Змістовий модуль 6. Леговані сталі, чавуни, сплави кольорових металів

Лекція № 29: Вплив легуючих елементів на перетворення сталей.

План

1. Легуючі елементи в сталі

2. Маркування легованих сталей

3. Класифікація легованих сталей

Легованими називають сталі, які, крім заліза, вуглецю і техно­логічних домішок, містять спеціальні домішки (легуючі елементи). Легуючі елементи вводять до складу сталі для надання їй або покра­щання певних фізичних, хімічних, механічних або технологічних властивостей. Сталі можуть містити один або кілька легуючих елементів. Наявність цих елементів приводить не тільки до зміни властивостей сталі, а й до режимів її термічної обробки. Легуючі елементи в тій чи іншій мірі розчиняються в основних фазах сталі (фериті, аустеніті, цементиті) або утворюють спеціальні карбіди. Розчинюючись у залізі, елементи впливають на температурний інтер­вал існування його алотропічних модифікацій, змінюючи критичні точки А₃ і А₄ (відповідно 911 і 1392 °С) на шкалі температур діаграми стану. Такі елементи, як Mn, Ni, Pt, С, підвищують точку А₄ і знижу­ють Л₃ , тобто розширюють область існування - модифікацій заліза; Si, Al, W, Sn, Mo, V, Ті, Sb — знижують точку А₄ і підвищують А₃, тобто звужують область існування - модифікацій заліза і розширюють область існування модифікацій -заліза.

Це може призвести до того, що при певному вмісті елементів, наприклад, Мn і Ni, - стан буде існувати як стабільний від кімнатної температури до температури плавлення (аустенітні сплави). При певному вмісті таких елементів, як V, Mo, Si та інші, стабільним для всіх температур буде -стан (феритні сплави).

Багато елементів (W, Cr, Si, Mo, V, Ті) зміщують положення критичних точок на діаграмі залізовуглецевих сплавів (лінія SE) ліворуч. Внаслідок цього сталь, легована цими елементами, буде утворювати перлітну структуру при вмісті вуглецю < 0,8 %.

Важливим є вплив легуючих елементів на властивості фериту. Розчинюючись у кристалічній гратці - заліза атоми легуючих еле­ментів змінюють її параметри, підвищують характеристики міцності фериту і знижують пластичність. Найбільше підвищують міцність Si, Мn і Ni, дещо менше Mo, W, Сr. Більшість елементів, зміцнюючи ферит, незначно впливають на пластичність, проте знижують ударну в'язкість сталі (за винятком Ni). При вмісті до 1 % Мn і Сr підвищують ударну в'язкість. За умов дальшого підвищення їхнього вмісту ударна в'язкість знижується, досягаючи рівня значень нелегованого фериту при 3,0 % Сr і 1,5 % Мn.

У періодичній системі елементів ліворуч від заліза розміщені так звані перехідні метали (мають недобудовану d-оболонку порівняно з Fe) — карбідоутворюючі елементи (Ті, W, Сr, Мn, V, Nb, Mo), a праворуч — ті, що не утворюють карбідів (Co, Ni, Cu). Чим менше заповнена d- оболонка елемента, тим активніше він утворює карбіди. Карбідні фази мають високу твердість і температуру плавлення. Кількість, подрібненість, характер розміщення, морфологія і природа карбідної фази суттєво впливають на властивості легованої сталі.

Карбідоутворюючі елементи впливають не лише на ізотермічне перетворення аустеніту, а й на самий процес ізотермічного перет­ворення. При цьому утворюються карбіди, розчинні в аустеніті, які по-різному впливають на швидкість розпаду аустеніту за різних тем­ператур.

Практично важливим є здатність легуючих елементів сповільню­вати швидкість розпаду аустеніту під час перлітного перетворення. Це сприяє глибокій прогартованості і переохолодженню аустеніту до інтервалу мартенситного перетворення (зменшення V_кр).

Прогартованість значно підвищується при одночасному легуванні кількома елементами (Сr + Мо, Сr + Ni, Cr + Ni + Mo) порівняно з роздільним легуванням Mo, W, В, які також підвищують прогар­тованість сталі.

Важливим є також вплив легуючих елементів на ріст зерна сталі. Сприяють цьому росту Мn і В. Слабо впливають на розміри зерна Ni, Co, Si, Си (не утворюють карбідів). Карбідоутворюючі елементи (Сr, Mo, W, V, Ті) подрібнюють зерно і гальмують його ріст при підвищених температурах.

Класифікація і маркування легованих сталей. Державна система маркування якісної легованої сталі складається зі сполучення літер і цифр, що орієнтовно вказують на її хімічний склад. Легуючі еле­менти мають такі позначення: азот (А), ніобій (Б), вольфрам (В), марганець (Г), мідь (Д), кобальт (К), берилій (Л), молібден (М), нікель (Н), свинець (П), хром (X), бор (Р), кремній (С), титан (Т), ванадій (Ф), цирконій (Ц), алюміній (Ю), рідкісноземельні ме­тали (Ч).

Цифри після літери вказують приблизно на вміст даного легую­чого елемента. При вмісті елемента менше 1 % цифри не пишуть; при вмісті близько 1 % — пишуть цифру 1; близько 2 % — цифру 2 тощо. При маркуванні конструкційних якісних сталей цифри перед пер­шою літерою марки використовують для позначення середнього вмісту вуглецю у сотих частках процента, а у високовуглецевих інстру­ментальних сталях — в десятих частках процента. Наприклад, сталь марки 20Х містить у своєму складі 0,17... 0,23 % С, 0,7... 1,0 Сr ; сталь 30ХГСН2 - 0,3 % С, до 1 % Сr, до 1 % Мn, до 1 % Si, до 2 % Ni.

Літера А у кінці марки сталі вказує на обмежений вміст сірки і фосфору (до 0,03 % кожного), а також на те, що дотримано всіх технологічних вимог металургійного процесу виробництва високо­якісної сталі, наприклад, сталь 18ХН3А. Особливо високоякісна сталь має в кінці марки позначення літерою Ш. Наприклад, сталь 95X18Ш, особливо високоякісна, виплавлена ме­тодом електрошлакового переплаву, містить 0,9...1,0 % С, 17... 19 % Сr, 0,03 % Р і 0,015 % S.

Деякі групи сталей мають додаткові позначення: марки шарикопідшипникових сталей починаються з літери Ш, швидкорізальних — з літери Р, магнітотвердих — з літери Е, автоматних — з літери А.

Для скорочення кількості знаків при маркуванні сталі іноді відступають від загальноприйнятої системи, особливо для складнолегованих сталей, і не вказують цифри, що означають вміст вуглецю або іншого елемента (інструментальні сталі з вмістом вуглецю по­над 1 %).

Класифікують леговані сталі за такими ознаками.

За хімічним складом, тобто залежно від вмісту вуглецю (низьковуглецеві до 0,25 %, середньовуглецеві — 0,25...0,6 %, високовуглецеві — 0,6...2 %) та вмісту основного легуючого елемента (хромисті, нікелеві, хромонікелеві, марганцеві тощо).

Сталі з високим вмістом легуючих елементів, що розширюють - область на діаграмі стану, утворюють клас аустенітних сталей; сталі з високим вмістом елементів, що звужують -область, і низьким вмістом вуглецю — утворюють клас феритних сталей.

Залежно від структури у рівноважному стані розрізняють: доевтектоїдні (від 0,02 до 0,8 % С), які містять у структурі перліт і надлишковий ферит; евтектоїдні (0,8 % С) з перлітною структурою; заевтектоїдні (понад 0,8 % С), які мають у структурі надлишкові (вторинні) карбіди; ледебуритні, що мають надлишкові карбіди, які виділяються з рідкої фази під час кристалізації. Останні у литому стані утворюють з аустенітом евтектику — ледебурит.

За структурою після охолодження зразків (діаметром 25 мм) на повітрі розрізняють три класи сталей: перлітний — сталі цього класу характеризує відносно низький вміст легуючих елементів; мартенситний — сталі містять дещо більшу кількість легуючих елементів; аустенітний — характеризується високим вмістом легуючих еле­ментів.

За якістю сталі поділяють на сталі звичайної якості, якісні, висо­коякісні та особливо високої якості.

За призначенням сталі можуть об'єднуватись у кілька груп:

Конструкційні — використовують для деталей машин і механізмів і зазвичай піддають термічній обробці. Своєю чергою, їх поділяють на сталі для цементації; сталі поліпшувані (гартування + високий відпуск); сталі будівельні (низьколеговані) — призначені для термічної обробки у споживача.

