Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

Магний металл серебристого цвета, имеющий низкую плотность. Маг-

ний хорошо обрабатывается резанием, однако, температура воспламенения магния на воздухе равна 623 о С, поэтому магний пожароопасен.

Магниевые сплавы в горячем состоянии легко куются, прокатываются и обрабатываются резанием. К недостаткам сплавов надо отнести следующие их свойства: низкая коррозионная стойкость; низкая температура вспышки на воздухе. Малая плотность и высокая удельная прочность магниевых сплавов определи их широкое применение: в авиационной промышленности (корпуса приборов, насосов, обтекатели, двери кабин); в ракетостроении (корпуса ра-

кет, обтекатели, стабилизаторы, корпуса баков); в автомобилестроении (кор-

пуса коробок скоростей, колесные диски); в приборостроении (корпуса при-

боров). Деформируемые магниевые сплавы так же применяются для изготов-

ления сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, детали грузоподъ-

емных машин, ткацких станков). Высокопрочные литейные сплавы приме-

няются для изготовления корпусов компрессоров, ферм шасси самолетов.

Для алюминия и его сплавов характерна удельная прочность, близкая к значениям для среднелегированных сталей. Алюминий и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной деформациям, точечной сварке, а специаль-

ные сплавы можно сваривать плавлением и другими видами сварки.

Традиционная маркировка алюминиевых сплавов включает в себя: бук-

венное обозначение вида сплава (Д – дюралюмин, В или АВ - высокопроч-

ный сплав, АК – ковочный сплав, АЛ – литейный сплав); порядковый номер сплава. При необходимости конце маркировки может находиться буквенное обозначение состояния поставки (М – мягкий, Т – термически обработанный,

Н - нагартованный, П - полунагартованный).

Все сплавы на алюминиевой основе можно разделить на деформируе-

мые, литейные и специальные.

К деформируемым сплавам относятся сплавы систем: Al-Cu-Mg - дю-

ралюмины (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17); Al-Cu-Mg-Fe-Ni - жаропрочные спла-

11

вы (АКЦ4-1); AL-Mg-Si-Cu - ковочные сплавы (АК6, АК8) и Al-Zn-Mg-Cu -

высокопрочные сплавы (B95, B93, B96Ц1).

Дюралюмины применяются для изготовления лопастей воздушных винтов, силовых элементов конструкций самолетов, кузовов автомобилей

(Д1, Д16), для деталей, работающих при нагреве до 200 … 250 º С (Д19,

ВД17). Сплав АКЦ-1 используется для изготовления деталей реактивных двигателей (крыльчатки насосов, колеса, компрессоры, диски, лопатки).

Сплавы АК6, АК8 применяют для изготовления сложных штамповок, таких как крыльчаток вентиляторов для компрессоров реактивных двигателей, кор-

пусных агрегатных и крепежных деталей. Сплавы системы B95, B93, B96Ц1

отличаются высоким временным сопротивлением (600 … 700МПа), но при этом не являются жаропрочными. Максимальная рабочая температура изде-

лий из этих сплавов при длительной эксплуатации не может превышать 100 … 120 º С.

Для изготовления фасонных деталей применяют литейные алюминие-

вые сплавы систем: Al-Si или Al-Si-Mg – силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛЗ4).

Сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛЗ4 отличаются высокими литейными свой-

ствами и герметичностью изготовленных из них отливок. Сплавы предназна-

чены для изготовления герметичных емкостей (АЛ2), корпусов компрессо-

ров, картеров двигателей внутреннего сгорания (АЛ4, АЛ9), крупных кор-

пусных деталей (АЛ34), блоков цилиндров (АЛ 32) и других деталей.

Кспециальным алюминиевым сплавам относятся:

Жаропрочные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Cu-Mg (АЛЗЗ), Al- Cu-Mn (АЛ19), обладающие высокой жаропрочностью (до 250 … 350ºС).

Сплавы применяются для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при высоких тем-

пературах.

Конструкционные коррозионно-стойкие сплавы на основе систем AlMg (АЛ8, АЛ27) и Al-Mg-Zn (АЛ24) обладающие высокой коррозионной стойкостью.

12

Медь обладает следующими свойствами: высокая электропроводность и теплопроводность; хорошая коррозионная стойкость и плохая обрабаты-

ваемость резанием. Медь применяется для проводников электрического тока,

различных теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов кри-

сталлизаторов.

