Порядок виконання роботи

1. Вивчити структуру сталей і чавунів.

2. Намалювати структури доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталі, доевтектичного, евтектичного і заевтектичного білого чавуна; сірого чавуна з пластинчастою, кулястою формою графіту, вказавши структурні складові.

3. Визначити за мікроструктурою наближений вміст вуглецю в доевтектоїдній сталі.

4. Зробити висновки.

Зміст звіту по лабораторній роботі

Звіт по лабораторній роботі повинен містити:

- Тему, мету та перелік обладнання;

- Короткі дані та теорії структури і властивостей сталі та чавунів;

- Фрагмент діаграми Fe – Fe₃C з визначенням критичних точок для доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталі, доевтектичного, евтектичного і заевтектичного білого чавуна, вказавши структурні складові;

- Рисунки структури доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталі, доевтектичного, евтектичного і заевтектичного білого чавуна; сірого чавуна з пластинчастою, кулястою формою графіту, вказавши структурні складові;

- Визначені за мікроструктурою наближений вміст вуглецю в доевтектоїдній сталі;

- Обґрунтовані висновки по проведеним дослідженням.

Контрольні питання

1. Який сплав називають технічним залізом?

2. В якій фазі діаграми стану знаходиться ферит?

3. Який вміст вуглецю у доевтектоїдних сталях?

4. Яку структуру мають евтектоїдні, заевтектоїдні сталі?

5. Якими властивостями володіють сплави зі структурою «Цементит»?

6. Як по призначенню поділяють вуглеводні сталі?

7. Який сплав називають чавуном?

8. Які особливості структури доевтектичних чавунів?

9. Яким шляхом одержують виливку із чавуна в машинобудуванні?

10. Які постійні домішки присутні у сірому чавуні?

11. Яким чином одержують ковкий чавун?

12. Яку структуру мають феритні і перлітні ковкі чавуни?

Лабораторна робота 4

Тема: МІДНІ ТА АЛЮМІНІЄВІ СПЛАВИ. АНТИФРИКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

Мета роботи: Вивчити структуру, властивості й область застосування мідних та алюмінієвих сплавів; призначення і вимоги, пропоновані до антифрикційних матеріалів, їхню структуру і властивості.

Теоретична частина

Сплави міді- латуні і бронзи – мають високу теплопровідність і електричну провідність, володіють корозійною стійкістю у вологій атмосфері, немагнітні. Високі пластичні властивості мідних сплавів дозволяють одержувати з них вироби складного профілю. Мідні сплави є надійними матеріалами для роботи при дуже низьких температурах (-250°С (230К)). Їхні недоліки – велика питома вага і низькі властивості при підвищених температурах.

Латуні – сплави міді з цинком. У кількості до 39% цинк утворює з міддю твердий розчин α – так названу α- латунь. При більшому вмісті цинку в сплавах виникає інша фаза – β-твердий розчин (Рис. 10). Двохфазні латуні називають α+β - латунями. Наявність у структурі більш міцної і твердої β-фази сприяє підвищенню міцності латуні, однак, різко знижує її пластичність. Тому α-латуні використовують для деталей, що оброблюються тиском (прокаткою, штамповкою), а α+β-латуні – для деталей, що одержуються литтям і обробкою різанням. Однофазні латуні добре деформуються як у гарячому, так і в холодному станах. Найбільш високу пластичність має латунь Л68 (68% міді), яка називається «патронно» і застосовується для виготовлення деталей глибокою штамповкою.

Типовим представником двохфазної латуні є мунц-латунь (Л60), що містить 60% міді (Рис. 11), яку піддають гарячій обробці тиском і поставляють у вигляді прутиків, стрічок і т.д.