Інструментальні сталі використовують для виготовлення різального, штампувального і вимірюваного інстру­менту. Умовно їх поділяють на вуглецеві, леговані, штамповані, швидкорізальні.

Сталі з особливими властивостями мають певні, різко визначені властивості: жароміцні, теплостійкі, зносостійкі, неіржавіючі, з особливими магнітними або електричними властивос­тями тощо.

Питання для самоконтролю

1. Які сталі називаються легованими ?

2. Як впливають легуючі елементи на критичні точки ?

3. Як впливають легуючі елементи на властивості фериту ?

4. Як впливають легуючі елементи на карбідну фазу ?

5. Як впливають легуючі елементи на критичну швидкість охолодження.

6. Як класифікують сталі за хімічним складом, залежно від структури, за призначенням, за якістю?

7. Розшифрувати сталі: 5ХВ2С, 09Г2СД, ХВГ, 30ХГСА, Р6М5, ЕХ3, Э11, ШХ15СГ

Лекція № 30-31: Леговані сталі і чавуни

План

1. Конструкційні леговані сталі

2. Інструментальні леговані сталі

3. Сталі з особливими властивостями.

4. Леговані чавуни

Конструкційні леговані сталі

Поділяють їх на: сталі для цемен­тації; поліпшувані; високоміцні. Вони мають забезпечувати ком­плекс високих механічних властивостей, конструктивну міцність і довговічність виробів при експлуатації.

Сталі для цементації використовують для виробів, які працюють за умов тертя, ударних і перемінних навантажень. Надійність і ресурс роботи таких виробів забезпечується високим рівнем твердості й міцності поверхні та достатньою конструктивною міцністю і в'язкістю серцевини металу. Для цього сталі, призначені для цемен­тації, насичують з поверхні вуглецем (цементують) і далі піддають гартуванню з низьким відпуском, що забезпечує високу твердість (58...63 HRC) поверхні деталі і потрібну в'язкість серцевини. Хімічний склад таких сталей обмежений вмістом вуглецю до 0,25 %, сумарним вмістом легуючих елементів для низьколегованих сталей до 2,5 % і для середньолегованих — 2,5... 10 %.

Для виробів малих розмірів, що працюють за умов тертя і середніх навантажень, використовують сталі типу 15ХА, 20Х ( = 700... 750 МПа,

= 10... 12%, KCU = 0,6...0,7 МДж/м²). Відповідальні деталі для екс­плуатації при високих і ударних навантаженнях і великих швидкостях виготовляються зі сталей типу 15ХФ, 18ХГ, 25ХГМ ( = 900...1200 МПа, =10%, KCU = 0,8 МДж/м²). Великі важконавантажені деталі для експлуатації за умов динамічних і вібраційних навантажень виготовляють зі сталей, легованих комплексом карбідоутворюючих елементів (Сr, V, Ті, Мо) з нікелем ( = 800...1300 МПа, = 8...12%, KCU = 1,0 МДж/м²). Серед них сталі 20ХН, 20ХН3А, 12Х2Н4, 18ХГТ, 20ХГР. Типові режими термічної обробки після цементації — гартування з низьким відпуском для одержання струк­тури мартенситу.

Поліпшувані сталі — це низьколеговані сталі з вмістом вуглецю 0,3...0,5 %. Для забезпечення потрібних властивостей міцності, плас­тичності та в'язкості їх піддають гартуванню з високим відпуском (500...600 °С), тобто поліпшують. Загальна кількість легуючих елементів у поліпшуваних сталях становить 3...5 % (Cr, Ni, W, Мо, Si, V), основний легуючий елемент — хром (0,8... 1,1 %). Власти­вості таких сталей: = 900...1600 МПа, = 10...12%, KCU=0,4...0,9 МДж/м². Розрізняють хромисті сталі — 40Х, 45Х, для прогартованості їх додатково легують бором 0,002...0,003 % (40ХР) або до 1 % марганцем (40ХГ). З них виготовляють деталі для роботи за умов підвищених напружень і знакозмінних навантажень — шатуни, колінчасті вали. Хромомарганцеві сталі, леговані Si і Мn (хромансил), наприклад 30ХГС, добре зварюються, після термообробки =1650 МПа, = 6%, KCU = 0,5 МДж/м². Для великих від­повідальних і важконавантажуваних деталей складної форми викори­стовують сталі зі значною кількістю Ni і Мо, наприклад 40ХНМ, 30ХН2МФ, 40ХН2МФ, 40ХН2МА, 38ХН3МФ тощо.

Високоміцні леговані сталі використовують для виготовлення особливо відповідальних і важконавантажених деталей, які експлуатують за умов різко змінюваних навантажень (деталі шасі, конст­рукції фюзеляжів тощо). Це комплексно-леговані (кількома легу­ючими елементами) середньовуглецеві сталі (0,3...0,6 % С), які зміц­нюють термічною обробкою або піддають термомеханічній обробці. Наприклад, 30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА ( = 1850...2000 МПа, =11...12 %, KCU = 0,4...0,6 МДж/м²).

Пружинно-ресорні леговані сталі містять у своєму складі 0,5... 0,7 % С, додатково леговані Si (до 2 %) і елементами Mn, Cr, V, W, В, які підвищують пружні характеристики і прогартованість сталі. Сталі 50С2, 50ХГФА використовують для ресор автомобілів, сталі 55СГ, 60СГ, 65С2ВА, 60С2ХФА — для відповідальних пружин, ресор тощо. Найвищу пружність забезпечує гартування і середній (400...500 °С) відпуск на структуру трооститу відпуску (високодисперсна суміш фериту з карбідами). Додаткове легування сталі вольфрамом, молібденом, ванадієм підвищує стійкість сталі під час відпуску, що дозволяє використовувати їх для роботи за умов нагріву до 200... 250 °С. При легуванні бором (0,003 %) підвищується поріг пружності сталі і прогартованість (сталі 55ХГР, 50ХФРА та інші). Для підви­щення опору втомі і зменшення чутливості до концентраторів на­пружень пружини і листи ресор у готовому вигляді піддають поверх­невому наклепуванню струменевою обробкою шротом.

Шарикопідшипникові сталі складають особливу групу конструк­ційних сталей, що відповідають вимогам високої міцності і зносо­стійкості. Для них характерним є високий вміст вуглецю ( 1 %) і хрому. Для маркування цих сталей використовують літери ШХ, які розшифровуються як сталь шарикопідшипникова хромиста, далі йдуть цифри, які вказують на вміст хрому в десяти частках процента (ШХ6, ШХ9, ШХ15).

Евтектоїдний вміст вуглецю і хрому забезпечують одержання піс­ля гартування структури дисперсного мартенситу з карбідами високої твердості, зносостійкість і прогартованість сталі. Для підвищення прогартованості сталі додатково легують марганцем і кремнієм (сталі ШХ15СТ, ШХ20СГ).

Термічна обробка шарикопідшипникових сталей включає опе­рації відпалювання прокату, гартування (від 790...880 °С) і відпуск при 150...200 °С на твердість 62...65 HRC. До сталей цієї групи існують підвищені вимоги щодо чистоти і рівномірності розподілу карбідів.

Зносостійкі сталі об'єднують групи високомарганцевих і графітизованих сталей.

Високомарганцеві сталі типу 110Г13Л містять у своєму складі 0,9...1,4 % С і 11,5...15 % Мn, характеризуються високою зносостійкістю, пластичністю і ударною в'язкістю. Використовуються для виготовлення широкої номенклатури виливків, які працюють за умов ударно-абразивного спрацювання (бронеплити, била дробарок, тра­ки, залізничні стрілки і хрестовини, зубці ковша екскаваторів). Сталь 110Г13Л має однофазну аустенітну структуру після гартування без поліморфного перетворення від температур 1000...1100 °С і такі механічні властивості: = 800... 1000 МПа, = 250...400 МПа, = 35...45 %, = 40...50 %, 170...230 НВ, KCU = 1,6...2,1 МДж/м². Вона здатна до наклепування і внаслідок цього до підвищення твердості (600 НВ).

Графітизована сталь містить у своєму складі 1,5...2,0 % С і до 2 % Si. Після гартування вона поєднує властивості загартованої сталі та чавуну. Графіт у такій сталі є змащуючою фазою. Сталь має структуру феритоцементитної суміші з певною кількістю графіту. Залежно від режиму термічної обробки і вмісту вуглецю кількість графіту може значно змінюватись. Графітизовані сталі використовують для виго­товлення поршневих кілець, поршнів, колінчастих валів та інших виливків для умов тертя.