Медные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, хоро-

шими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами.

Различают три основные группы на основе меди: латуни (ГОСТ 1552770*), бронзы (ГОСТ 493-79*) и медно-никелевые сплавы (ГОСТ 613-79*).

Латунями называют медно-цинковые сплавы. При дополнительном введении в сплав добавок алюминия, свинца, олова, кремния и других эле-

ментов получают специальные латуни.

Латуни маркируют буквой «Л», после которой ставят буквы, обозна-

чающие специально введенные элементы и числа, характеризующие содер-

жание меди и легирующих элементов (кроме цинка). Например Л68 – латунь,

содержащая 68% меди, остальное – цинк. Легирующие элементы, введенные в специальные латуни, имеют следующие обозначения: алюминий -A; марга-

нец - Мц; никель - H; железо - Ж; олово - O; кремний - K; свинец - C. Напри-

мер, ЛАЖМц66-6-3-2 (66% меди, 6% алюминия, 3% железа, 2% марганца).

У литейных латуней иногда содержание меди не указывают, например ЛЦ30А3 – латунь литейная, 30% цинка, 3% алюминия, остальное медь.

Специальные латуни по применению можно подразделить на латуни с высокими антикоррозионными свойствами (ЛКС80-2-2, ЛМцС58-2-2) и ла-

туни повышенной прочности (ЛМцЖ52-4-1). Латуни применяют для изго-

товления: трубок и прутков (ЛАЖ60-1-1), мелких поковок (ЛЖМц59-1-1,

ЛС59-1), втулок и сепараторов подшипников (ЛЦ40С), коррозионно–стойких деталей (ЛЦ30А3, ЛЦ40Мц5Ж).

Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием со-

ответственно называются оловянистыми, алюминиевыми, кремнистыми,

свинцовистыми, бериллиевыми бронзами.

13

Бронзы обозначают двумя буквами «Бр», далее пишут буквенные обо-

значения входящих в бронзу элементов (кроме меди) и затем идут цифры,

показывающие содержание их в сплаве. Например: БрО10 (10% олова, ос-

тальное медь); БрАЖН10-4-4 (10% алюминия, 4% железа, 4% никеля; ос-

тальное медь). Бронзы применяют для изготовления: арматуры (БрОФ6,5-0,4,

БрО3Ц12С5), пружин (БрОЦ4-3, БрБ2), вкладышей подшипников (БрОЦС4- 4-2,5, БрО5ЦНС5, БрО4Ц4С17).

Медно-никелевые сплавы обозначают двумя буквой «М», далее пишут буквенные обозначения входящих в сплав элементов (кроме меди), затем идут цифры, показывающие содержание их в сплаве. Наиболее часто приме-

няют сплавы: константан (МНМц40-1,5) обладающий малой электропровод-

ностью, мельхиор (МНЖМц30-1-1) и монель-металл (МНЖМц29-2,5-1,5) об-

ладающие высокой коррозионной стойкостью.

1.2. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционный материал – волокно или дисперсные частицы (напол-

нитель), соединенные в единую композицию с помощью вещества – связки

(матрицы). Наполнитель должен быть нерастворим в матрице. В качестве матрицы часто применяют цветные металлы (Al, Mg, Ni …) или их сплавы.

Волокнистые композиционные материалы

В волокнистых композиционных материалах (ВКМ) наполнитель явля-

ется упрочнителем. По механизму армирующего действия различают волок-

нистые композиционные материалы: дискретные - с отношением длины во-

локна L к его диаметру d: L/d= 10 … 103 и с непрерывным волокном dL .

От обычных сплавов, ВКМ отличается высокими прочностными показателя-

ми, пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью (отношение прочностных показателей к плотности). Прочность ВКМ определяется свойствам волокон, матрица должна скреплять волокна и распределять напряжения между ними. При этом механические свойства ВКМ вдоль волокон значительно выше, чем поперек волокон.

14

Для алюминиевых и магниевых ВКМ применяют волокна: борные (σв = 2 500 … 3 500 МПа); углеродные (σв =1 400 … 3 500 МПа); из карбидов кремния (σв =2 500 … 3 500 МПа); карбидов, нитридов и оксидов тугоплав-

ких металлов; высокопрочную сталь. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния,

борида титана. Для жаропрочных никелевых ВКМ применяют волокна из вольфрамовой или молибденовой проволоки.

