ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Авторский	коллектив:
A.M. Дальский	И.Г. Кременскии
Т.М. Барсукова	Э.Л. Макаров
Л.Н. Бухаркин	Е.А. Попов
B.C. Гаврилюк	Ю.А. Степанов
A.M. Дмитриев	Е.А. Соколов
В.П. Каширцев

_ш

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 2004

_D

_D

ДЛЯ ВУЗОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

_{МАТЕРИАЛОВ}

5-е издание, исправленное

Под общей редакцией

Заслуженного деятеля науки и техники РФ

д-ратехн. наук проф.

A.M. Дольского

Допущено Министерствам образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов машиностроительных вузов

_ш

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 2004

УДК 669.018.29.004.14 (075.8) ББК 34.5я73 Т38

Рецензент д-р техн. наук А.Г. Суслов Научный редактор канд. техн. наук Г.А. Нуждин

Технология конструкционных материалов: Учебник для студен-Т38 тов машиностроительных специальностей вузов / A.M. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под ред. A.M. Дальского. - 5-е изд., исправленное. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с, ил.

Рассмотрены современные и перспективные технологические способы производства черных и цветных металлов, изготовление заготовок и деталей машин из металлов и неметаллических материалов: литьем, обработкой давлением, сваркой, резанием и другими способами.

В 5-ом издании (4-е изд. 2002 г.) обновлен материал с учетом современного состояния машиностроительного производства и тенденций его развития, дана новая глава по прогрессивным малоотходным способам изготовления заготовок и деталей из порошковых материалов. Усилены методические акценты на анализе и выявлении физической сущности технологии обработки; отражен университет­ский подход в преподавании курса.

Решение президиума научно-методического совета по технологии конст­рукционных материалов и материаловедению Государственного комитета СССР по народному образованию учебник (3-е изд.) был признан базовым для машино­строительных специальностей вузов.

УДК 669.018.29.004.14(075.8) ББК 34.5я73

ISBN 5-217-03198-0

© Издательство "Машиностроение", 2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

Достижения промышленности в любом развитом обществе неизменно связаны с достижениями технологии конструкцион­ных материалов. Качество обработки и производительность изготовления изделий являются важнейшими показателями уровня развития государства.

Технология конструкционных мате­риалов как учебная дисциплина связана с изучением методов создания изделий из современных материалов на современном оборудовании и в заданных производст­венных условиях. Важным условием изго­товления изделий является использование автоматизированного производства с опо­рой на новейшие достижения науки и техники.

Настоящий учебник учитывает и ис­пользует все эти обстоятельства и создает прочную базу для изучения многих техни­ческих дисциплин. С момента выхода в свет учебника (1-е издание — 1977 г. 2-е издание — 1985 г.; 3-е издание — 1993 г.; 4-е издание - 2002 г.) в нем последова­тельно были отражены все достижения науки и производства в области обработки конструкционных материалов. Решением президиума научно-методического совета по технологии конструкционных материа­лов и материаловедению Государственно­го комитета СССР по народному образо­ванию учебник 3-го издания был признан базовым для машиностроительных специ­альностей вузов.

В настоящем издании учтены важные изменения, происшедшие в развитии высшей школы России. Многие учебные заведения перешли из категории техниче­ских институтов в технические универси­теты, что в определенной мере изменило подход к изучению некоторых техниче­ских дисциплин. Это обстоятельство кос­нулось также и технологии конструкцион­ных материалов.

Существенный прогресс наблюдается в технологии заготовительного производст­ва. В предлагаемом издании новая глава посвящена изготовлению заготовок и де­талей из металлических порошков. В учебнике также изменены некоторые ме­тодические акценты, что связано с даль­нейшим накоплением опыта препода­вания данной дисциплины в МГТУ им. Н. Э. Баумана в течение 170 лет.

В новом издании учтено то обстоя­тельство, что с развитием автоматизации производства все шире используются вы­числительная техника и новые системы управления оборудованием и производст­вом. Это характерно для всех технологи­ческих процессов обработки материалов— литья, обработки давлением, сварки, обра­ботки заготовок резанием и др. Вместе с этим важной предпосылкой и основой университетского подхода являются ана­лиз и изучение физической сущности ме­тода обработки.

Учебник написан коллективом препо­давателей МГТУ им. Н. Э. Баумана.

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разделы учебника написаны: 1 - канд. техн. наук проф. В. С. Гаврилюком; 2 -д-ром техн. наук проф. Ю. А. Степановым и канд. техн. наук доц. Е. А. Соколовым; 3 - членом-корреспондентом АН РФ, д-ром техн. наук, проф. А. М. Дмитрие­вым и канд. техн. наук, доц. И. Г. Кремен-ским; 4 - канд. техн. наук, доц. Е. А. Со­коловым; 5 - д-ром техн. наук проф.

Э. Л. Макаровым и канд. техн. наук проф. В. С. Гаврилюком; 6 - д-ром техн. наук проф. А. М. Дальским, кандидатами техн. наук, доц. Т. М. Барсуковой и доц. Л. Н. Бу­харкиным; 7 - кандидатами техн. наук, доц. Л. Н. Бухаркиным и доц. В. П. Ка­ширцевым; 8 - канд. техн. наук, доц. В. П. Каширцевым.

РАЗДЕЛ А СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И

I СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Материалы, применяемые в современ­ных конструкциях, помимо высоких проч­ностных характеристик должны обладать комплексом таких свойств, как повышен­ная коррозионная стойкость, жаропроч­ность, теплопроводность и электропрово­димость, тугоплавкость, а также способ­ностью сохранять эти свойства в условиях длительной работы под нагрузками.

Технически чистые металлы (99,9 % основного металла), как правило, характе­ризуются низкими прочностными свойст­вами, поэтому в машиностроении приме­няют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа в зависимости от содер­жания в них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, маг­ния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, - легкими цветными сплавами; на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других металлов - легкоплав­кими цветными сплавами; на основе меди, свинца, олова и др. - тяжелыми цветными сплавами; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. - ту­гоплавкими цветными сплавами.

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Большинство металлов в твердом со­стоянии имеет кристаллическое строение: атомы расположены упорядоченно и обра­зуют кристаллические решетки (рис. 1.1).

Элементарная ячейка кристаллической решетки - это минимальный по объему параллелепипед, перемещением которого вдоль его ребер можно воспроизвести всю кристаллическую решетку.