Рисунок 10 – Діаграма стану сплавів Cu-Zn

Рисунок 11 – Мікроструктури латуней

а) - латунь Л80 (α - латунь); б) - латунь Л59 (α+ β ) після відпалу

Практичне застосування мають латуні, що містять не більше 45% цинку, тому що при великій кількості цинку сплави стають крихкими. Варто засвоїти, що латуні маркують буквою Л з указанням вмісту міді: Л96, Л90, Л85, Л70, Л68, Л62, Л60, Л59.

Крім простих застосовуються спеціальні латуні, у які для надання їм певних властивостей вводяться додаткові елементи. У виробництві приладів, годинникових механізмів, кріпильних деталей і т.д. використовують автоматні латуні типу ЛС59-1 з добавками 1-2% свинцю для поліпшення обробки. Олово підвищує опір корозії в морській воді (морська латунь Л070-1).

Алюміній, залізо, нікель, марганець вводяться для підвищення механічних властивостей латуней.

Бронзи – це сплави міді з іншими елементами, до складу яких може входити і цинк. Одним з найбільш давно відомих людству сплавів є олов’яна бронза. Однак, у зв'язку з дефіцитністю олова з'явилися алюмінієві, свинцеві, кремнієві, берилієві та інші бронзи.

Необхідно пам'ятати, що олов’яні бронзи мають широкий інтервал кристалізації (відстань між лініями ліквідус і солідус 150-160 °С). Наслідком цього є значна дендритна ліквація і пористість виливків. З олов’яної бронзи неможливо одержати щільний, у гідравлічному відношенні, виливок. Для підвищення щільності виливків застосовують прискорене охолодження, лиття під тиском чи вводять спеціальні добавки. У практичних умовах охолодження бронзи з вмістом олова понад 6-7% є двохфазні.

При вмісті олова до 6-7% олов’яна бронза має структуру α-твердого розчину, неоднорідного за хімічним складом.

Олов’яна бронза раніше мала дуже широке поширення завдяки високим ливарним властивостям (рідкотекучості та малій усадці), міцності, твердості, стійкості проти корозії і красивому жовтуватому кольору. Бронза з змістом олова до 5% використовувалась для виготовлення монет і медалей.

Двохфазні олов’яні бронзи використовують, коли потрібна висока корозійна стійкість у сполученні з достатньою стійкістю. Вони мають також високі антифрикційні властивості при роботі в парі зі сталлю. Для здешевлення олов’яних бронз в них вводиться деяка кількість цинку, а для поліпшення обробки – свинець. Необхідно засвоїти, що бронзи маркуються буквами Бр з зазначенням кількості легуючих елементів у відсотках і їх позначень буквами російського алфавіту. Наприклад, БрО5Д5Ц2 - арматурна бронза, БрО10Ф1 - антифрикційна бронза. Основне застосування олов’яних бронз: складні виливки, вкладиші підшипника, арматура.

Безолов’яні бронзи мають високі механічні, антикорозійні й антифрикційні властивості. Широке розповсюдження в машинобудуванні одержали алюмінієві бронзи. Однофазні алюмінієві бронзи БрА5 і БрА7 легко піддаються холодній і гарячій пластичній деформації. Бронза БрА5 застосовується для карбування монет, і БрА7 – для виготовлення пружин у приладобудуванні. Двохфазна бронза БрА10 завдяки наявності евтектоїдного перетворення може піддаватися всім видам термообробки, відрізняється підвищеною корозійною стійкістю й антифрикційними властивостями, що дозволяє застосовувати її для виготовлення деталей, які працюють на тертя (шестерні, зубчасті колеса), у суднобудуванні.

Як антифрикційний матеріал для вкладишів підшипників, котрі знаходяться під великим навантаженням, застосовується свинцева бронза марки БрСЗО. Цей сплав має високу теплопровідність і допустиме нагрівання в процесі роботи до температури 300 - 320 °С (573...593К)

Берилієва бронза БрБ2 - сплав, що піддається термічній обробці. Після гартування при температурі 300°С (1073 К у воді і старінні при температурі 300...350 °С (573...623 К)) вона має високу міцність, твердість (350-400 НВ (3500-4000 Н/мм²)), пружність при одночасно високій хімічній стійкості, гарній зварюваності й обробці різанням. Берилієва бронза застосовується для відповідальних пружин, мембран, контактів, що пружинять, та інших деталей.