ВКМ используют для изготовления шатунов высокооборотных двига-

телей внутреннего сгорания (рис. 1.2, а), высоконагруженных элементов об-

шивки аэрокосмической техники (рис. 1.2, б), силовых элементов конструк-

ций резервуаров для агрессивных сред.

Рис. 1.2. Примеры изделий изготовленных из волокнистых композици-

онных материалов:

а – шатун (высокомодульный алюминиевый сплав, армированный во-

локном SiC); б – элементы обшивки аэрокосмической техники (высокопроч-

ный алюминиевый сплав, армированный волокном SiC).

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

В отличие от ВКМ в дисперсно-упрочненных композиционных мате-

риалах (ДКМ) матрица является основным материалом, несущим нагрузку.

ДКМ можно получит на основе практически всех применяемых в тех-

нике металлов и сплавов. Наиболее широко применяются ДКМ на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). В САП, матрицей яв-

ляется алюминий, наполнителем – мелкие частички окиси алюминия Al2O3 (6

… 18%). С увеличением содержания Al2O3 повышается предел прочности на растяжение и уменьшается относительное удлинение. Плотность САП равна

15

плотности алюминия. В качестве жаропрочных, применяются ДКМ с матри-

цей на основе никеля и наполнителем (2 … 3%) из двуокиси тория или дву-

окиси гафния. Обычно, матрица этих ДКМ – γ-раствор Ni + 20%Cr, или Ni + 15%Mo, или Ni + 20% (Mo+Cr). Например, композиционные материалы:

ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью кремния); ВДУ-2 (никель, упроч-

ненный двуокисью гафния); ВД-3 (матрица - Ni + 20%Cr; упрочнение – окись тория).

ДКМ применяются при необходимости сочетания высокой удельной прочности с высокой жесткостью; с пониженной склонностью к трещинооб-

разованию или с высокой жаропрочностью. Например: элементы жесткости,

панели в автомобилестроении или в сельхозмашиностроении; для облегчения кузовов, рессор, бамперов.

1.3.Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Вкомпозиционных материалах с неметаллической матрицей в качестве основы (матрицы) применяют полимерные (эпоксидная, фенолоформальде-

гидная, полиамидная и др.), углеродные и керамические материалы. Упроч-

нителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические,

на основе нитевидных кристаллов (оксиды, бориды, карбиды, нитриды), ме-

таллическая проволока.

Свойства материалов зависят от состава композиции, сочетания компо-

нентов, прочности связей между ними. Свойства матрицы определяют, в ос-

новном, прочность композита на сдвиг и сжатие, сопротивление усталостно-

му износу. Свойства упрочнителя определяют, в основном, прочность и же-

сткость материала. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитан-

ные связующим, укладывают параллельно друг другу. Полученные слои со-

бираются в пластины. При параллельной укладке свойства композита полу-

чаются анизотропными. При укладке волокон под углом друг к другу можно получит материалы с изотропными свойствами. Рассмотрим некоторые наи-

более применяемые композиты.

16

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, со-

стоящие из полимерной матрицы и упрочнителя в виде углеродных волокон

(карбоволокон). В качестве матрицы применяются: полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксо-

ванные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбо-

волокниты). Для удешевления производства, в композит добавляют стекло-

волокно (карбостекловолокниты).

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, могут работать в широком диапазоне положи-

тельных и отрицательных температур. Материал используется в кузово-

строении, при изготовлении панелей, подшипников и т.п.

В бороволокнитах в качестве упрочнителя применяют борные волокна.

Материал отличается высокой прочностью при сжатии, сдвиге, срезе, низкой ползучестью, высокой твердостью. Изделия из бороволокнитов применяются в авиастроении.

Органоволокниты представляют собой композицию из синтетической матрицы и синтетических волокон. Материалы имеют стабильные во време-

ни механические свойства, хорошо работают при повышенной влажности и повышенных климатических температурах и применяются как корпусной материал машин, работающих в тропическом и субтропическом климате.

