57. Специальные конструкционные стали

Специальные стали — это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами - коррозионной стойкостью, жаро­стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрес­сивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низ­ко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюмини­ем, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые стали более дешевые, однако хромоникелевые обладают большей коррозионной стойкостью. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12%. При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электро­химический потенциал становится отрицательным.

Более коррозионностойка (в кислотных средах) сталь 12Х17. Для из­готовления сварных конструкций эта сталь не рекомендуется в связи с тем, что при нагреве ее выше 900—950"С и быстром охлаждении (при свар­ке) происходит обеднение периферийной зоны зерен хромом (ниже 12%). Это объясняется выделением карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, их широко при­меняют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в авто­мобилестроении, транспортном машиностроении, в строительстве.

Для экономии дорогостоящего никеля его частично заменяют марган­цем.

Жаростойкие стали. При высоких температурах металлы и сплавы всту­пают во взаимодействие с окружающей газовой средой, что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение материала. Для изготовле­ния конструкций и деталей, работающих в условиях повышенной тем­пературы (400-900°С) и окисления в газовой среде, применяют специ­альные жаростойкие стали. Под жаростойкостью (или окалиностойкостью) принято понимать способность материала противостоять кор­розионному разрушению под действием воздуха или других газовых сред при высоких температурах.

К жаростойким относят стали, содержа­щие алюминий, хром, кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30% Сг, ус­тойчива до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаро­стойкость хромистых сталей (рис. 24). Стой­кость таких материалов при высоких тем­пературах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных пленок, состоящих в основном из оксидов легиру­ющих элементов (хрома, алюминия, крем­ния). Область применения жаростойких сталей — изготовление различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Жаропрочные стали. Некоторые детали машин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургичес­кого оборудования и т.п.) длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500— 1000°С). Для изготовле­ния таких деталей применяют специальные жаропрочные стали.

Под жаропрочностью принято понимать способность материала выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных отно­сят стали, содержащие хром, кремний, мо­либден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более. Из таких сталей изготавливают эле­менты теплообменной аппаратуры, детали котлов, впускные и выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей. В зависимости от назначения различают клапанные, котлотурбинные, газотурбинные стали, а также сплавы с высокой жаропрочностью.

Износостойкие стали. Для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, применяют специальные износостойкие стали - шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для из­готовления шариков и роликов подшипников. По химическому составу и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей.

59. Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета с высокой элект­ро- и теплопроводностью; плотность его 2700кг/м^3, температура плавле­ния в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660—667°С. В ото­жженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σв=80—100 МПа), низкую твердость (НВ 20-40), но обладает высокой пластич­ностью (β=35-40%).

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной кор­розии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, по­крываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кисло­род в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

В качестве конструкционных материалов алюминий широко приме­няют в виде сплавов с другими металлами и неметаллами (медь, марга­нец, магний, кремний, железо, никель, титан, бериллий и др.). Алюми­ниевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и . повышенные прочностные характеристики легирующих добавок. Так, железо, никель, титан повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Медь, марганец, магний обеспечивают упрочняющую термообработку алюминиевых сплавов. В результате легирования и термической обра­ботки удается в несколько раз повысить прочность (σВ с 100 до 500 МПа) и твердость (НВ с 20 до 150) алюминия. Все сплавы алюминия подразде­ляют на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой.

Литейные алюминиевые сплавы.

Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9—13% по отдельным компо­нентам). Литейные сплавы пред­назначены для изготовления фа­сонных отливок.

61. МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков лент листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом Леги­рование меди обеспечивает повышение ее механических, технологичес­ких и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных спла­вов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т.п.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью коррози­онной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием литьем давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость

Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превы­шает 7-9%.

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д.

Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатыва­емостью резанием. Для повышения механических характеристик и при­дания особых свойств бронзы легируют железом, никелем, титаном, цин­ком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррози­онной стойкости, никеля - пластичности, железа — прочности, цинка -улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости

Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы — это сплавы на ос­нове меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и элект­ротехнические сплавы.

