2.13.4. Физические и химические свойства

К физическим свойствам относят: температуру плавления, плотность, коэффициенты линейного и объёмного теплового расширения, тепло- и электропроводность, магнитную проницаемость и т.п. Химические свойства сплавов определяются их химической активностью, способностью к химическим взаимодействиям с газовыми и жидкими агрессивными средами и расплавами, коррозионной стойкостью.

2.13.5. Технологические свойства

Эти свойства характеризуют способность сплавов поддаваться различным видам горячей и холодной обработки. Основные из них: литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущими инструментами.

Литейные свойства- способность расплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех еë частях.

Ковкость- способность сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под действием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость в значительной мере определяется пластичностью и зависит от температуры обработки, структуры сплава и схемы напряжëнного состояния.

Свариваемость- способность материала образовывать неразъëмные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции. Свариваемость зависит от материала свариваемых заготовок и выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемость - свойства металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются параметры режимов резания и качества поверхностного слоя.

Технологические свойства часто определяют по технологическим пробам, позволяющим получить качественную оценку пригодности сплава к различным видам обработки, например, глубокой штамповке (вытяжке).

2.13.6. Эксплутационные свойства

Работоспособность конструкции определяется эксплутационными или служебными характеристиками материала, применяемого для её изготовления. Эти свойства характеризуют способность сплава работать в условиях низких или высоких температур, радиации, агрессивных сред, вибраций и т. п.

13.7. Краткая характеристика литейных сплавов

Серый чугун (СЧ). Состав: 2,8 … 3,5% С; 1,8 … 2,5% Si; 0,5 … 0,8% Mn; до 0,06% Р и до 0,12% S.

Он имеет высокое временное сопротивление (прочность), высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дëшев. Недостатки: низкая ударная вязкость (0,1 МДж/м²) и хрупкость, характеризуемая малым относительным удлинением(=0,2 … 0,8%).

Прочность СЧ обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы, которая может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. Наименьшую прочность имеет ферритная структура, а наибольшую – перлитная. Перлит - это механическая смесь феррита и цементита (рис. 2.57, а).

Рис. 2.57. Схемы микроструктур чугуна:

а – серого, б – высокопрочного, в – ковкого,

1 - пластинчатый графит, 2 - шаровидный графит, 3 - хлопьевидный графит, 4 - феррит, 5 - перлит

ГОСТ 1412-85 предусматривает следуюцие марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45, где числа обозначают минимальное допустимое значение предела прочности при растяжении _в, например 10 кг/мм² =100 МПа. Эти чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Из них изготовляют станины станков и корпусные детали, плиты, шкивы и многое другое.

Ковкий чугун (КЧ). Состав: 2,4 … 2,8% С; 0,8 … 1,4% Si; до 1,0% Mn; 0,2% Р; до 0,1% S.

Он по прочности превосходит СЧ и имеет повышенную пластичность, но не поддаётся ковке. КЧ получают из белого чугуна, в котором углерод находится в виде цементита Fe₃C. Его отжигают в течение 30 … 60 часов при температуре 900 … 1050ºС для образования графита в виде хлопьев (рис. 2.57,в). Такая форма графита способствует увеличению его прочности_Ви относительному удлинениюпо сравнению с СЧ. В зависимости от условий отжига КЧ может быть ферритным, феррито-перлитным или перлитным (рис. 2.57, в). Обозначают по ГОСТ 1215-79: например КЧ30-6, где 30 - предел прочности при растяжении (30 кг/мм²=300МПа), 6 - относительное удлинение, %. Их прочность находится в пределах от 300 до 800 МПа, а удлинение - от 1,5% до 6%. Из КЧ изготовляют тонкостенные мелкие и средние отливки массового производства.

Высокопрочный чугун (ВЧ). Состав: 3,2 … 3,6% С; 1,6 … 2,9% Si; 0,4 … 0,9% Mn; до 0,15% Р и 0,02% S, более 0,04% Mg.

ВЧ получают при модифицировании расплава магнием или церием. При этом образуется графит шаровидной формы, исключающий острые надрезы в металлической основе, поэтому механические свойства ВЧ значительно повышаются (рис. 2.57, б). Предел прочности при растяжении достигает 1200 МПа, относительное удлинение – 2 … 22 %, ударная вязкость - 0,2 … 1,5МДж/м². Такой чугун в ряде случаев является полноценным заменителем стали. По ГОСТ 7293-85 эти чугуны различаются металлической основой на ферритные (ВЧ35 и ВЧ40), феррито-перлитные (ВЧ45 и ВЧ50) и перлитные (ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100). Число в маркировке обозначает предел прочности при растяжении. Эти чугуны обладают высокими прочностью, пластичностью, литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью. Их применяют для высоконагруженных деталей ответственного назначения (коленчатых валов, шатунов, прокатных валков и т.п.)

