойства отливок. Преимущество – полу-чение качественных отливок без расхода металла на литники и прибыли.

Непрерывное и полунепрерывное литье. Сущность этих спосо-бов 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 отлив-ка представляет собой круглый пруток, прямоугольную штангу, трубу или какой-либо длинный брусок сложного профиля. Если изделие из-влекается тянущими валками, то процесс называют непрерывным. Если изготавливается отливка заданной длины, то процесс называют полуне-прерывным. 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 песча-ных и оболочковых формах, кокилях, литьем по выплавляемым моде-лям, центробежным литьем. Высокопрочный чугун имеет такую же жидкотекучесть, как и серый, но усадка больше (1,2–1,7 %). Отливки

Рис. 9.8. Схема литья вакуумным всасыванием



121

имеют усадочные дефекты. Отливки могут иметь различные дефекты: усадочные раковины и поры, коробление, трещины. Отливки из высо-копрочного 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 повышен-ная 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 ко-килях.

Стальные отливки обладают более высокой прочностью и вязко-стью, 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 теплопро-водности в высокоуглеродистых сталях возникают значительные внут-ренние 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 за-твердевают в широком интервале температур, что приводит к образова-нию пористости. Безоловянные бронзы имеют хорошую жидкотеку-честь, но большую усадку (2,4 %), что приводит к образованию усадоч-ных раковин. Все медные сплавы склонны к образованию трещин. Око-ло 80 % отливок медных сплавов получают литьем в песчаные и обо-лочковые формы. Лучшими литейными свойствами среди алюминиевых сплавов обладают силумины. Они характеризуются хорошей жидкоте-кучестью, низкой усадкой (1 %), узким интервалом температур затвер-девания, 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 ра-ковины, рыхлость, пористость; недостаточное заполнение литейной формы металлом; горячие и холодные трещины, коробление; несоответ-ствие микроструктуры, химического состава, механических свойств ме-талла отливок требованиям ГОСТа. Дефекты отливок выявляются раз-личными методами контроля. Контроль размеров позволяет предупре-дить массовый брак из-за износа или коробления модели и стержневых ящиков. Механические свойства, микроструктура контролируются ис-пытаниями отдельных отливок. Внутренние дефекты выявляются мето-дами радиографической или ультразвуковой дефектоскопии. Способы исправления дефектов отливок – правка, заварка, пропитка форм твер-деющими материалами, стойкими к воздействию агрессивных сред (ба-келитовый лак, полистирол).



122

10. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Под действием внешней нагрузки (удара молота, давления пресса) металл изменяет свою форму. При этом происходит изменение внут-реннего строения металла и, как следствие, его механических свойств. Необратимое изменение формы и свойств материала без разрушения на-зывают пластической деформацией. Чтобы деформация произошла, к металлу необходимо приложить механическое напряжение, которое было бы больше предела упругости, но меньше предела прочности. Ес-ли после снятия нагрузки форма и размеры тела восстанавливаются, то деформацию называют упругой.

Обработка металлов давлением – технологический процесс по-лучения заготовок необходимой формы и размеров путем их пластиче-ской деформации. Обработка давлением применима только к пластич-ным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы), но не к хрупкому чугуну и может производиться как в холодном, так и го-рячем их состоянии.

При обработке металла в холодном состоянии зерна деформиру-ются, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличива-ются, 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 де-формации уменьшается за счет увеличения пластичности металла при нагреве. Наклеп при деформировании можно уменьшить даже при не-большом нагреве металла, при котором частично исчезают дефекты ре-шетки и снимаются вызванные ими искажения кристаллической решет-ки, однако деформированная форма зерен сохраняется. Это явление на-зывается возвратом металла. При нагреве до более высокой температу-ры наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых зерен вза-мен деформированных называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит рост одних зерен за счет других. Этот процесс называют вторичной рекристаллизацией.

Температура, при которой начинается рекристаллизация, называ-ется температурным порогом рекристаллизации (Тр). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара: Тр = α ⋅ Тпл. Коэф-фициент α зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5–0,6, для чистых металлов – 0,3–0,4); температура – в градусах Кельвина.



123

Если деформирование металла происходит при Т > Тр, то наклеп не образуется: одновременно идут процессы упрочнения и разупрочне-ния – рекристаллизации. Такая деформация называется горячей. Если деформирование происходит при Т < Тр, то деформация называется хо-лодной. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свой нижний и верхний пределы.

На рис. 10.1 показана зона 1 нагрева углеродистой стали для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода. Верх-ний предел зоны нагрева ле-жит на 150–200 °С ниже тем-пературы начала плавления (линии солидуса), а нижний – на 60–70 °С выше температур превращения перлита и це-ментита в аустенит. Зона 3 пережога находится пример-но на 100 °С выше зоны 2 пе-регрева. Пережженный ме-талл идет на переплавку. В зоне перегрева происходит интенсивный рост зерна. Крупнозернистая структура металла делает его непроч-ным и хрупким. Необходим отжиг для ее измельчения. Ниже линии нижних температурных преде-лов находится зона наклепа. При правильном режиме горячей обработ-ки зерно получается тем мельче, чем ближе температура конца обработ-ки к нижнему пределу.

Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах. На-гревать нужно быстро, чтобы не успели вырасти крупные зерна. В отли-чие от камерных в пламенных методических печах рабочее пространст-во 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 за-готовку, которая и служит сопротивлением. В индукционных печах за-готовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается дейст-вием вихревых токов. По сравнению с другими печами время нагрева в этом случае сокращается в 15–20 раз, меньше слой окалины, отсутст-вует обезуглероживание.

Рис. 10.1. Левая часть диаграммы железо-цементит с областями: 1 – горячей обработки давлением;

2 – перегрева; 3 – пережога

A

E

S

G

P



124

10.1. Прокатка

Прокатка – вид обработки давлением, при котором металл пла-стически деформируется между вращающимися валками. Заготовка двигается за счет сил трения, которые возникают при ее сдавливании. Толщина уменьшается, но увеличивается длина и ширина. Форма попе-речного 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 поступа-тельно перпендикулярно оси валков. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат. При попереч-ной прокатке (рис. 10.2, б) оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном. Заготовка дефор-мируется и движется вдоль оси валков. Поперечная прокатка применя-ется 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 дефор-мацию. Этим видом прокатки производят, например, бесшовные трубы.

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 подшипни-ках. Трефа предназначена для соединения с муфтой или шпинделем. Валки бывают гладкими и калиброванными, т. е. имеющими ручьи оп-ределенного профиля. Ручей – профиль выреза на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями – бурты. Калибром называют по-лость, составленную смежными ручьями двух валков. Сначала заготов-ку обжимают в обжимных и черновых калибрах, а затем – в чистовых.

