МХТ

Металлы и сплавы

Несмотря на то что за последние годы создан ряд принципиально новых материалов, решающая роль в развитии техники по-преж­нему принадлежит металлам. Широкое использование металлов в быту связано с тем, что они обладают замечательным комплек­сом механических свойств: высокие прочность, твердость и уп­ругость сочетаются с хорошими пластичностью и вязкостью.

Много веков металлы верно служат человеку, помогая овла­девать тайнами природы, создавать замечательные машины и ме­ханизмы. Богат и интересен мир металлов, разнообразны их свой­ства. Ртуть, например, не замерзает даже на морозе, а вольфрам не боится самых высоких температур. Серебро проводит электри­ческий ток, а электропроводность титана в 300 раз ниже, чем серебра.

Свойства металлов и сплавов

Металлами называют вещества, обладающие специфическим блеском, ковкостью, непрозрачностью, электро- и теплопровод­ностью.

В технике металлы делят на две группы: простые метал­лы содержат небольшое количество примесей других элементов; сложные металлы, или сплавы, представляют собой соче­тание какого-либо простого металла как основы с другими эле­ментами.

Важнейшим промышленным металлом является железо, кото­рое в сплавах с углеродом и другими элементами образует группу черных металлов — сталь, чугун, ферросплавы. Черные металлы являются главным конструкционным материалом при изготовле­нии машин и механизмов, они же используются для частей раз­личных сооружений. Все остальные металлы и их сплавы отно­сятся к группе цветных металлов.

Свойства металлов подразделяют на механические, химиче­ские, физические и технологические.

Механические свойства — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочностью металла называется его способность сопротив­ляться действию внешних сил не разрушаясь. Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материа­лами.

Твердость металла — способность противостоять проникнове­нию в него другого, более твердого тела. Многие инструменты, например режущие, должны обладать высокой твердостью.

Упругостью называется свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвав­ших ее изменение (деформацию).

Вязкость — способность металла сопротивляться быстро воз­растающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство, об­ратное хрупкости. Из вязких металлов изготовляют детали, кото­рые при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичностью называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Это свойство — обратное упругости. Благодаря пластичности металлы можно обрабатывать давлением (ковать, прокатывать).

Химические свойства — окисляемость, растворимость, корро­зионная стойкость.

Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, эксплуа­тируемых в сильно окисленных средах. Высокой коррозионной стойкостью обладают специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные стали. Для защиты изделий от коррозии приме­няют специальные покрытия.

Физические свойства — цвет, удельный вес, плавкость, электро­проводность, магнитные свойства, теплопроводность, тепло­емкость, расширяемость при нагревании.

Такое свойство металлов, как плавкость, используют для по­лучения отливок путем заливки расплавленного металла в формы.

Металлы обладают теплопроводностью, благодаря чему их можно равномерно нагревать для обработки давлением и терми­ческой обработки, лаять, сваривать и т. д. Некоторые сплавы ме­таллов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю. Такие сплавы применяют для изготовления точных прибо­ров, радиоламп и пр.

Технологические свойства — прокаливаемость, жидкотекучесть, свариваемость, обрабатываемость резанием—имеют весьма.важяое значение при выполнении тех или иных технологических опе­раций.

Металлическими сплавами называются сочетания двух или нескольких металлов или металлов и металлоидов, у которых со­храняются металлические свойства. В производстве товаров на­родного потребления сплавы применяют шире, чем металлы, так как они обладают более разнообразными свойствами.

Химические элементы или химические соединения, образую­щие сплав, называются компонентами. Не всякое сочетание эле­ментов дает сплав. Например, жидкое железо и свинец разде­ляются на два слоя, и получить из них сплав невозможно.

По количеству компонентов сплавы подразделяют на двой­ные — бинарные и сложные — тройные, четверные и т. д.

По наличию специальных примесей их делят на легированные и нелегированные. Легированные — это сплавы со специальными добавками (легатурами), придающими им определенные свойства.

В зависимости от количества легирующих добавок различают сплавы низколегированные (до 5%), среднелегированные (5— 10%) и высоколегированные (более 10%). Нелегированные спла­вы не содержат специальных добавок.

