Петрова Непрод товары

Цель термической обработки – получение в заготовке или детали не- обходимого комплекса физико-механических свойств за счет образования необходимой структуры металла.

В основе термической обработки стали лежат фазовые полиморфные превращения α → γ, а также фиксация состояния разной степени равновес- ности. Основными факторами воздействия при термической обработке яв- ляются температура и время. Виды термической обработки сталей: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг - разупрочняющая обработка. После отливки, прокатки, ков- ки и других видов обработки заготовок они охлаждаются неравномерно, результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различ- ных частях заготовки, а также появление внутренних напряжений. Основ- ные цели отжига: перекристаллизация стали, снятие внутренних напряже- ний, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

Отжиг- это нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением (обычно вместе с печью).

Нормализация. При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации на 30 – 50 °С выше температуры линии GSK (Рис. 7.3.) превращения α → γ. В результате нормализации сталь приобре- тает мелкозернистую и однородную структуру.

Закалка - упрочняющая термическая обработка. Целью закалки яв- ляется повышение твердости и прочности стали. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. За- калка не является окончательной операцией, после нее выполняют отпуск.

Закалка - это нагрев стали до температуры выше фазовых превраще- ний, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение.

В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, мета- стабильная структура мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α- железе. Из-за высокого содержания углеро-

360

да кристаллическая решетка α- железа сильно искажается. Мартенсит име- ет высокую твердость 62 – 65 НRC и повышенную хрупкость.

Отпуск - окончательная операция термической обработки, форми- рующая свойства металла. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до темпера- туры ниже 700 ° С, выдержки и последующего сравнительно медленного ох- лаждении на воздухе.

4. Классификация, обозначение и применение сталей

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому со- ставу, качеству и назначению.

По химическому составу стали условно подразделяют на углероди- стые (без легирующих элементов), низколегированные, легированные, вы- соколегированные, стали и сплавы с особыми физико-химическими свой- ствами.

Взависимости от количества углерода углеродистые стали подраз- деляют на низкоуглеродистые (до 0,25 % углерода), среднеуглеродистые (0,25 – 0,7 %), высокоуглеродистые (более 0,7 %).

Легированными называют стали, в которых кроме железа, углерода, случайных примесей и технологических добавок содержатся легирующие элементы для придания сталям специальных свойств. Основными леги- рующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольф- рам, молибден и др.

Внизколегированных сталях суммарное содержание легирующие элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных – от 2,5 до 10 %, в высоколегированных – более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %. Сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого элемента.

361

Взависимости от вида легирующих элементов стали называют мар- ганцовистыми, кремнистыми, хромистыми и т.д.

По назначению выделяют следующие основные группы сталей: то- почную и котельную, для железнодорожного транспорта (рельсовую, для бандажей железнодорожных колес и др.), конструкционную (для изготов- ления различных металлоконструкций, строительства зданий, мостов, раз- личных машин), шарикоподшипниковую, инструментальную (для изготов- ления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечно-штамповочного оборудования и др.), рессорно-пружинную, трансформаторную, орудийную, трубную и другие..

По структуре классификация в значительной степени условна.

Вравновесном состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

После охлаждения на воздухе образцов небольшого сечения с темпе- ратуры приблизительно 900 оС стали подразделяют на перлитные, бейнит- ные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главны- ми признаками по качеству стали являются более жесткие требования по химическому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как фосфор и сера. Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям, все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

К высоколегированным сталям и сплавам с особыми физико-

химическими свойствами относят:

−коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии;

−жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойко- стью против химического разрушения в газовых средах при температуре

362

выше 550 °С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоя-

нии;

−жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладаю- щие при этом достаточной жаростойкостью;

−износостойкие стали и др.

Обозначение марок сталей и сплавов. Для обозначения марок ста-

лей и сплавов принята буквенно-цифровая система.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются бук-

вами Ст, перед которыми указывают группы стали Б или В (для группы А букву не ставят), за буквами - цифры от 0 до 6 — условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Далее обозначают способ раскисления и категорию стали (сталь делится на пять категорий в зависимости от нормируемых показате- лей). Если сталь содержит повышенное содержание марганца (около 1,2 %), тогда между номером марки и способом раскисления ставят букву Г. При- меры обозначения углеродистых сталей обыкновенного качества: ВСт5Гпс3, Ст3пс.

Углеродистые качественные конструкционные стали

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами: 05, 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такие стали делят на несколько групп.

Низкоуглеродистые качественные стали 05, ..., 10 (без термической обработки) хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за ма- лого содержания углерода. Они используются для производства малонагру- женных деталей машин и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых качественных сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их

363

применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии для изготовления неответственных деталей машин, после цементации — для изготовления деталей с повышенной износостойкостью (кулачковые валики, кронштейны и др.).

Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Они хорошо обра- батываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Сочета- ние высоких прочностных и пластических свойств позволяет применять эти стали для изготовления ответственных деталей машин (шпиндели, распре- делительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 подвергаются раз- личным видам термической обработки, в результате чего они приобретают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Применяются для изготовления пружин, рессор, замковых шайб и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру— среднее содержание углеро- да, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содер- жит в среднем 0,9 % С, сталь У 11 содержит 1,1 % С.

Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) — буква Ш.

Легированные стали. В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Н - никель, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Ф - ванадий, М – молибден, Х - хром, Ц -цирконий, Ю - алюми- ний. Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают пример- ное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за бук- венным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали 45ХН2МФ) или десятых (инстру-

364

ментальные стали 4Х5МФС) долях процента. Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1 % и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (ХВГ) Буква "А" в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки - сталь легирована азотом (16Г2АФ), в начале марки буква "А" указывает на то, что сталь повышенной обрабатываемо- сти (автоматная) - А35Г2.

5.Классификация, обозначение и применение чугунов

Взависимости от формы углерода чугуны бывают следующих ви-

дов.

Белый чугун имеет в изломе белый цвет и характерный блеск. Угле- род в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белый чугун отличается высокой твердостью и хрупкостью и практически полностью перерабатывается в сталь и ферросплавы.

Серый чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоя- нии в виде пластинчатого (чешуйчатого) графита. Маркируют его буквами «СЧ». Серые чугуны применяются в станкостроении (станины, детали станков, люки, крышки, суппорты), в авто- и тракторостроении (блоки ци- линдров, распределительные валы, головки блоков, направляющие втулки, поршневые кольца, тормозные барабаны, диски сцепления), в химическом машиностроении, производстве компрессоров, насосов, для изготовления санитарно-технических изделий.

Высокопрочный (модифицированный) чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Маркируется буквами «ВЧ». Из высокопрочных чу- гунов изготовляют детали, подвергающиеся значительным нагрузкам: ко- ленчатые валы, зубчатые колеса, прокатные валки, корпуса насосов паро- вых турбин и др.

Ковкий чугун получают из белых чугунов путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

365

Маркируют буквами «КЧ». Ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при больших динамических и статических нагрузках, например, крюков, тройников, вентилей, гаечных ключей, крестовин для водопровода.

Обозначение чугунов

Передельный чугун, предназначенный для дальнейшего передела в сталь или переплавки в чугунолитейных цехах при производстве отливок, в зависимости от назначения изготовляют для сталеплавильного производ- ства марок П1 и П2; для литейного – марок ПЛ1 и ПЛ2; фосфористый – марок ПФ1, ПФ2 и ПФ3; высококачественный – марок ПВК1, ПВК2 и ПВК3.

Литейный чугун, предназначенный для дальнейшей переплавки в чугунолитейных цехах, изготовляют следующих марок: Л1, Л2, Л3, Л4, Л5, Л6 и рафинированный магнием ЛР1, ЛР2, ЛР3, ЛР4, ЛР5, ЛР6, ЛР7.

Стандартами регламентируется химический состав передельных и литейных чугунов, а именно: содержание серы, фосфора, марганца, крем- ния. Чугуны изготовляют в виде чушек массой до 55 кг.

К специальным видам чугуна относятся ферросплавы. В ТН ВЭД России ферросплавы определены как сплавы в виде чушек, бол- ванок, кусков и др., применяемые как добавки при производстве других сплавов или в качестве раскислителей в черной металлургии и непригод- ные для ковки, содержащие 4 мас.% или более железа и один или более элементов в следующих соотношениях: хрома более 10 мас.%; марганца более 30 мас.%; фосфора более 3 мас.%; кремния более 8 мас.%; других элементов в сумме более 10 мас.%. Ферросплавы отличаются от чугуна тем, что они содержат более низкий процент железа, а также тем, что мо- гут содержать 2 % и менее углерода. Основные виды ферросплавов: фер- росилиций (марки ФС20, ФС25… ФС90); феррохром (ФХ001А, ФХ006Б); ферромарганец; ферроникель, ферромолибден и другие.

366

Тема 7.2. Цветные металлы и сплавы

План

1.Классификация цветных металлов.

2.Свойства и применение цветных металлов и сплавов.

3.Свойства и применение благородных металлов и сплавов.

4.Пробирование и клеймение сплавов драгоценных металлов.