Інструментальні леговані сталі, порівняно з вуглецевими, харак­теризує підвищена прогартованість, значна міцність, більш високі різальні властивості, пластичність у відпаленому стані. Легуючі еле­менти (W, Mo, Co, Cr) підвищують теплостійкість, Мn — загарто­ваність, N — в'язкість, V — зносостійкість.

Сталі з сумарним вмістом легуючих елементів до 2,5 % відносять до низьколегованих, до 10%— до середньолегов а н и х і більше 10%— до високолегованих.

У низьколегованих сталях основним легуючим елементом є хром (сталі X, 11Х, 13Х). При вмісті хрому до 0,4 % прогартованість сталей низька, а з підвищенням вмісту хрому до 1,3...1,6 % при легуванні кількома елементами (Сr, Mn, Si, W) вона значно зростає (сталі 9ХС, 9ХВГ, ХВГ, Х12М та інші). Так, сталь X прогартовується у маслі на глибину до 25 мм, сталь 9ХС — до 35 мм, сталь ХВГ — до 45 мм, сталь ХВГС — до 80 мм.

Сталь X з теплостійкістю до 200 °С застосовують для токарних і стругальних різців: сталь 9ХС з теплостійкістю до 260 °С — для виготовлення свердел, розверток, фрез, метчиків, плашок; сталі типу ХВСГ, 9Х5ВФ з теплостійкістю до 450 °С використовують для виго­товлення крупних свердел, плашок, протяжок, фрез та іншого рі­зального інструменту.

Високолеговані інструментальні сталі містять у своєму складі W, Сr, V, Мо (до 18 % основного легуючого елемента) і мають високу теплостійкість — до 600...650 °С. Такі сталі називають швидкорізальними і позначають літерою Р і цифрою, яка вказує на вміст вольфраму у процентах (сталі Р9, Р18). Вміст хрому (4 %) і ванадію (2 %) при маркуванні цих сталей не вказують. До складу швидкорізальних сталей додатково вводять також молібден і кобальт. Для маркування таких сталей використовують літери М і К та цифри, які вказують на їхню кількість у процентах (сталі Р6М5, Р9К5, Р18К5Ф2 та інші).

Для вимірювального інструменту використовують сталі X, ХВГ після гартування і спеціального низького відпуску при 120... 130 °С протягом 15...20 год з наступною обробкою при температурах нижче нуля (до -60 °С). З цих сталей виготовляють також штампи холодно­го деформування складної форми перерізом 75... 100 мм. Для виготов­лення інструменту з високою твердістю і зносостійкістю, а також незначною деформацію під час гартування використовують сталі типу Х12Ф1. Сталі з меншим вмістом вуглецю і підвищеною в'язкістю використовують для інструменту, що працює за значних ударних навантажень (пневматичні зубила, ножі для холодної різки тощо), наприклад сталі 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С та інші.

Сталі з вмістом вуглецю (0,5...0,6 %), леговані хромом (який підвищує міцність і прогартованість), а також вольфрамом і моліб­деном (підвищує твердість, теплостійкість, подрібнюють зерно), ні­келем (підвищують в'язкість, прогартованість) і марганцем (заміняє нікель), використовують для виготовлення штампів гарячого дефор­мування - сталі 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ.

Спеціальні леговані сталі — це високолеговані сталі з явно вира­женими особливими властивостями (корозійна стійкість, жаростій­кість, жароміцність тощо).

Неіржавіючі або корозійностійкі сталі володіють високою хімічною стійкістю в агресивних середовищах. Одержують їх введенням до складу низько- і середньовуглецевих сталей значної кількості хрому (не менше 12,5 %) і нікелю, а також додатково титану, алюмінію і марганцю. Найпоширеніші хромисті і хромонікелеві сталі. Залежно від структури розрізняють корозійно­стійкі сталі аустенітні (12Х18Н9, 12Х18Н10, 04Х18Ш0, 10Х14Г4НЗ), феритні (12X17, 08Х17Т), мартенситні (40X13), аустенітно-мартенситні (09Х15Н18Ю) та аустенітно-феритні (08Х21Н6М2Т).

Хромисті сталі найдешевші, але за корозійною стійкістю поступа­ються хромонікелевим. Так, сталь 12X7 стійка у кислотних сере­довищах, але не придатна для використання при зварюванні, оскільки при нагріванні під час зварювання вище 900...950 °С і швидкому охолодженні границі зерен сталі збіднюються хромом. При вмісті ж менше 12 % Сr елекрохімічний потенціал сталі стає негативним і вона втрачає здатність опиратись корозії. За таких умов у сталі 12X7 виникає небезпечний вид корозії — міжкристалічна корозія. Для запобігання цього використовують сталь, леговану титаном 08X17Т.

Хромонікелеві етапі містять підвищену кількість хрому і нікелю, мало вуглецю і відносяться до аустенітного класу (сталь 12Х18Н9). Такі сталі, порівняно з хромистими, характеризує висока корозійна стійкість. Вони здатні до міжкристалітної корозії. Тому в разі необ­хідності їх також додатково легують титаном (сталь 12ХН8Н9Т) або зменшують вміст вуглецю (сталь 04Х18Н10). Широко застосовують їх у харчовій, хімічній, нафтопереробній галузях промисловості, а також у транспортному машинобудуванні і будівництві. Для економії нікелю його частково замінюють марганцем. Так, сталь 10Х14Г4НЗ використовують як замінник сталі 12Х18Н9. Для експлуатації у кислотних середовищах підвищеної активності використовують сталі аустенітно-феритного класу, наприклад сталь 08Х21Н6М2Т тощо.

Розроблено також високолеговані сталі для агресивних середовищ (80 % розчин H₂SO₄) із складною системою легування елементами Cr, N, Mo, Cu.

Жаростійкі (жаровиностійкі) сталі — це такі, що здатні чинити опір корозійному руйнуванню під дією повітря або іншого газового середовища при високих температурах (400...900 °С). Жаростійкі сталі містять у своєму складі А1, Cr, Si і не утворюють жаровини. Стійкість таких сталей зумовлено утворенням на поверхні виробів щільних захисних плівок оксидів вказаних легуючих елементів. Так, для виробів з робочими температурами до 850...900 °С (клапани двигунів внутрішнього згорання) використовують сталі 40Х9С2, 08X17Т; для температур до 1100 °С (сопла, жарові труби газових турбін) — сталі типу 36Х18Н25С2. Хромиста сталь з 30 % Сr стійка до температури 1200 °С. Жаростійкі сталі застосовують в основному для деталей нагрівального і енергетичного обладнань.

Жароміцні сталі — це такі, що забезпечують здатність виготов­лених з них виробів витримувати механічні навантаження без дефор­мації й руйнування за високих температур (500...1000 °С). Вони містять у своєму складі хром, кремній, нікель, молібден та інші елементи. Залежно від призначення розрізняють клапанні сталі, котлотурбінні, газотурбінні сталі, а також сплави з високою жароміцністю.

Для температур 300... 500 °С використовують Сr — Si-сталі мартенситного класу (сільхроми) типу 40Х9С2, 40Х10С2М. З них виго­товляють клапани двигунів автомобілів і тракторів. Високолеговані аустенітні сталі типу 17Х18Н9 (гомогенні) або 45Х14Н14В2М (гете­рогенні — з дрібними карбідними або інтерметалідними фазами) використовують за температур 600...900 °С. Аустенітні сталі досить міцні, але в'язкі і погано обробляються різанням. З них виготовляють парові котли, лопатки газових турбін, сопла реактивних двигунів тощо. Для більш високих температур (800... 1000 °С) використовують хромонікелеві сплави — ніхроми і німоніки з мінімальним вмістом вуглецю (0,06...0,12 % С).

Вони містять більше 55 % Ni і переважають за властивостями кращі жароміцні сталі. За структурою їх поділяють на гомогенні (ніхроми ХН60Ю, ХН78Т та інші) і гетерогенні (німоніки ХН77ТЮ, ХН77ТЮР тощо), леговані, окрім хрому, ще й елементами, які утво­рюють з нікелем дисперсні інтерметалідні зміцнюючи фази типу (Ni, Co, Cr)₃Ti, (Ni, Co, Cr)₃Al тощо. Маркування нікелевих сплавів здійснюють літерами, які означають елементи, і цифрами, що вказу­ють на вміст нікелю. Так, сплав ХН70ВМТЮ містить 70 % Ni, a також Cr, W, Мо, Ті, Аl. Жароміцні сплави на основі кобальту використовують обмежено, наприклад для лопаток соплового апара­та реактивних двигунів.