Рисунок 12 – Діаграма стану сплавів Аl - Cu

З кольорових металів алюміній має найбільше поширення. Він характеризується високою пластичністю, електричною провідністю і корозійною стійкістю. Варто пам'ятати, що міцність чистого алюмінію мала (σ = 10кгс/мм² (100 МПа)) і тому застосовувати його як конструкційний матеріал недоцільно. У чистому вигляді алюміній використовується для виготовлення проводів, посуду, фольги.

Сплави алюмінію мають більш високі механічні властивості і широко використовують в техніці, тому що мають високу питому міцність (σ =18).

Алюмінієві сплави ділять на деформовані, ливарні і спечені.

Деформовані сплави бувають зміцнені й не зміцнені термічною обробкою. Серед деформованих алюмінієвих сплавів широке промислове застосування одержали дуралюміни – сплави системи Al-Cu-Mg. Вони відносяться до групи деформованих сплавів, зміцнених термічною обробкою. Основними зміцнюючими компонентами в цих сплавах є мідь і магній, хімічний склад дюралюмінію у %, приведений у табл. 10.

Таблиця 10

Марка	Мідь	Магній	Марганець	Кремній	Залізо
Д1	3,8 – 4,8	0,4 – 0,8	0,4 – 0,8	0,7	0,7
Д16	3,8 – 4,5	1,2 – 1,8	0,3 – 0,9	0,5	0,5

Для підвищення механічних властивостей дуралюміни піддають гартуванню і старінню.

В результаті гартування (нагрівання до Т = 495-510 °С, витримки і послідуючого охолодження у воді) фіксується перенасичений твердий розчин міді в алюмінії (Рис. 12). У гартованому стані сплав зберігає високу пластичність, що дозволяє проводити різні технологічні операції – згинання, рихтування і т.п. Зміцнення дуралюмінів настає в результаті їхнього старіння після гартування. Процес старіння, в основі якого лежить розпад перенасиченого твердого розчину, відбувається як при кімнатній температурі (природне старіння), так і при нагріванні сплаву до температури 150-200°С (423-473К) (штучне старіння).

При природному старінні в ґратках α-розчину виникають угрупування з атомів міді, які називаються зонами Гіньє-Престона (ГП). Вони являють собою диски діаметром до 100 А і товщиною в кілька атомних шарів.

Після гартування і старіння межа міцності дуралюмінів досягає 46 кгс/мм² (460 МПа), тоді як після відпалу чи гартування сплави мають вдвічі меншу міцність.

Необхідно пам'ятати, що найбільш розповсюдженими ливарними алюмінієвими сплавами є силуміни – сплави алюмінію, що містять до 14% кремнію. Вони добре заповнюють форму і мають малу усадку.

Рисунок 13 – Діаграма стану Al-Si

Алюміній із кремнієм дає евтектику, що містить 11,6% Si. (Рис. 13).

Більшість використовуваних силумінів є доевтектичними сплавами, тому що заевтектичні містять у структурі великі первинні кристали Si і відрізняються крихкістю.

Структура доевтектичного α-силуміну, як це видно з діаграми стану, складається з твердого розчину і евтектики.

На рис.14 показана структура заевтектичного силуміну, що складається з надлишкових кристалів кремнію і евтектики (α+Si), у якій кремній знаходиться у вигляді великих голок.

Якщо силумін піддати модифікуванню, тобто перед розливанням ввести в рідкий сплав невелику кількість натрію (не більше 0,01%) чи суміш його солей (2/3NaF +1/3NaCl ), то евтектика стає дрібнозернистою. Крім того, заевтектичний сплав з 12-14% Si робиться за структурою доевтектичного – відбувається зрушення евтектичної точки вправо.