Для металлов характерны кристалли­ческие решетки трех видов: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), в кото­рой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в ее центре (W, Mo, V, Nb, Fe-a, Cr, К, Na, Mn-а и др., рис. 1.1, а); кубическая гране центриро­ванная (ГЦК), в которой атомы располо­жены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Си, Ni, Fe-y, Ag, Al, Pt, Са и др., рис. 1.1, б); гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляю­щая собой шестигранную призму, в кото­рой атомы расположены в три слоя (Mg, La, Ti, Cd, Os, Ru и др.).

Расстояние между центрами ближай­ших атомов называется периодом или па­раметром решетки и измеряется в нано­метрах. Параметр кубических типов реше­ток а находится в пределах 0,286 ... 0,607 нм, гексагональных - а - в пределах 0,228 ... 0,398 нм и с - 0,357 ... 0,652 нм (см. рис. 1.1).

С повышением температуры или дав­ления параметры решеток могут изме­няться. Некоторые металлы в твердом со­стоянии в различных температурных ин­тервалах приобретают разные кристалличе­ские решетки, что всегда приводит к изме­нению их физико-химических свойств.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

*)

Рис. 1.1 Схемы кристаллических решеток:

а - объемно-центрированная кубическая, б - гранецентрированная кубическая, в - гексагональная плотноупакованная

Элементарные частицы в кристалличе­ской решетке находятся во взаимодейст­вии, определяемом их электронным строе­нием От характера этого взаимодействия зависят электрические, магнитные, тепло­вые и оптические свойства материала, его температура плавления и испарения, мо­дуль упругости и другие свойства.

Существование одного и того же ме­талла в нескольких кристаллических фор­мах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристалличе­ских решеток при критических температу­рах называется полиморфными превраще­ниями. Полиморфные модификации обозначают греческими буквами а, (3, у и другими, которые в виде индекса добав­ляют к символу элемента. Полиморфную модификацию при самой низкой темпера­туре обозначают буквой а, при более вы­сокой р и т.д.

Всем кристаллам присуща анизотро­пия, те. неравномерность свойств по на­правлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристал­лической решетке. Наиболее сильно ани­зотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кристаллическое строение. В таких кристаллах в зависимости от на­правления существенно изменяются пока­затели физических свойств, прочностные характеристики, модуль упругости, тер­мический коэффициент расширения, ко­эффициенты теплопроводности и электро-

проводимости, показатель светового пре­ломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Та­кие свойства как поверхностное натяже­ние, электронные потенциалы, адсорбци­онная способность, химическая актив­ность существенно различны у различных граней кристаллов.

2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ

Под сплавом подразумевается вещест­во, полученное сплавлением двух элемен­тов и более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содержаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свой­ства. Примеси могут быть случайными, попавшими в сплав при его приготовле­нии, и специальными, введенными для придания сплаву требуемых свойств. Кри­сталлическое строение сплава более слож­ное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы -однородные объемы, разграниченные по­верхностями раздела. Компоненты в твер­дом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и меха­ническую смесь.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

9

Твердый раствор - компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй в виде отдельных атомов распре­деляется внутри кристаллической решет­ки, несколько изменяя ее размеры, но не меняя формы. Атомы растворяющегося вещества или замещают в кристалличе­ской решетке часть атомов растворителя (твердый раствор замещения), или разме­щаются между атомами металла раствори­теля (твердый раствор внедрения). Твер­дые растворы внедрения образуются в тех случаях, когда диаметры атомов раство­ренного элемента существенно меньше диаметра атома металла растворителя и имеют близкое строение валентной обо­лочки.

Химическое соединение - компоненты сплава вступают в химическое взаимодей­ствие, при этом образуется новая кристал­лическая решетка, отличная от решеток составляющих компонентов. Как правило, химические соединения образуют компо­ненты, имеющие значительные различия в типах кристаллических решеток и в элек­тронном строении атомов.

Механическая смесь - компоненты сплава обладают полной взаимной нерас-

Примесный атом

₇

творимостью и имеют различные кристал­лические решетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. Механи­ческая смесь имеет постоянную темпера­туру плавления. Механическая смесь, об­разовавшаяся при одновременной кри­сталлизации из расплава, называется эв­тектикой, а образовавшаяся в процессе превращения в твердом состоянии -эвтектоидом (например, Fe₃C + Fe_Y -ледебурит - эвтектика в белых чугунах; Fe₃C + Fe_a - перлит - эвтектоид в сталях и чугунах).

Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства мате­риала. Реальный единичный кристалл все­гда имеет свободную (наружную) поверх­ность, на которой уже вследствие поверх­ностного натяжения решетка искажена. Это искажение может распространяться и на прилегающую к поверхности зону.

Дефекты внутреннего строения под­разделяют на точечные, линейные и пло­скостные.

К точечным дефектам относятся вакан­сии (когда отдельные узлы кристаллической решетки не заняты атомами); дислоциро­ванные атомы (если отдельные атомы ока­зываются в междоузлиях) или примесные

->—Q—> 1

/вакансия (дырка) /Дислоцированный атом

а)

б)

Рис. 1.2. Дефекты кристаллической решетки: а - точечные; 6 - линейные; в - плоскостные

10

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких де­фектов решетка будет упруго искаженной на расстоянии одного-двух периодов (рис. 1.2, а). Хотя относительная концен­трация точечных дефектов обычно неве­лика, все же это может вызывать чрезвы­чайно большие изменения физических свойств кристалла. Например, тысячные доли атомного процента примесей к чис­тым полупроводниковым кристаллам из­меняют их электрическое сопротивление в 10⁵-10⁶раз.

Линейные дефекты малы в двух изме­рениях и достаточно велики в третьем. К таким дефектам относятся смещение атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 1.2, б). Важней­шими свойствами таких дефектов являют­ся их подвижность внутри кристалла и активное взаимодействие между собой и с другими дефектами. Плотность дислока­ций в кристаллах велика: в недеформиро-ванных кристаллах их количество на 1 см² достигает 10⁶ - 10⁸; при пластической де­формации происходит возникновение но­вых дислокаций, и это число может уве­личиться на несколько порядков - до 10¹².

Плоскостные (двухмерные) дефекты характерны для поликристаллических ма­териалов, т.е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллов, раз­лично ориентированных в пространстве. Границы между ними обычно представ­ляют собой скопление дислокаций (см. рис. 1.2, в). Плоскостные дефекты малы только в одном направлении; в двух дру­гих они могут достигать размеров кри­сталла.