По способу получения изделий сплавы классифицируют на ли­тейные и деформируемые. К деформируемым относятся сплавы, из которых изделия получают методом давления — прокаткой, ковкой, вытяжкой и т. д. Литейные — это сплавы, из которых из­делия получают литьем.

Чугун

Чугун — это железный сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем имеются кремний, марганец, фосфор, сера и другие элементы. В производстве товаров народного потребле­ния чаще применяют чугун, содержащий 3—4,5% углерода. Чу­гун отличается большой хрупкостью.

Углерод в чугуне может содержаться в виде механических примесей (свободного графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом железа, или цементитом. Чу- гуны, содержащие свободный графит, на изломе серого или темно- серого цвета, имеют крупнозернистое строение. Они называются серыми, или лнтейными, чугунами. Для них характерны повышен­ное содержание кремния и пониженное количество серы. Эти чу- гуны легко поддаются обработке режущими инструментами.

Литейный коксовый чугун в зависимости от содержания крем­ния делят на марки: ЛК1, ЛК2, ЛКЗ, ЛК4, ЛК5, ЛК6, ЛК7; от содержания марганца — на группы: I, II, III; от содержания фос­фора— на классы: А, Б, В, Г, Д; от содержания серы — на кате­гории: с 1-й по 5-ю.

Кроме литейных чугунов, в доменных печах получают белые, или передельные, чугуны. Передельные чугуны содержат углерод в виде химического соединения с железом и имеют белый излом. Они трудно обрабатываются режущими инструментами.

Специальные чугуны, или ферросплавы, характеризуются по­вышенным (более 10%) содержанием одного или нескольких эле­ментов (кремния, марганца и др.).

В древесноугольных чугунах содержится меньше вредных при­месей (серы), чем в коксовых.

По структуре чугуны бывают модифицированные и легирован­ные. Модифицированными называются серые чугуны с улучшен­ной структурой и повышенными механическими свойствами. Ле­гированные чугуны содержат естественные примеси или искусст­венно вводимые добавки цветных металлов — хрома, никеля, ти­тана, ванадня, меди и др.

Марки серых чугунов обозначают буквами СЧ и двумя дву­значными цифрами (первые две цифры означают предел проч­ности при растяжении, последние две — предел прочности при изгибе). Например, чугун марки СЧ 18-36 — это серый чугун с пределом прочности при растяжении 18 кгс/мм² и при изгибе — 36 кгс/мм². Марки серых чугунов: СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48 и др.

Обозначение марок модифицированных чугунов также состо­ит из букв и цифр. Например, чугун марки СЧМ 38-60 — это серый модифицированный чугун с пределом прочности при растя­жении 38 кгс/мм² и при изгибе — 60 кгс/мм².

Марки ковких чугунов обозначаются буквами КЧ и цифрами, из которых первые две — предел прочности при растяжении, пос­ледняя — относительное удлинение в процентах. Например, чугун марки КЧ 30-6 — ковкий с пределом прочности при растяжении 30 кгс/мм² и относительным удлинением 6 %. Марки ковких чугу­нов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-6, КЧ 56-4 и др. Ковкий чугун обладает более высокими механическими свойствами и меньшей хрупкостью по сравнению с серым. Марки высокопрочных чугунов: ВЧ 45-0, ВЧ 50-1, ВЧ 60-2, ВЧ 45-5, ВЧ 40-10 и др.

Чугун благодаря невысокой стоимости и хорошим литейным свойствам применяют для изготовления посуды, мясорубок, сту­пок, замков, тисков, утюгов и других металлохозяйственных изде­лий, а также отдельных деталей в швейных машинах.

Сталь

Сталь —это железный сплав с содержанием углерода до 2%'. Сталь бывает низкоуглеродистая —- с содержанием углерода менее 0,25 %, среднеуглеродистая — 0,25—0,6, высокоуглеродистая — 0,6-2%.

По сравнению с чугуном сталь имеет более высокие физико- механические свойства: ее можно ковать, прокатывать, она харак­теризуется высокой прочностью и значительной пластичностью, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестыо для получения от­ливок.

Стали благодаря высоким механическим свойствам широко ис­пользуют в производстве товаров народного потребления (инстру­ментов, электротоваров, приборов для окон и дверей и др.).