Леговані чавуни.

Для поліпшення міцності, експлуатаційних властивостей або надання чавуну особливих характеристик ( зносостійкості, жароміцності, жаростійкості, коррозионностойкости, немагнитности тощо ) до його складу вводять легуючі елементи ( Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo та ін ). Легуючими елементами можуть служити також Mn при вмісті > 2% і Si при вмісті > 4%.

Леговані чавуни класифікують за вмістом основних легуючих елементів - хромисті, нікелеві, алюмінієві і т.д.

За ступенем легування розрізняють низьколеговані ( сукупна кількість легуючих елементів 10% ).

Низьколеговані чавуни мають перлітову або бейнитную структуру матриці, середньолеговані - зазвичай мартенситную, високолеговані - в більшості випадків аустенитную або ферритную.

Структура виливків визначається хімічним складом чавуну і технологічними особливостями його термообробки.

Механічні властивості сірого чавуну залежать від властивостей металевої матриці, фігури і розмірів графітових включень. Властивості металевої матриці чавунів близькі до властивостей сталі., який не можна скасувати невисоку міцність, знижує міцність чавуну.

Чим менше графітових включень і вище їх дисперсність, тим більше міцність чавуну.

Графітові включення викликають скорочення межі міцності чавуну при розтягуванні.

На міцність при стисненні і твердість чавуну частинки графіту майже не роблять впливу.

Властивість графіту утворювати мастильні плівки обумовлює падіння коефіцієнта тертя і збільшення зносостійкості виробів із сірого чавуну.

Графіт покращує оброблюваність різанням.

Зварюваність легованих чавунів ( головний черговість, стійкість проти формування тріщин ) погіршується зі зростанням вмісту легуючих елементів.

Особливо це властиво хромовим, кам'янистих і марганцевою чугунам внаслідок нарощування в їх структурі кількості карбідів Сг, Si, Мп. Виняток становлять чавуни з аустенітної основою : нікелеві, марганцеві і більше непростого складу, які мають задовільну зварюваність. З іншої країни, высоконикелевые чавуни, вірно протистоять появи холодних тріщин, готові до утворення гарячих тріщин ( ГТ ) з - за евтектик, що утворюються в шві і ЗТВ зварного з'єднання.

Розрізняють перлітові і перлитно - феритні антифрикційні чавуни. Антифрикційні перлітові чавуни ( АЧС - 1, АЧС - 2 ) і перлитно - феритний ( АЧС - 3 ) вживають при тиску в області контакту фрикційних пар до 50 МПа. Чавуни з кулястим графітом АЧВ - 1 ( перлітовий ) і АЧВ - 2 ( перлитно - феритний ) вживають при підвищених навантаженнях ( до 120 МПа )

Питання для самоконтролю

1. Які сталі підлягають цементації ?

2. Якої термообробці піддають сталі після цементації ?

3. Які властивості мають цементовані сталі ?

4. Які сталі є поліпшуваними сталями

5. Привести приклад поліпшуваних сталей

6. Якими властивостями. Володіють низьколеговані сталі ?

7. Яку термообробку піддають пружинно-ресорним сталям ?

8. Якими властивостями володіють шарикопідшипникові сталі ?

9. Які сталі використовують для виготовлення зубчастих колес, валу, сварних конструкцій, пружин, шариків підшипника?

10. Які сталі використовують для ріжучих інструментів?

11. Якій термообробці піддають сталі для ріжучих інструментів?

12. Якими властивостями володіють швидкоріжучі сталі?

13. Як маркірують швидкоріжучі сталі?

14. Наведіть приклади штампових сталей ?

15. Які сталі використовують для вимірювального інструмента?

16. З якою метою вимірювальний інструмент піддають старінню?

17. Які елементи впливають на корозійну стійкість?

18. Наведіть приклади нержавіючих окаліностійких, жароміцних, зносостійких сталей?

19. Які елементи підвищують окалиностійкість сталей?

20. Якій термообробці піддають жароміцні сталі?

21. Якими властивостями володіє сталь 11ОГ13Л ?

22. З яких сталей можливо виготовувати клапан гідравлічного пресу ?

23. Які сталі використовувають для виготовлення деталей газових турбін?

24. Як маркуються сталі з особливими властивостями?

Лекція № 32-33: Сплави кольорових металів

План

1. Мідь та її сплави

2. Тітан та його сплави

3. Алюміній та його сплави

4. Магній та його сплави

5. Антифрикційні сплави

Мідь та її сплави

За обсягами виробництва мідь посідає третє місце після заліза та алюмінію. Запаси її у земній корі дорівнюють 0,01 %, у сульфідних рудах (CuFeS — мідний колчедан, CuS — халькозин, Cu₂S — халькопірит) — від 0,5 до 5 %. Мідь має ГЦ К- кристалічну гратку, температура плавлення становить 1038 °С, питома вага = 8,9 г/см³ .

Одержують мідь із збагаченого концентрату (11...35 % Си), який спочатку обпалюють при 600...850 °С для часткового зниження вмісту сірки, а потім для відділення від рудних домішок плавлять при 1300... 1500 °С на штейн (сплав сульфідів Cu₂S і Fe). Мідний штейн містить 16...60 % Си, а також Fe і S. Штейн переплавляють у спеціальному конверторі з продувкою розплаву повітрям при 950... 1050 °С і одержують чорнову мідь, що містить до 1...2 % домішок (Fe, Zn, Ni, As та інші). Очищують чорнову мідь шляхом вогневого або електролітичного рафінування. Первинна технічно чиста мідь після рафінування містить 99,5...99,99 % Си. Чиста мідь має 11 марок- М006, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2, МЗ. Сумарна кількість домішок у марці найвищої чистоти М006 — 0,01 %, а в марці МЗ — 0,5 %.

Залежно від механічних властивостей розрізняють також тверду (нагартовану) мідь — МТ і м'яку (відпалену) — MM. Механічні властивості чистої відпаленої міді такі: _в = 220...240 МПа, 40...80 НВ, = 45...50 %, = 60...75 %. Цінними властивостями міді є її висока електро- та теплопровідність, пластичність, низька окислюваність. Електропровідність міді знижується за наявності домішок. Половина цієї міді використовується в електротехніці. Для електротехнічних потреб чисту мідь постачають у вигляді дроту, прутка, стрічки, листа, смуги і труб. У зв'язку з низькою міцністю як конструкційний матеріал використовують не чисту мідь, а лише сплави міді з оловом, цинком, алюмінієм, кремнієм, марганцем тощо. Легування міді підвищує її механічні, технологічні та експлуатаційні властивості. Залежно від хімічного складу розрізняють три основні групи сплавів міді: бронзи, латуні і сплави міді з нікелем.

Бронзи — це сплави міді з оловом, алюмінієм, марганцем, кремнієм, берилієм, свинцем. Залежно від основного легуючого еле­мента бронзи називають олов'янистими, алюмінієвими, берилієвими та ін. Для підвищення механічних і особливих властивостей бронзи додатково легують Fe, Ni, Ті, Zn, P, для підвищення корозійної стійкості — Мn, пластичності — Ni, міцності — Fe, оброблюваності різанням — Рb.

Маркують бронзи літерами Бр, далі літерами позначають еле­менти, що входять до складу бронзи: О — олово, Ц — цинк, А — алюміній, С — свинець, Ж — залізо, Мц — марганець, Б — берилій та інші. Після цього цифрами вказують середній вміст елементів у процентах (вміст міді цифрами не вказують). Наприклад, марка БрОЦ4-3 означає, що бронза містить 4 % олова і 3 % цинку, решта — мідь; БрОЦС5-5-5 — бронза містить олова, цинку і свинцю по 5 %, решта — мідь.

Олов'янисті бронзи (БрО3, БрО6, БрОС25-8 та інші), залежно від вмісту олова і фазового стану, поділяють на однофазні (до 5 % Sn) із структурою -твердого розчину і двофазні (більше 5 % Sn) із структу­рою, що складається з -твердого розчину та евтектоїда ( + Cu₃₁Sn₈).

Однофазні бронзи пластичні і добре піддаються деформуванню, з них виготовляють фольгу, сітки, дріт, прутки, стрічки тощо у нагар­тованому (твердому) і відпаленому (м'якому) станах.