Влияние дефектов строения на прочно­стные характеристики металлов не одно­значно. Если прочность практически без­дефектных кристаллов, так называемых "усов", очень высока (см. рис. 1.3), то уве­личение плотности дефектов до опреде­ленного количества приводит к ее резкому снижению (ветвь А). Точка Р_к характери­зует прочность металлов, которые принято

А, Плотность дефектов

строения

Рис. 1.3. Зависимость прочности кристаллического тела от плотности дефектов строения

называть технически чистыми. Дальней­шее увеличение плотности дефектов, на­пример, введением в расплав легирующих компонентов, или специальными метода­ми искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов (ветвь В).

Дефекты в кристаллической решетке оказывают большое влияние на протека­ние процессов диффузии и самодиффузии, которые во многом определяют скорости химических реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Распределенные нужным образом по объ­ему кристалла дефекты кристаллической решетки позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что необходимо при изго­товлении некоторых полупроводниковых элементов.

3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кри­сталлических решеток (кристаллов) назы­вается первичной кристаллизацией. Про­цесс кристаллизации начинается с образо­вания зародышей - центров кристаллиза­ции, которыми могут быть группы элемен­тарных кристаллических решеток, туго­плавкие неметаллические включения или примеси. Чаще всего кристаллизация начи­нается от стенок формы, или от полуоплав­ленных зерен основного металла сварного

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

11

Рис. 1.4. Схематическое изображение дендрита

шва. Образующиеся кристаллы с наи­большей скоростью растут в направлении, противоположном отводу теплоты, т.е. перпендикулярно к стенкам формы. Ско­рость затвердевания, т.е. перехода из жид­кой в твердую фазу, зависит от скорости роста кристаллов, определяемой скоро­стью охлаждения, и от числа центров кри­сталлизации. От этого зависит и характер образующейся структуры: при небольшом числе центров кристаллизации рост их не ограничивается, получаются кристаллы большого размера древовидной формы -дендриты (рис. 1.4). Если процесс кри­сталлизации происходит из многих цен­тров, то ветви дендритов при росте огра­ничивают друг друга и искажаются. Кри­сталлы неправильной формы называются зернами или кристаллитами. Комплекс кристаллитов образует поликристалличе­скую структуру (рис. 1.5).

При наличии несовершенств строения зерно разделяется на блоки и имеет струк­туру, которая называется микромозаич­ной. Отдельные мозаики повернуты друг относительно друга на небольшой угол (1°). Решетки соседних блоков не совпа­дают по ориентации, что приводит к на­рушению правильности в их строении. Причиной возникновения вакансий и дис­локаций при кристаллизации является на­рушение правильности порядка присоеди­нения атомов при росте кристалла или разориентации соседних кристаллических решеток.

Искажение кристаллической решетки и состояние границ зерен в металлах влияют на их свойства. Например, прочность мо­жет увеличиться вследствие искажения кристаллической решетки вблизи границ или уменьшиться в связи с наличием в них примесей, которые всегда присутствуют в расплаве.

Примеси, растворенные в жидком ме­талле, могут также измельчать зерно и изменять его форму. Примеси при затвер­девании в виде тонкого слоя осаждаются на поверхности растущего кристалла и ограничивают его рост. Чем больше ско­рости охлаждения и зарождения центров кристаллизации, тем больше скорость кристаллизации и более мелкозернистая структура сплава. При мелкозернистой структуре механические свойства сплава повышаются.

При переходе сплава из жидкого со­стояния в твердое происходит усадка -уменьшение объема. В результате усадки между зернами в местах соприкосновения растущих дендритов, в междуосных про­странствах возникают микропустоты, ко­торые могут заполняться неметалличе­скими включениями (сульфидами, фосфи­дами) или оставаться микроскопическими раковинами и порами. Такие включения и поры ухудшают механические свойства сплава, так как при его нагреве и прило­жении к нему нагрузок становятся очага­ми развития трещин, надрывов и тому по­добных дефектов.

Рис. 1.5. Схема поликристалической структуры

12

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТЮЕНИИ

4. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

При выборе материала для конструк­ции исходят из комплекса свойств, кото­рые подразделяют на механические, физи­ко-химические, технологические и экс­плуатационные. К основным механиче­ским свойствам относят прочность, пла­стичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и изно­состойкость.

Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напря­жение - это сила, отнесенная к площади поперечного сечения, МПа:

а = PIF,

где Р - сила, МН; F - площадь поперечно­го сечения, м².

Деформация - это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в результате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т.п.). Де­формация может быть упругая (исчезаю­щая после снятия нагрузки) и пластиче­ская (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая дефор­мация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки проис­ходит разрушение тела.

Прочность - это способность твердо­го тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных ме­ханических испытаний образцов, изготов­ленных из исследуемого материала.

Для определения прочности при стати­ческих нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытания на растяжение обязательны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопротивлением а„ и пределом текучести а_т; а_в - это ус­ловное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей

разрушению образца; а_т - напряжение, при котором начинается пластическое те­чение металла. На рис. 1.6 представлен типовой образец прямоугольного сечения для испытаний на растяжение.

Прочность при динамических нагруз­ках определяют по данным испытаний: на ударную вязкость (разрушение ударом стандартного образца на копре), на уста­лостную прочность (определение способ­ности материала выдерживать, не разру­шаясь, большое число повторно-перемен­ных нагрузок), на ползучесть (определе­ние способности нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагрузках). Наиболее час­то применяют испытания на ударную вяз­кость (рис. 1.7):

KC = A/F,

где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж; F - площадь образца в месте надреза, м².

Л, | > , |Л,

Рис. 1.6. Плоский образец для испытания на прочность и пластичность при растяжении: /о - исходная длина образца до испытания; / - длина образца после испытания

Рис. 1.7. Схема испытания на ударную вязкость

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

13

Пластичность - это способность ма­териала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пла­стичность характеризуется относительным удлинением 5 при разрыве, %:

5 = (/-/о) 100//,

где / - длина образца после разрыва, мм; /₀ - первоначальная длина образца, мм.

Твердость - это способность мате­риала сопротивляться внедрению в него другого, не получающего остаточных де­формаций тела. Значение твердости и ее размерность для одного и того же мате­риала зависят от применяемого метода измерения. Значения твердости, опреде­ленные различными методами, пересчи­тывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бри-неллю (НВ, МПа) определяют из отноше­ния нагрузки Р, приложенной к шарику, к площади поверхности полученного отпе­чатка шарика F_om:

На рис. 1.8 дана схема, по которой за­меряют твердость.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводи­мость.

