1403

рая затем спекается при высоких температурах в контролируемой атмо­ сфере (порошковая металлургия).

Обрабатываемость резанием (механическая обработка) - способность материалов (металлов) подвергаться обработке режущим инструментом (токарная и фрезерная обработка, сверление, шлифование, полирование). Разные металлы обладают различным уровнем обрабатываемости в связи с их структурой и физико-механическими свойствами.

Получение изделий литьем металлов связано с рядом их литейных свойств (жидкотекучестью, линейной и объемной усадкой, литейными на­ пряжениями, трещиноустойчивостью и т.д.).

1. Черные металлы

Черные металлы - это большая гамма сплавов на основе железа от пластичных, ковких (мягкое железо, малоуглеродистые стали) до хрупких (чугуны).

Железо (Fe) - металл сравнительно мягкий (НВ 60-80) и пластичный

2

(5 = 45 %), но малопрочный (ав = 250 МПа или 25 кг/мм ), относится к ту­ гоплавким металлам (Гщ, =1808 К).

Для системы железо - углерод рассматривается интервал концентра­ ций углерода С = 0...6,67 %, то есть до образования карбида железа БезС как самостоятельного компонента. Концентрация 2,14 % углерода «делит» сплавы на две группы:

- сплавы с углеродом > 2,14 %, затвердевают с образованием в том числе эвтектики (эвтектика - сплав с углеродом 4,38 %, который уменьша­ етего пластичность); эти сплавы называются чугунами;

- сплавы с углеродом С < 2,14 % затвердевают с образованием твер­ дого раствора углерода в у-железе, называемого аустенитом (А); эти спла­ вы называют сталями; при углероде С > 0,8 % образуются стали, называе­ мые графитизированными (они используются редко); группа самой широ­ кой номенклатуры сталей, включая легированные (углерода < 0 , 8 %); ау­ стенит с 0,8 % < С < 2,14 % при охлаждении распадается на дисперсную смесь, состоящую из феррита и цементита, называемую эвтектоидом или перлитом; эти стали пластичны, особенно при их нагреве, и способны к деформированию под воздействием внешних сил (например, при ковке или при обработке давлением).

Чугун - сплав железа с углеродом, если содержание углерода в спла­ ве > 2,14 % (обычно 2,4-3, 8 %). В структуре чугунов обязательно присут­ ствует эвтектика - легкоплавкая композиция (Гпл= 1421 К), называемая

гими модификаторами в жидком состоянии перед заливкой. При затверде­ вании углерод выпадает в них в виде шаровидного графита (чугун с шаро­ видным графитом, ЧШГ). Такие включения не образуют острых надрезов в ферритной, феррито-перлитной или перлитной металлической матрице. Механические свойства высокопрочных чугунов существенно выше по сравнению с серыми чугунами (сгв достигает 1200 МПа (120 кг/мм2), 6 = =2... 17 %). Такие чугуны могут быть заменителями углеродистых сталей.

Чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) обладают физико­ механическими свойствами большими, чем серые чугуны, но меньшими, чем высокопрочные чугуны, однако ближе по этим свойствам к высоко­ прочным чугунам. Вермикулярный графит (ВГ) так же, как и пластинча­ тый графит (ПГ), имеет форму взаимосвязанных графитовых лепестков, но они отличаются от графитовых лепестков серого чугуна меньшим отноше­ нием длины к толщине. ЧВГ получают модифицированием жидких чугу­ нов лигатурами.

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и други­ ми элементами. Сталями считают сплавы с содержанием углерода от 0,05 %до 2,14 %. При содержании углерода 0,8 % наблюдается эвт ект о-

идное превращение. Образуется перлит как механическая смесь феррит + - цементит (~НВ 200). Стали, содержащие углерода более 0,8 %, называ­ ются заэвтектоиднылт. (графитизированными). Стали, содержащие угле­ рода менее 0,8 %, называются доэвт ект оидными. Этих сталей, в том числе содержащих, кроме углерода, другие элементы (в том числе легирующие), множество. Стали классифицируются по химическому составу, структуре, качеству и применению Химический состав и структура стали тесно взаи­ мосвязаны с ее физико-механическими свойствами. Обычно химический состав сталей регламентируется стандартами. По химическому составу стали делят углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь содержит до 135 % углерода, 0,2-0,8 % марганца, 0,1-0,4 % кремния, 0,03-0,06 % серы, 0,03-0,085 % фосфора С увеличени­ ем содержания углерода (примерно до 1 %) прочность сталей повышается, во затем снижается, а твердость только повышается, при этом пластиче­ ские свойства (8, \р) понижаются. Углеродистые стали бывают низкоугле­ родистые с содержанием углерода до 0,25 %, среднеуглеродистые с со­ держанием углерода от 0,25 % до 0,65 % , и вы сокоуглеродист ы е с содер­ жанием углерода от 0,65 до 135 %. По назначению углеродистые стали делят на конструкционные (С < 0,8 %) и инструментальные (С £ 0,7 %). Конструкционные стали есть обыкновенного качества и качественные. К а­ чественные конструкционные стали отличаются от обыкновенных более зьасокими механическими свойствами и применяются для изготовления иаиболее ответственных деталей. В них обязательно должно быть пони­