Двофазні олов'янисті бронзи з більшим вмістом олова (до 15...20 %) використовують як ливарні матеріали для виготовлення різних фасонних виливків. їх також додатково легують цинком (4... 10 %), свинцем (3...6 %), фосфором (0,4...1,0 %). Олов’янисті бронзи корозійно стійкі у морській воді, NaOH, Na₂CO₃, не стійкі у розчинах HNO₃ і НСl, мають досить високі механічні властивості: _в= 150...350 МПа, = 3...5 %, твердість 60...90 НВ, добре обробля­ються різанням.

Олов'янисті бронзи типу БрОЦНЗ-7-5 використовують для арма­тури, яка експлуатується на повітрі, у прісній воді, маслі, парі і при температурах до 250 °С; бронза типу БрОЦС5-5-5 — для антифрик­ційних деталей, арматури тощо.

До складу безолов'янистих бронз, окрім міді, входять Аl, Fe, Mn, Be, Si, Pb або різні комбінації цих елементів. Алюмінієві бронзи (4... 11 % Аl) мають високу корозійну стійкість, високі механічні та технологічні властивості (БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4-4, БрКМцЗ-1, БрСЗО та інші). Однофазні бронзи ( - твердий розчин) з вмістом алюмінію до 8...9 % добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані. Двофазні бронзи ( -твердий розчин + Си₂Аl) з вмістом алюмінію 9...11 %, а також заліза, нікелю, марган­цю мають більшу міцність, піддаються обробці тиском у гарячому стані. Двофазні бронзи можна піддавати зміцнюючій обробці — гартуванню від 900...950 °С з відпуском за різних температур. При цьому утворюється орієнтована голчаста структура, зростає твердість та міцність, зменшується пластичність. Так, бронза БрАЖНІО-4-4 після гартування і відпуску (400 °С) підвищує твердість від 170...200 до 400 НВ. З алюмінієвих бронз виготовляють арматуру трубо­проводів для різних середовищ (окрім морської води) і температур до 250 °С (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л); деталі для експлуатації в середовищі морської води, гвинти, лопасті (БрАМц9-2Л); втулки, підшипники ковзання (БрАМцЮ-2); фланці, шестерні та інші відповідальні деталі (БрАЖМцЮ-3-1,5).

Марганцеві бронзи (БрМц5 БрМцС20-5) мають порівняно неви­сокі механічні властивості, але високу пластичність, корозійну стій­кість, жароміцність. З них виготовляють деталі для теплоелектро­станцій, котли, вентилі, засувки, арматуру тощо.

Берилієві бронзи містять у своєму складі 2...2,5 % Be (БрБ2), мають дуже цінний комплекс властивостей: високу хімічну стійкість, тепло­стійкість, високий поріг пружності, добре обробляються різанням, мають високі механічні властивості ( _в = 1100...1300 МПа, твердість 370 НВ, 6= 1 %). Берилієві бронзи гартують у воді за температур не вище 800 °С і піддають штучному старінню при 350 °С.

Використовують берилієву бронзу для виготовлення виробів від­повідального призначення: пружні контакти, пружини, мембрани, безіскровий інструмент для ведення вибухонебезпечних гірничих робіт.

Кремнієві бронзи містять у своєму складі 1...3 % Si (БрКН1-3, БрКМцЗ-1), слугують замінниками олов'янистих бронз (наприклад, БрОЦС6-6-3). Вони мають високі ливарні властивості, корозійну стійкість, пружність, допускають гарячу обробку тиском і обробку різанням. З кремнієвих бронз виготовляють прутки, смугу, виливки, заготовки для виробів, які працюють за температур до 500 °С.

Свинцева бронза (БрСЗО) широко використовується у машинобу­дуванні як антифрикційний матеріал.

Латуні — це подвійні або багатокомпонентні сплави міді, у яких основним легуючим елементом є цинк (до 45 %). При більшому вмісті цинку в латуні знижується міцність і зростає крихкість. Вміст інших легуючих елементів у спеціальних латунях не перевищує 7...9 %.

Маркують латуні літерою Л, після якої цифрою вказують вміст міді у процентах (наприклад, сплав Л62 містить 62 % Си і 38 % Zn). Якщо у складі латуні окрім міді і цинку є ще інші елементи, то для їхнього позначення після літери Л пишуть початкові літери назв цих елементів (О — олово, С — свинець, Ж — залізо, Ф — фосфор). Процент вмісту кожного з цих елементів показують відповідні цифри, які стоять після кількісного показника міді в латуні. Наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60 % Си, 1 % АІ, 1 % Fe і 38 % Zn.

Залежно від вмісту Zn і структури при кімнатній температурі латуні поділяють на однофазні -латуні (до 39 % Zn) і двофазні + -латуні (більше 39 % Zn). Якщо цинку в сплаві більше 39 %, утворюється крихка -фаза — твердий розчин на основі елек­тронної сполуки типу CuZn з ОЦК-граткою.

Однофазні латуні (Л62, Л68, Л80) пластичні, легко деформуються. Постачають їх у вигляді напівфабрикатів — прутки, дріт, смуга, стрічки тощо. З латуней типу Л62, Л68 виготовляють стрічки, гільзи патронів, радіаторні трубки, дріт, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) має колір золота. Використовують її при виго­товленні ювелірних і декоративних виробів, а також для відповідальних деталей. Механічні властивості однофазних латуней (Л68, Л80, Л90) такі: _в = 260...320 МПа, = 45...55 %, твердість 53...55 НВ.

Двофазні + -латуні малопластичні, і вироби з них виготовляють в основному методом лиття. З ливарних латуней ви­робляють арматуру, фасонне лиття, втулки (ЛС59-1Л); антифрик­ційні деталі (ЛМц58-2-2); корозійностійкі деталі (ЛА67-2,5); гребні і винти, лопасті, арматуру, що експлуатується до 300 °С (ЛМцЖ55-3-1); черв'ячні гвинти для важких умов праці (ЛАЖМц66-6-3-2).

Механічні властивості таких латуней залежать не лише від їхнього складу, але від умов тверднення у ливарних формах. Так, при литті в кокіль латунь марки ЛС59-1Л має _в = 200 МПа, = 20 %, твердість 80 НВ; латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 — відповідно _в = 650 МПа, = 7 %, 160 НВ.

Додаткове легування латуней різними елементами підвищує їхні експлуатаційні властивості. Так, легування 1...2 % свинцю поліпшує оброблюваність сплаву різанням (ЛС59 — автоматна латунь); олово підвищує корозійну стійкість у морській воді; алюміній і нікель підвищують механічні властивості (ЛАН59-3-2) тощо.

Сплави міді з нікелем (основний легуючий елемент) використову­ють як конструкційні та електротехнічні матеріали.

Куналі (Си — Ni — Аl) містять у своєму складі 6... 13 % Ni, 1,5...З % Аl, решта — мідь. Такі сплави піддають термічній оброб­ці — гартуванню з наступним старінням. Куналі використовують для виробництва деталей підвищеної міцності, виготовлення пружин, а також різних електромеханічних виробів.

Нейзильбери (Cu -- Ni -- Zn) містять у своєму складі до 15 % Ni, до 20 % Zn, решта — мідь. Мають колір, близький до срібла, стійкі до атмосферної корозії. Ці сплави використовують у приладобуду­ванні, виробництві годинників тощо.

Мельхіорі (Си — Ni + невеликі добавки до 1 % Fe і Мn) мають високу корозійну стійкість, зокрема у морській воді. Використову­ються для виготовлення теплообмінних апаратів, посуду, деко­ративних штампованих і карбованих виробів.

Копель (Си — Ni — Мn) містить у своєму складі 45 % Ni, 0,5 % Мп, решта — мідь. Сплав з високим питомим електроопором використовують в електротехніці, а також для виготовлення електро­нагрівальних елементів.

Манганін (Си — Ni — Мn) — МНМцЗ-12 відносять до реос­татних сплавів, використовують в електротехніці. Таке саме застосу­вання має і константан.

Константан (Си — Ni — Мn) — 40...43 % Ni, 0,5...1,5 % Мn, решта — мідь (МНМц40-1,5).

Титан і його сплави

Титан сріблясто-білий легкий метал з щільністю 4,5 г/см3. Температура плавлення титану залежить від ступеня чистоти і знаходиться в межах 1660...1680оС.

