3. Основні відомості про матеріали

Чорні метали До чорних металів належать чавуни і сталі, що представляють собою сплави заліза з вуглецем, до складу яких входять ще й кремній, марганец, сірка та інші елементи. Чавун - залізовуглецевих сплавів, в якому вміст вуглецю перевищує 2%. До складу його також входять кремній, марганець, фосфор і сірка. Чавун виплавляється в доменних печах із залізних руд. Вихідними матеріалами для його отримання крім руди служать паливо і флюси. Залізна руда являє собою гірську породу, в якій містяться сполуки заліза і домішки інших елементів. Чавун одержують з червоного, бурого і магнітного залізняків. В якості палива використовують головним чином кам'яновугільний кокс. Флюси застосовують для відділення від залізної руди порожньої породи (оксиди кремнезему, кальцію, марганцю), яка, сприяючи утворенню шлаків, робить шкідливий вплив на процес виплавки чавуну. Чавуни, в яких вуглець міститься тільки у вигляді хімічної сполуки з залізом, мають у зламі білий колір. Вони погано обробляються різальним інструментом і зазвичай використовуються для одержання сталі. Ці чавуни називаються білими або передільного. Крім білого та сірого чавунів для відливання деталей в тракторної, автомобільної та інших галузях промисловості вживається ще й так званий ковкий чавун, який виходить з білого чавуну спеціальним відпалом (томлінням) його в особливих нагрівальних печах при температурі 950-1000 ° С . При цьому надмірна крихкість в твердість, характерні для білого чавуну, набагато знижуються. Ковкий чавун, як і сірий, не кується, а назва «ковкий» вказує лише на значну його пластичність. Сталь - сплав заліза з вуглецем, що містить вуглецю не більше 2%. В порівнянні з чавуном сталь володіє значно більш високими фізико-механічними властивостями. Вона відрізняється високою міцністю, добре обробляється різанням, її можна кувати, прокатувати, гартувати. Крім того, сталь в розплавленому стані рідкотекучий, з неї виготовляють різні виливки. Тому вона широко застосовується у всіх галузях народного господарства, особливо в машинобудуванні. Сталь отримують з передільного чавуну його переплавкою і видаленням надлишку вуглецю, кремнію, марганцю та інших домішок і виплавляють в мартенах, електропечах і конверторах. Найбільш поширеним способом отримання звичайних сортів сталі є мартенівський, а для виплавки високоякісних сталей застосовують електроплавку. Вуглецева сталь широко використовується в промисловості. Основ-ною складовою частиною, що визначає її механічні та інші властивості, є вуглець. Збільшення вмісту вуглецю в сталі підвищує міцність і твердість, але зменшує в'язкість і робить її більш крихкою. У залежності від призначення вуглецева сталь ділиться на конструкційну та інструментальну. До складу легованої сталі крім вуглецю вводять елементи, що поліпшують її властивості. До таких елементів відносяться: хром, нікель, кремній, вольфрам, марганець, ванадій, кобальт і ін В залежності від вводяться Лігір елементів стали діляться на хромисті, нікелеві, кременисті, хромонікелеєві, хромованадієва та ін Легуючі елементи надають стали в залежності від її призначення необхідні властивості. Розглянемо, який вплив роблять вони на властивості стали. Хром сприяє збільшенню міцності сталі, її твердості і опору зносу. Нікель збільшує міцність, в'язкість і твердість сталі, підвищує її корозійну стійкість.Кремній при вмісті його більше 0,8% збільшує міцність, твердість і пружність сталі, знижуючи при цьому її в'язкість. Марганець підвищує твердість і міцність сталі, поліпшує її зварюваність. Легована сталь за кількістю введених в неї легуючих елементів класифікується на низьколеговану (до 5% легуючих елементів), середньолегованих (від 5 до 10%) і високолеговану (понад 10%).