Они отличаются упругостью, гибкостью, твердостью и хоро­шими магнитными свойствами, но в то же время имеют низкие коррозионные свойства. Марки сталей указаны в ГОСТ 380—71 и в ГОСТ 1050-74

.По химическому составу стали делят на углеродистые, содер­жащие, кроме железа и углерода, примеси марганца, кремния, фосфора, серы и кислорода, и легированные, в состав которых для улучшения свойств специально вводят один или несколько леги­рующих элементов, например никель, хром.

В зависимости от области применения различают стали кон­струкционные, содержащие углерода до 0,65%, и инструменталь­ные —от 0,65 до 1,5%. Из конструкционных сталей изготовляют различные строительные конструкции и товары, детали машин, а из инструментальных сталей — преимущественно инструменты.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качест­венные и высококачественные. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества обладают достаточно высокой проч­ностью и пластичностью.

По ГОСТ 380—71 углеродистая конструкционная сталь обык­новенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы — А, Б, В. Конструкционные стали обыкновенного качества применяют для изготовления посуды, приборов для окон и дверей, кухонных принадлежностей и для других целей.

Качественные конструкционные стали имеют более высокие показатели физико-химических свойств и меньшее содержание фосфора и серы. Стали марок Ст. 1 и Ст. 2 характеризуются вы­сокой пластичностью и применяются для изготовления заклепок. Основные строительные стали — марок Ст. 3 и Ст. 5, из них изго­товляют несущие металлические конструкции и арматуру для железобетона. Сталь Ст. 3 пластична, хорошо сваривается и обра­батывается. Из сталей марок Ст. 4 и Ст. 5 вырабатывают шурупы, болты, рессоры и т. д.

Свойства инструментальной стали отдельных марок и, следо­вательно, ее назначение различны. Так, из сталей марок У7, У7А и У8А, обладающих вязкостью и умеренной твердостью, изготов­ляют инструменты для обработки древесины, слесарные молотки, зубила, монтажные инструменты. Стали более высоких марок со­держат больше углерода, твердость и хрупкость их выше, а вяз­кость ниже, поэтому и назначение их несколько иное. Например, сталь марок У12 и У13 применяют для изготовления инструмен­тов, обладающих высокой твердостью,— напильников, метчиков, плашек.

Нержавеющие стали содержат в качестве легирующего компо­нента хром, никель, титан. При производстве товаров народного потребления применяют стали марок 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 и т. д. Из нержавеющей стали изготовляют посуду, столовые при­боры и др.

Цветные металлы

Из цветных металлов важное промышленное значение имеют алюминий, медь, никель, цинк, олово, свинец, а также магний и титан

.Алюминий и его сплавы. Алюминий — легкий металл, обла­дающий высокой пластичностью, хорошей электропроводностью и коррозионной стойкостью. Химическая стойкость алюминия объясняется образованием на его поверхности тонкой, но доста­точно прочной окисленной пленки, которая хорошо защищает ме­талл от коррозии. Чем чище алюминий, тем устойчивее он к соляной кислоте. Алюминий хорошо прокатывается, прессуется, вытягивается в проволоку, штампуется, причем и в горячем (при 500—400°С) и в холодном состоянии. Применяют его для изго­товления токоведущих жил, проводов, а также других деталей и изделий для проведения электрического тока, посуды, столовых приборов и ножевых изделий и др. Марки алюминия указывают­ся в ГОСТ 11069-74.

Алюминиевые сплавы характеризуются небольшим удельным весом, значительными тепло- и электропроводностью, высокими механическими свойствами, сравнительной легкостью технологи­ческого процесса производства (литье и обработка давлением).

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изде­лий делят на деформируемые — из них изделия вырабатывают методами давления и литейные — изделия получают литьем. В качестве литейных сплавов чаще всего применяют алюминие­вые сплавы с кремнием, медью й магнием. Сплавы алюминия с кремнием (силумин) отличаются хорошими литейными свойства­ми (высокой жидкотекучестыо и малой усадкой), большей плот­ностью и повышенными механическими свойствами по сравнению с алюминием. Сплавы алюминия с магнием характеризуются вы­сокими механическими свойствами и хорошей сопротивляемостью коррозии.

