Лекция № 1

 

ВВЕДЕНИЕ

Научно - технический прогресс связан, прежде всего, с разработкой и использованием новых, более совершенных материалов. Материалы в развитии цивилизации всегда играли очень важную роль. Известный американский ученый Хиппель высказал мнение, что историю цивилизации можно описать как смену используемых человечеством материалов. Целые эпохи были названы по материалам: каменный, медный, бронзовый и железный века.

 Технико - экономическая эффективность использования материалов подразумевает обеспечение высокого качества, надежности и долговечности изделий в сочетании с наименьшей стоимостью материалов и минимальными затратами на изготовление и ремонт изделий из них. Все это зависит от свойств материалов.

Происхождение материалов и их свойства, общие положения о технологии производства материалов, методы определения и оценка их свойств изучает материаловедение.

Рассматривая электрические машины, аппараты и различные электротехнические устройства, можно видеть, что основные их части выполнены из специальных электротехнических материалов, обладающих свойствами, отличными от свойств обычных конструкционных материалов.

Действительно, электроизоляционный лак, которым пропитаны обмотки электрической ; машины, и электротехническая сталь, из которой сделан сердечник машины, относятся к материалам электротехническим. В то же время лак, которым покрыт корпус машины, и сталь,  из которой изготовлен вал машины, не являются электротехническими материалами, так как они не обладают свойствами, присущими этим материалам.

 Все электротехнические материалы делятся на группы по какому-либо их главному свойству, например электропроводности. Так, материалы, из которых изготовляются токоведущие части электрических машин, аппаратов и устройств (обмотки, контакты и др.), должны хорошо проводить электрический ток. Эту группу электротехнических материалов составляют проводниковые материалы (проводники), обладающие высокой электропроводностью. Другая, более обширная группа среди электротехнических материалов обладает свойством, противоположным свойству проводников. Это — группа электроизоляционных  материалов или диэлектриков, у которых наблюдается весьма малая электропроводность.

Поэтому электроизоляционные материалы применяются для изоляции токоведущих частей установок (проводов, контактов и др.) одна от другой и от заземленных элементов электрооборудования. В электрических конденсаторах электроизоляционные материалы используются для создания электрической емкости. Отдельные виды диэлектриков — пьезо­электрики находят применение в ультразвуковых установках в качестве пьезоэлементов, т. е. элементов, создающих ультразвуковые колебания.

Третью группу среди электротехнических материалов составляют полупроводниковые материалы (полупроводники) Эта группа материалов по своей способности проводить электрический ток занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Благодаря своим особым свойствам полупроводники применяются для изготовления выпрямителей, усилителей, фотоэлементов и нелинейных сопротивлений, широко используе­мых в различных областях электротехники и радиотехники.

Следует заметить, что разделение электротехнических материалов на три группы, было произведено по их способности проводить электрический ток. Однако это свойство электротехнических материалов не является единственным. Среди электротехнических материалов есть еще одна группа, которая обладает комплексом магнитных свойств,

отличающих ее от рассмотренных ранее трех групп материалов. Это группа магнитных мате­риалов. Последние применяются для создания путей с малым магнитным сопротивлением (магнитопроводы), т. е. для концентрации магнитной энергии в электрических машинах, аппаратах и приборах. По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов является проводниками (магнитные стали и сплавы), но некоторые из магнитных материалов — ферриты относятся к полупроводникам.

Из приведенной классификации электротехнических материалов видно большое разнообразие их свойств. Поэтому для создания современных экономичных и надежных в работе конструкций электрических машин, аппаратов и приборов необходим правильный выбор электротехнических материалов. Эту задачу можно выполнить, если хорошо знать свойства электротехнических материалов и особенности их поведения в электрических и  магнитных полях. В процессе работы электротехнические материалы (электроизоляционные, магнитные, полупроводниковые) изменяют свои первоначальные характеристики. Это может привести к нарушению нормальной работы электротехнических устройств. Своевременная замена материалов в электрических машинах, аппаратах и приборах также возможна лишь при хороших знаниях свойств электротехнических материалов.

Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми свойствами способствует развитию электротехники и радиотехники. Так, например, разработка новых нагревостойких, кремнийорганических диэлектриков позволила повысить перегрев , электрических машин, а это привело к значительному увеличению мощности машин без  изменения их габаритов и веса. То же можно сказать о применении новых сортов холоднокатаной электротехнической стали. Создание новых магнитных материалов- ферритов — позволило решить ряд важных проблем в области высокочастотной техники и электроники.

Чтобы знать особенности поведения новых видов электротехнических материалов в электрических и магнитных полях и правильно определять их области применения, необходимо изучить основы современного электроматериаловедения.

 

 

Основные сведения о металлах и сплавах.

 Все вещества в природе, в каком бы физическом состоянии они ни находились — твердом, жидком или газообразном—представляют собой различные сочетания простых веществ — так называемых химических элементов. Свойства химических элементов, а также положение в периодической системе элементов Менделеева определены строением атомов. В настоящее время известно 104 элемента (элемент № 101 назван менделевием в честь великого русского химика).

Химические элементы принято делить на металлы и неметаллы. Металлов около семидесяти, они отличаются характерным блеском, ковкостью, непрозрачностью, высокой тепло- и электропроводностью.

Почти все металлы в земной коре находятся не в чистом (так называемом самородном) виде, а входят в химические соединения с другими элементами, главным образом с кислородом и серой. Такие природные соединения металлов называют рудами.