За призначенням леговані сталі, як і вуглецева, підрозділяється на конструкційну та інструментальну. Тверді сплави Тверді металокерамічні сплави відносяться до групи матеріалів, що володіють великою твердістю, красностойкость (до температури 1200 °), високими властивостями різання металів (до 2000 м / хв) і опором стиранню. На відміну від вуглецевої сталі металокерамічні тверді сплави ніякої термічної обробки не потребують. Завдяки вказаним перевагам металокерамічні тверді сплави знайшли широке застосування у всіх галузях промисловості при обробці металів різанням (виготовлення ріжучих інструментів), тисканням (при волочінні, штампуванні, калібруванні та ін.) Металокерамічні сплави виготовляють з дрібних порошків вольфраму або іншого тугоплавкого металу і сполучного порошку в'язкого металу (кобальту або нікелю). Після ретельного перемішування таких порошків в певних вагових кількостях їх засипають у спеціальні сталеві прес-форми, і ця суміш пресується під тиском 1000 - 4200 кгс/см2. Відповідно до ГОСТ 3882-53 металокерамічні тверді сплави, що випускаються в СРСР, поділяються на дві основні групи: вольфрамокобальтовие, що складаються з вольфраму і кобальту, і тітановольфрамовие, що складаються з вольфраму, титану і кобальту. Вольфрамокобальтовие сплави мають дещо меншою твердістю, але зате більш в'язки, ніж тітановольфрамовие. Кольорові метали У сучасному машинобудуванні кольорові метали та їх сплави знаходять широке застосування, а в деяких областях, наприклад літакобудуванні, радіо і електротехніці, є основними матеріалами. Кольорові метали зустрічаються в природі рідше чорних і добувати їх важче, тому вони порівняно дороги й більше дефіцитні, чим чорні метали. У сучасному машинобудуванні найчастіше застосовують сплави кольорових металів: міді, свинцю, олова, алюмінію, магнію, цинку. Мідь за своїм значенням в машинобудуванні є найбільш цінним технічним матеріалом. Вона добре сплавляється з більшістю металів. Мідь - метал; у чистому вигляді має червоний колір, тому називається червоною міддю. Чим чистіше мідь, тим рожевого її колір і дрібніше зерна структури в зламі; чим більше в ній домішок, тим грубіше і темніше злам. Разом з тим мідь завдяки антикорозійним властивостям знаходить застосування при виготовленні хімічної апаратури. Обробка міді ріжучим інструментом утруднена через її в'язкості, так як при обробці мідь налипає на різальний інструмент. Алюміній - один з легких металів сріблясто-білого кольору, приміняють в техніці. Питома вага алюмінію 2,7 г/см3, температура плавлення 658 °. Він характеризується хорошою тепло-і електропровідністю. На вологому повітрі алюміній швидко покривається міцною тонкою захисною плівкою окису сірого кольору, яка захищає його від подальшого окислення (корозії). Алюміній - м'який і в'язкий метал, добре відливається. У холодному стані в'язкість алюмінію невелика, але сильно підвищується при нагріванні, а при температурі 430 ° з алюмінію можна прокатувати листи самих тонких розмірів. Внаслідок високої електропровідності алюміній широко виконується в електропромисловості для виготовлення шин, кабелів, проводів і т. д. У авіапромисловості алюміній використовують для виготовлення труб (бензопроводу і маслопроводів), в харчовій промисловості - для виготовлення фольги (тонких листів). Алюміній також знаходить широке застосування у вагонобудуванні та приладобудуванні.

Магній - дуже м'який метал з питомою вагою 1,7 г/см3, сріблясто-білого кольору, з температурою плавлення 651 °. Він володіє великою корозійною стійкістю. У чистому вигляді магній майже не застосовується (крім піротехніки). В основному магній використовується для приготування легких сплавів.