Рис. 10.2. Схемы видов прокатки: а – продольная; б – поперечная;

в – поперечно-винтовая

а б в



125

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 – двух-валковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), многовалковые, универ-сальные; по направлению вращения валков – нереверсивные и реверсив-ные (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 – мел-косортные и крупносортные. Крупные станы называют блюмингами или слябингами. Слитки массой до 15 тонн прокатывают в квадратные заго-товки – 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 специаль-ный. 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 сече-ния прокаткой сначала на стане поперечно-винтовой прокатки, где заго-товка получает винтообразное движение и внутри ее образуется по-лость, 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 горя-

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

а

б

1 2 3



126

чекатаной ленты (штрипса) на непрерывных прокатных станах. Штрипс завивают по спирали на цилиндрических оправках с непрерывной свар-кой 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, угол-ков на роликогибочных станах. При бесслитковой прокатке жидкий ме-талл заливается в зазор между двумя охлаждаемыми водой вращающи-мися валками.

10.2. Волочение и прессование

Волочение – вид обработки металлов давлением, при котором за-готовка (обычно в холодном состоянии) протягивается через сужаю-щееся 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 металло-керамического сплава, а при волочении тонкой проволоки – из техниче-ских алмазов. Для уменьшения трения, повышения стойкости инстру-мента и отвода тепла применяют жидкие и сухие смазки (минеральное масло, эмульсии, мыло, графит). При волочении происходит наклеп ме-

талла, который устраняют отжи-гом с последующим травлением окалины. Волочильные станы со-стоят из станины с держателем для волоки и тянущего устройства: с прямолинейным движением про-тягиваемого металла (цепной, ре-ечный стан) или с наматыванием на барабан.

Прессование – вид обработки давлением, при котором нагретый ме-талл 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 прес-сования 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

Рис. 10.4. Схема волочения: 1 – волока; 2 – заготовка; 3 – острый конец заготовки; 4 – захват; P – усилие

1 2

3

4 P



127

сплошного сечения и любой формы получают методом обратного прес-сования, трубы – только прямым.

Прессование – единст-венный метод обработки ма-териалов с низкой пластич-ностью (специальные стали, цветные металлы и сплавы). Можно получить изделия сложного поперечного сече-ния. Инструмент работает в жестких условиях (большое давление, высокая темпера-тура) и быстро изнашивает-ся. Его изготовляют из инст-рументальных сталей и жа-ропрочных 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 машин-ная ковка. При ковке металл течет в стороны, не ограниченные рабочи-ми поверхностями инструмента (см. рис. 10.6). Заготовка помещается между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками моло-та 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 оса-живается 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 оп-равке – увеличение внутреннего и наружного диаметров кольцевой за-готовки при уменьшении толщины ее стенок. Прошивкой получают в заготовке полости (сквозные, глухие отверстия) за счет вытеснения металла. Инструмент – прошивни. Отход металла называют выдрой.

Рис. 10.5. Схемы прессования прутка: а – прямым методом; б – обратным

а б

1 2 3 4 1 4 2 3



128

Рубка – операция отделения одной части заготовки от другой. Гибка придает заготовке изогнутую форму по заданному контуру.

Выполняют ее при помощи опор и приспособлений. Изготовляют уголь-ники, скобы.

Скручивание – операция поворота части заготовки вокруг про-дольной оси.

Молот деформирует металл ударом, а пресс – статической нагруз-кой. Молот имеет два бойка: один наносит удары и закреплен на па-дающей части (ее называют баба), а другой (на нем лежит заготовка) – закреплен в шаботе. Падение бабы происходит под действием силы тя-жести (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 со-стоянии. При объемной штамповке заготовкой является пруток, металл заполняет всю полость штампа. При листовой штамповке толщина по-лученных деталей незначительно отличается от толщины исходного листа – заготовки. Объемная штамповка чаще бывает горячей, а листо-вая – холодной.

Выдра

1 5

4

Рис. 10.6. Основные операции ковки: 1 – осадка; 2 – высадка; 3 – протяжка;

4, 5 – прошивка; 6, 7 – рубка; 8 – сварка

6 7 8

3

2

Торцы



129

Горячая штамповка. Горячей объемной штамповкой в специаль-ных 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 час-тями штампа имеется зазор высотой h, в который вытекает избыток ме-талла – 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 про-исходит. Расход металла меньше, лучше структура металла.

Различают штамповку в одноручьевых и многоручьевых штампах. Одноручьевые штампы имеют одну полость. В них штампуют изделия простой кон-фигурации. Поковка в много-ручьевом штампе происходит сначала в заготовительных (чер-новых) ручьях, в которых вы-полняются операции вытяжки или гибки, а затем – в штамповочных (предварительных и окончатель-ных) ручьях. Штампы изготавливают из легированного чугуна (для лис-товой штамповки) и специальных сталей, обладающих высокой твердо-стью и жаропрочностью.

Оборудование для горячей штамповки – паровоздушные штампо-вочные 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, возмож-ность 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 прессо-ванием и бывает прямое, обратное, комбинированное, в зависимости от того, через какое отверстие выдавливается металл.

Рис. 10.7. Схемы штамповки: а – в открытых штампах;

б – в закрытых штампах; 1 – облой

а б

1



130

Холодная высадка – осадка части заготовки. Этим способом про-изводят крепежные изделия. Холодная объемная штамповка произво-дится аналогично горячей объемной штамповке в открытых штампах.

К разделительным операциям холодной листовой штамповки от-носятся отрезка, вырубка и пробивка.

Отрезка – отделение части листа в штампах или машинах – нож-ницах.

Вырубка, пробивка – отделение части листа по замкнутому конту-ру. В первом случае отделяемая часть – деталь, а во втором – отход.

К формообразующим операциям относятся правка, вытяжка, гиб-ка, 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 загото-

вок волнистой (гофрированной) поверхности, различных выступов и поверхностей (накатывание резьбы на цоколях электроламп).

Сложная штамповка – комбинация нескольких вышеуказанных операций.

Штамповка взрывом. Установленная на матрице листовая заго-товка опускается в воду, затем производится взрыв. Под действием дав-ления 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 от-верстий, накатывание рифлений, зубьев, резьбы и т. д. Обкатыванием и раскатыванием упрочняют плоские, конические и цилиндрические, на-ружные и внутренние поверхности деталей с применением, например, вращающихся роликов и шариков.

Калиброванием называют однократное или многократное пере-мещение инструмента в отверстии, имеющем несколько меньшие раз-меры. Инструмент – шарик, оправка-дорн, специальная прошивка. Про-исходит сглаживание неровностей и упрочнение поверхности.

Накатывание служит для получения внешних фасонных поверх-ностей при вдавливании инструмента в материал заготовки. Этим мето-дом выполняют резьбы, клейма, рифления и т. д.



131

11. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

Несмотря на внедрение в машиностроение различных методов по-лучения точных заготовок, обработка металлов резанием остается ос-новным методом окончательной обработки деталей. Обработка метал-лов резанием – процесс срезания режущим инструментом слоя металла с заготовки в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости по-верхностей детали. Слой металла, который необходимо удалить, назы-вают 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, устано-вочные и вспомогательные. Рабочие движения сообщаются инструмен-ту 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 ре-жущего инструмента.