Способ и технология получения металлов и сплавов из руд составляют предмет металлургии, а свойства металлов и сплавов изучает наука металловедение.

Наиболее распространенные в земной коре металлы — алюминий (до 7% веса) и железо (около 5% веса). Наиболее важный промышленный металл — железо, которое применяют в виде его сплавов с углеродом и другими -элементами. В технике сплавы, содержащие не менее 45% железа, принято называть черными металлами. Кроме углерода, в сплавы железа входят постоянные примеси — кремний, марганец, фосфор и сера, наличие которых неизбежно по условиям промышленного производства этих сплав. Кремний и марганец до определенного процентного их содержания улучшают свойства сплавов, в то время как фосфор и сера всегда являются вредными примесями.

Черные металлы, содержащие до 2% углерода, называют сталями, а содержащие боле I 2% — чугунами.

Из цветных металлов наибольшее промышленное - значение имеют медь, алюминий, магний, цинк, олово, свинец. Многие цветные металлы — хром, никель, марганец, молибден, вольфрам, титан, ванадий и другие — применяют в качестве присадок (добавок) сплаву для улучшения его свойств, а некоторые — для защитных и иных покрытий.

 

Строение металлов

 

По внутреннему строению все твердые вещества принято делить на кристаллические и  аморфные.

У кристаллического вещества атомы расположены в правильном, строго определенном геометрическом порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. У аморфных  тел атомы расположены в беспорядке («аморфос» — по-гречески «не имеющий формы»).

Металлы — вещества кристаллического строения, на рис.  показаны наиболее распространенные для металлов пространственные кристаллические решетки. Расстояние между

центрами двух атомов, расположенных на одном ребре кристаллической решетки, называют параметром.

 

Свойства металлов в значительной степени определены расположением атомов в решетке, плотностью насыщения решетки атомами и величиной междуатомных расстояний

а — центрированный куб, б—куб с центрированными гранями, в — гексагональная (шестигранная) призма расстояний. Количество атомов и междуатомные расстояния в различных плоскостях кристаллической решетки неодинаковы, поэтому свойства кристаллических тел в различных направлениях оказываются неодинаковыми. Это явление называют анизотропией (анизотропностью) кристаллических веществ.

Аморфные тела изотропны, то есть имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

Для кристаллических тел характерным является переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое, происходящий при строго определенной температуре называемой точкой плавления или затвердевания. Температурой плавления или затвердевания называется температура, при которой происходит переход кристаллических тел из жидкого состояния в твердое. В результате этого перехода образуются кристаллы твердого тела, поэтому процесс получил название кристаллизации. Процесс образования кристаллов твердого тела называется кристаллизацией. При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также при помощи других искусственных мер можно получить вещество, представляющее один кристалл — так называемый монокристалл, сохраняющий правильную внешнюю форму, соответствующую форме кристаллической решетки. Практически же правильная внешняя форма у растущих кристаллов сохраняется лишь до их соприкосновения с другими растущими кристаллами и реальные, т. е. существующие в действительности кристаллические тела не являются монокристаллами, а состоят из групп кристаллов неправильной формы, называемых зернам. Зерна ориентированы беспорядочно, и поэтому тело в целом является изотропным.

В строении кристаллической решетки реальных металлов наблюдаются значительные отклонения, вызванные рядом условий при кристаллизации, а также местными напряжениями в металле и механическими на него воздействиями. Все это значительно ухудшает свойства металлов, в особенности механические.

При разрушении тел кристаллического строения происходит разлом по определенным правильным плоскостям — соответственно расположению атомов в кристаллической решетке вещества. Эти плоскости называют плоскостями спайности.

Для некоторых кристаллических тел характерна возможность изменения формы кристаллической решетки, которая происходит главным образом под влиянием температуры и при изменении давления. Видоизменения кристаллической решетки, которые происходят под влиянием температуры и при изменении давления называют аллотропией или полиморфизмом (от греческого «поли» — много и «морфе» — форма). Аллотропии в частности подвержены многие металлы — железо, кобальт, титан, олово и др.

 

Общие понятия о сплавах

 

Применение в технике чистых металлов (т. е. с незначительным содержанием примесей) крайне ограничено. Практически в чистом виде используют медь, алюминий, олово, никель и благородные металлы — серебро, золото и платину (последние два — в очень малых коли­чествах).

Чистые металлы, как правило, пластичны, но имеют невысокую механическую прочность и твердость, а электропроводность и теплопроводность у чистых металлов выше, чем у сплавов.

В технике применяют главным образом сплавы металлов, представляющие собой кристаллические тела, состоящие из двух и более металлов, иногда с добавлением неметаллов. Сплав обычно получают путем сплавления составных его частей (компонентов) в жидком состоянии. Некоторые сплавы могут быть изготовлены другими способами, например, по керамической технологии — путем спекания смеси из порошкообразных компонентов. По числу компонентов сплавы бывают двойные, тройные и т. д. Но не всякое сочетание компонентов способно образовать сплав. Например, железо и свинец не смешиваются ни в каких пропорциях, даже в расплавленном состоянии и сплава не образуют.

Сплавы из расплавленных компонентов могут быть созданы лишь при условии образования однородного раствора жидких компонентов.

Совокупность веществ в твердом, жидком или газообразном состоянии принято называть системой этих веществ. Таким образом, сплав является системой образующих его компонентов. Фазой системы называют ее однородную часть, отделенную от других фаз поверхностью раздела. Следовательно, сплав в жидком состоянии содержит одну фазу, в процессе затвердевания — две фазы: жидкую и твердую и т. д.