1. Классификация цветных металлов

Цветные металлы и их сплавы широко применяются в различных от- раслях народного хозяйства, так как обладают рядом положительных свойств: низкой плотностью при удовлетворительной прочности, высокой теплопроводностью и электропроводностью, коррозионной стойкостью и др. Однако применение цветных металлов зависит не только от их свойств, но и от содержания в земной коре, доступности и рентабельности процесса добычи, обработки и производства. Специфика руд цветных металлов со- стоит в их сложном составе (многокомпонентности) и низком содержании полезных компонентов в руде – всего несколько процентов или долей про- центов. На предприятиях цветной металлургии перерабатывают алюми- ний, медь, олово, цинк, никель, хром, благородные и другие металлы.

По физическим и химическим свойствам нежелезные металлы делят на следующие группы:

1.Легкие (плотность до 5 г/см3) – магний, бериллий, алюминий, титан.

2.Тяжелые (плотность более 5 г/см3) – медь, никель, кобальт, свинец, молибден, золото, серебро, платина, вольфрам, тантал и др.

3.Легкоплавкие – олово, свинец, цинк с температурами плавления 232, 327, 410 °С.

4.Тугоплавкие (температура плавления выше, чем температура плав-

ления железа – 1539 °С) – вольфрам, молибден, тантал, ниобий,

хром.

367

5.Благородные – золото, серебро и металлы платиновой группы (пла- тина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). Обладают высокой устойчивостью к коррозии.

6.Радиоактивные металлы, или актиниды (14 элементов), применяются преимущественно в сплавах для атомной энергетики (уран, торий, полоний, технеций, радий).

7.Рассеянные металлы – ванадий, кадмий, галлий, индий, таллий, гер- маний, гафний, селен, теллур, рений.

8.Редкоземельные, или лантаноиды (17 элементов) применяются для модифицирования стали (лантан, церий, неодим).

9.Щелочноземельные металлы (калий, натрий, литий, кальций) в сво- бодном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев (например, теплоносителей в атомных реакторах).

Приведенная классификация условна, так как многие металлы могут быть отнесены одновременно к разным группам. Например, легкий металл титан является также тугоплавким.

2. Свойства и применение цветных металлов и сплавов

Медь и ее сплавы

Медь — пластичный металл красновато-розового цвета, легкоплав- кий (температура плавления 1083 ° С), тяжелый (плотность 8,93 г/см3). Твердость отожженной и прокатанной меди 85–115 НВ, относительное уд- линение 40–50 %, предел прочности на растяжение 200–250 МПа.

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью (уступает только серебру), способностью образовывать сплавы, хорошей коррозион- ной стойкостью в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но не обладает коррозионной устойчи- востью в среде с сернистым газом и аммиаком. На воздухе (особенно если в атмосфере присутствуют сернистые соединения) на поверхности меди появляется тонкая пленка сульфита меди (CuSO3) и поверхность приобре-

368

тает черный оттенок (патина).Окисляясь на воздухе, сульфит меди перехо- дит в сульфат (CuSO4) и патина приобретает зеленый оттенок. При взаи- модействии с пищевыми кислотами медь образует токсичные соединения.

На свойства меди оказывают влияние примеси: кислород, сурьма, свинец и олово (уменьшают пластичность); фосфор, железо, мышьяк (сни- жают электропроводность). Наиболее вредные примеси — висмут и сера, которые придают хрупкость.

Медь получают из руд, где она находится в виде химического соеди- нения с серой и железом (медный колчедан, медный блеск и др.) или в ви- де различных соединений с кислородом (куприт). Медные руды перед плавкой обогащают. После предварительного обжига для удаления избыт- ка серы медные руды переплавляют на полуфабрикат — штейн, который содержит до 40 % меди и представляет собой сплав сернистых соединений меди и железа. Штейн обрабатывают в конверторе для максимального уда- ления железа и серы и получения черновой меди. Черновую медь рафини- руют (очищают от примесей) огневым, а затем электролитическим спосо- бом.

Медь маркируется буквой М, после которой стоит цифра. Чем боль- ше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей. В обозначении марок: ВЧ — медь высокой чистоты, к — катодная, б — бескислородная, р — раскисленная, у — улучшенная. Примеры обозначения марок меди: МВЧк

(99,993 % Сu), М00к (99,99 % Сu), М0ку (99,97 % Сu), М0к (99,95 % Сu),

М1к (99,9 % Сu), МЗ (99,5 % Сu).

Применяют медь в электротехнической промышленности (для про- водников тока), для легирования сталей, при изготовлении теплооб- менников, припоев, порошка для производства металлокерамики. Для из- готовления бытовых изделий используют преимущественно сплавы меди (латуни, бронзы, мельхиор, нейзильбер и др.).

Латуни — сплавы меди с цинком, содержащие часто небольшое ко- личество других элементов. Различают латуни простые (двойные) и специ-

369