Физические свойства сплавов обуслов­лены их составом и структурой.

К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодейст­вию с агрессивными средами, а также ан­тикоррозионные свойства.

Рис. 1.8. Схема измерения твердости по

Бринеллю:

D - диаметр шарика; d - диаметр отпечатка; h -

глубина отпечатка

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологи­ческим свойствам. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режу­щим инструментом. Эти свойства позво­ляют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной фор­мы, степенью химической неоднородно­сти по сечению полученной отливки, а также величиной усадки - сокращением размеров при кристаллизации и дальней­шем охлаждении.

Деформируемость - это способ­ность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разруше­ния и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость - это способность металлов и сплавов образовывать неразъ­емные соединения требуемого качества.

Обрабатываемостью называют

свойства металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество по­верхностного слоя.

Технологические свойства часто опре­деляют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное про­изводство, оснащенное гибкими система­ми управления, нередко предъявляет к технологическим свойствам материала особые требования, которые должны по­зволять осуществлять комплексный тех­нологический процесс на всех стадиях получения изделия с заданным ритмом: например, проведение сварки на больших скоростях, ускоренный темп охлаждения отливок, обработка резанием на повышен-

14

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

ных режимах и т.п. при обеспечении не­обходимого условия - высокого качества получаемой продукции.

К эксплуатационным свойствам в за­висимости от условия работы машины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостоикость, жаропрочность, жаростойкость, анти-фрикционность материала и др.

Износостойкость - способность ма­териала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего тре­ния.

Коррозионная стойкость - сопро­тивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостоикость - способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже О °С.

Жаропрочность - способность спла­ва сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость - способность спла­ва сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность - способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Эти свойства определяются в зависи­мости от условия работы машин или кон­струкций специальными испытаниями.

При выборе материала для создания технологической конструкции необходи­мо комплексно учитывать его прочност­ные, технологические и эксплуатационные характеристики.

5. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических компонентов в условиях равновесия. Фа­зой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхно­стью раздела, при переходе через которую

свойства сплава изменяются скачкообраз­но. На рис. 1.9 изображена диаграмма со­стояния железоуглеродистых сплавов, имеющая большое практическое значение.

Структурные составляющие железо­углеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют сле­дующие составляющие.

Аустенит - твердый раствор углеро­да в у-железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1147 °С; с понижением температуры до 727 °С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита име­ет высокие пластичность и вязкость. Ау­стенит не магнитен.

Феррит - твердый раствор углерода в а-железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 °С; сталь со структурой феррита ферромаг-нитна вплоть до температуры Кюри 770 °С, имеет малую твердость и высокую пластичность.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (6,67 % С); фер-ромагнитен до температуры Кюри 210 °С, имеет высокие твердость и хрупкость.

Перлит - механическая смесь (эвтек-тоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру пер­лита ферромагнитна, обладает повышен­ными прочностью и твердостью.

Ледебурит (4,3 % С) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита; ниже температуры 727 °С аустенит пре­вращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита - превращен­ный ледебурит.

Графит - углерод в свободном со­стоянии, образующийся в чугунах в ре­зультате распада цементита при медлен­ном охлаждении. Графит не магнитен, мягок и обладает низкой прочностью.

Феррит Феррит+ +аустенит I с: Аустенит* + феррит Феррит Феррит* цементит (третичный) 2 2,14 4 4,3 0,81 1600 1539 1500 1400 N 1300

Жидкость +

феррит

А м

J/\J ■

Жидкость

1391 ^v

Жидкость -^Ч. аустенит >v

1200

АуСШРНит

/147

*\>/

1/00 1000

'jf

\С

1 1

911 900 800

G

\f

Аустенит* цементит1. Це 1 (вторичный) +леВебу-1 + л

i V у

/Аустенип 'цемЁнтип (Вторичный

~\ fJUII 1 { UULIIIcrlUII1 т 7| цементит)

■ пи 1 Эвт г./

\p/*N^

)\

727

У 1

i \перлит%

700 600\

Цементит Перлит+ цементит [Цем (вторичный) (вторичный)+ледебурит] ч-ле + перлит ,(лерлит^цементит) \+це

Рис. 1.9. Диаграмма состояния железо - цементит

16

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Диаграмма состояния железоуглеро­дистых сплавов. Основные свойства спла­ва определяются содержанием угле­рода. Взаимодействие углерода с а- или у-модификациями железа приводит к об­разованию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. По­строение диаграммы состояния железо -углерод (цементит) дает представление о температурах и концентрационных грани­цах существования этих сплавов.

На диаграмме состояния железо - це­ментит (см. рис. 1.9) линия ABCD - линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком состоянии; линия AECF - линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При температурах, соответствующих линии AECF, заканчи­вается первичная кристаллизация. В точке С при концентрации углерода 4,3 % обра­зуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK - линия эвтектоид-ного превращения, на которой заканчива­ется процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А\. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого рас­твора. Линия GS - линия верхних крити­ческих точек А_ъ\ она показывает темпера­туру начала выделения феррита из аусте-нита. Линия SE - линия верхних критиче­ских точек А_т, она показывает температу­ру начала выделения вторичного цементи­та и является линией, определяющей пре­дельную растворимость углерода в ау-стените. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, условно называют сталями, более 2,14 % С -чугунами. Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0,8 % С, - доэвтектоид-ной. Сталь, содержащая более 0,8 % С, -заэвтектоидной.

Практическое применение диаграм­мы Fe-Fe₃C Диаграмму Fe-Fe₃C исполь­зуют для определения видов и темпера­турных интервалов термической обработ­ки стали; для назначения температурного интервала при обработке давлением; для

определения температуры плавления и заливки сплавов.

Температуру плавления определяют по линии ликвидуса. Температура заливки должна быть выше линии ликвидуса. Тем­пературный интервал при горячей обра­ботке давлением находится ниже линии солидуса на 100 - 150 °С (верхний предел) и выше линии критических точек А₃ на 25 - 50 °С (нижний предел).

Основой процесса термической обра­ботки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе а- и у-железа. Полиморфные превращения стали данного состава происходят в определенном ин­тервале температур, ограниченном ниж­ней А\ и верхними А_ъ и А_т критическими точками.