При затвердевании сплавы могут образовать следующие системы: механическую смесь, твердый раствор и химическое соединение.

Если компоненты образуют механическую смесь, то сплав может иметь любое процентное соотношение при любых — одинаковых или разных — кристаллических решетках

компонентов.

Сплав в виде твердого раствора имеет кристаллическую решетку того компонента, который является растворителем. При этом возможны два вида раствора: твердый раствор замещения или твердый раствор внедрения. Первый образуется в случаях, если атомы компонентов имеют, близкие размеры — это, в основном, сплавы металлов с металлами. В кристаллических решетках сплавов этого типа часть атомов растворителя заменена атомами растворяемого компонента (рис. 3, а).

 

Твердые растворы внедрения образуются в основном при сплавлении металлов с неметаллами, когда атомы растворяемого компонента по размерам значителвно меньше атомов растворителя. В таком сплаве сохраняется решетка растворителя, и сплавы способны образовываться при любом процентном соотношении компонентов (рис. 3, б).                                                                                    

Сплавы в виде химических соединений образуются лишь при строго определенном  соотношении компонентов и имеют совершенно новую кристаллическую решетку и новые физико-химические свойства.

Строение сплавов более сложно, чем у чистых металлов, и процессы кристаллизации сплавов также резко отличаются от процессов кристаллизации чистых металлов.

Сплавы кристаллизуются не при одной температуре (точке затвердевания), а в неко­тором интервале температур начала и конца процесса кристаллизации.

Для выявления зависимости состояния сплавов от их концентрации и температуры принято пользоваться диаграммами состояния сплавов. Для примера рассмотрим два основных типа диаграмм состояния сплавов: двойных сплавов — механических смесей и твердых растворов.

Диаграмма состояния I типа — для сплава свинец — сурьма

 

Компоненты этого сплава полностью растворимы друг в друге в расплавленном виде. Диаг­рамму строят в координатах: по вертикали — температура и по горизонтали — концентрация (процентное содержание). Выше линии АВЕ сплавы находятся в жидком состоянии. Линию АВЕ называют линией ликвидуса (по-латыни — жидкий). Ниже линии МВNсплавы при любой концентрации находятся в твердом состоянии, и линию МВN называют линией солидуса (по-латыни — твердый). Между этими двумя линиями находится зона кристаллизации, в которой сплав состоит из двух фаз — жидкой и твердой; в области АВМ— жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области ВЕN— жидкий сплав и кристаллы сурьмы. Точка В диаграммы соответствует концентрации приблизительно 13% сурьмы и 87% свинца. В этой точке сплав затвердевает при неизменной температуре, как чистый металл. Структуру такого сплава называют эвтектикой (по-гречески — хорошо построенный), а сам сплав — эвтектическим. Влево от точки В лежат доэвтектические сплавы, справа — заэвтектические. Подобного типа диаграмму состояния имеют сплавы олово — цинк, алюминий — кремний и ряд других.

Диаграмма состояния II типа — для сплава медь— никель. Сплавы этого типа кристаллизуются в интервале температур между линиями ликвидуса АаВ и солидуса АbВ- в этой зоне присутствуют две фазы —жидкий сплав и кристаллы твердого раствора меди и никеля. При медленном охлаждении сплава в кристаллы более тугоплавкого никеля проникают кристаллы меди, и затвердевший сплав становится однородным. При быстром же охлаждении сплава состав кристаллов не успевает выравняться — это явление называют внутрикристаллической ликвацией. Оно может быть устранено путем отжига сплава (подробнее см. главу «Термическая обработка железоуглеродистых сплавов»). Диаграмму состояния такого же типа имеют и другие сплавы: железо — никель, кобальт — хром и т. д.

В зависимости от свойств и количества компонентов могут получаться сплавы с более сложными диаграммами состояния.

 

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

 

Свойства металлов и сплавов можно разделить на четыре группы: физические, химические, механические и технологические.                                      

Физические свойства: блеск, плотность, плавкость, теплоемкость и теплопроводность, тепловое расширение, а также электрические и магнитные свойства (последние рассмотрены в разделах, посвященных электротехническим материалам). Эти свойства не влекут за собой изменения химического состава металлов.

Металлы — непрозрачны, но в отраженном свете имеют блеск характерный для каждого металла оттенка—цвет металла.

Плотностью металла, называют его количество (массу), содержащееся в единице объема. Обозначают плотность греческой буквой γ (гамма).

Среди металлов наименьшую плотность имеют магний— около 1700 кг/м³ и алюминий     

2700 кг/м ; наибольшей плотностью обладают платина — 21 400 кг/м и вольфрам — около

20 000 кг/м³.

Плавкость — способность металлов расплавляться, т. е. переходить из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Тепловое расширение — свойство тел расширяться при нагревании с

увеличением их линейных размеров и объема.

Теплоемкость — способность тела поглощать тепловую энергию при нагревании. Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству тепла, требующемуся для повышения температуры 1 г данного вещества на 1°С. Металлы имеют относительно невысокую теплоемкость.

Теплопроводность — способность тел проводить тепло при нагревании и охлаждении. Чистые металлы имеют высокую теплопроводность, особенно медь, серебро, алюминий.

Химические свойства металлов и сплавов характеризуют их стойкость к действию кислорода воздуха, влаги и химически активных жидкостей — кислот и щелочей, влияющих на изменение химического состава металлов

Механические свойства металлов и сплавов определяют их сопротивление воздействию механических усилий. Эти усилия, или нагрузки, могут иметь разнообразный характер. Механические нагрузки: сжатие, растяжение, кручение; срез; изгиб по продолжительности действия различают нагрузки постоянные (статические) и ударные (динамические).