Чистий иодидный титан, в якому сума домішок становлять 0,05...0,1 %, має модуль пружності 112 000 МПа, межа міцності близько 300 МПа, відносне подовження 65%. Наявність домішок сильно впливає на властивості. Для технічного титану ВТ1, з сумарним вмістом домішок 0,8 %, межа міцності становить 650 МПа, а відносне подовження - 20 %. При температурі 882оС титан зазнає поліморфний перетворення, -титан з гексагональної гратами переходить в - титан з об'ємно-центрованої кубічної гратами. Наявність поліморфізму у титану створює передумови для поліпшення властивостей титанових сплавів за допомогою термічної обробки.

Титан має низьку теплопровідність. При нормальній температурі володіє високою корозійною стійкістю в атмосфері, у воді, органічних і неорганічних кислотах ( не стійкий в плавикової, міцних сірчаної та азотної кислотах), завдяки тому, що на повітрі швидко покривається захисною плівкою щільних оксидів. При нагріванні вище 500оС стає дуже активним елементом. Він розчиняє майже всі дотичні і них речовини, або утворює з ними в хімічні з'єднання.

Титанові сплави мають ряд переваг порівняно з іншими:

• поєднання високої міцності ( МПа) з хорошою пластичністю ( );

• мала щільність, що забезпечує високу питому міцність;

• хороша жароміцність, до 600...700 о с;

• висока корозійна стійкість в агресивних середовищах.

Однорідні титанові сплави, не схильні до старіння, використовують у кріогенних установках до гелієвих температур.

В результаті легування титанових сплавів можна отримати потрібний комплекс властивостей. Легуючі елементи, що входять до складу промислових титанових сплавів, утворюють з титаном тверді розчини заміщення і змінюють температуру аллотропического перетворення.

Елементи, що підвищують температуру перетворення, сприяють стабілізації - твердого розчину і називаються-стабілізаторами, це - алюміній, кисень, азот, вуглець.

Елементи, що знижують температуру перетворення, сприяють стабілізації - твердого розчину і називаються - стабілізаторами, це - молібден, ванадій, хром, залізо.

Крім - і-стабілізаторів розрізняють нейтральні зміцнювачі: олово, цирконій, гафній.

У відповідності з впливом легуючих елементів титанові сплави при нормальній температурі можуть мати структуру або .

Сплави на основі титану можна піддати всім видам термічної обробки, хіміко-термічної та термомеханічної обробки. Зміцнення титанових сплавів досягається легуванням, наклепом, термічною обробкою.

Часто титанові сплави легують кремнієм, алюмінієм, він збільшує міцність і жароміцність, зменшує шкідливий вплив водню, збільшує термічну стабільність. Для підвищення зносостійкості титанових сплавів, їх піддають цементації або азотування.

Основним недоліком титанових сплавів є погана оброблюваність ріжучим інструментом.

За способом виробництва деталей розрізняються деформуються (9 ВТ, ВТ 18) та ливарні (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплави.

Області застосування титанових сплавів:

• авіація та ракетобудування (корпуси двигунів, балони для газів, сопла, диски, деталі кріплення);

• хімічна промисловість (компресори, клапани, вентилі для агресивних рідин);

• обладнання для обробки ядерного палива;

• морське й річкове суднобудування (гребні гвинти, обшивання морських суден, підводних човнів);

• кріогенна техніка (висока ударна в'язкість зберігається до-253оС).

Алюміній та його сплави

Алюміній — легкий метал третьої групи періодичної системи

елементів, сріблясто-білого кольору, з густиною 2,7 г/см , високою електро-, теплопровідністю та корозійною стійкістю (утворює щільну поверхневу плівку оксиду Аl₂О₃). Температура плавлення алюмінію, залежно від чистоти металу, становить 660...667 °С. Прокатний і відпалений алюміній високої чистоти має міцність _в = 60 МПа, модуль пружності Е=7*10³ МПа, пластичність = 50 %, = 85 %, твердість 25 НВ. Алюміній високопластичний, маломіцний матеріал, добре обробляється тиском, зварюється, але погано піддається обробці різанням. Як конструкційний матеріал його не застосовують.

Постійні домішки (Fe, Si, Ті, Mn, Cu, Zn, Cr) знижують фізико-хімічні характеристики і пластичність алюмінію. Залежно від вмісту домішок розрізняють марки алюмінію: А999 (0,001 % домішок), А995 (0,005 % домішок), А99 (0,010 % домішок), а також А97, А95.

Введення легуючих елементів дозволило створити низку алю­мінієвих сплавів з різними фізико-механічними та технологічними властивостями. Сплави алюмінію поєднують у собі кращі властивості чистого алюмінію і підвищені характеристики легуючих елементів. Так, залізо, титан, нікель підвищують жароміцність сплавів: мідь, марганець, магній забезпечують зростання характеристик міцності. Легуванням і відповідною термічною обробкою досягають підви­щення міцності алюмінію ( _в) від 100 до 500 МПа, твердості — від 20 до 150 НВ.

За технологією виготовлення заготовок і виробів усі промислові сплави алюмінію поділяють на три групи:

• деформовані;

• ливарні;

• спечені.

Сплави, що піддають деформуванню, повинні забезпечувати високу технологічну пластичність для здійснення операцій прокатування, кування, пресування тощо. Тому вони повинні мати однорідну структуру твердого розчину на основі алюмінію. Для підвищення міцності допускають у структурі сплаву невелику кількість кристалів евтектики. Деформовані сплави алю­мінію поділяють на такі, що зміцнюють термічною обробкою, і такі, що не зміцнюють.

До термічно незміцнюваних сплавів належать технічний алюміній (АД, АД1, АД0), сплави алюмінію з марганцем (позначають АМц) і сплави з магнієм та марганцем (позначають АМг). Вони володіють помірною міцністю, пластичністю, добре зварюються, корозійно стійкі. Залежно від стану поставки листу (0,5.. 10 мм) у позначенні марки сплаву додають літери. В разі поставки сплаву у відпаленому стані пишуть літеру М — м'які (АМгМ), при незначному наклепу­ванні — літеру П (АМгП), при значному — літеру Н (АМгН). Із зростанням ступеня деформації (наклепування) підвищується міцність сплавів. Так, міцність і пластичність сплаву АМцН складає = 220 МПа, = 5 %, а сплаву АМцМ — _в = 130 МПа, = 20 %.

Малонавантажені деталі зварювальних і клепаних конструкцій, деталі глибокої витяжки виготовляють зі сплавів типу АМцН, а також АМг2М, АМгЗМ ( _в= 170...200 МПа, = 4... 18 %). Деталі конструк­цій середнього навантаження та високої корозійної стійкості виготовляють зі сплавів типу АМг5М, АМгбМ ( _в = 280 МПа, = 15 %). Зі сплавів АМц і АМг виготовляють лист, прутки, дріт.

Термічно зміцнювані сплави алюмінію за хімічним складом і властивостями більш різноманітні. їх поділяють на:

• сплави підвищеної пластичності АВ, АД31, АДЗЗ (на основі системи Аl — Mg — Si);

• конструкційні сплави (Аl — Си — Mg) — дюралюміни марок Д1, Д16,Д18, В65;

• ковочні (Аl — Mg — Si — Си) марок АК6, АК8;

• високоміцні (Аl — Zn — Mg — Си) марок В95, В96;

• жароміцні сплави систем (Al — Си — Mg) марок АК4-1 та (Аl - Си - Мn) Д20.

Сплави підвищеної пластичності — авіалі (АВ, АД31, АДЗЗ) — містять у своєму складі, крім алюмінію, 0,4...1,2 % Mg, 0,3... 1,2 % Si, 0,15...0,35 % Мn, добре зварюються, корозійно стійкі. Термічна обробка їх складається з гартування від 515...525 °С і старіння (природного або штучного). Штучне старіння проходить значно швидше і здійснюється при 160... 170 °С протягом 12... 15 год одразу ж після гартування. При цьому виділяється зміцнююча фаза Mg₂Si. Після гартування і штучного старіння властивості сплаву АВ дорів­нюють: _в = 380 МПа, _т = 250 МПа, =14 %, а після природногостаріння _в = 260 МПа, _т = 200 МПа, = 20 %. Зі сплавів АВ, АДЗ виготовляють листи, труби, пресовані профілі, заготовки, ковані деталі двигунів, лопасті гвинтів вертольотів тощо.