Главное движение резания Dr определяет скорость деформиро-вания 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) а б



132

При любом методе механической обработки детали различают три вида поверхностей: обрабатываемая поверхность – поверхность заго-товки, которая частично или полностью удаляется при обработке; обра-ботанная поверхность – поверхность, образованная в результате обра-ботки; поверхность резания образуется режущей кромкой инструмента.

Токарный резец состоит из рабочей и крепежной частей. Основ-ные элементы рабочей части показаны на рис. 11.1, б. Для определения углов режущей части инструмента вводится статическая система коор-динат – прямоугольная система координат с началом в точке режущей кромки. В эту систему входят координатные плоскости (рис. 11.2): ос-новная плоскость Рv проводится через точку режущей кромки перпен-

дикулярно направлению скорости главного движения резания; плос-кость резания Рn – плоскость, каса-тельная к режущей кромке и перпен-дикулярная основной плоскости; главная секущая плоскость Рτ – пер-пендикулярна линии пересечения ос-новной плоскости и плоскости реза-ния; в рабочей плоскости Рs располо-жены направления скоростей главного движения резания и движения подачи. В главной секущей плоскости Рτ из-

меряют следующие углы (см. рис. 11.3). Главный передний угол γ – угол между передней поверхностью резца и основной плоскостью. С увели-чением угла γ уменьшается деформация срезаемого слоя, снижаются силы резания, повышается качество обработанной поверхности, но снижается прочность лезвия, ухудшается отвод тепла от режущей кром-ки. Обычно угол γ имеет значения от -10° до +20°. Главный задний угол α – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью реза-ния. Наличие угла α уменьшает трение между главной задней поверх-ностью инструмента и поверхностью резания, что уменьшает износ ин-струмента. Угол заострения β – угол между передней и задней поверх-ностями.

Главный угол в плане ϕ образуется проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи, вспомогательный угол в плане ϕ1 – проекцией вспомогательной режу-щей кромки на эту плоскость и направлением, противоположным дви-жению подачи. Угол в плане при вершине резца ε – между проекциями режущих кромок на основную плоскость.

Рис. 11.2. Координатные плоскости при точении



133

Процесс образования стружки. Резец деформирует находящийся перед ним металл. Когда напряжение превышает силы внутреннего сце-пления частиц металла, происходит сдвиг элемента стружки. При дви-жении 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 лату-ни) образуется стружка скалывания: после образования нескольких вит-ков она отламывается. Стружка надлома – совокупность отдельных час-тиц 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 за-висят:

а) от усилий, возникающих при деформировании и отделении сре-заемого слоя;

б) от сил трения стружки о переднюю поверхность обрабатывае-мой детали и заднюю поверхность режущего инструмента.

Равнодействующая всех сил, действующих на режущий инстру-мент, называется силой резания Р. С увеличением твердости, прочности и вязкости обрабатываемого материала возрастает и сила резания. В за-висимости 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-

N ND r

D S

N

N

t

β

γ

εαφ φ

1

Рис. 11.3. Геометрические параметры токарного резца



134

вают на составляющие (рис. 11.4). Касательная составляющая силы ре-зания РZ действует в направлении скорости главного вращательного движения резания в вершине лезвия. Осевая составляющая силы реза-ния РX действует параллельно оси главного вращательного движения резания. Радиальная составляющая силы резания РY направлена по ра-диусу главного вращательного движения резания в вершине лезвия.

Параметры режима резания. Скорость главного движения резания (V) – скорость перемещения точки режу-щей кромки инструмента относитель-но обрабатываемой поверхности в на-правлении главного движения. Для вращательного главного движения скорость резания (м/мин)

V = π · D · n ·10-3. Скорость движения подачи –

скорость рассматриваемой точки ре-жущей кромки в направлении движе-ния подачи. Подача (S) – перемещение инструмента в направлении движения подачи за один оборот (мм/об).

Глубина резания (t) – расстояние между обрабатываемой и обра-ботанной поверхностями, измеренное перпендикулярно к последней и пройденное за один проход инструмента (мм).

Выбор режима резания. Для каждого случая обработки сущест-вуют свои оптимальные режимы резания, которые зависят от материала обрабатываемой детали, материала инструмента и его геометрии, осо-бенностей станка, требований к точности и качеству поверхности обра-батываемой детали. В зависимости от материала детали выбирается и инструментальный материал. Существуют эмпирические формулы для расчета режимов резания. Практически режимы резания определя-ются по таблицам, приведенным в справочниках.

Образование нароста при резании. При обработке пластичных металлов на передней поверхности инструмента образуется слой метал-ла, который называют нарост. Силы трения между передней поверхно-стью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления материала стружки, и при определенных усло-виях металл прочно оседает на поверхности (см. рис. 11.5, а). Размеры и форма нароста меняются, нарост срывается и возникает вновь. Обра-зование нароста полезно при черновой обработке, когда снимается большой слой металла, возникают большие силы резания и выделяется много тепла. При чистовой обработке он вреден.

Рис. 11.4. Силы, действующие на резец в процессе резания



135

Упрочнение при резании. Режущая кромка имеет радиус закруг-ления (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 струж-ку 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, глуби-на наклепанного слоя составляет 0,02–0,2 мм. Твердость и толщина уп-рочненного слоя зависят от способа обработки (максимальные – при сверлении), материала заготовки, геометрии инструмента, режима реза-ния. При перемещении резца происходит упругое восстановление де-формированного слоя на величину hу, в результате образуется контакт-ная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и задней поверхностью инструмента. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше упру-гая деформация, тем больше сила трения. Для уменьшения силы трения инструмента предусматривается задний угол.

Износ и стойкость инструмента. Трение стружки о поверхно-

сти режущего инструмента приводит к его изнашиванию. На передней поверхности образуется лунка шириной b, на главной задней поверхно-сти – ленточка шириной h (см. рис. 11.6). Образование ленточки уменьшает глубину резания: изменяется вылет резца и снижается точ-ность обработки. Критерий износа – допустимое значение износа инст-румента h по главной задней поверхности. Для токарных резцов, изго-товленных из быстрорежущей стали, h = 1,5–2 мм, для резцов с пласти-нами твердого сплава h = 0,8–1 мм. Период стойкости инструмента –

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

а б



136

время работы между переточками – зависит от свойств материала инструмента и заготовки, режи-ма резания, геометрии инструмента, условий обра-ботки. Стойкость токарных резцов – 30–90 мин. Из-нос 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.

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 заго-товка. Гитара сменных колес 3 служит для передачи вращения от пе-редней бабки к коробке подач 2. Последняя предназначена для измене-ния 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 ка-ретка с верхним суппортом 8, на котором располагается четырехпози-ционный резцедержатель 7. На фартуке 11 смонтирован механизм подач для преобразования вращательного движения в прямолинейное движе-ние суппорта. Задняя бабка служит второй опорой при обработке длин-ных деталей, используется для крепления и подачи инструмента при об-работке отверстий сверлами, зенкерами, развертками и нарезании резь-бы метчиками и плашками.