Под влиянием механических нагрузок в изделии возникает деформация, проявляющаяся в изменении его формы и размеров. Деформации могут быть трех видов: упругая, пластическая деформация и разрушение. Упругая деформация после снятия нагрузки исчезает, и тело приобретает прежние размены и форму. При пластической (остаточной) деформации после прекращения действия нагрузки изменения формы и размеров тела остаются.

Основные механические свойства материалов: прочность, упругость, пластичность, твердость, ударная вязкость. Для выявления этих свойств образцы материалов испытывают на специальных машинах и приборах.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию нагрузок, не разрушаясь. Наиболее распространенный вид испытания материалов — на растяжение. Для этого из испытуемого материала изготовляют стандартные образцы с утолщениями по концам, которые закрепляют в зажимах разрывной машины. В процессе испытания приборы определяют пределы пропорциональности, пределы упругости и пределы текучести. Увеличение нагрузки после предела текучести приводит к разрыву. Напряжение, соответствующее моменту разрыва, называется пределом прочности.

Пластичность - способность материала под действием нагрузки, не разрушаясь, изменять форму и сохранять ее после нагрузки.

Упругость — способность материала под действием нагрузки, не разрушаясь, изменять форму и восстанавливать ее после снятия нагрузки.

Твердость —способность материала сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют тремя методами — Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля применяют главным образом для определения твердости незакаленных металлов и сплавов. В поверхность испытуемого материала под действием определенной статической нагрузки вдавливают стальной шарик диаметром 2,5; 5 или ,10 мм

 

Причем толщина материала должна быть не менее десятикратной глубины лунки. Испытание проводят на специальном приборе — прессе Бринелля. Существует специальная таблица, по которой определяют твердость по Бринеллю НВ в зависимости от диаметра отпечатка (лунки).

Метод Роквелла применяют для испытания материалов повышенной и высокой твердости. Испытания проводят на прессе Роквелла. Алмазный конус вдавливают в испытуемую поверхность сначала под нагрузкой 10, затем 60, 100 и 150 кг. Разность глубин h₂ и h₁ вдавливания конуса под действием предварительной и основной нагрузок и дает характеристику твердости испытуемой поверхности. Для более мягких металлов применяют стальной шарик диаметром 1,58 мм.

Твердость по методу Виккерса определяют вдавливанием в испытуемый материал алмазной пирамиды с углом при вершине 136⁰ под нагрузкой. В результате на поверхности образца остается квадратный отпечаток, длина диагонали которого характеризует твердость материала. Чем больше диагональ, тем ниже твердость. Диагонали измеряют с помощью микроскопа. Твердость по методу Виккерса HV определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка

Этим методом можно измерять твердость мягких и твердых материалов при малой толщине образцов и деталей. Недостатки метода – длительность процесса замера и: необходимость тщательной подготовки образца.

Для испытания на твердость берут материал, поверхность которого не имеет окалин, забоин, крупных царапин и наклепа (наклеп, или нагартовка, — поверхностное упрочнение металла при холодной пластической деформации).

Ударная вязкость — способность материала оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Технологические свойства металлов и сплавов — способность их поддаваться различным способам обработки. Основные технологические свойства: способность к литью, свариваемость, ковкость и способность обрабатываться резанием.

Кроме того, существует ряд так называемых технологических проб и испытаний, выполняемых несложными способами и без тщательной количественной оценки. К ним относятся: испытания на три вида загиба — до определенного угла, до параллельности сторон и до соприкосновения сторон образца, испытание загибом на незакаливаемость и на свариваемость. Прутковый материал, идущий на изготовление болтов и заклепок, испытывают на осадку в холодном состоянии. Трубы испытывают на изгиб и бортование, проволоку — на скручивание и навивание. Марки стали проходят пробу на искру: снимаемая на абразивных кругах стружка дает сноп искр, форма и цвет которых зависит от химического состава стали.

 

Сплавы железа с углеродом

 

Сплавы железа с углеродом подразделяются на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны, содержание от 2,14 до 6,67% углерода. Стали и чугуны являются основными конструкционными материалами, применяемыми в различных отраслях промышленности (станины, корпуса двигателей и.т.д.)

Свойства железоуглеродистых сплавов определяются их структурой и содержанием в них углерода. Рассмотрим диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Диаграмму состояния  сплавов железа с углеродом дает возможность определить строение углеродистых сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры, выбрать режимы термической и других видов обработки.

При взаимодействии железа с углеродом образуется цементит – устойчивое химическое соединение Fе₃С, содержащее 6,67% углерода. При большем содержании углерода сплавы становятся очень хрупкими и непригодными для использования.

Первые данные, положенные в основу построения ди­аграммы состояния системы железо — углерод, были из­ложены во второй половине XIX в. в трудах выдающе­гося русского ученого- металловеда Д. К. Чернова. Он обнаружил, что в процессе нагревания или охлаждения при определенных температурах в стали происходят серьезные внутренние превращения, вызывающие резкое изменение цвета и отскакивание окалины. Эти темпера­туры были названы критическими точками. В дальней­шем многие ученые выявили эти критические точки, и была получена диаграмма состояния железоуглероди­стых сплавов.

Чистое железо аллотропно и имеет несколько форм кристаллической решетки при различных температурах.