60. ТИТАН И СПЛАВЫ

Титан — серебристо-белый металл с высокой ме­ханической прочностью и высокой коррозионной и химической стой­костью. Для производства титана используют рутил, ильменит, тита­нит и другие руды

Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных кон­струкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойства­ми его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элемента­ми. Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность ти­тана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной об­работке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные ли­тейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности - натри группы: низкой (σв =300-700 МПа), средней (σв=700-1000 МПа) и высокой (σв более 1000 МПа) прочности

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литей­ные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответству­ющие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы применяют в авиационной и химической промышленности.

58. Магний - самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1740 кг/м³, температура плавления 650°С. Тех­нически чистый магний - непрочный металл с низкой тепло- и электро­проводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавля­ют алюминий, кремний, марганец, тори и, церий, цинк, цирконий и под­вергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит, магнезит, доломит и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обога­щению, в процессе которого отделяют КС1 и нерастворимые примеси путем перевода в водный MgC12 и КС1. После получения в вакуумкристаллизаторах искусственного карналлита его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который затем подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8-99,9% магния. Маркировка и химический состав магниевых спла­вов для фасонного литья и, слитков, предназначенных для обработки давлением, регламентируются стандартами.

Свойства и применение магния. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления деталей ли­тьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими поряд­ковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т.п.

Деформируемые магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МА5. Сплавы МА применяют для изготовления различных деталей в авиационной промышленности. Ввиду низкой кор­розионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них под­вергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

62. Для алюминиевых сплавов широкое распространение в металлургическом производстве получили три основных вида термообработки: отжиг, закалка, старение.

Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется в тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное состояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаще всего пониженной пластичности.

Цель закалки — получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние (пересыщенный твердый раствор с максимальным содержанием легирующих элементов). Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, непосредственное повышение (по сравнению с равновесным состоянием) твердости и прочности, а с другой стороны, возможность дальнейшего упрочнения при последующем старении В алюминиевых сплавах, используемых в промышленности, наблюдается лишь один вид фазовых превращений: при нагреве интерметаллидные фазы растворяются в алюминии, а при охлаждении вновь выделяются из твердого раствора. Таким образом, закалка возможна только для алюминиевых сплавов, содержащих компоненты, растворимость которых в твердом алюминии возрастает с температурой (Сu, Mg, Mn, Si, Zn, Li), причем в количествах, превышающих растворимость при комнатной температуре.

Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие компоненты, находящиеся в интерметаллидных фазах, полностью или частично растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до низкой температуры (10...20 °С).

Старение представляет собой выдержку закаленного сплава при некоторых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят структурные изменения, являющиеся подготовкой к распаду. Цель старения — дополнительное повышение прочности закаленных сплавов.

Во многих закаленных алюминиевых сплавах подготовительные стадии распада, а иногда и начало собственно распада проходят без специального нагрева, при вылеживании в естественных условиях в цехе, на складе или в другом помещении, в котором хранятся изделия, где температуры обычно находятся в пределах от 0 до 30 °С. В некоторых алюминиевых сплавах (Аl—Cu-Mn) подготовка к распаду и начальные стадии распада происходят лишь при нагреве закаленного сплава до температур 100...200°С. Смысл этого нагрева - термическая активация диффузионных процессов.

Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях (при температуре окружающей среды), которая приводит к определенным изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается), называют естественным старением.

Нагрев закаленных алюминиевых сплавов до относительно невысоких температур (обычно в интервале 100...200 °С) и выдержку при этих температурах (в пределах от нескольких часов до нескольких десятков часов) называют искусственным старением.

66. Пластма́ссы (пласти́ческие ма́ссы, также — пла́стики) — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние.

В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на

Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) — отличаются более высокими рабочими температурами, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.

Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.

Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.

Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью.

Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.

Для придания особых свойств пластмассе в нее добавляют пластификаторы.

Механическая обработка

Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха.

Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами.

Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания может применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.