6 7 8 9

11 1012

1

2

3

45

Рис. 11.7. Схема токарного станка

Рис. 11.6. Характеризнашивания резца



137

На токарных станках производят следующие работы (рис. 11.8). Обтачивание (обработка наружных цилиндрических поверхностей) вы-полняется проходными резцами 5, подрезание торца – подрезными 3, отрезание – отрезными 7. Сверление, зенкерование и развертывание от-верстий производят соответствующими инструментами, например свер-лом 1. Растачивание внутренних цилиндрических поверхностей – рас-точными резцами 2, фасонных поверхностей – фасонными резцами 6. Об-тачивание наружных конических поверхностей – широкими токарными резцами, поворотом каретки верхнего суппорта, смещением корпуса задней бабки в поперечном направлении и с помощью конусной линей-ки. 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.

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 спи-ральные сверла (см. рис. 11.9, а). Диаметр отверстия увеличивают свер-лом 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.

1 2

3 4 5 6 7Рис. 11.8. Виды работ, выполняемых

на токарных станках



138

Схема вертикально-сверлильного станка показана на рис. 11.10.

На плите 1 смонтирована колонна 3. В ее верхней части размещена шпин-дельная головка 6, несущая электродвигатель 5 и шпиндель 7 с инстру-ментом 8. На вертикальных направляющих колонны установлена шпин-дельная бабка 4 с механизмом вертикального перемещения шпинделя, а также штурвал 2 для его ручного перемещения. Стол 9 для установки и за-крепления заготовок можно устанавливать на различной высоте.

Прочие типы станков свер-лильной группы. Широкое распро-странение имеют радиально-сверлильные станки. Они бывают стандартного типа, универсальные и широкоуниверсальные (переносные). Многошпиндельные сверлильные станки используются главным обра-зом в массовом производстве. Особое место занимают расточные и гори-зонтально-расточные станки. Алмаз-но-расточные станки предназначены для получения отверстий высокой точности. Координатно-расточные станки служат для обработки точных и строго взаимосвязанных отверстий.

11.4. Обработка на фрезерных станках

Фрезерование – способ формообразования деталей многолезвий-ным режущим инструментом – фрезой. Главное движение резания – вращение фрезы, а движение подачи заготовки может быть поступа-тельным и вращательным. Каждый зуб врезается в заготовку с ударом

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

а б в г

Рис. 11.10. Схема сверлильного станка

6 5 4 3 2 1

7 8

9



139

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 француз-ского означает «земляника». Первые фрезы имели мелкие насеченные зубья и напоминали своим внешним видом землянику. Фрезы класси-фицируют: по назначению, форме зубьев и их направлению, конструк-ции, методу крепления. По конструкции их разделяют на цельные, на-пайные, наборные, с вставными зубьями (фрезерные головки).

Схема горизонтально-фрезерного станка представлена на рис. 11.11. В станине 1 размещена ко-

робка скоростей 2. По вертикаль-ным направляющим станины пере-мещается консоль 6 с коробкой по-дач 7. Заготовка крепится на столе 4, который перемещается как в про-дольном, так в поперечном и верти-кальном направлениях. На хоботе 3 закреплена подвеска 5, поддержи-вающая конец фрезерной оправки 8 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 – диско-выми фрезами 6 и 7; фасонные поверхности – фасонными фрезами 8.

Аналогичные работы выполняют на вертикально-фрезерных станках торцевыми 9 и концевыми 10 фрезами.

Рис. 11.11. Схема горизонтально-фрезерного станка

1

2 3 4 5 6 7 8 9

10

Рис. 11.12. Виды работ, выполняемых на фрезерном станке



140

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, раз-личного вида пазов и фасонных линейчатых поверхностей. Особенность этих станков состоит в том, что движение резания у них возвратно-поступательное. На строгальных станках выполняются следующие виды работ: строгание горизонтальных, вертикальных и наклонных плоско-стей (рис. 11.13, а) производят проходными и подрезными резцами; раз-резные и прорезные работы (рис. 11.13, б) – отрезными резцами; стро-гание 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 гал-тельными резцами по разметке (рис. 11.13, д).

В поперечно-строгальных станках (см. рис. 11.14) возвратно-

поступательное движение ползун 3 совершает по направляющим стани-ны 4. На торце ползуна установлен суппорт 2, который вручную пере-мещается в вертикальной плоскости. Резцедержатель крепится на от-кидной планке 1, которая позволяет резцу отклоняться при обратном холостом ходе, что уменьшает его износ. На вертикальных направляю-щих станины установлена траверса 5, по которой в горизонтальной плоскости перемещается стол 6, осуществляя движение подачи.

Продольно-строгальные станки. Этот тип станков служит для об-работки крупногабаритных и тяжелых деталей. Широко распростране-ны одно- и двухстоечные строгальные станки. В этих станках движение резания совершает стол с установленной на нем обрабатываемой дета-лью, а движение подачи сообщается суппортам с резцами.

Рис. 11.13. Виды обработки поверхностей строганием:

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

д – фасонных поверхностей

а б в г

д

S

S

S S

S

S

S



141

Рис. 11.14. Схема строгального станка

1 2 3

4

5 6

В процессе долбления долбежный резец (долбяк) со-вершает возвратно- поступа-тельное движение в верти-кальной плоскости, обрабаты-ваемая заготовка совершает движение подачи. Долблени-ем обрабатывают глухие и сквозные фасонные отвер-стия, внутренние направляю-щие и шпоночные пазы, мно-гошпоночные (шлицевые) от-верстия. Операция долбления

малопроизводительна, применяется в единичном, мелкосерийном про-изводстве. Аналогичные технологические задачи в крупносерийном и массовом производстве решаются протягиванием. Протягивание осу-ществляется многолезвийным режущим инструментом (протяжкой) – длинным стержнем с режущими зубьями из высококачественной инст-рументальной стали.

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 связ-кой. Шлифовальный круг можно рассматривать как фрезу с множеством мелких зубьев. Особенностью является высокая твердость зубьев (зе-рен), способность к самозатачиванию: затупившиеся зерна на поверхно-сти 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 вещест-ва, которые применяют для обработки конструкционных материалов. Абразивные материалы бывают природные (алмаз, корунд, кварц) и ис-кусственные (синтетические алмазы, электрокорунд, карбид кремния). Они характеризуются зернистостью, твердостью, механической прочно-стью, абразивной способностью. Материалы делят на шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки и тонкие микропорошки.

Зернистость шлифзерна и шлифпорошков определяют в сотых до-лях миллиметра, микропорошков – в микрометрах. Связка должна



142

прочно удерживать зерна в круге и обеспечивать выкрашивание зату-пившихся зерен, иначе круг затупится (засалится).