К однофазным структурным составляющим железо­углеродистых сплавов относят:

феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железе, содержащий углерода не более 0,006%, т. е. практически это чистое железо. При обычной температу­ре феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, очень пластичен, имеет хорошие магнитные свойства;

цементит — химическое соединение железа с угле­родом Fe₃C (карбид железа), содержащее 6,67% угле­рода — самая твердая и прочная структурная состав­ляющая стали. Цементит магнитен и очень хрупок;

аустенит — твердый раствор внедрения углерода в -γ-железе, содержащий максимум углерода — 2% при 1130° С, достаточно прочен, хорошей пластичности и не­высокой твердости, немагнитен, имеет высокое электри­ческое сопротивление и весьма стоек к коррозии.

К двухфазным структурным составляющим железо­углеродистых сплавов относятся:

перлит — механическая смесь феррита и цементи­та (продукт распада аустенита), содержащая 0,83% уг­лерода, обладает высокой прочностью и упругостью, но маловязок;

ледебурит — эвтектическая смесь, состоящая из аустенита и цементита, а после ее охлаждения — из пер­лита и цементита.

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.

Углерод является неметаллическим элементом, он полиформен и может существовать в виде двух основных модификаций: графита и алмаза. При нормальных условиях он существует в виде графита, а при высоких давлениях и температурах – в виде алмаза, имеющего сложную кубическую решетку.

В сплавах системы «железо-цементит» основными фазами являются: жидкий раствор, феррит, аустенит и цементит.

Жидкий раствор (Ж) существует выше линии ликвидус, где при растворении углерода в железе образуется жидкая фаза.

В сталях и чугунах структурные превращения происходят по разному.

 

Свойства и классификация чугунов

 

Уг­лерод в чугуне может находиться в виде химического соединения с железом, называемого цементитом, или в свободном состоянии в виде графита.

Чугуны, содержащие углерод в виде цементита, име­ют светлый излом и называются белыми чугунами; их получают при быстром охлаждении как при переходе из жидкого состояния в твердое, так и из затвердевшего чугуна. Повышенное содержание марганца (до 2,5—3%) также способствует получению белого чугуна.

Чугуны, содержащие углерод в виде графита, имеют темный излом и называются серыми чугунами. Серые чугуны получают при медленном охлаждении, а также при повышенном содержании кремния (от 1,25 до 4,25%).

По своему назначению  чугуны делятся на передельные, литейные и ферросплавы.

Передельные чугуны — главным образом бе­лые — предназначены для переделки в сталь, имеют по­вышенную твердость и хрупкость, плохо обрабатываются и отливаются, так как недостаточно жидкотекучи.

Литейными чугунами являются главным обра­зом серые чугуны. Они имеют хорошие литейные каче­ства — жидкотекучесть и малую усадку, легко обраба­тываются резанием   и   хорошо   сопротивляются износу.

Ферросплавы — чугуны с повышенным содержа­нием кремния или марганца. Например, ферросилиций

Специальным длительным отжигом из белого чугуна получают так называемые ковкие чугуны, имеющие по­вышенную пластичность и по своим свойствам занима­ющие промежуточное положение между сталью и чугу­ном, но более дешевые, чем сталь. Обладая хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, ковкие чугуны нашли широкое применение в изготовлении небольших изделий сложной формы, осо­бенно в автотракторной промышленности, сельскохозяй­ственном машиностроении. На железнодорожном транс­порте ковкие чугуны применяют для изготовления кры­шек букс локомотивов и вагонов, соединительных голо­вок тормозных рукавов, а также соединительных частей (фитингов) трубопроводов.

Маркировка чугуна: серый чугун – СЧ 12-28 (предел прочности на растяжение 12 кг/мм²; предел прочности на изгиб – 28 кг/мм²). Ковкий чугун – КЧ 30-6 (предел прочности на растяжение 30 кг/мм²; предел прочности на изгиб 6кг/мм²). Высокопрочный чугун – ВЧ 50-1,5

(предел прочности на растяжение 50 кг/мм²; 1,5 – величина относительного удлинения в %)

 

Производство стали

В настоящее время сталь из чугуна получают тремя основными способами: конвертерным, мартеновским и электрическим. Основная задача производства стали — уменьшить содержание углерода и постоянных приме­сей путем их выжигания (окисления).

Классификация и применение сталей

Стали принято классифицировать по:

способу производства — мартеновская основная, мар­теновская кислая, бессемеровская, томасовская, кон­вертерная и электросталь;

      методу придания формы — литая, кованая, катаная;

химическому составу — углеродистая и легирован­ная;

     применению — конструкционная и инструментальная.

Углеродистые стали – стали, содержащие углерод в качестве основной добавки к железу. Углеродистые стали являются основными и сравнительно дешевыми конструкционными материалами, которые содержат примеси кремния, серы, марганца и фосфора. В небольших количествах сера в виде соединений FeS придает стали хрупкость при высоких температурах – красноломкость; фосфор придает стали хрупкость в холодном состоянии – хладоемкость.

Углеродистые инструментальные стали марки У7…..У13А – цифры указывают на содержание углерода в десятых долях, буква А обозначает высококачественный чугун.

Конструкционные стали маркируются буквами и цифрами – Ст0….Ст7, цифра указывает на номер сплава, чем больше цифра, тем больше содержится углерода и тем выше твердость и прочность стали.

Легированные стали. В их состав наряду с обычны­ми примесями входят так называемые легирующие эле­менты (латинское «лигарэ» — связывать, соединять), резко улучшающие свойства этих сталей. Они обладают ценными свойствами, отсутствующими у углеродистой стали, в то же время лишены ее недостатков.