выколотку высокого рельефа, чеканку и штамповку. Медь и ее сплавы (бронзы, латуни) коррозионно-стойки, и изделия из них хорошо сохраня­ ются (в том числе, на открытом воздухе), покрываясь тонкой пленкой

(патиной).

Бронза оловянная, получают путем добавки олова к меди. Раньше од­ новременно с оловянной бронзой имели распространение мышьяковистая и мышьяковисто-сурьмянистая бронзы. «Бронзовый век» - это многовеко­ ваяэпоха в истории человеческой цивилизации.

Бронзы при содержании олова Sn до 4-6 % пластичны. У бронз проч­ ность и твердость выше, чем у чистой меди (ств = 137,2-245,5 МПа). Уве­ личение содержания олова ведет к повышению твердости и хрупкости бронзы. Они наиболее высоки при содержании олова более 25 %. Содер­ жание олова влияет на температуру плавления бронз: Тпл = 1253 К при 8 % олова, Тпп = 1073 К при 25 % олова. Плотность бронз равна 8600-

9400 кг/м3 Для художественно-декоративных целей важен цвет бронзы. «Бронзо­

вый» цвет наблюдается при содержании олова до 15 %, при 16-25 % олова бронза желтовато-белая, при содержании олова более 25 % - светло-серая, а при > 33 % - белая (похожая на серебро). Олово - дорогостоящий и де­ фицитный металл. Рекомендуется в литейных бронзах иметь не > 10 % олова, при этом нижний предел легирования рекомендуется в 2-3 %. Су­ ществуют безоловянистые бронзы: алюминиевые, марганцовые, свинцо­ вые, мышьяковистые, сурьмянистые.

Бронзы являются прекрасным материалом для художественно­ декоративных целей. Они долговечны, противостоят морозам, стойки про­ тив механических повреждений, позволяют получать изделия с выражен­ ным рельефом. Для художественного литья разработаны дешевые безоло­ вянистые бронзы. Бронзы остаются основными сплавами для изготовле­ ния монументальной скульптуры. Они обладают превосходным звоном и являются основным материалом для литья колоколов.

Латунь - сплав меди с цинком Zn (если содержание цинка не превы­ шает 50 %). Плотность латуней 8300-8600 кг/м3. В зависимости от состава их температура плавления равна 1153-1268 К. По химическому составу ла­ туни подразделяются на двойные - твердые растворы Cu-Zn и специаль­ ные, содержащие легирующие элементы: Fe, Mn, Ni, Si, Sn, Pb. Комплекс­ ное легирование латуней позволяет улучшать их механические и техноло­ гические свойства. Латуни с содержанием до 30 % цинка высокопластич­ ны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Из них делают фасонный прокат, катаные трубы, листы (в том числе тон­ кую фольгу). Они без затруднений механически обрабатываются, хорошо свариваются и паяются припоями, прекрасно полируются. Большой ряд

проводимость составляет 0,57 % этого показателя для меди - одного из са­ мых электропроводимых металлов. Алюминий и его сплавы сравнительно легко поддаются механической обработке. Сплавы на основе алюминия А1 делятся на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы созданы на основе систем А1 - Mn, А1 - Mg, А1 - Mg - Si, А1 - Си - Mg. У них а в колеблется в широких пределах от 130 МПа до 480 МПа. Все деформируе­ мые сплавы пластичны (5 = 8-23 %), особенно сплавы на основе систем А1 - Мп и А1 - Mg, у которых 6 = 15-23 %. Они хорошо свариваются. Для улучшения свойств алюминиевых сплавов их легируют Si, Си, Mg, Zn, Fe, Ni, Сг, Mn. Наибольшее распространение получили сплавы на основе сис­ темы А1 —S i, а также А1 —Si —Mg. Алюминий и его сплавы полируются до зеркального блеска. Он успешно наносится на поверхность разных ма­ териалов (например, нанесением тонкой пленки алюминия на стекло по­ лучают зеркала с превосходной отражательной способностью).