В результате полиморфизма происхо­дит перекристаллизация в твердом со­стоянии. Перекристаллизация - это изме­нение кристаллического строения стали при ее нагреве или при охлаждении до определенных температур.

Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до опреде­ленных температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменя­ются структура сплава, а следовательно, и его свойства. Изменяя скорость охлажде­ния, можно получить различные физико-механические свойства и структуры желе­зоуглеродистых сплавов.

Основные виды термической обработ­ки - отжиг, нормализация, закалка и от­пуск.

Отжиг - нагрев доэвтектоидной стали выше точки А_ъ, заэвтектоидной - выше точки А_т с последующим охлаждением вместе с печью. После полного отжига структура сплава состоит из феррита и перлита (доэвтектоидные стали). Отжиг снимает внутреннее напряжение, снижает твердость и повышает пластичность, уст­раняет химическую неоднородность. Не­полный отжиг - нафев выше точки А\, но ниже А_ъ; происходит неполная фазовая пе­рекристаллизация.

свойства металлов и сплавов, применяемых в машиностроении

17

Нормализация - нагрев выше точки А}, охлаждение на воздухе; нормализация приводит к измельчению зерна и повыше­нию прочности.

Закалка - нагрев выше точки А_ъ, бы­строе охлаждение в воде или масле; по­вышает твердость и прочность, снижает пластичность.

Регулируя скорость охлаждения стали из аустенитного состояния, можно полу­чать различные структуры: мартенсит, троостит, сорбит, перлит.

Структура мартенсита образуется при быстром охлаждении в результате без­диффузионного (сдвигового) перехода Y-железа (аустенита) в а-железо (феррит) без выделения углерода из раствора. Пе­реход у-железа в а-железо сопровождается изменением кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних до­полнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный рас­твор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сталь со структурой мартенсита обладает высоки­ми твердостью и прочностью.

Структура троостита образуется при более медленном охлаждении и представ­ляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Троостит имеет меньшие твердость и прочность, чем мар­тенсит.

Структура сорбита образуется при еще более медленном охлаждении. Зерна фер­рита укрупняются, образуется мелкодис­персная ферритно-карбидная смесь.

Структура перлита образуется в ре­зультате очень медленного охлаждения сплава вместе с печью и является у эвтек-тоидных сталей конечной структурой рас­пада аустенита; у доэвтектоидных сталей конечной структурой будет грубая смесь феррита и перлита; у заэвтектоидных ста­лей - смесь перлита и цементита.

Отпуск - нагрев ниже точки А\ и медленное охлаждение; его применяют как сопутствующую операцию после за­калки для получения более устойчивых

структур. Высокий отпуск (нагрев до тем­пературы 700 °С) применяют для повыше­ния пластичности и обрабатываемости при небольшом снижении прочности закален­ной стали; низкий отпуск (нагрев до тем­пературы 250 °С) применяют для повыше­ния вязкости закаленной стали при сохра­нении прочности.

6. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

На свойства железоуглеродистых спла­вов влияет наличие в них постоянных примесей (вредных - серы, фосфора, ки­слорода, азота, водорода; полезных -кремния, марганца и др.). Эти примеси могут попадать в сплав из природных со­единений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома - хром, никель и др.; в процессе выплавки и раскисления -углерод, кремний и марганец.

Углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением со­держания углерода в сталях возрастают твердость, прочность и уменьшается пла­стичность.

Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + + Fe, которая при кристаллизации сплава располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, что приводит к образованию трещин и надры­вов. Это явление носит название красно­ломкости. Содержание серы должно быть менее 0,06 %.

Фосфор ухудшает пластические свой­ства сплава, вызывая явление хладнолом­кости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08 %. В чугуне допускается до 0,3 % Р.

Азот, кислород и водород присутству­ют в сплавах в составе оксидов FeO, Si0₂, А1₂0₃, нитридов Fe4N или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Оксиды и нитриды слу-

18

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

жат концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (проч­ность, пластичность).

Водород растворяется в стали при рас­плавлении. При охлаждении сплава рас­творимость водорода уменьшается, он накапливается в микропорах под высоким давлением и может стать причиной обра­зования внутренних надрывов в металле (флокенов) и трещин.

Кремний и марганец попадают в же­лезоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний по­вышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Кремний способствует графитизации чугуна. Мар­ганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и проч­ность феррита.

7. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ И ИХ МАРКИРОВКА

Классификация сталей. Стали клас­сифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным обра­зом конструкционные стали, предназна­ченные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкци­онные стали делят на углеродистые и ле­гированные.

Углеродистые стали могут быть низко­углеродистые: С < 0,09 ... 0,25 %; сред-неуглеродистые: С < 0,25 ... 0,45 % и вы­сокоуглеродистые: С < 0,45 ... 0,75 %. Легированные стали условно подразделя­ют на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5 %; среднеле-гированные - от 2,5 до 10 % и высоколе­гированные - более 10 %.

Другие стали, например инструмен­тальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу обычно не классифицируются.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами-

жаропрочные, кислотостойкие, износо­стойкие, магнитные и др.

По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачест­венные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указыва­ется способ выплавки и последующей об­работки стали.

Под качеством стали понимают сово­купность свойств, определяемых метал­лургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее тех­нологичность во многом зависят от со­держания газов (кислорода, водорода, азо­та) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэто­му нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для раз­деления сталей по качеству. Стали обык­новенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные -не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовы­сококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) обозначаются индексом "Ст" и порядковым номером, например, Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее проч­ность и ниже пластичность.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марган­цем, кремнием и алюминием. Они содер­жат мало кислорода и затвердевают спо­койно, без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед раз­ливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при за­твердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделе-

свойства металлов и сплавов, применяемых в машиностроении

19

ние пузырей СО создает впечатление ки­пения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени рас­кисления занимают промежуточное поло­жение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состоя­ниях. По структуре в отожженном (равно­весном) состоянии конструкционные ста­ли разделяют на четыре класса: доэвтек-тоидные, имеющие в структуре избыточ­ный феррит; эвтектоидные, структура ко­торых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Качественные углеродистые стали со­гласно ГОСТ 1050-88 маркируются циф­рами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 10, сталь 15,..., сталь 80. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно пре­вышать 0,035 %. Стали этой группы, со­держащие свыше 0,2 % С, выпускаются только спокойными.