Основные легирующие элементы: хром, никель, вольфрам, молибден, кремний, марганец, ванадий. Они повышают у стали прочность, твердость, коррозийную стойкость, механическую прочность, электрическое сопротивление, хром – делает сталь нержавеющей.

Легированные стали делят на три группы — конструкционные стали, инструментальные стали и стали специального назначения.

Для маркировки легированной стали применяют сочетание букв и цифр. Если в начале маркировки стоит одна цифра, то она выражает содержание углерода в десятых долях %, если две – то содержание углерода в сотых долях %. Буквами обозначаются легирующие элементы, а цифры за буквами указывают на % содержание легирующего элемента. Например, 12ХНЗА – 0,12% углерода; 1% хрома; 3% никеля , высококачественная. 2Х17Н2 – 0,2% углерода; 17% хрома и 2% никеля.

Некоторые груп­пы сталей обозначаются дополнительно буквами. На­пример, буква Э — электротехнические, Ш — шарико­подшипниковые, Е — магнитные, Р — быстрорежущие.

Иногда в состав легированных сталей специально­го назначения легирующие элементы входят десят­ками процентов, придавая этим сталям свойства, со­вершенно отличные от свойств углеродистых сталей, а именно:

коррозионностойкие (нержавеющие) стали (ГОСТ 5632—61) отличаются высокой стойкостью в различных средах, что достигается главным образом благодаря присадке не менее 12% хрома марок 2X13, Х17, 9X18, Х18Н9идр.;

жаростойкие стали (ГОСТ 5632—61) хорошо сопро­тивляются окислению при высоких температурах, спо­собны работать в среде перегретого пара и горячего га­за, например, марки 4Х9С2, Х23Н13, 4Х14Н14В24 и др. — при температурах выше 550^еС;

жаропрочные стали (ГОСТ 5632—61) способны со­хранять прочность и не окисляться, работая в нагру­женном состоянии при высоких температурах. Это стали марки ХН70ВМТЮ, ХН75МБТЮ и др.;

немагнитные стали, отличающиеся отсутствием маг­нитных свойств благодаря легированию стали никелем, марганцем, алюминием: сталь Н25, 55Н9Г9 и др.

 

Основные виды термической обработки

 

Изменяя различными способами структуру сплавов, можно влиять на их свойства.

Один из таких способов—нагревание сплавов до температуры, выше критической, с последующей выдержкой и быстрым или медленным охлаждением до нормальной температуры. Этот процесс называют термической обработкой сплавов.

Термообработке подвергают как заготовки (отливки, поковки, штампованные изделия), так и готовые детали. В первом случае улучшают структуру и снижают твердость сплава, а во втором — придают готовым деталям твердость, упругость, прочность, износоустойчивость и т. д.

Улучшать свойства стали термообработкой человек научился давно. Однако научное объяснение процессов, происходящих в стали при термообработке, получило в трудах русского металловеда Д. К. Чернова.

Основные виды термической обработки сплавов — отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг — операция, при которой сплав нагревают до определенной температуры (в зависимости от назначения отжига), выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают. Различают отжиг I и II рода. Отжигом I рода снимают внутренние остаточные напряжения, возникшие из-за неравномерного охлаждения, а также устраняют наклеп, сопровождающийся искажением кристаллической решетки, и т. д. При этом сплав нагревают до температуры, несколько меньшей критической точки фазовых изменений сплава.

При отжиге II рода сплав нагревают выше критической точки температуры фазовых превращений в твердом состоянии.

Нормализация — процесс, при котором сплав нагревают выше критической точки фазовых превращений и охлаждают после нагрева на воздухе. В результате такого несколько ускоренного охлаждения зерна сплава получаются еще более мелкими, а механические свойства сплава — более высокими, чем при отжиге.

Закалка - термическая операция, при которой сплав нагревают выше критической точки, некоторое время выдерживают при этой же температуре, а затем быстро охлаждают. В результате сталь приобретает повышенную прочность и наибольшую твердость, увеличивается ее сопротивляемость износу.

Результаты закалки зависят от скорости и наибольшей температуры нагрева, времени выдержки при наибольшей температуре и скорости охлаждения.

Способность сплава принимать закалку на большую или меньшую глубину называют

прокаливаемостью.

При закалке в стали могут возникнуть внутренние напряжения, недопустимые в готовом изделии. Закалка - еще не окончательная операция, окончательные свойства изделию придают путем последующего отпуска.

Отпуском называется процесс нагревания закаленной стали до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. Эта операция рекомендуется тотчас после закалки, в особенности, если у изделия сложная форма. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

 Низкий отпуск характеризуется нагреванием до 150—300° С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При этом сталь, закаленная  сохраняет высокую твердость при частичном снятии внутренних напряжений и устранении закалочной хрупкости. Низкий отпуск применяют при термообработке режущего и измерительного инструментов.

Средний отпуск проводят при температурах нагрева от 300 до 500° С, при этом понижается твердость и увеличивается вязкость сталей; применяют его для закалки пружин, рессор и подобных им изделий.

Высокий отпуск, происходящий при температурах нагревания и выдержки в пределах 500 -600° С, используют для получения наибольшей вязкости при до­статочной твердости и упругости стали. Этот вид отпуска применяют для деталей из конструкционных сталей, подверженных действию высоких  напряжений, в особенности при переменных и ударных нагрузках.