Магний (Mg) - самый легкий металл, используемый для конструкци­ онных сплавов (его плотность 1700 кг/м3). Гпл чистого магния 923 К. Его поверхностная окисная пленка пориста и малопрочна. Магний обладает' большой активностью к кислороду, даже склонен к самовозгоранию. В чистом виде магний как конструкционный материал практически не при­ меняют. Характерная особенность сплавов магния - малая плотность при сравнительно высоких механических свойствах (они почти в 4 раза легче бронзы). Это позволяет их использовать для уменьшения массы машин и механизмов. Существенным недостатком магниевых сплавов является их низкая коррозионная стойкость. При надлежащей защите от коррозии маг­ ниевые детали могут длительное время работать на воздухе. В настоящее время возрос интерес к магниевым сплавам в связи с разработкой качест­ веннойпассивации магниевых деталей.

Сплавы магния делятся на литейные и деформированные. Наиболее распространены сплавы на базе системы Mg - А1 - Zn, в которых основным легирующим элементом является алюминий.

Магниевые сплавы льют в песчаные формы, ЛПД (литье под давлени­ ем), в кокиля. При плавке и заливке этих сплавов предпринимаются меры от их возгорания путем создания сернистой атмосферы, при этом на поверхности сплавов образуется плотная пленка из MgS, предохраняющая сплавот окисления.

Деформированные магниевые сплавы по химическому составу имеют те же добавки, но в меньших количествах. Эти сплавы применяются для прокатки, штамповки, прессования (в нагретом состоянии при температуре 573-673 К ).

Титан (Ti) - блестящий металл серого цвета не тускнеющий на возду­ хе. Плотность титана 4500 кг/м3 Он относится к тугоплавким металлам

торая надежно предохраняет цинк и его сплавы от окисления. Цинк при­ меняется в чистом виде, но чаще используются в сплавах. На его основе или с его участием как легирующего элемента создано много сплавов. Цинк применяется в качестве антикоррозионного покрытия чугунных и стальных изделий, стального листа (оцинкованное железо).

Олово (Sn) - пластичный металл серебристо-белого цвета. Плотность олова 7310 кг/м3, а температура плавления - 505 К. В интервале 433-473 К оловохрупкий металл. До этих температур олово - ковкий металл, легко раскатывается в очень тонкие проволоку и фольгу (станиоль). Олово хо­ рошо льется. Существует ряд легкоплавких сплавов олова с сурьмой, свинцом, висмутом, кадмием и другими металлами, имеющими невысокие температуры плавления. На основе олова приготовляют легкоплавкие при­ пои. Оно используется для производства луженой листовой стали - «белой

жести».

Свинец (РЬ) в твердом состоянии мягкий, пластичный и «вязкий» ме­ талл, имеющий высокий удельный вес (1134 кг/м3) и невысокую темпера­ туру плавления - 600 К. Механические свойства свинца низкие. Свинец используется в чистом виде и входит в состав сплавов как легирующий элемент (бронзы, латуни и др.). На основе системы Pb - Sn создана гамма антифрикционных сплавов - баббитов, а также припоев.

Висмут (Bi) - блестящий металл серовато-белого цвета с плотностью 9750 кгш и имеющий температуру плавления 544 К. В чистом виде он не применяется, но используется для получения легкоплавких сплавов. В ка­ честве основного компонента висмут входит в состав весьма легкоплавких сплавовВуда.

Кадмий (Cd) - металл серовато-белого цвета плотностью 8640 кг/м3 и с температурой плавления 594 К. Кадмий мягок (режется ножом), хорошо куется и прокатывается в лист, вытягивается в проволоку. Кадмий приме­ няется как легирующий элемент в цветных сплавах, в частности, в при­ поях.

Сурьма (Sb) - серебристо-белый металл с блеском. Его плотность 6710 кг/м и температура плавления 903 К. Это весьма хрупкий металл, легко обращаемый в порошок. В чистом виде сурьма не используется, но входитв состав сплавов как легирующая добавка.

Кобальт (Со) - металл серебристо-белого цвета с розоватым отливом. Плотность кобальта 8700 кг/м3 и его температура плавления 1765 К. Ко­ бальт- коррозионно-стойкий металл, легко сплавляется с другими метал­ лами. На его основе созданы сплавы, имеющие ценные свойства. Сплавы кобальта с 26 % хрома коррозионно-стойки в минеральных кислотах. Час­ то кобальт используется в качестве легирующего элемента в сталях и дру­ гих сплавах.