Углеродистые инструментальные ста­ли (ГОСТ 1435-99) с содержанием угле­рода более 0,7 % имеют в обозначении букву "У" и цифру, указывающую на со­держание углерода в десятых долях про­цента: У7, У8, ..., У13.

Легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543-71) в зависимости от содер­жания серы и фосфора подразделяются на качественные, высококачественные и осо-бовысококачественные.

Все высоколегированные стали содер­жат минимальное количество вредных примесей и являются высококачествен­ными. Для придания особых свойств их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отра­жены в обозначении сталей в конце на­именования марки: ВД - вакуумно-дуго-

вой переплав, Ш - электрошлаковый пе­реплав, ВИ - вакуумно-индукционная вы­плавка, СШ - обработка синтетическими шлаками.

Маркировка легированных сталей. В основу маркировки легированных ста­лей положена буквенно-цифровая система (ГОСТ 4543-71) Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: марганец - Г, кремний - С, хром - X, ни­кель - Н, вольфрам - В, ванадий - Ф, ти­тан - Т, молибден - М, кобальт - К, алю­миний - Ю, медь - Д, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Количество угле­рода, как и при обозначениях углероди­стых сталей, указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обо­значения; количество легирующего эле­мента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после индекса элемен­та указывает на то, что его содержание менее 1,5 %. Высококачественные стали имеют в обозначении букву А, а особовы-сококачественые - букву Ш, проставляе­мую в конце. Например, сталь 12Х2Н4А содержит 0,12 % С, около 2 % Сг, около 4 % Ni и менее 0,025 % S и Р.

В легированных инструментальных сталях цифра в начале указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %, если равно 1 % или больше, то цифру не ставят, например: сталь ЗХ2В8Ф содержит 0,3 % С, а сталь ХВГ - больше 1 % С.

В маркировке сталей иногда ставят бу­квы, указывающие на их применение: А -автоматные, Р - быстрорежущие, Ш - ша­рикоподшипниковые, Э - электротехниче­ские.

Классификация чугунов. Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С и затверде­вающие с образованием эвтектики. Благо­даря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износо­стойкости, а также относительной деше-

20

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

визне чугуны получили широкое распро­странение в машиностроении. Их исполь­зуют для производства качественных от­ливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различа­ют белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ков­кие чугуны. Высокопрочные чугуны и чугуны с вермикулярным графитом явля­ются разновидностью серых, но из-за по­вышенных механических свойств их вы­деляют в особые группы.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном со­стоянии в виде цементита. Согласно диа­грамме состояния Fe-Fe₃C белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтек­тические и заэвтектические. Из-за боль­шого количества цементита они твердые (450 ... 550 НВ), хрупкие и для изготовле­ния деталей машин не используются. Ог­раниченное применение имеют отбелен­ные чугуны - отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют про­катные валки, лемеха плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

В промышленности широко применя­ют серые, высокопрочные и ковкие чугу­ны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита. Графит обеспе­чивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также вы­сокие антифрикционные свойства вслед­ствие низкого коэффициента трения. Вме­сте с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нару­шают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образова­ния графитных включений и их формой, что отражается на их механических свой­ствах, которые в большой степени зависят от структуры металлической основы. Прочность, твердость и износостойкость

чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по всем показателям близка к сталям.

Серыми называются чугуны с пластин­чатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обыч­ные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны - сплавы сложно­го состава, содержащие основные элемен­ты: Fe, С, Si - и постоянные примеси: Мп, Р и S. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется в следующих преде­лах, %: 2,2 ... 3,7 С; 1 ... 3 Si; 0,2 ... 1,1 Мп; 0,02 ... 0,3 Р; 0,02 ... 0,15 S. В не­больших количествах в обычных серых чугунах могут содержаться Cr, Ni и Си, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитиза-ции, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов. Обозначают серые чугуны индексами СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30. Цифра в обозначении указывает на предел прочности чугуна при растяжении в 0,1 МПа(табл. 1.1).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную фор­му. Их получают модифицированием маг­нием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02 ... 0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магни­ем сопровождается сильным пироэффек-том, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %: 3,0 ... 3,6 С; 1,1 ...2,9 Si; 0,3 ... 0,7 Мп; до 0,02 S и до 0,1 Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита, допускается до 20 % перлита. Структура перлитного чу­гуна - сорбитообразный или пластинча­тый перлит и шаровидный графит, допус­кается до 20 % феррита.

Шаровидный графит - менее сильный концентратор напряжений, чем пластин­чатый, поэтому он меньше снижает меха-

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

21

нические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом облада­ют более высокой прочностью и некото­рой пластичностью. Марка высокопрочно­го чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение его временного сопротивления (см. табл. 1.1.).

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержаще­го магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40 %) и вермикулярную - в виде мелких тонких прожилок - форму.

После модифицирования эти чугуны содержат, %: 3,1 ... 3,8 С; 2,0 ... 3,0 Si; 0,2... 1,0 Мп; до 0,025 S; 0,08 Р.

Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45 (табл. 1.1.). Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают про­межуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках; предел выносливости а.\ со­ставляет 140 МПа у ЧВГ 30 и 190 МПа у ЧВГ 45. Механические свойства этих чу­гунов в меньшей степени зависят от массы отливок. Они отличаются хорошей тепло-

проводностью [40 ... 50 Вт/(м • К)], что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Ковкими называются чугуны, в кото­рых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектиче-ских чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом от­жига. Такой графит в отличие от пластин­чатого меньше снижает механические свойства металлической основы, вследст­вие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокими проч­ностью и пластичностью.

Отливки из белых чугунов, подвергае­мые отжигу на ковкие чугуны, изготовля­ют тонкостенными. Они не должны иметь толщину в сечении более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяет­ся пластинчатый графит и чугун становит­ся непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и крем­ния. Их химический состав следующий, %: 2,4...2,9 С; 1,0... 1,6 Si; 0,2... 1,0 Мп; до 0,2 S и до 0,18 Р.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Ковкие чугуны обозначают индексом и последующими цифрами, пер­вая из которых характеризует прочность, а вторая пластичность КЧ 30-6, КЧ 60-3 и т.д. (см. табл. 1.1.).