Конструкційні сплави (дюралюміни) широко застосовуються у різних галузях техніки. їх маркують літерою Д, після якої стоїть цифра, що відповідає умовному номеру сплаву. Термічна обробка дюралюмінів складається з гартування від 500...510 °С (охолодженням у киплячій воді) і старіння. Природне старіння здійснюють за кімнатної температури протягом 5...7 діб, штучне — за температур 150... 190 °С протягом 4... 12 год або при 250 °С протягом 2...4 год. Особливістю гартування дюралюмінів є необхідність додержуватися температурного режиму, наприклад, 505 5 °С (для Д1) і 500 5 °С (для Д16, Д18). Структура дюралюмінів складається з -твердого розчину і зміцнюючих фаз. Так, у сплаві Д1 основною зміцнюючою фазою є (СиА1₂), у сплаві Д16 з підвищеною кількістю магнію — (CuAl₂) і S(Al₂CuMg). Дюралюмін Д16 має найбільшу міцність піс­ля гартування та природного старіння: _в = 480 МПа, _т = 320 МПа, =14 % (лонжерони, шпангоути, обшивки літаків). Деталі і конструкції середньої міцності виготовляють зі сплавів Д1, Д1А ( _в =360 МПа, =12 %).

Дюралюміни виробляють у вигляді листа, пресованих і катаних профілів, прутків, труб. Для підвищення корозійної стійкості їх піддають плакуванню. Відповідно при маркуванні таких сплавів до­дають літеру А, наприклад Д16А, Д1А. Сплави Д18 і В65 є основ­ними алюмінієвими заклепочними сплавами. Найбільш широко дюралюміни застосовуються в авіаційній промисловості та бу­дівництві.

Алюмінієві сплави, придатні для кування (ковочні), позначають літерами АК і відносять до системи Аl - Cu — Mg — Si. Вони пластичні, стійкі до утворення тріщин під час гарячої пластичної деформації. Ці сплави (АК6, АК8) за хімічним складом близькі до дюралюмінів і відрізняються високим вмістом кремнію (0,7... 1,2 %). Сплави АК6 і АК8 застосовують після гартування від 520 ± 5 °С (АК6) і 505 ±5 °С (АК8) та штучного старіння при 160... 170 °С протягом 12...15 год. Після термічної обробки механічні властивості цих спла­вів такі: _в = 400 МПа, = 12 % (АК6); _в = 480 МПа, = 9 % (АК8).

Проте обидва сплави мають низьку крозійну стійкість і потребують додаткових заходів щодо захисту від корозії. З них виготовляють штамповані та куті деталі складної форми і середньої міцності (АК6) — підмоторні рами, крепіж, а також такі високонавантажені штамповані деталі (АК8), як пояси лонжеронів, лопасті гвинтів вертольотів, бандажі вагонів.

Високоміцні алюмінієві сплави (В95, В96) окрім міді і магнію містять у своєму складі значну кількість цинку (5...8,6 %). Підвищену міцність цих сплавів зумовлює наявність в їхній структурі після гартування від 460...470 °С у воді і штучного старіння при 120... 140 °С протягом 24... 16 год інтерметалічних зміцнюючих фаз відповідно (MgZn₂), T(Al₂Mg₂Zn₃), S(Fl₂CuMg). Після термічної обробки меха­нічні властивості для сплаву В95 такі: _в = 550...600 МПа, _т = 530...550 МПа, = 8 %; для сплаву В96 _в = 700 МПа, _т = 650 МПа, = 7%. Сплави В95 і В96 застосовують у літакобудуванні для конструкцій високого навантаження і тривалої експлуатації за тем­ператур до 100 °С. До недоліків цих матеріалів відносять невисокі пластичність, в'язкість руйнування і низьку корозійну стійкість під напруженням. Підвищенню цих характеристик сприяє двоступін­часте пом'якшуюче старіння.

Жароміцні сплави використовують для експлуатації при темпера­турах до 300 °С (поршні, головки циліндрів, диски і лопатки компресорів реактивних двигунів, обшивка надзвукових літаків). Найбільш поширені сплави типу АК4-1 системи Аl — Си — Mg — Si з добавками заліза та нікелю; Д20 системи Аl - Си — Мn з добавками титану та цирконію. У сплаві АК4-1 Fe і Ni утворюють нерозчинну фазу Al₉FeNi, яка під час термічної обробки не зміню­ється. Основною ж зміцнюючою фазою у сплаві є S(Al₂CuMg). Після гартування від 530 ±5 °С і штучного старіння сплав АК4-1 має такі механічні характеристики: _в = 300...180 МПа, _т= 190...120 МПа, = 18...12 %.

Сплав Д20 має такі характеристики механічних властивостей: _в = 420 МПа, _т = 330 МПа, = 11 %.

Перспективними жароміцними сплавами алюмінію є сплави системи АІ — Mg -- Li, що поєднують високу міцність, низьку питому вагу і достатню жароміцність.

Ливарні сплави алюмінію використовують для виготовлення фа­сонних виливків різної форми та призначення. До їх складу входять ті самі легуючі компоненти, що й до деформованих сплавів, але у більшій кількості (до 9... 13 % для кожного компонента). Промисло­вість виробляє ливарні алюмінієві сплави (АЛ) марок від АЛ1 до АЛЗЗ. При маркуванні цих сплавів літера А означає, що сплав алюмінієвий, літера Л -що сплав ливарний, а цифра — порядковий номер сплаву.

За хімічним складом ливарні алюмінієві сплави можна поділити на кілька груп. Наприклад, алюміній з кремнієм (АЛ2, АЛ4, АЛ9) або алюміній з магнієм (АЛ8, АЛ13, АЛ22 та інші).

Типовими є сплави системи АІ — Si (10...ІЗ % Si) — силуміни. Розчинність Si в АІ мала (0,8 % при 500 °С; 0,05 % при 20 °С). Тому сплави, які складаються лише з Аl і Si, практично не зміцнюються термічною обробкою і в системі Аl — Si можуть бути сплави, що частково або повністю складаються з евтектики. Введення в силуміни Cu, Mg сприяє зміцненню сплаву при старінні; Ті, Zr подрібнюють зерно; Мn покращує корозійну стійкість; Ni і Fe підвищують жаростійкість.

Для поліпшення механічних властивостей силуміни з вмістом кремнію більше 5 % модифікують натрієм: 1...3 % від маси розплаву додають солі натрію (2/3 NaF + 1/3 NaCl). Структура немодифі-кованих сплавів складається з голчастих кристалів Si і евтектики ( + Si), a після модифікування — з -розчину і евтектики ( + Si) тонкої будови.

Властивості алюмінієвих ливарних сплавів залежать від способу лиття та виду термічної обробки, швидкості охолодження при тверд­ненні виливка і під час гартування. Для ливарних сплавів алюмінію характерна більш груба крупнозерниста структура. Це зумовлює режими їх термічної обробки. Тому для гартування силуміни нагрівають до 520...540 °С і витримують 5...10 год для більш повного розчинення включень. Штучне старіння здійснюють при 150...180 °С протягом 10...20 год. З силумінів виготовляють деталі, які працюють при невеликих (АЛ2), середніх (АЛ4) і вібраційних (АЛ8) наванта­женнях, а також при підвищенні до 150... 170 °С температурах (АЛ1, O В) тощо.

Спечені алюмінієві порошкові (САП) сплави на основі Аl і Аl₂О₃ одержують шляхом брикетування порошку алюмінію, вакуумної де­газації брикетів з подальшим їх спіканням під тиском. Вміст Аl₂О₃ у спечених сплавах алюмінію знаходиться у межах від 6...9 % (САП1) до 18...22 % (САП4). Дрібні частинки Аl₂О₃ гальмують рух дислокацій у сплаві і підвищують його міцність. Жаростійкість САП матеріалів при тривалому нагріванні зберігається до 500 °С, а при короткочас­ному — до 1000 °С.

Магній та його сплави

Магній - дуже легкий метал, його щільність - 1,74 г/см3.

Температура плавлення - 650 o с. Магній має гексагональну плотноупакованную кристалічну решітку. Дуже хімічно активний, аж до самозаймання на повітрі. Механічні властивості технічно чистого магнію (Мг1): межа міцності - 190 МПа, відносне подовження - 18 %, модуль пружності - 4500 МПа.

Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм. Сплави діляться на деформуються і ливарні.

Сплави зміцнюються після гартування і штучного старіння. Загартування проводять від температури 380...420 o с, старіння при температурі 260...300оС протягом 10...24 годин. Особливістю є тривала витримка під загартування - 4...24 години.

Магнієві сплави здеформовні.