Дюралюминий представляет собой сложные сплавы алюминия с медью, марганцем и магнием. Марганец увеличивает твердость и коррозионную стойкость дюралюминия. Из дюралюминия изго­товляют трубки, ленты, полосы, листы, прутки, из которых ков­кой, штамповкой и другими методами давления вырабатывают детали мотоциклов, автомобилей, приборов, колясок, санок и т. д.

Вторичные алюминиевые сплавы — сложные сплавы, получае­мые переплавкой лома, утиля, отходов производства, брака.

Медь и ее сплавы. Медь обладает высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью, повышенной коррозионной стойко­стью. Из-за высокой электропроводности ее используют в ос­новном для изготовления токоведущих жил в электрических про­водах и шнурах, различных деталей и изделий (шайб, прокладок, трубок), эксплуатируемых в агрессивных средах.

Широкое применение в производстве товаров народного пот­ребления получили сплавы меди — латуни, бронзы, мельхиор, нейзильбер.

Латуни имеют большую прочность, пластичность и твердость по сравнению с чистой медью, они также более жидкотекучи и коррозионностойки. Латунь применяют для изготовления посуды, музыкальных инструментов, листов, проволоки, литой и штампо­ванной арматуры и т. д.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и дру­гими элементами. Оловянные бронзы отличаются высокой корро­зионной стойкостью, хорошей жидкотекучестью и повышенными антифрикционными свойствами.

Мельхиор — сплав меди с никелем и небольшим количеством кобальта. Он имеет высокую коррозионную стойкость, хорошо обрабатывается штамповкой. Из мельхиора изготовляют посуду, столовые приборы, галантерейные изделия.

Нейзильбер — сплав меди с никелем и цинком. Он является заменителем мельхиора и применяется для изготовления тех же изделий, что и мельхиор.

Никель и его сплавы. Никель — ковкий, светло-серый с ед­ва уловимым коричневым оттенком металл. Он имеет высокую прочность и в то же время значительную пластичность, обладает большой химической стойкостью, ферромагнитностыо и высокой температурой плавления.

Никель устойчив в сухой и даже влажной атмосфере, в дис­тиллированной, морской и водопроводной воде, щелочных раство­рах и расплавленных щелочах, большинстве неорганических со­лей, органических кислотах. Он растворяется в соляной, серной и азотной кислотах. С большим количествохм металлов никель обра­зует двойные и более сложные твердые растворы, которые обла­дают высокими прочностью и пластичностью, повышенным элек­тросопротивлением, малым температурным коэффициентом элек­тросопротивления, хорошей жаропрочностью и значительной коррозионной стойкостью, являются прекрасным конструктивным материалом. Поэтому никелевые сплавы получили широкое рас­пространение в промышленности в качестве электротехнических и коррозионноустойчивых сплавов.

Цинк и его сплавы. Цинк имеет голубовато-белый цвет. В сла­бых щелочах и кислых средах цинк обладает низкой коррозион­ной стойкостью, а в атмосфере — это коррозионностойкий ме­талл.

Марки цинка по ГОСТ 3640-75: ЦВ00, ЦВО, ЦВ1, ЦВ, ЦОА, Ц0, Ц1, Ц2, ЦЗ.

Цинк, как и олово, применяют для нанесения защитных по­крытий. Основные примеси цинка — свинец, железо, олово и кад­мий.

Цинковые сплавы благодаря хорошим механическим свойст­вам, высокой способности к заполнению литейных форм являются самыми распространенными из всех сплавов для литья под дав­лением. Они обладают прекрасной способностью воспринимать различные покрытия — хромом, никелем, кадмием.

Олово. Этот металл относится к группе легкоплавких. Олово очень пластично, обладает значительной химической стойкостью, не окисляется на воздухе, даже влажном, устойчиво в органиче­ских кислотах и кипящей воде. Оно неустойчиво в соляной кис­лоте, более устойчиво в сернох! и поддается действию щелочей в присутствии кислорода воздуха. Применяют олово для лужения жести и для других целей.

Свинец. Он является самым мягким из всех технических ме­таллов В ГОСТ 3778—74 указаны марки свинца: С0000, С000, СО, CI, С2, СЗ.