Таблица 1.1. Свойства промышленных чугунов

Марка чугуна

МПа

О₀,2

5,%

НВ

Структура

металлической

основы

	Серые чугуны (ГОСТ 1412-85)
счю	100	-	-	-190	Ф
СЧ15	150	-	-	163 ...210	Ф
СЧ25	250	-	-	180... 245	Ф + П
СЧ35	350	-	-	220... 275	П

22

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Продолжение табл. 1.1

Марка чугуна

МПа

О₀,2

6,%

нв

Структура

металлической

основы

	Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85)
ВЧ35	350	220	22	140 .	. 170	Ф
ВЧ45	450	310	10	140.	.225	Ф + П
ВЧ60	600	370	3	192.	.227	Ф + П
ВЧ80	800	490	2	248 .	. 351	п
ВЧ 100	1000	700	2	270.	. 360	Б

	Чугуны с	вермикулярным графитом (ГОСТ 28384-89)
ЧВГЗО	300		240	3	130... 180	Ф
ЧВГ35	350		260	2	140 ... 190	Ф + П
ЧВГ40	400		320	1,5	170 ...220	Ф + П
ЧВГ45	450		380	0,8	190... 250	п

	Ковкие чугуны (		ГОСТ 1215-7S	)
КЧЗО-6	300	-	6		100.		. 163		Ф + до 10 %П
КЧ35-8	350	-	8		100 .		. 163		-
КЧ 37-12	370	-	12		по.		. 163		-
КЧ 45-7	450	-	7		150.		. 207		-
КЧ 60-3	600	-	3		200.		.269		П + до 20 % Ф
КЧ 80-1,5	800	-	1,5		270.		. 320		П

8. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Алюминий - легкий металл (плот­ность 2700 кг/м³, обладает высокими теп­лопроводностью [200 Вт/(м • К)] и электро­проводимостью (10"⁵ См), стоек к корро­зии. Температура плавления алюминия 658 °С.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть неупрочняемые и упрочняе­мые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784-97) хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. К дефор­мируемым алюминиевым сплавам, не уп-

рочняемым термической обработкой, от­носятся сплавы системы А1-Мп (АМц), содержащие до 1,6 % Мп, и сплавы систе­мы Al-Mg (АМг), содержащие до 5,8 % Mg. Эти сплавы обладают высокой пла­стичностью и невысокой прочностью.

К деформируемым алюминиевым спла­вам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg (дур-алюмины, ковочные сплавы), а также вы­сокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического состава. Дуралю-мины (Д16 - Д18) содержат 3,8 ... 4,8 % Си, 0,4 ... 1,8 % Mg, а также 0,4 ... 0,9 % Мп, который повышает коррозионную стойкость сплавов. После термической обработки эти сплавы приобретают высо-

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

23

кие прочность и пластичность. Ковочные сплавы (АК6 - АК8) содержат 1,8 ...4,8 % Си, 0,4 ... 0,8 % Mg, 0,4 ... 1 % Мп, 0,6 ... 1,2 % Si, хорошо деформируются в нагре­том состоянии, обладают высокой проч­ностью после термообработки.

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 1583-93) применяют для изготов­ления деталей машин и приборов литьем. Наиболее широко используют сплавы алюминия с содержанием 10 ... 13 % Si: АК12, АК9ч, АК7ч.

Сплавы алюминия с медью (до 5,3 % Си) и марганцем (до 1 % Мп) обладают повы­шенной прочностью (сплавы АМц4К1, АМц5К). Их применяют для литья дета­лей, работающих при достаточно высоких нагрузках (кронштейны, арматура и др.).

Сплавы алюминия с магнием (до 9,5 ... 11,5 % Mg) обладают хорошей коррозион­ной стойкостью и применяются для отли­вок, работающих во влажной атмосфере (сплавы АМг4Ю, АМг5К). Часто отливки из алюминиевых литейных сплавов под­вергают термической обработке для по­вышения прочности, пластичности, сни­жения остаточных напряжений.

Алюминий применяют для приготов­ления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых изготовляют детали методами порошковой металлургии, по­зволяющей получать детали с особыми свойствами: коррозионной стойкостью, прочностью, пористостью.

Магний - легкий металл (плотность 1740 кг/м³), температура его плавления 651 °С. Промышленный магний марки Мг96 содержит 99,96 % Mg, марки Мг95 - 99,85 % Mg. Магниевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные, не упрочняемые и упрочняемые термиче­ской обработкой.

Деформируемые магниевые сплавы (МА) (ГОСТ 14957-76) содержат до 2 % Мп, до 5 % А1, десятые доли процента це­рия, например сплавы МА2, МА8, не уп­рочняемые термической обработкой; вы­сокопрочные сплавы - до 9 % А1 и 0,5 %

Мп (сплав МА5). Жаропрочные магние­вые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др.

Литейные магниевые сплавы (МЛ6, МЛЗ) (ГОСТ 2856-79) содержат 2,5 ... 9 % А1 и 0,5 ... 1,5 % Zn, а также 0,15 ... 0,5 % Мп, имеют невысокий модуль упругости (Е = 43 000 МПа) и вследствие этого хо­рошие демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции). Однако эти сплавы обладают невысокой коррозион­ной стойкостью, и для ее повышения от­ливки оксидируют, покрывают лаками.

Медь - тяжелый цветной металл, име­ет плотность 8940 кг/м³, температуру плавления 1083 °С, обладает высокой пла­стичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным электросопротивлением (7 ■ 10"⁸ Ом • м), высокой теплопроводно­стью [385 Вт/(м • К)], поэтому ее широко используют для изготовления электропро­водов, деталей электрических машин и приборов, в химическом машиностроении. Медь по чистоте подразделяют на марки МО (99,97 % Си), Ml (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), МЗ (99,5 % Си), М4 (99 % Си).

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы (ГОСТ 493-79, 613-79) -это сплавы меди с оловом (4 ... 33 % Sn), свинцом (30 % РЬ), алюминием (5 ... 11 % А1), кремнием (4 ... 5 % Si), сурьмой и фосфором. Латуни - это сплавы меди с цинком (до 50 % Zn) с небольшими добав­ками алюминия, кремния, никеля, марган­ца (ГОСТ 17711-93, 15527-70). Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Л - латунь, Бр - бронза), по­сле чего следуют первые буквы основных названий элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество леги­рующего элемента в процентах. Напри­мер, ЛЦ40Мц1,5 - латунь, содержащая 40 % Zn, 1,5 % Мп, остальное Си.