Углеродистые стали. Состав: 0,12 … 0,6% С; 0,2 … 0,5% Si; 0,5 … 0,8% Mn; до 0,05% Р и 0,05% S. Они имеют более высокие механические свойства, чем СЧ и КЧ. Микроструктура литой стали состоит из перлита и феррита. Чем больше в ней перлита, тем выше прочность и ниже вязкость. Большую часть стальных фасонных отливок (~ 65%) изготовляют из углеродистых сталей.

ГОСТ Р52179-03 предусматривает следующие марки: 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л. Здесь число, например 15, обозначает содержание углерода в сотых долях %, а буква Л - литейная или литая сталь. Литейные свойства этих сталей удовлетворительные.

Легированные стали. В отличие от углеродистых содержат дополнительно (свыше 1%) легирующие элементы, изменяющие их свойства: Х (хром), Н (никель), Г (марганец), М (молибден), В (вольфрам), Ф (ванадий), Ю (алюминий), А (азот), Т (титан), К (кобальт), С (кремний). Например: марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и 1% вольфрама.

Легированием можно добиться, например, высокой коррозионно- и жаростойкости, жаропрочности, твердости, износостойкости и т.п.

Медные сплавы: латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком, в которые могут быть добавлены и другие элементы: свинец, марганец, кремний, алюминий и другие для повышения прочности, коррозионной стойкости, улучшения технологических свойств. В этом случае их называют сложными. Обозначают по ГОСТ 17711-80: ЛЦ40, где Л - латунь, Ц - цинковая, 40 - содержание цинка в %. Легирующие элементы обозначают буквами: А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец.

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием и некоторыми другими элементами. Они, как и латуни, бывают простыми (БрА5) и сложными, в которые добавлены легирующие элементы: никель, железо, марганец и другие. Например, бронза марки БрО3Ц12С5 содержит, соответственно, 3% олова, 12% цинка и 5% свинца, остальное медь.

Медные сплавы имеют достаточно высокие механические и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость, удовлетворительные литейные свойства.

Алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Литейные сплавы обладают малой плотностью от 2,5 до 2,94 г/см³, сравнительно невысокой температурой плавления 450 … 580ºС, высокими коррозионной стойкостью, механическими и литейными свойствами, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Основными легирующими элементами являются кремний, магний, медь, которые способствуют резкому изменению природы сплава. Вспомогательные элементы - марганец, хром, ванадий, циркон, молибден, никель и другие вводятся в сплав в меньшем количестве и улучшают некоторые свойства двойных сплавов. Получают все большее распространение из-за своих высоких эксплуатационных свойств. Маркируют новой маркировкой по ГОСТ 1583-93, например АК5М2, где А - алюминий, К - кремний, М - медь, а числа означают среднее содержание элемента в %. Еще достаточно распространена устаревшая маркировка, например АЛ2, где буквы означают алюминий, а число - порядковый номер сплава. Соответствие новой и старой маркировки имеется в ГОСТ 1583-93.

Магниевые сплавыобладают малой плотностью 1,76 … 1,83 г/см³, невысокой температурой плавления 600 … 650 °С, достаточно высокой прочностью 117 … 275 МПа, поглощают механические вибрации, хорошо обрабатываются резанием.

Недостатки: низкая коррозионная стойкость, очень высокая окисляемость в жидком состоянии, низкие литейные свойства, особенно газопоглощение. Магниевые литейные сплавы маркируются по ГОСТ 2856-93 как МЛ3, МЛ4,... МЛ19, где число обозначает порядковый номер. Магний сплавляется с алюминием, марганцем, цинком, цирконием и редкоземельными элементами. Применяют для деталей, требующих высокой прочности при малой массе.

Титановые сплавы (литейные) обладают малой плотностью 4,43 … 4,6 г/см³, высокой прочностью 340 … 980 МПа, в том числе при высокой температуре, стойкостью против химического взаимодействия с влагой, морской водой, органическими и минеральными кислотами.

Недостатки: трудная обрабатываемость резанием, низкие антифрикционные свойства, высокая температура плавления 1620 … 1670ºС и реакционная способность в расплавленном состоянии. Основные легирующие элементы: алюминий, молибден, ванадий. Маркируют ВТ1Л, ВТ5Л,..., ВТ21Л, где В - высокопрочный, Т - титан, Л - литейный, число - порядковый номер. Применяется для изготовления деталей реактивных двигателей, в химическом машиностроении, в судостроении и медицинской промышленности.

Помимо перечисленных основных сплавов существует и много других на основе вольфрама, молибдена, хрома, никеля, олова, свинца, сурьмы, кадмия, висмута, которые применяются в существенно меньших количествах.