1.4. Конструкционные порошковые материалы

Порошковые материалы (ПМ) изготавливают путем прессования ме-

таллических порошков в изделия необходимой формы и размеров с после-

дующим спеканием в вакууме или в защитной атмосфере при температуре

0,75 … 0,8Тплавления..

Различают пористые и компактные ПМ.

Пористые порошковые материалы (ППМ), после окончательной обра-

ботки сохраняют 10 … 30% остаточной пористости. В основном они исполь-

зуются для изготовления антифрикционных деталей (подшипники, вклады-

17

ши, втулки) и фильтров. Антифрикционные детали могут работать без до-

полнительной смазки (за счет «выпотевания» масла или графита находяще-

гося в порах), легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки,

обладают хорошей износостойкостью. Антифрикционные детали изготавли-

вают их железографита (1 … 7% графита) или из бронзографита (8 … 10%

олова и 2 … 4% графита). Для улучшения прирабатываемости добавляют 0,8 … 1,0% серы или 3,5 … 4,0% сульфидов.

ППМ на основе железа и меди используют в фрикционных изделиях

(тормозные диски, накладки ). Фрикционные изделия должны иметь высокий коэффициент трения, высокую прочность, большую износостойкость. Для повышения коэффициента трения в ППМ вводят карбиды кремния, бора, ту-

гоплавкие оксиды. Твердым смазочным компонентом служит графит или свинец. Коэффициент трения у МП на основе: железа – 0,18 …0,4 (сплав ФМК11); меди - 0,17 … 0,25 (сплав МК5).

ППМ широко применяют для изготовления фильтрующих элементов.

Фильтры на основе Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой стали с пористостью

45 … 50% и размером пор 2 …20 мкм используют для очистки жидкостей и газов.

Компактные порошковые материалы (КПМ) получают из порошков углеродистой и легированной стали; бронз, латуни, титановых и алюминие-

вых сплавов. В маркировке КПМ из стали добавляют букву С – сталь и букву П – порошковая; в конце маркировки указывают плотность стали в %. На-

пример: СП10-1(сталь порошковая 10, плотность 1%); СП45Х3-2 (сталь по-

рошковая 45, 3% хрома, плотность 2%).

Контрольные вопросы

1.Какая предельная концентрация серы и фосфора допускается в высококаче-

ственных сталях?

2.Расшифруйте марку материала: ст 10; сталь 18ХГТ.

3.Какая форма включений свободного графита в сером чугуне?

18

4.Какими конструкторско-технологическими свойствами обладают титано-

вые сплавы?

5.Что такое композиционный материал?

6.В каких отраслях промышленности используют композиционные материа-

лы? Приведите примеры.

19

ГЛАВА 2. МЕТАЛЛУРГИЯ

Металлургия – это важнейшая отрасль промышленности и наука о по-

лучении металлов из руд. В природе в чистом виде встречаются лишь немно-

гие металлы, например, золото, серебро, платина, ртуть и др. Основная же масса металлов содержится в земной коре в виде соединений с другими хи-

мическими элементами, в состав которых помимо ценного компонента вхо-

дит пустая порода.

Все металлы по установившейся традиции принято делить на две груп-

пычерные и цветные. Черные металлы - это железо и его сплавы - чугуны,

стали и ферросплавы. Все остальные металлы относят к цветным.

Основными машиностроительными материалами являются черные ме-

таллы, доля цветных металлов, наиболее распространенными из которых яв-

ляются алюминий, медь, магний, титан, цинк и их сплавы, значительно скромнее.

Методы получения металлов можно разделить на ряд групп: пироме-

таллургические, протекающие при сгорании топлива, гидрометаллургиче-

ские, при которых выделяемый металл переводят в раствор с последующим выделением металла из раствора, электрометаллургические и химико-

металлургические способы.

Современное производство черных металлов базируется главным обра-

зом на двухступенчатой схеме. Эта схема включает производство чугуна в доменных печах и последующую переработку чугуна в сталь.

Руды цветных металлов, как правило, являются комплексными, т.е. со-

держат сразу несколько ценных компонентов, поэтому все процессы получе-

ния цветных металлов являются многоступенчатыми, включающими целый ряд операций.

2.1. Исходные материалы для производства металлов

Исходными материалами для производства металлов и сплавов явля-

ются руда, топливо, флюсы и огнеупорные материалы.

20