Свинець - метал голубувато-сірого кольору з температурою плавлення 327 ° і питомою вагою 11,3 г \ см3. Він володіє високою пластичністю, дуже легко обробляється тиском навіть в холодному стані і на повітрі швидко покривається плівкою окису, після чого стає настільки стійким проти подальшого окислення, що не піддається роз'їдання не тільки у воді, але і в кислотах - сірчаної і соляної. Завдяки кислототривкі свинець застосовується в хімічній промисловості для виготовлення різних кислототривких судин, а також травильних ванн, кабельних оболонок, пластин електричних акумуляторів і т. д. Олово - блискучий білий метал з температурою плавлення 232 ° і питомою вагою 7,3 г/см3. Олово-дуже м'який (НВ = 5-8) і неміцний (σb = 2-4 кгс/мм2) метал, що володіє високою пластичністю, що допускає його прокатку в тонку фольгу. При згинань олов'яного прутка чується особливий характерний тріск. Марки олова (0,1; 0,2; 0,3; 0,4) наведені в ГОСТ 860-41. При температурі нижче 18 ° біле олово перетворюється в крихке рество, яке розсипається в порошок. У чистому вигляді олово застосовується для лудіння посуду, виготовлення фольги. Найчастіше олово застосовується як добавка в сплави кольорових металів. Цинк - метал синювато-білого кольору, блискучий в свіжому зламі і швидко тускнеющій на повітрі, з питомою вагою 7,14 г/см3 і температурою плавлення 419 °. Цинк характеризується хорошою корозійною стійкістю і в гарячому стані легко з'єднується з залізом, тому часто використовується для виготовлення оцинкованого заліза. Сплави кольорових металів У машинобудівній промисловості велике застосування мають сплави, що відрізняються від кольорових металів більш високою міцністю, кращої оброблюваністю, ливарними і іншими властивостями, необхідними для виготовлення деталей машин, приладів, і різних виробів. З міді і цинку отримують мідний сплав - латунь, з міді і олова - бронзу, з алюмінію і міді - дюралюміній, з алюмінію і сурми - бабіт і т. д. Найбільше застосування в промисловості мають латуні, бронзи і бабіти. Латунь являє собою сплав міді з цинком. Процентне содержаніе цинку в сплаві змінюється в широких межах і впливає як на механічні властивості, так і на колір латуні. Зі збільшенням утримуючиня цинку до 45% механічні властивості латуні поліпшуються, межа прочности зростає до 40-50 кгс/мм2, а відносне подовження - до 55%. Температура плавлення різних латуней коливається в межах 800-1000 °. Чим більше в латуні цинку, тим нижче температура її плавлення. Бронзи являють собою сплав міді з оловом і іншими металами (свинцем, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, залізом). У зв'язку з дефіцітностью олова його застосовують обмежено, в основному використовують для приготування бронз. В залежності від складу бронзи діляться на оловяністие і безоловяністие (спеціальні), до яких відносяться алюмінієва, кремениста, свинцових та інші бронзи. Бронзи володіють хорошими ливарними і антифрикційними властивості-ми, високою міцністю і твердістю; при невеликому вмісті легуючихщих елементів бронзи обробляються тиском. Бабіт являє собою сплави олова і сурми з невеликою добавка міді. За ГОСТ 1320-55 бабіти позначаються літерою Б, а поруч стоять цифри показують вміст у сплаві олова. Наприклад, до складу бабіту Б83 входить 83% олова, 11% сурми і 6% міді. Існують наступні марки олов'янистих бабітів: Б89, Б83, ВН, БТ, Б16, Б6. Менше домішок мають бабіти Б89, Б83, БН (від 0,35 до 0,55%), у решти марках домішок більше (від 0,4 до 0,6%). Бабіт Б83 застосовується для заливки підшипників і вкладишів підшипників, турбін, дизелів, авіаційних і автомобільних двигунів.

Термічна обробка металів Необхідні механічні властивості металів, що забезпечують нормальную роботу сучасних деталей машин і інструменту, можуть бути отримані шляхом зміни хімічного складу або будови (структури) металу. Структуру металів можна змінити термічної (теплової) обраробкою.

Термічною обробкою називається сукупність операцій: нагрівання, витримки та охолодження металевих сплавів, що знаходяться в твердому состоянні, з метою надання їм необхідних властивостей: міцності, твердості, зносостійкості, оброблюваності або особливих хімічних і фізичних властивостей, а також зміни в них напруженого стану. Термічна обробка дозволяє змінювати механічні та фізичні властивості в широких межах. Термічній обробці піддаються як залізовуглецевих сплави, так і деякі сплави кольорових металів. Однак в машинобудівному виробництві найбільше практичне застосування знаходить термічна обробка сталі. Термічна обробка при виготовленні деталей зазвичай є одної з завершальних операцій, тому при її виконанні дуже важливо усувати все, що може призвести до браку або неповноцінності продукції. Властивості сталі і виготовлених з неї деталей залежать від температури і тривалості нагрівання, температури і тривалості витримки, від швидкості і кінцевої температури охолодження. Сукупність цих умов називають режимом термічної обробки. Відпал. Являє собою операцію термічної обробки, заклю-чающіхся в нагріві стали, витримці при даній температурі і подальші-щем повільному охолодженні разом з піччю або в піску зі швидкістю 2-3 ° у хвилину. В результаті відпалу утворюється стійка структура, вільна від залишкових напружень. Відпал є однією з найважливіших масових операцій термічної обробки сталі. Мета відпалу: 1) зниження твердості і підвищення пластичності для полегшення обробки металів різанням; 2) зменшення внутрішнього напруження, яке виникає після обробки тиском (кування, штампування), механічної обробки і т. д.; 3) зняття крихкості і підвищення опірності ударної в'язкості; 4) усунення структурної неоднорідності складу матеріалу, що виникає при затвердінні виливки в результаті ліквації; 5) зміна властивостей наклепаного металу. В залежності від поставлених завдань отжиг проводиться при различних температурах і буває двох видів: неповний і повний. Температура відпалу, як правило, повинна бути на 20-30 ° вище 723 ° (критичної точки), при якій відбувається основна зміна внутрішньої будови стали. Нормалізація є різновидом відпалу і відрізняється від нього тим, що охолодження оброблюваних деталей проводиться після нагріву і витримки на повітрі. Нормалізації піддаються штамповані і ковані заготовки як з вуглецевої, так і легованої сталі, а також цементирова деталі. Загартуванням називається термічна операція, що збільшує твердість і міцність оброблюваних деталей. Загартування здійснюється шляхом нагрівання сталі до певної температури, витримки при цій температурі і подальшого охолодження в різних середовищах: у водному розчині каустичної соди або кухонної солі, олії, а також у свинці, селітрі, лугах і т. д. Результати загартування залежать від наступних умов: температури нагріву, швидкості нагріву, тривалості витримки, швидкості охолодження. Відпусткою називається процес термічної обробки, застосовуваний після гарту стали для зменшення її крихкості і поліпшення оброблюваності. Відпустка полягає в нагріванні сталі до певної температури з наступним охолодженням у воді, маслі або іншому середовищі. В залежності від температури нагріву розрізняють низький, середній і високий відпустку.