Неорганическая связка бывает керамической, силикатной. Кера-мическую связку получают из глины, полевого шпата и талька. Она от-личается 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 по-этому изготовляются толщиной до 1,5 мм. Бакелитовую связку получа-ют 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 опреде-ляется его пористостью. Поры являются приемниками стружки и со-ставляют до 50 % объема круга. Структура бывает плотной, средне-плотной и открытой. Зернистость круга выбирается в зависимости от требуемой шероховатости поверхности. Чем меньше должна быть ше-роховатость, тем более мелкозернистым должен быть шлифовальный круг. Однако с уменьшением зернистости круга падает и его производи-тельность.

Методы шлифования. Главным движением при шлифовании яв-ляется вращение шлифовального круга, перемещение круга относитель-но детали является движением подачи. Различают следующие схемы шлифования: плоское, круглое, внутреннее. Плоское шлифование осу-ществляется 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 на-ружных цилиндрических, пологих конических и торцевых поверхно-стей. Они бывают стандартными, универсальными, специализирован-ными. Плоскошлифовальные станки выпускают с прямоугольным или круглым столом. Последние применяют для непрерывного шлифования в условиях массового производства. Каждый из этих типов станков под-разделяется на станки, работающие периферией или торцом круга. За-точные станки служат для заточки режущих инструментов. Их выпус-кают в виде точил, универсальных и специализированных заточных станков. Отделочные станки предназначены для окончательной обра-ботки деталей с целью достижения высокой точности размеров или ма-лой шероховатости поверхности. Их разделяют на полировальные, при-тирочные, хонинговальные и суперфинишные.



143

12. СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА

Сварка – технологический процесс получения неразъемных со-единений различных материалов. Физическая сущность заключается в образовании связей между атомами соединяемых заготовок. Для воз-никновения связей необходимо: во-первых, сблизить соединяемые по-верхности на короткое расстояние (порядка параметра кристаллической решетки); во-вторых, чтобы поверхностные атомы заготовок были дос-таточно активны (ослаблены их связи с атомами заготовки, разорваны связи с атомами внешней среды). Активизация состояния поверхности требует затрат энергии – тепловой (нагрева), механической (пластиче-ской деформации), радиации (облучения). Поверхностные атомы заго-товок образуют общие кристаллические решетки – сварной шов.

При термических методах сварки (электродуговой, электрошлаковой, газовой, электронно-лучевой, плазменной, термитной, лазерной и др.) про-исходит плавление кромок заготовок. При механических методах свар-ки (трением, взрывом, холодной, ультразвуковой сваркой и др.) соеди-нение заготовок происходит путем пластической деформации соеди-няемых поверхностей при приложении внешних сил. При термомехани-ческих методах (контактной, диффузионной, газопрессовой и др.) одно-временно с приложением давления материал в зоне соединения нагре-вают для снижения сопротивления деформации и повышения пластич-ности. Термический класс сварки называют сваркой плавлением, а тер-момеханический и механический – сваркой давлением.

12.1. Сварка металлов плавлением

Дуговая сварка. Электриче-ская дуга горит между двумя элек-тродами. Под действием тепла дуги кромки деталей оплавляются и об-разуется сварочная ванна (рис. 12.1). При перемещении дуги вдоль кро-мок деталей сварочная ванна за-твердевает и образуется сварной шов, соединяющий детали. Если од-ним из электродов является свари-ваемое изделие, то дуга называется дугой прямого действия. Сварку производят на постоянном и переменном токах. При применении посто-янного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. Свар-ку производят неплавящимся (графитовым, вольфрамовым) и плавя-щимся (металлическим) электродом.

Рис. 12.1. Схема дуговой сварки плавящимся электродом:

1 – электрод; 2 – электрическая дуга; 3 – сварочная ванна;

4 – соединяемые детали

1

2 3 4 4



144

Ручная дуговая сварка выполняется сварочными электродами, ко-торые вручную перемещают вдоль заготовки. Неплавящиеся электроды применяют для сварки цветных металлов, наплавки твердых сплавов, сварки деталей малой толщины на постоянном токе. Наибольшее при-менение 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 электро-да 6 образуется защитная га-зовая атмосфера 5 вокруг дуги и шлаковая ванна 4 на по-верхности металла. Металли-ческая и шлаковая ванны об-разуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и форми-руется сварной шов 3, жидкий шлак образует сверху твердую корку 2. Метод применяется для сварки коротких, преры-вистых швов и швов сложной конфигурации в труднодос-тупных местах в любом поло-жении: нижнем, вертикаль-ном, 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 непо-крытую электродную проволоку 3; ток подводится через токопровод 1 (см. рис. 12.3). Электрическая дуга 10 горит между проволокой 3 и ме-таллом 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, покрыто-го 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 предназна-чены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые

Рис. 12.2. Схема сварки металлическим покрытым электродом

7

8 9

6

1 2 3 4 5



145

получают путем сплавления мар-ганцевой руды, кремнезема и пла-викового шпата в электропечах. Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минималь-ное окисление легирующих эле-ментов в шве. Применяют керами-ческие низкокремнистые, без-кремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порош-кообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокали-вания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочноземельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах. Расплавленный металл от взаи-модействия с воздухом защищен струей инертного (аргон) или активно-го газа (углекислый газ). Сварку в инертных газах выполняют неплавя-щимся (вольфрам) и плавящимся электродами. Неплавящийся электрод применяется при сварке заготовок толщиной 0,2–6 мм. При необходи-мости для усиления сварного шва в дугу подается присадочная прово-лока. Аргонодуговую сварку применяют для сварки почти всех метал-лов и сплавов, в том числе таких химически активных, как титан, алю-миний, магний, бериллий, цирконий и их сплавы. Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Углекислый газ хи-мически активен по отношению к жидкому металлу. Чтобы защитить жидкий металл от окисления кислородом используют проволоку с по-вышенным содержанием раскислителей – марганца и кремния. Это ис-ключает проникновение азота воздуха в сварной шов и, следовательно, хрупкость металла. Применяется для сварки низкоуглеродистых, низко-легированных и некоторых высоколегированных сталей. Преимущество – низкая стоимость углекислого газа.

Плазменная сварка и резка металлов. Источником тепла для на-грева и плавления металла является плазма – направленный поток элек-трически 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), кото-рый обеспечивает защиту зоны плавки от контакта с воздухом. Плаз-

Рис. 12.3. Схема автоматической дуговой сварки под слоем флюса

2

4 5678

1

10 9



146

менной высокотемпературной струей можно производить сварку, резку, пайку, напыление, термообработку различных материалов и сплавов, обрабатывать неметаллические материалы (керамику, стекло). Недоста-ток плазменной сварки – недолговечность горелок.