Благородные металлы. К ним относят золото, серебро, плати­ну и металлы платиновой группы (палладий, иридий, осмий и др.). Эти металлы обладают высокой коррозионной стойкостью, не окисляются в атмосфере, воде, кислых и щелочных средах.

Серебро — наиболее электро- и теплопроводный металл, имеет высокую пластичность, механические свойства его близки к свой­ствам меди. Золото также отличается высокой электро- и тепло­проводностью. У металлов платиновой группы эти показатели ниже. Золото обладает высокой ковкостью и способностью рас­плющиваться и прокатываться в тончайшие листки. Платина и палладий очень пластичны. Металлы платиновой группы почти не поддаются воздействию минеральных и органических кислот и щелочей, растворяются они «царской водкой». Для благородных металлов характерно образование в большинстве случаев при сплавлении друг с другом однородных твердых растворов.

Марки золота и его сплавов указываются в ГОСТ 6835—72.

Коррозия металлов

Коррозией металлов и сплавов называется их самопроизвольное, начинающееся с поверхности разрушение, которое происходит вследствие химических и электрохимических процессов, возник­ших в металле под воздействием внешней среды. Из-за коррозии изделия приходят в частичную и полную непригодность. Причи­ны, вызывающие коррозию, многообразны, основные из них — это попадание на поверхность металлов атмосферных осадков, газов, растворов кислот, щелочей, солей, бензина, керосина, морской или речной воды и др. В зависимости от среды, в которой протекает процесс, различают электрохимическую и химическую корро­зию.

Электрохимическая коррозия сопровождается появлением электрического тока. Она протекает в электролите — водном раст­воре, способном проводить электрический ток. Электролитами мо­гут быть кислоты, щелочи, их растворы, растворы солей в воде, вода, содержащая растворенный воздух, и др.

Химическая коррозия не сопровождается появлением электри­ческого тока. В этом случае на металл действует сухой газ или Жидкость, причем неэлектролит (бензин, масло, смола и т. п.). При этом на поверхности металла образуются химические соеди­нения, чаще всего пленки окислов. Пленки окислов разных ме­таллов различны; так, пленки окислов железа непрочные, легко нарушаются, и железо продолжает ржаветь. Химическая коррозия в чистом виде наблюдается редко. Примером ее может служить появление окалины при горячей обработке металлов.

Наиболее общеизвестна атмосферная коррозия металлов. Воз­никновение ее обусловлено влажностью воздуха, даже в закрытом помещении. Атмосферная коррозия (на открытом воздухе) как бы совмещает химическую и электрохимическую коррозию.

Мерой коррозионной стойкости металлов является скорость коррозии в данной среде и в данных условиях, которую обычно выражают массой металла (в г), превращенного в продукты коррозии за единицу времени (1 ч), относительно единицы его поверхности (1 м²). На скорость коррозии влияют состав метал­лов, механическая и термическая обработка, среда (воздух, вода, растворы кислот), температура, давление и характер нагрузки.

По характеру разрушения коррозию делят на равномерную, неравномерную, местную, сплошную, подповерхностную, точеч­ную, сквозную, межкристаллитную, язвенную.

Равномерной называется сплошная коррозия, протекающая с одинаковой скоростью по всей поверхности металла.

Неравномерная коррозия протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла. Она значительно опаснее равномерной: при сравнительно небольшом количестве окисленного металла вызывает большое уменьшение сечения в от­дельных местах.

Местная коррозия встречается лишь на некоторых участках поверхности металла.

Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла, на­ходящегося под воздействием данной коррозионной среды.

Подповерхностная — местная коррозия, начинающаяся с по­верхности, но распространяется она преимущественно под поверх­ностью металла так, что разрушение и продукты коррозии сосре­доточиваются внутри металла.

Точечная — это местная коррозия в виде отдельных пятен.

При сквозной коррозии металл разрушается насквозь.

Межкристаллитная коррозия распространяется по границам кристаллитов (зерен) металла.

Коррозионная язва — местное коррозионное разрушение, име­ющее вид отдельной раковины.

Коррозионное растрескивание — это коррозия металла при од­новременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений растяжения с образова­нием трещин.