Хіміко-термічна обробка сталі Хіміко-термічна обробка ставиться до процесів, що викликають зміни хімічного складу, структури і властивостей в поверхневих шарах сталевих деталей. Зміна хімічного складу досягається шляхом проникнення (диффузії) із зовнішнього середовища в поверхню нагрітої сталі різних елементів: вуглецю, азоту, хрому, алюмінію, в

результаті чого деталі, зберігаючи властивості основного матеріалу, набувають нових властивостей поверхневих шарів. Такий обробці дуже часто піддають деталі, від яких потрібно тверда, зносостійка і корозійностійких поверхню при збереженні в'язкою і досить міцною серцевини. Залежно від елементів, що насичують поверхню деталі, наступні види хіміко-термічної обробки: цементацію, азотування, алітірованіе, ціанування, хромування. Цементація. Заснована на властивостях заліза поглинати при високій температурі (900-950 °) вуглець. Отже, цементацією називається процес дифузійного насичення поверхневого шару маловуглецевих сталей вуглецем. Насичений вуглецем поверхневий шар називається цементувати шаром. Мета цементації - підвищення твердості або міцності деталі після загартування при збереженні в'язкої серцевини. Цементація в твердому середовищі. Склад карбюризатора може бути самий різний. Найбільш часто застосовується карбюрізатор, що має сле-дме складу (ГОСТ 2407-51): вуглекислий барій 20-25%, вуглекислий кальцій 3,5-55%, решта - деревне березове вугілля. Додавання до деревного вугілля вуглекислих солей прискорює процес. Процес цементації полягає в наступному: надійшла після ме-механічної обробки деталь (з припуском на подальшу обробку) перед цементацією ретельно очищають від окалини, бруду, іржі, слідів масла і просушують. Цементація в рідкому середовищі здійснюється шляхом занурення деталей в розплавлені солі, що містять карбід кремнію або кухонну сіль. Процес ведеться при температурі 820-850 ° протягом 0,5-2 годину. Рідкої цементації піддаються деякі дрібні деталі. Перевагою цементації в соляних ваннах є рівномірність нагріву і можливість безпосередньої гарту з цементаціонной ванни. Процес проходить швидше, ніж при цементації в твердому середовищі. Газова цементація виробляється в атмосфері газів, що містять вуглець (саратовський, генераторний газ). При газовій цементації деталі по-міщан у спеціальні печі-муфелі, через які пропускають гази, причому в камерах підтримують температуру в межах 900-950 °. Обтікаючи деталі, гази виділяють вуглець. В даний час застосовується швидкісна тазова цементація, при якій науглероженного шар товщиною 1 мм отримують за 45 хв замість 8:00, затрачуваних при звичайній газовій цементації. Азотування. Виконується подібно газової цементації. Через піч, нагріту до 500-600 °, пропускають аміачний газ, що містить азот і водень. Проникаючи в поверхневий шар завантажених у піч сталевих деталей, азот з'єднується з залізом і утворює дуже тверді з'єднання (нітриди). Ціанування. Полягає в одночасному насиченні поверхневого шару стали вуглецем і азотом на глибину 0,1-0,2 мм і вище з метою підвищення твердості і міцності деталей. Ціанування проводиться в твердій і рідкій середовищах, а також у газах. Газове ціанування полягає в нагріві деталей в газовому середовищі, що містить вуглець і аміак. Процес протікає від 1 до 9:00 при 750-850 °. Ціануванню піддають шестерні, що працюють при великих навантаженнях (коробки передач і заднього моста автомобілів і тракторів).  Алітірованіе. Полягає в насиченні поверхні сталевих деталей алюмінієм. При алітірованія деталі упаковуються в чавунні чи сталеві ящики із сумішшю, що складається з 49% алюмінію, 49% окису алюмінію і 2% нашатирю. У цій суміші деталі витримують від 5 до 15 год при температурі від 900 до 1050 °. Охолодження здійснюється разом з піччю.