Наиболее распространенные закаливающие среды можно разделить на три группы: сильнодействующие (холодная вода, 5—10%-ный раствор едкого натра, 15%-ный раствор поваренной соли), умереннодействующие (минеральные масла) и слабодействующие (сухой воздух, расплавленный свинец или его сплавы, расплавленные азотнокислые соли о температурой 220—500° С, горячая вода, нагретое минеральное масло).

Существует ряд способов закалки, выбираемых в зависимости от конкретных условий. Закалку в одной среде производят для деталей простой формы. Закалку в двух средах — охлаждение в воде до температур 550—500° С и погружение в масло до полного охлаждения — применяют чаще всего для инструментов из углеродистой стали.

Ступенчатую закалку начинают в соляной ванне, где изделия быстро охлаждают до 250—240° С (температура ванны), потом выдерживают определенное время, а затем охлаждают на воздухе или в масле. Такой способ закалки снимает внутренние напряжения и уменьшает возможность коробления и растрескивания.

Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали, имеющих небольшое сечение, и для многих деталей из легированных сталей.

Изотермическая закалка отличается от ступенчатой более длительной выдержкой в горячей ванне.

Светлая закалка — ступенчатая закалка  с охлаждением изделия в ванне из расплавленной едкой щелочи до 180—200° С и окончательным охлаждением на воздухе. При такой закалке поверхность изделия приобретает чистый серебристо-белый цвет. Применяют для закалки режущего и измерительного инструментов.

3акалку с самоотпуском широко применяют в инструментальном  производстве; для молотков, зубил и других инструментов, требующих высокой твердости поверхности и сохранения вязкой сердцевины. Изделия в охлаждающей среде выдерживают не до полного охлаждения, в определенный момент извлекают и благодаря сохранившемуся в них теплу происходит последу­ющий отпуск, контроль которого ведут по цветам побежалости на зачищенной поверхности стали.

Цветами побежалости называют цвета поверхности стали при ее нагревании. Они вызываются тем, что железо при нагревании окисляется и покрывается пленкой окислов, цвет которой зависит от толщины, а толщина, в свою очередь, — от температуры и продолжительности нагревания.

Поверхностную закалку применяют, когда необходимо, чтобы изделие имело высокую твердость и устойчивость на истирание и в то же время не было хрупким, не боялось ударных нагрузок. При этом виде закалки закаливается только поверхностный слой металла, который нагревается очень быстро, но на небольшую глубину. Нагревание можно производить пламенем газовой горелки, токами высокой частоты и другими методами с последующим быстрым охлаждением холодной водой.

Дефекты, возникающие при закалке: недостаточная твердость вследствие недогрева или малой выдержке при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения (может быть устранена отжигом и повторной закалкой с соблюдением всех правил); перегрев изделия при закалке, приводящий к образованию крупнозернистой структуры и повышению хрупкости стали (исправляют также отжигом или нормализацией с последующей правильной закалкой); пережог, обезуглероживание и окисление, происходящие при нагревании в окислительной среде — неисправимые виды брака (к которым можно отнести трещины и коробления, возникающие при несоблюдении режима охлаждения).

Термообработка выполняется и при понижении температуры ниже 0°С — термообработка холодом. Обработка холодом повышает твердость, и красностойкость изделий, что особенно важно для инструментальных сталей. Вместе с этим происходит стабилизация размеров изделий, что используют при изготовлении измерительного ин­струмента и подшипников. Иногда обработку холодом используют также и для повышения износостойкости изделий и улучшения магнитных свойств стали.

ТЕРМООБРАБОТКА ЧУГУНА

Режимы термообработки чугуна те же, что для стали.

Термообработку чугуна применяют для уменьшения внутренних напряжений в отливках, повышения твердости и износоустойчивости, получения более устойчивой структуры и постоянных размеров.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термическую обработку стали применяют для получения твердого, износоустойчивого или коррозийностойкого поверхностного слоя изделия. Это достигается насыщением поверхностного слоя углеродом, азотом, алюминием, кремнием. При этом происходит изменение структуры и химического состава поверхностного слоя.

К основным видам химико-термической обработки стали относят цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию.

Цементация — насыщение поверхностного слоя стали углеродом для повышения твердости и износостойкости поверхности при достаточной вязкости сердцевины. Цементации подвергают изделия, работающие одновременно на истирание и на удар и изготовленные из углеродистых и легированных сталей, содержащих 0,1—0,25 % углерода.

Цементацию проводят при температуре 900—950^е С в среде, богатой углеродом, называемой карбюризатором (науглероживателе м). В зависимости от вида карбюризатора различают твердую, жидкую и газообразную цементацию.

В качестве стандартного твердого карбюризатора (ГОСТ 2407—51) применяют смесь из 20—25%-ного углекислого бария ВаСОз, 3—5%-ного углекислого кальция СаСОз и мелко раздробленного (зерно от 3,5 до 10 мм) активированного березового угля. Изделия вместе с карбюризатором укладывают в железные ящики, которые герметически закрывают и помещают в печь.

Для жидкой цементации  в качестве карбюризатора используют расплавленную соляную ванну, состоящую из соды Nа₂СОз, поваренной соли NаСl и карбида кремния SiC. Жидкой цементации подвергают обычно мелкие детали сложной формы; деформация изделий при этом меньше, чем при твердой цементации

В качестве газообразного карбюризатора используют природный газ и различные газовые смеси, содержащие значительное количество метана СН₄ и окиси углерода СО. Изделия помешают в муфельные печи, через которые пропускают цементирующие газы. Метан и окись углерода при температуре 900—950° С разлагаются, выделяя активный атомарный углерод, который на­углероживает поверхность металла. Газовая цементация протекает в 2—3 раза быстрее и более экономична по сравнению с твердой цементацией. При этом можно регулировать ход цементации изменением состава и количества смеси цементирующих газов и содержать в чистоте рабочее место. Газообразную цементацию применяют в крупносерийном и массовом производствах.