Электрошлаковая сварка. Свариваемые заготовки 1 устанавли-вают 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 образу-ет между свариваемыми заготовками шлаковую ванну 5. Расплавленный флюс является электролитом и при прохождении через него тока выде-ляется много тепла. Температура в ванне достигает 2000 оС. Боковые поверхности свариваемых заготовок оплавляются, одновременно пла-вится 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 непро-вар 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 образует-ся крупное зерно в шве и около него. Не-обходима термическая обработка для из-мельчения зерна. Этим способом свари-вают стали разных марок, сплавы алюми-ния, магния и титана. Толщина стыков достигает 450 мм. Электрошлаковая свар-ка широко применяется в тяжелом маши-ностроении для изготовления различных конструкций: станин и деталей мощных прессов и станков, коленчатых валов су-довых дизелей и т. п.

Электронно-лучевая сварка. Свариваемые заготовки собираются без зазора и помещаются в вакуумную камеру. Место контакта облуча-ют пучком электронов, ускоренных электрическим полем. При соударе-нии электроны тормозятся, кинетическая энергия преобразуется в теп-ловую 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 температу-ру. Сварной шов отличается высокой прочностью и чистотой. Способ применяют для сварки деталей из тугоплавких, химически активных

Рис. 12.4. Схема электрошлаковой сварки



147

металлов и их сплавов (вольфрам, тантал, молибден), высоколегирован-ных 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 мини-мальным расплавлением металла, что снижает напряжения и деформа-ции в сварных конструкциях. Этот способ применяется при сварке цветных металлов, обычных углеродистых и низколегированных ста-лей, а также высокоуглеродистых сталей. Недостаток – низкий коэффи-циент 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 за-готовок 1 и присадочный материал 2 рас-плавляются (рис. 12.5). Этим способом выполняют такие же виды сварных со-единений, как и при электродуговой свар-ке. Нагрев и охлаждение заготовки проис-ходит плавно.

Тепло образуется при сгорании горю-чих газов в атмосфере технического ки-слорода. Природный газ, водород, пары бензина или керосина применяются для кислородной резки, не требующей высо-кой 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

Рис. 12.5. Схема газовой сварки

3

4

2

1



148

с нагревом и без него. Место соединения нагревают до расплавления или до пластичного состояния.

Контактная сварка. Свариваемые заготовки нагреваются прохо-дящим электрическим током небольшого напряжения (3–10 В) и боль-шой силы (десятки кА). Место стыка обладает большим сопротивлени-ем для прохождения тока (неровности поверхности, окисная пленка), и здесь выделяется максимальное количество тепла. При достижении необходимой температуры прикладывается давление. Контактную свар-ку 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 транс-форматора (рис. 12.6, а). Включается ток, в месте стыка торцы нагрева-ются. Ток отключается. Производится сдавливание нагретых заготовок – осадка. Заготовки свариваются. При стыковой сварке сопротивлением торцы заготовок тщательно обрабатывают, нагрев происходит до пла-стического состояния металла. Способ стыковой сварки оплавлением не требует предварительной обработки торцов. Прочность шва не уступает прочности основного металла. Сварка применяется для соединения от-ветственных деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов.

Точечная сварка. Изделия свариваются в отдельных точках. Заго-

товки собирают внахлест и сдавливают между неподвижным и подвиж-ным медными электродами, подключенными к вторичной обмотке сва-рочного трансформатора (рис. 12.6, б). Место контакта свариваемых за-готовок нагревается: внутренние слои – до расплавления, внешние – до пластического состояния. После выключения тока и снятия давления образуется литая сварная точка. Прочность сварного соединения – вы-сокая. Способ применяют в массовом производстве: сварка кузовов лег-ковых автомобилей, сборка электрических схем.

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

33

1 22 1

2

1

3 2 1

а б в

Р

Р

Р Р



149

Шовная (роликовая) сварка осуществляется по линии качения плоских роликов. Листовые заготовки собирают внахлест между двумя роликами – электродами, подключенными к вторичной обмотке транс-форматора (см. рис. 12.6). При прохождении тока в месте соприкосно-вения выделяется тепло и происходит образование сплошного шва. Как при точечной сварке, внутренние слои нагреваются до расплавления. Сваривают: листы из низкоуглеродистой стали, латуни, бронзы, алюми-ниевые сплавы.

Конденсаторная сварка – разновидность контактной сварки. Она бывает стыковой, точечной и шовной. При разрядке конденсатора нако-пленная энергия за короткое время преобразуется в тепло, которое ис-пользуется при сварке деталей в основном небольшой толщины.

Диффузионная сварка. Свариваемые детали тщательно зачища-ют, сжимают и нагревают в большинстве случаев в вакууме до темпера-туры ниже температуры плавления (обычно до температуры рекристал-лизации). Затем длительно выдерживают. При сварке происходит вза-имная диффузия атомов в поверхностных слоях. Плавление металла от-сутствует; свойства после сварки изменяются незначительно, малы ос-таточные напряжения и деформации. Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород. Метод при-меняют для соединения материалов, которые обычными методами свар-ки соединить трудно или невозможно (сталей с ниобием, титаном, чугу-ном, вольфрамом; металлов со стеклом и графитом).

Сварка трением. Заготовки соприкасаются друг с другом торца-ми, одной из них придается вращение. Механическая энергия трения превращается в тепло: заготовки нагреваются до пластического состоя-ния. 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 основа-нием. Вторая располагается под некоторым углом. На нее укладывают взрывчатое вещество. При взрыве образуется ударная волна и происхо-дит соударение поверхностей заготовок. Процесс длится тысячные доли секунды. Кумулятивная струя разрушает и уносит оксидные поверхно-стные пленки. В зоне соударения металл течет подобно жидкости, и об-разуется 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 пластическо-го деформирования металла в местах соединения. Металл заготовок должен быть достаточно пластичен при комнатной температуре (алю-



150

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 пере-менного тока высокой частоты в металле наводятся вихревые токи, и он нагревается. Температура на поверхности выше по сравнению с внут-ренними слоями. При сдавливании заготовок происходит сварка. В за-висимости от частоты тока нагрев может происходить как с оплавлени-ем, так и без оплавления поверхностей. Этот способ применяют для сваривания шовных труб на непрерывных станах.

Кузнечная (горновая) сварка. Нагретые в печах до 1300 °С поло-сы стали в волочильной оправке свертывают в трубу, происходит завар-ка продольного шва. Для очистки окисленной поверхности используют флюсы (бура, борная кислота). Разновидность кузнечной сварки – газо-прессовая сварка: место сварки нагревается пламенем горелок, соедине-ние происходит при сдавливании. Способ применяется при сварке маги-стральных газо- и нефтепроводов.

Ультразвуковая сварка. В этом способе используется давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. Обезжиренные поверхности сжимают. Под действием ультразвуковых колебаний с час-тотой 15–70 кГц происходит трение одной поверхности о другую, выде-ляется тепло. Металл пластически деформируется, возникает сварное соединение. Этим способом соединяют листы фольги с металлом, сва-ривают пластмассы между собой и металлами.

Типы сварных соединений. Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых заготовок (рис. 12.7).

12.3. Термическая резка и пайка металлов

Резка металлов. Газокислородная резка основана на способности металлов сгорать в струе кислорода. Металл нагревается пламенем го-рючих газов (природный газ, ацетилен). Подается струя кислорода и ме-талл горит – окисляется с выделением большого количества тепла; об-разующиеся жидкие оксиды с места реза выдуваются струей кислорода.