В результаті модифікування зерно подрібнюється. Модифікування дає різке підвищення механічних властивостей. Міцність В і пластичність силумінів зростають.

Рисунок 14 – Мікроструктура силуміну: до модифікування

Сплави з яких виготовляють вкладиші підшипників ковзання, називають антифрикційними чи підшипниковими.

До підшипникових сплавів відносяться бабіти (олов'яні, свинцеві, кальцієві й алюмінієві), бронзи (олов’яні, свинцево-олов’яні і свинцеві), порошкові сплави з залізного чи бронзового порошку з графітом і сірі чавуни.

До матеріалу підшипника висуваються наступні основні вимоги:

1) малий коефіцієнт тертя між поверхнею вала і поверхнею підшипника;

2) мале зношення поверхонь, що труться, особливо вала;

3) мінімальна деформація при великих питомих тисках;

4) у процесі роботи повинно добре відводитись тепло.

Усе це забезпечується структурою антифрикційного сплаву, що представляє собою м'яку основу з твердими включеннями. При цих умовах, зношується пластична основа, а вал в основному спирається на тверді включення, тому тертя йде не по всій поверхні підшипника. При цьому змащення добре утримується в місцях пластичної основи, що зношується, (гетерогенна структура матеріалу). Таку будову мають білі антифрикційні сплави, так звані бабіти. Бабіт Б83 містить 83%Sn, 6%Cu і 11% Sb. Його структура (Рис. 16) складається з кубічних кристалів Sn-Sb, голчастих кристалів (зірочки) Cu₆ Sn₅ і основи твердого -розчину (Sb u Cu в Sn ).

Рисунок 16

Мідь додають у сплав щоб уникнути ліквації по питомій вазі, мідь з оловом утворює тугоплавке з'єднання Cu₆ Sn₅, яке твердне у вигляді «кістяка» при більш високих температурах, порівнюючи з іншими складовими, затрудняє ліквацію твердих розчинів α и β.

Варто засвоїти, що бабіт марки Б83 має високу зносостійкість і корозійну стійкість. Однак, цей бабіт внаслідок наявності в ньому значних твердих включень схильний до втомних руйнувань. Для усунення цього недоліку використовують бабіт з меншим вмістом сурми і міді: 89% Sn, 7% Sb і 4% Си , що маркують Б89 і застосовують для автомобільних підшипників. Бабіти Б83 і Б89, які містять велику кількість олова, дуже дорогі та дефіцитні, тому їх використовують тільки в тих випадках, коли бабіти інших типів не можуть бити застосовані.

В залізничному транспорті широко використовується кальцієвий бабіт БК-сплав свинцю з невеликими добавками кальцію і натрію: 0,85-1,15% Са, 0,60-0,90% Na, інше свинець. Для поліпшення пресування до корпуса підшипника в бабіт БК вводять олово (1,5-2,5%, а також магній 0,04-0,1%) для підвищення твердості, корозійної стійкості і зменшення вигоряння кальцію і натрію. Такий бабіт маркується індексом БК2.

Як антифрикційні матеріали використовують бронзи, сірі, ковкі і високоміцні чавуни з перлітною основою і підвищеною кількістю графіту. Будучи змазкою, графіт сприяє пониженню коефіцієнта тертя.

В даний час одержали високе поширення порошкові антифрикційні сплави. Як матеріал застосовують залізний чи мідний порошки і графіт. Так, якщо не виникає небезпека корозії, беруть залізний порошок і додають до нього 1 -2% графіту. В інших випадках підшипники виготовляють із суміші порошків міді, олова і графіту. Після пресування і спікання порошкові підшипники мають пористість 20-30% і, просочені олією, забезпечують високу зносостійкість при малому коефіцієнті тертя. Недоліком таких підшипників є мала міцність, тому їх не можна використовувати при великих навантаженнях.