Бронзы и латуни разделяют на дефор­мируемые и литейные. Литейные бронзы и латуни отличаются от деформируемых тем, что в их состав вводят добавки, улучшающие литейные свойства сплава:

24

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

повышающие жидкотекучесть, умень­шающие усадку. Однако эти добавки сни­жают пластические свойства литейных бронз и латуней по сравнению с деформи­руемыми.

Титан - тугоплавкий металл [темпера­тура плавления (1665 ± 5) °С, плотность 4500 кг/м³]. Временное сопротивление чистого титана о_в = 250 МПа, относитель­ное удлинение 5 = 70 %; он обладает вы­сокой коррозионной стойкостью. Удель­ная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40 %. Однако титан имеет низкую жаростойкость, так как при температурах выше 500 ... 600 °С легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него изготовляют сложные отливки, но обработка его резанием за­труднительна.

Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют алюминием, молибденом и др. (ГОСТ 19807-91). Наи­большее применение нашли сплавы, леги­рованные алюминием, например сплав

ВТ5 (до 5 % А1) с ст_в = 700 ... 900 МПа, 5 = 10 ... 12 %. Из этого сплава получают поковки, отливки.

Для получения требуемых механиче­ских свойств титановые сплавы подверга­ют термической обработке (отжигу, закал­ке и старению) в печах с защитной атмо­сферой. Титан и его сплавы используют для изготовления деталей самолетов, в химическом машиностроении, судострое­нии и других областях машиностроения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Чем вызвано снижение прочности метал­ лических кристаллов по сравнению с теорети­ чески рассчитанной?

2. Чем кристаллиты отличаются от кри­сталлов?

3. Назовите основные механические свой­ства машиностроительных материалов.

4. Назовите основные технологические ха­рактеристики материалов.

5. Перечислите основные фазы железоуг­леродистых сплавов.

6. Перечислите основные принципы клас­сификации сталей.

7. Вспомните особенности маркировки уг­леродистых, легированных и инструменталь­ных сталей.

РАЗДЕЛО ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ ^ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Глава I Современное металлургическое производство

1. СТРУКТУРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА И ЕГО ПРОДУКЦИЯ

Металлургическое производ-

ство - это область науки, техники и от­расль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов. Введение в расплав в определенных количествах ле­гирующих элементов позволяет изменять состав и структуру сплавов, улучшать их механические свойства, получать задан­ные физико-химические свойства. Оно включает шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подго­тавливая их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку уг­лей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энерге­тические цехи для получения сжатого воз­духа (для дутья доменных печей), кисло­рода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окаты­шей; заводы для производства ферроспла­вов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат: балки, рельсы, прутки, проволоку, лист.

Основная продукция черной металлур­гии: чугуны _ передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железо­рудные металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Мп, Si, V, Ti и т.д.) для выплавки легирован­ных сталей; стальные слитки для произ­водства сортового проката, листа, труб и т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производст­ва сортового проката (уголка, полосы, прутков); слитки (чушки) цветных метал­лов для изготовления отливок на машино­строительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элемен­тами, необходимые для производства слож­ных легированных сплавов для отливок; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флю­сы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленная руда - это природ­ное минеральное образование, содержа-

26

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

щее какой-либо металл или несколько ме­таллов в концентрациях, при которых эко­номически целесообразно их извлечение. Руда состоит из рудного минерала, содер­жащего один ценный элемент (например, железо, марганец) или несколько ценных металлов—комплексные руды (полиметал­лические), например, медно-никелевые руды, железомарганцевые, хромоникеле-вые и др. Кроме рудных минералов в со­став руды входит пустая порода - минера­лы, которые отделяются от рудных мине­ралов при обогащении или переходят в шлаки при плавке.

В зависимости от содержания добывае­мого металла руды бывают богатые и бед­ные. Перед использованием руды обогаща­ют, т.е. удаляют из руды часть пустой поро­ды. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улуч­шает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шла­ков - легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентратом и золой топлива.

Обычно шлак имеет меньшую плот­ность, чем металл, поэтому он располага­ется в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе от­ношение основных оксидов (CaO, MgO и др.) к кислотным оксидам (Si0₂, P2O5) не более 1,5, и основным, если это отноше­ние составляет 2,15 ... 4.

Топливо - это горючие вещества, ос­новной составной частью которых являет­ся углерод, которые применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах ис­пользуют кокс, природный газ, мазут, до­менный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегон­кой при температуре > 1000 °С (без досту-

па воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 ... 88 % углерода, 8 ... 12 % золы, 2 ... 5 % влаги, 0,5 ... 0,8 % серы, 0,02 ... 0,2 % фосфора и 0,7 ... 2 % летучих продуктов. Для домен­ной плавки кокс должен содержать мини­мальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25 ... 60 мм. Кокс должен обладать достаточной проч­ностью, чтобы не разрушаться под дейст­вием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90 ... 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84 ... 88 % углерода, 10 ... 12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ - по­бочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы - это мате­риалы и изделия преимущественно на ос­нове минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С. Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) метал­лургических печей и ковшей для расплав­ленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высо­ких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огне­упорность материала - это способность противостоять, не расплавляясь, воздейст­вию высоких температур. Количественно огнеупорность характеризуется темпера­турой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы разде­ляют на кислые, основные, нейтральные.

Материалы, содержащие большое ко­личество кремнезема Si0₂, называют кис­лыми (динасовые, кварцеглинистые), на­пример кварцевый песок (95 % Si0₂), ди-насовый кирпич, огнеупорность которых до 1700 °С; материалы, содержащие ос­новные оксиды (CaO, MgO), - основными (магнезитовый кирпич и металлургиче­ский порошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С); содержащие большое количество

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

27

А1₂0₃ и Сг₂0₃ - нейтральными (хромомагне-зитовые, высокоглиноземные, шамотные, например шамотный кирпич, содержащий 50 ...60 % Si0₂ и 30 ... 40 % А1₂0₃). Его огнеупорность достигает 1750 °С.

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шпа­ками. Если в печи, выложенной основным-огнеупорным материалом, применять кис­лые флюсы, то взаимодействие шлака и футеровки приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печи, выложенной

огнеупорными материалами из кислых оксидов, применить основные шлаки. По­этому в печах с кислой футеровкой ис­пользуют кислые шлаки, а в печах с ос­новной - основные.

Углеродистые кирпич и блоки содер­жат до 92 % С в виде графита и обладают высокой огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, элек­тролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.