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

а б в г



151

Ручную электродуговую резку применяют для грубой резки ме-таллов. Она основана на расплавлении металла теплом электрической дуги и удалении его с места реза под действием силы тяжести и давле-ния газов дуги. Разновидностью является воздушно-дуговая резка. При этом способе используют графитовые электроды, вдоль которых пода-ется 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 легкоплав-кий припой. Температура нагрева должна быть на 50–80 °С выше тем-пературы плавления припоя. Соединение заготовок происходит вслед-ствие взаимной диффузии атомов припоя и металла заготовок. При по-следующем охлаждении и кристаллизации расплава образуется прочное соединение заготовок. Качество паяных соединений (прочность, герме-тичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения. Для обеспе-чения процесса диффузии необходима тщательная очистка соединяе-мых поверхностей. Припой должен хорошо растворять основной ме-талл, обладать смачивающей способностью. Припои представляют со-бой 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 (при-мерно 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, золо-том, 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, кото-рые укладывают в место соединения. В качестве флюсов применяют ка-нифоль, 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.



152

13. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ

И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ

ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

13.1. Электрофизические способы

Электроискровая обработка основана на использовании кратко-временных искровых разрядов, возникающих между поверхностями за-готовки (анодом) и инструмента (катодом). Метод основан на явлении электрической эрозии – разрушении металла под действием электриче-ских 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 исполь-зуют для прошивки отверстий любой формы в трудно обрабатываемых, но токопроводящих материалах. Точность размеров и шероховатость обработанной поверхности зависят от режима обработки.

Электроимпульсная обработка основана на использовании раз-

рядов, возникающих между поверхностями инструмента и заготовки. Используется более продолжительный (1–10 мс) и мощный дуговой разряд, чем при электроискровой обработке. Способ применяют при об-работке штампов, турбинных лопаток, ручьев в валах периодического проката, резцов, фрез и штампов из жаропрочных и твердых сплавов. Низкочастотная электроимпульсная обработка дает более грубую шеро-ховатость поверхности, чем высокочастотная.

Электроконтактная обработка. Способ заключается в электро-механическом разрушении обрабатываемого материала на воздухе без применения электролита. Инструментом является вращающийся чугун-

Рис. 13.1. Схема электроискрового станка: 1 – инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка;

4 – диэлектрическая жидкость; 5 – изолятор

1 2 3 4

5



153

ный или медный диск. В местах контакта заготовки и инструмента воз-никают искровые разряды. Происходит локальный разогрев (или плав-ление) металла и его удаление механическим способом за счет возврат-но-поступательного движения заготовки относительно диска. Эту обра-ботку применяют для резки заготовок, обдирки отливок и слитков, за-точки инструмента, плоского шлифования, прошивки отверстий.

13.2. Электрохимические способы

Электрохимическая обработка металлов основана на растворе-нии металла (анода) при пропускании через раствор электролита посто-янного тока. Электрохимическое травление используют для очистки по-верхности металлов и сплавов от загрязнений. В ванну, заполненную электролитом (растворы кислот, солей и щелочей), между электродами-катодами помещают заготовку (анод) и включают ток. Жировая пленка, ржавчина не могут удержаться на поверхности и удаляются под дейст-вием 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 про-хождении тока происходит избирательное растворение выступов на по-верхности, поскольку на их вершинах плотность тока наибольшая. Впа-дины между выступами заполняются продуктами растворения: окисла-ми 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.

Размерная электрохимическая обработка характеризуется тем,

что электролит прокачивается под давлением через небольшой зазор

Рис. 13.2. Схема электрохимического полирования: 1 – ванна; 2 – заготовка; 3 – катод; 4 – электролит;

5 – микровыступ; 6 – продукты растворения

3 4

21

5 6



154

между инструментом (катодом) и заготовкой (анодом). Инструменту придается форма, обратная форме заготовки. Образующиеся на поверх-ности заготовки продукты анодного растворения (соли) электролит рас-творяет и удаляет из зоны обработки. Этим методом достигается высо-кая точность и качество обработанной поверхности. Используется для формообразования лопаток паровых турбин, профильных валков, сня-тия заусенцев и сверления (прошивания) отверстий.

Электроабразивная обработка применяется в основном для шлифования металлов и твердых сплавов. Инструментом служит шли-фовальный круг, который изготовляется из абразивных материалов на токопроводящей связке. Между вращающимся кругом (катодом) и заго-товкой (анодом) имеется зазор, в который подается электролит. Продук-ты анодного растворения удаляются абразивными зернами круга, как при механическом шлифовании. Электроалмазная обработка – разно-видность 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: обра-батываемая заготовка устанавливается в ванне с электролитом и под-ключается к аноду; хонинговальная металлическая головка оснащается не абразивными брусками, а брусками из дерева или пластмассы и под-ключается к катоду. Продукты анодного растворения удаляются бру-сками за счет вращательного и возвратно-поступательного движений головки. Иногда в электролит добавляют абразивные материалы. По-верхность 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, лен-ты, проволоку. Заготовку (анод) обрабатывают в среде электролита (водный раствор жидкого натриевого стекла). При пропускании тока происходит анодное растворение – процесс, присущий электрохимиче-ской обработке. В точках контакта инструмента с неровностями по-верхности заготовки возникает электроэрозия – процесс, присущий электроискровой обработке. Кроме того, металл в точках контакта разо-гревается, как это имеет место при электроконтактной обработке. Про-дукты электроэрозии и анодного растворения удаляются за счет относи-тельных движений заготовки и инструмента. Этим методом обрабаты-вают все токопроводящие материалы, разрезают заготовки на части, прорезают пазы и щели, шлифуют и полируют поверхности.



155

Химические методы обработки. Химическая обработка основа-на на разрушении металлов путем травления в растворах кислот и ще-лочей. Перед травлением поверхности тщательно очищают. Поверхно-сти, которые не подлежат травлению, защищают химически стойкими покрытиями (лаком, красками). Заготовки опускают в ванну с раство-ром 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 заготов-ки. В результате химических реакций на поверхности появляется рых-лая масса, удаляемая абразивным инструментом. Обработку применяют для притирки, чистовой доводки и шлифования металлов и сплавов.

Ультразвуковая обработка является разновидностью механиче-ской обработки материалов. Она основана на использовании явления магнитострикции – способности материала (сердечника) изменять гео-метрические размеры в переменном магнитном поле ультразвуковой частоты (20–30 кГц). При приложении поля поперечное сечение сер-дечника уменьшается, а длина увеличивается (объем остается неизмен-ным). При снятии поля первоначальные размеры восстанавливаются. Ультразвуковые колебания сердечника передаются к жестко закреплен-ному 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 ус-коряются и ударяются о заготовку, скалывая с ее поверхности микро-частицы. Инструмент изготовляют из конструкционной стали. По фор-ме 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 пуч-

ком 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 от-верстий, пазов малых размеров в трудно обрабатываемых материалах.