Магній погано деформується при нормальній температурі. Пластичність сплавів значно збільшується при гарячій обробці тиском (360...520 o с). Деформуючі сплави маркують МА1, МА8, МА9, ВМ 5-1. З деформівних магнієвих сплавів виготовляють деталі автомашин, літаків, прядильних і ткацьких верстатів. У більшості випадків ці сплави володіють задовільною зварюваністю.

Ливарні магнієві сплави.

Ливарні сплави маркуються МЛ 3, МЛ5, ВМЛ-1. Останній сплав є жароміцним, може працювати при температурах до 300 ос. Виливки виготовляють литтям у землю, у кокіль, під тиском. Необхідні заходи, що запобігають загорянню сплаву при плавці, в процесі лиття.

З ливарних сплавів виготовляють деталі двигунів, приладів, телевізорів, швейних машин.

Магнієві сплави, завдяки високій питомій міцності широко використовують в літако - і ракетобудуванні.

Антифрикційні сплави

Це антифрикційні сплави, призначені для подовження терміну служби поверхонь тертя, (наприклад, у підшипниках між вкладишем і валом). Для вкладок підшипника має бути підібраний такий матеріал, який охороняв би від зносу вал, сам мінімально зношувався, та полег­шував роботу тертьового вузла, тобто зменшував коефіцієнт тертя. Підшип­никовий матеріал повинен являти собою відносно пластичну і в'язку ос­нову з включеннями" твердих опорних часток. В умовах тертя зношувати­меться пластична основа, а вал контактуватиме переважно з твердими опорними включеннями. Отже, тертя зазнає не поверхня підшипника, мастило утримуватиметься в тих місцях пластичної основи, які зношуються.

Бабіти - сплави на основі Sn або Рb, застосовують як підшипниковий сплав. Призначені для заливки підшипників ковзання, мають низьку температуру плавлення 350 - 450 °С, добру припрацьовуваність і не зхоплюються зі сталлю. Сплави повинні мати гетерогенну структуру, що складається з м'яких і твердих часток.

Кращі антифрикційні властивості олов'янистих бабітів Б83 і Б89, де буква «Б» означає бабіт, а цифра — вміст Sn у %, решта Sb і Си. Ці бабіти містять велику кількість олова, яке дорого коштує, тому їх застосовують в основному для заливки підшипників великої потужності, коли потрібні висока в'язкість і найменший коефіцієнт тертя. Для інших цілей використовують бабіти, в яких значна частина Sn замінена Рb. Свинцевоолов'янисті бабіти (Б16, Б6, БН) мають дещо вищий коефіцієнт тертя, менш зносостійкі та більш крихкі. Бабіти БН і Б6 містять As і відрізняються дрібнозернистою структурою і доброю рідкотекучістю. Бабіт БН, крім того, містить Ni.

В свинцевих бабітах основними легуючими елементами є Са і Na. Анти­фрикційну структуру в сплавах створює Са, який утворює із Рb сполуку Рb₃Са, що рівномірно розміщена в основі сплаву. Невелику кількість олова вводять в свинцеві сплави для зменшення здатності до окислення розплаву і покращення його адгезії з основою підшипника. Бабіти марки БКА використовують для заливки вкладишів підшипників рухомого складу залізниць.

Границя міцності бабітів низька — 8—10 кг/мм², проте вона зростає під час природного старіння. Процес можна прискорити нагріванням до 50—70 °С. З підвищенням температури твердість бабітів сильно знижується. Тому робоча температура не повинна перевищувати 80 °С.

Сплави на основі цинку містять 8—12 % Аl, 1—5,5 % Си, 0,03—0,06 % Mg, решта — цинк ЦАМ10-5, ЦАМ9-1,5. За властивостями вони рівноцінні свинцевим бабітам і їх також застосовують у підшипниках металорізальних верстатів, пресів тощо.

Бронзи відносяться до кращих антифрикційних матеріалів. Особливе місце серед них займають олв'янисті БрО10Ф1, БрО10Ц2 і олов'янисто-цинково-свинцевисті БрО5Ц5С5, БрО6Ц6СЗ бронзи (ГОСТ 613-79). Їх застосовують для монолітних підшипників ковзання турбін, електродвигунів, компресорів, що працюють при значних тисках і швидкостях ковзання 10—12 м/сек.

Бронзи також широко використовують як компоненти порошкових антифрикційних матеріалів або тонких пористих покрить, які містять тверді змащуючі матеріали. Латуні використовують як замінники бронз для опор тертя. Але за антифрик­ційними властивостями вони поступаються бронзам. Двохфазні латуні ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А та ін. (ГОСТ 17711-80) застосовують при швидкостях ковзання менше 2 м/сек і невисоких навантаженнях для опор тертя приладів.

Антифрикційні чавуни мають перлітну або перлітно-феритну металеву основу, без вільного цементиту, з невеликими включеннями фосфідної евтектики. При підвищених швидкостях ковзання та висо­ких тисках використовують чавуни марок АЧВ-1 та АЧВ-2 з щільною перлітною структурою та незначними виділеннями вільного графіту кулястої форми. В особливо навантажених вузлах тертя у парі з термообробленим сталевим валом застосовують чавун АЧС-5 з пластинчастими включеннями графіту, але аустенітною структурою, стабільною завдяки легуванню цього сплаву марганцем і алюмінієм.

З антифрикційних чавунів виготовляють не лише підшипники ковзання, а й інші деталі машин, які працюють в умовах тертя та зношування: втулки паливних насосів, напрямні клапанів, поршневі кільця. В останньому випадку використовується чавун АЧС-6 з підвищеним вмістом фосфору (0,5... 1 %), чим забезпечується наявність у структурі цього сплаву ділянок фосфідної евтектики -твердих включень, за правилом Шарпі.

Питання для самоконтролю

1. Які властивості має мідь?

2. Що називають бронзами?

3. Які властивості мають олов*янисті бронзи?

4. Які властивості мають алюмінієві бронзи?

5. Де використовують бронзи?

6. Що називають латунями?

7. Як впливає цинк на властивості латуней?

8. Призначення латуней

9. Розшифрувати: БрОЦН3-7-5; БрАЖ9-4; БрМЦ5; Л62; ЛС59-1

10. Які властивості має алюміній?

11. Які сплави належать до термічно незміцнюваних сплавів?

12. Які сплави належать до термічно зміцнюваних сплавів?

13. Що таке дюралюміни?

14. Яка термообробка відбувається для дюралюмінів?

15. Які властивості у ливарних сплавів алюмінію?

16. Що таке силуміни?

17. Розшифруйте: АМц ; Д16 ; АК6 ; АЛ2 ;

18. Що називається бабітами?

19. Які метали містять бабіти?

20. Де використовують бабіти?

21. Як маркуються бабіти?

22. Які мідні сплави є антифрикційними?

23. Які властивості сплавів на основі цинку?

24. Які чавуни є антифрикційними?

25. Розшифруйте: Б89 ; БН ; Б16 ; ЦАМ10-5 ; БрС30 ; АЧС-1 ; АЧВ-2 ; АЧК-1;

Лекція № 34: Рідкісні та тугоплавкі метали

План

1. Визначення

2. Властивості

3. Застосування

Тугоплавкі метали - клас хімічних елементів ( металів), що мають дуже високу температуру плавлення і стійкість до зношування. Вираз тугоплавкі метали найчастіше використовується в таких дисциплінах як матеріалознавство, металургія і в технічних науках. Визначення тугоплавких металів відноситься до кожного елементу групи по різному. Основними представниками даного класу елементів є елементи п'ятого періоду - ніобій і молібден, третього періоду - тантал, вольфрам і реній. Всі вони мають температуру плавлення вище 2000 C, хімічно щодо інертні і володіють підвищеним показником щільності. Завдяки порошкової металургії з них можна отримувати деталі для різних галузей промисловості.

Більшість визначень терміну тугоплавкі метали визначають їх як метали мають високі температури плавлення. За цим визначенням, необхідно, що б метали мали температуру плавлення вище 4,000 F(2,200 C). Це необхідно для їх визначення як тугоплавких металів . П'ять елементів - ніобій, молібден, тантал, вольфрам і реній входять в цей список як основні , у той час як більш широке визначення цих металів дозволяє включити в цей список ще й елементи мають температуру плавлення 2,123 K (1,850 C) - титан, ванадій, хром, цирконій, гафній, рутеній і осмій. Трансуранові елементи (які перебувають заураном, всі ізотопи яких нестабільні і на землі їх знайти дуже важко) ніколи не будуть відноситься до тугоплавким металів .