После цементации изделия подвергают закалке и низкому отпуску.

Цементируют в основном рабочие поверхности зубчатых колес и некоторые детали подвижного состава.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя стального изделия азотом, в результате которого этот слой приобретает высокую твердость, износостойкость и повышенную стойкость к коррозии. После азотирования не требуется термической обработки. Азотированию обычно подвергают легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий, алюминий. Изделия помещают в герметически закрываемую муфельную печь и нагревают в атмосфере аммиака NН₃ до 500— 600° С- Аммиак разлагается, выделяя атомарный азот, который проникает в поверхностный слой и образует с железом и легирующими элементами очень твердые химические соединения — нитриды.

Недостаток азотирования — длительность процесса (25—60ч). Зато твердость и коррозионная стойкость поверхностного слоя выше, чем у цементированных сталей, азотированные поверхности имеют красивый матово­серебристый цвет и хорошо полируются.

Цианирование — одновременное насыщение поверхности стального изделия углеродом и азотом. Цианирующие среды могут быть жидкими — расплавленные цианистые соли  (жидкое цианирование), или газообразными — смесь метана, окиси углерода и аммиака (газовое цианирование). Жидкое цианирование ведут при 550—600° С (низкотемпературное) и при 800— 850° С (высокотемпературное). Продолжительность его — от нескольких минут до 1 ч. Недостаток жидкого цианирования — ядовитость и высокая стоимость цианистых солей.

Газовое цианирование (называемое также нитроцементацией) проводят в муфельных печах при 500—700° С (низкотемпературное) и I 800—850° С (высокотемпературное). Протекает оно быстрее, чем газовая цементация, и не дает ядовитых отходов.

Цианированию подвергают некоторые зубчатые колеса и весь режущий инструмент.

Диффузионная металлизация — насыщение поверхности стального изделия алюминием, хромом, кремнием и др. Ее применяют в основном для повышения стойкости поверхностного слоя к истиранию и разъеданию кислотами, щелочами и горячими печными газами

Алитирование — насыщение поверхности стального слоя алюминием для защиты от окисления при высоких температурах (до 1000°С). Оно может  в твердой, жидкой и газообразной средах. Механическая прочность алитированной поверхности невысока. Алитированию подвергают главным образом малоуглеродистые стали.

Диффузионное хромирование повышает сопротивление поверхностного слоя стали коррозии с одновременным повышением твердости и износостойкости; жаростойкость не превышает 800° С. Проводят ее в по­рошковых смесях или газовых средах.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя кремнием — применяют для повышения износостойкости, сопротивления коррозии и окалиностойкости (до температуры 700—750°С).

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Для обработки металлов резанием на больших скоростях применяют твердые сплавы тугоплавких карбидов металлов, связанных между собой металлами группы железа.

Карбиды отличаются высокой твердостью, износостойкостью и нагревостойкостью до 900—1000° С. По способу производства твердые сплавы подразделяют на литые и металлокерамические (порошковые).

Литые твердые сплавы выпускают в виде прутков диаметром 5—7 мм и из-за их высокой стоимости и хрупкости применяют для наплавки быстроизна- шивающихся деталей машин и частей инструментов. В СССР изготовляют литые твердые сплавы типа сормайт (ГОСТ 11545—65), состоящие из карбидов хрома, сцементированных твердым раствором никеля и кремния в железе, и по структуре своей представляют высокохромистый чугун. Его красностойкость 500—600° С.

Металлокерамические твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии. Для этого исходные материалы в виде тонких порошков обрабатывают по технологии получения керамических изделий— тщательно перемешивают с добавлением связующих материалов или без них, прессуют и прокаливают при высокой температуре, обычно в атмосфере водорода, чтобы при нагреве металлы не окислялись. Выпускается три группы металлокерамических сплавов (ГОСТ 3882—67); вольфрамовые типа ВК, титано- вольфрамовые типа ТК и титано- танталовольфрамовые типа ТТК.

Сплавы типа ВК применяют для обработки резанием твердых хрупких материалов — чугуна, бронзы, стекла и др., для волочения проволоки из стали и цветных металлов, а сплавы типа ТК — для обработки вязких материалов — стали, латуни и т. п.

Изделия из твердых сплавов выпускают в основном в виде пластинок, которыми путем напайки или механического крепления оснащают рабочие части режущих инструментов — фрез, резцов, сверл и др.

Кроме того, твердые металлокерамические сплавы применяют для производства буров, волочильных фильер, штампов, пресс-форм и ряда других изделий, где требуются высокая твердость и износостойкость.

Сплавы ТТК предназначены для тяжелого чернового точения и фрезерования стальных поковок, штамповок и отливок по корке при наличии раковин, песка, шлака и других неметаллических включений, а также для изделий из труднообрабатываемых марок стали.

В последнее время получили применение новые высокотвердые инструментальные материалы под общим названием минералокерамических твердых сплавов. Исходным материалом для изготовления их служит мине­ральное сырье — породы, содержащие корунд — окись алюминия А1₂Оз, из которого изготовляют термокорундовые пластинки красностойкостью до 1300° С.