Светолучевая (лазерная) обработка – разновидность тепловой обработки материалов. Источник тепла – излучение лазера. Любой ма-териал можно обработать с помощью излучения лазера. Лазером осуще-ствляются разрезка металла, получение очень малых отверстий и вы-



156

полнение других видов размерной обработки. Лазеры работают в им-пульсном 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 плаз-менной сварки. Источник тепла – плазма – направленный поток электри-чески 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 произ-водить обработку различных материалов и сплавов, обрабатывать неме-таллические материалы (керамику, стекло), прошивать отверстия, разре-зать заготовки и вырезать их из листового материала и т. д.



157

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 опреде-ляются как физическими, химическими и механическими свойствами самого материала, так и эксплуатационными и технологическими тре-бованиями к выпускаемой продукции. Когда имеются варианты, то оп-ределяющую роль при выборе играет цена материала. Но выбор деше-вого материала не всегда будет оптимальным.

Эксплуатационные требования характеризуют способность ма-териала работать в конкретных условиях. Приборы, оборудование, кон-струкции работают в условиях воздействия низких или высоких темпе-ратур, 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 конст-рукций во многом определяется способностью конкретных материалов сопротивляться износу и разрушению, которые и являются в большин-стве случаев причиной сокращения срока службы изделия.

Поэтому при выборе следует руководствоваться не только анали-зом механических свойств отдельных материалов, но и стендовыми ис-пытаниями приборов и конструкций при требуемых условиях эксплуа-тации.

В процессе эксплуатации изделия длительное воздействие знако-переменных нагрузок приводит к накоплению механических поврежде-ний, которые могут явиться причиной разрушения. Однако повышение сопротивления деталей оборудования и конструкций хрупкому или вяз-кому разрушению ограничено пределом прочности конкретного мате-риала.

Использование более прочного материала дает возможность по-высить не только срок службы, но и увеличить мощность и производи-тельность оборудования, изготовленного из таких материалов. Не толь-ко 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 концентра-торов напряжений. Наличие на поверхности напряжений сжатия, как следствие упрочняющей обработки, может предупредить образование



158

трещин и значительно продлить срок службы изделия. Кроме того, лю-бая упрочняющая обработка способствует увеличению сопротивления материала износу, а также коррозии, продлевая тем самым срок службы изделия.

Технологические требования характеризуют способность мате-риала 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 бо-лее экономичные методы изготовления и обработки: себестоимость из-готовления 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 экономиче-ской эффективности применения различных материалов. По их резуль-татам делают окончательный выбор. Если увеличение цены перекрыва-ется полученным экономическим эффектом, то применение дорого-стоящего материала целесообразно.

Например, хромоникелевые стали являются коррозионно-стойкими, но эксплуатация при высоких температурах (450–850 °С) приводит к развитию в них межкристаллитной коррозии. Для ее умень-шения в сталь дополнительно вводят легирующий элемент титан и сни-жают содержание углерода. Такая сталь стоит дороже, но ее использо-вание окупается более длительным сроком службы.

Широкое внедрение пластмасс в машино- и приборостроение обу-словлено их ценными специфическими свойствами, которые делают их незаменимыми, но одновременно не позволяют конкурировать с метал-лическими материалами. Если применение пластмасс технически оп-равдано, то оно экономически эффективно. Благодаря малой плотности пластмассы резко снижается масса изделий. Вследствие хорошей техно-логичности производство пластмассовых изделий обходится дешевле, чем металлических. Применение пластмасс в машинах и оборудовании приводит к уменьшению затрат на смазку, ремонт; повышению надеж-ности; 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 изго-товление готовой продукции. Экономия материалов – важнейший ре-зерв снижения себестоимости. Необходимо учитывать, что природные



159

запасы сырья для производства материалов (руды для металлов и спла-вов, нефти и газа для полимерных материалов и др.) ограничены.

Много материалов теряется в виде отходов в процессе производ-ства. В России, вследствие устаревших методов разливки, из тонны ли-того металла получается 750 кг проката. В машиностроении из тонны проката 250 кг уходит в отходы. Эти потери материала ложатся на себе-стоимость конечного продукта.

Коэффициент выхода годных заготовок – отношение массы полу-ченных заготовок к общей массе затраченного на их изготовление мате-риала. 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. Напри-мер, для простых отливок, полученных центробежным литьем, из-за от-сутствия литников он доходит до 1,0. Для сложных отливок, получен-ных 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 готово-го 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 ли-тья в песчаные формы – 0,75, литья в кокиль – 0,8, в оболочковые фор-мы – 0,8, литья по выплавляемым моделям – 0,9 и литья под давлением – 0,95. Очень высок коэффициент использования материала при изго-товлении изделий из металлических порошков и пластмасс.

Таким образом, главная экономия материала в процессе производ-ства может быть получена за счет использования современных малоот-ходных и безотходных технологий: непрерывной разливки стали, мало-отходных методов штамповки, специальных способов литья, методов порошковой металлургии.

Использование вторичных ресурсов – важное направление эконо-мии материалов. Это и экологическая задача, так как скопление отходов наносит вред окружающей среде. Переработка отходов не всегда техни-чески выполнима и экономически рентабельна. Использование метал-лолома 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. Экологиче-ская проблема состоит в том, что полимеры разлагаются очень медлен-но или не разлагаются совсем. Их сжигание вызывает загрязнение атмо-сферы. Термореактивные пластмассы не поддаются переработке. При-чем каждый вид пластмасс требует своего способа переработки. Возни-



160

кает необходимость сортировки, что практически неосуществимо: рас-познать тип пластмассы трудно. Решение проблемы – использование измельченных отходов пластмасс в качестве наполнителя при производ-стве строительных материалов и дорожных покрытий. Не вызывает трудностей вторичная переработка стекла и резины.

Защита от коррозии – важное направление экономии металличе-ских материалов. Ежегодно потери от коррозии достигают 10 % от об-щей массы выплавляемого металла. Например, применение коррозион-но-стойких (нержавеющих) сталей обходится в 4–8 раз дороже, чем обыкновенных углеродистых. Поэтому в каждом конкретном случае на-до 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 антифрикци-онных материалов (металлических и неметаллических); в правильном применении смазочных материалов; повышении износостойкости тер-мической, химико-термической обработкой и поверхностным деформи-рованием; наплавке на поверхность изделия износостойкого слоя; нане-сении 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.



161

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. : Машино-строение, 1990. – 528 с.

5. Арзамасов Б. Н. Материаловедение: учебник для высших тех-нических учебных заведений. – М. : Машиностроение, 1986. – 384 с.

6. Гуляев А. П. Металловедение: учебник для вузов. – М. : Метал-лургия, 1986. – 544 с.

7. Технология конструкционных материалов: учебник для студен-тов 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/



162

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



163

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



164

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.

Documents

Технология конструкционных материалов