книги из ГПНТБ / Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки

Рис. 22. Рост выплавки стали в СССР (млн. т).

Одновременно с ростом производства металла (рис. 22) должно быть значительно улучшено его качество. Снижение удельных норм потребления металла в про­ мышленности может и должно быть достигнуто за счет расширения номенклатуры сортового проката, освое­ ния производства экономических фасонных профилей (рис. 23), которые дают возможность конструировать машины облегченного веса.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом. Углерода в чугуне гораздо больше, чем в стали: от 2,5

до 4%.

60

Прочность чугуна гораздо меньше прочности стали. В отличие от стали чугун нельзя ковать, из него нельзя прокатывать листы или протягивать проволоку. Но зато чугун обладает замечательными литейными свойствами. Он плавится при меньшей температуре, чем сталь, имеет небольшую усадку. В процессе затвердевания он не сжи­ мается, а несколько расширяется, заполняя мельчайшие углубления в литейных формах. Вот почему основным металлом литейного производства стал именно чугун

(рис. 24).

В зависимости от состояния углерода в чугуне раз­ личают:

Б е л ые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида.

д

Рис. 23. Некоторые виды профилей проката:

а — колонная (квадратная) сталь; б, в, г, д, е — для сельскохозяйственного машиностроения; ж, з —для строительства; и, к, л, м —для автотракторо­ строения; « — для деталей швейных машин.

61

2 0 0

23484848005353482353232323484848484848534848

1913 1917 1928 1940 1945 1955 1958 I960 1965 1970 1980

Рис. 24. Рост выплавки чугуна (млн. т)

С е р ые ч у г у н ы, в которых углерод в значительном степени или полностью находится в свободном состоянии.

отливок из белого чугуна. В ковких чугунах весь углерод или значительная часть его находится в свободном со­ стоянии в форме хлопьевидного графита (углерода

отжига).

Чугуны (кроме белых) отличаются от стали наличием в их структуре графитовых включений, а между собой эти чугуны различаются по форме графитовых вклю­ чений.

Белый чугун содержит углерод в связанном состоя­ нии. В изломе он имеет белый цвет. Этот материал очень твердый, поэтому он обрабатывается резцами только из твердых сплавов.

Белый чугун применяется для деталей, подвергаю­ щихся сильному истиранию, например для колес желез­ нодорожных вагонов, а также для переделки в ковкий чугун и сталь.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Углерода в сером чугуне содержится обычно от 2,3 до 3,6%; причем он лишь частично находится в химически связанном с железом состоянии в виде графитовых вклю­ чений, которые в изломе придают чугуну серый цвет.

Серый чугун обладает хорошими литейными качест­ вами. Он является хрупким материалом, однако хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из серого чугу­ на изготовляют очень много различных деталей машин: станины, корпуса, тумбы, плиты, кронштейны и т. п.

Высокопрочный чугун нашел широкое применение благодаря своим высоким механическим свойствам.

63

Сущность производства высокопрочного чугуна за­ ключается в том, что в расплавленный чугун прибавляют графитизирующую добавку. Таким образом, в чугуне получается не только много связанного, но и достаточно свободного углерода, что повышает его прочность и одно­ временно позволяет обрабатывать его режущим инстру­ ментом.

Для повышения прочности чугуна применяют моди­ фицирование его металлом магнием. М о д и ф и ц и р о ­

Такой чугун может заменить дорогие стальные отливки. Например, он в некоторых случаях применяется для изготовления таких ответственных деталей, как коленча­ тые валы.

Ковкий чугун получают из белого чугуна, нагревая его в течение нескольких часов. В процессе нагревания химически связанный углерод переходит в свободное аморфное состояние. Механические свойства ковкого чугуна близки к механическим свойствам мягкой угле­ родистой стали. Ковкий чугун широко применяется для производства малоответственных, испытывающих не­ большие нагрузки изделий.

Условное обозначение различных марок чугунов будет:

Серые чугуны (ГОСТ 1412—54) — СЧ 12-28; СЧ 15-32; СЧ 18-36; СЧ 21-40 и т. д.

Первая цифра показывает предел прочности ов при растяжении, вторая — предел прочности авц при изгибе (оба предела в кГ/мм2).

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215—59)— КЧ 30-6; КЧ 33-8;

КЧ 35-10; КЧ 37-12 и т. д.

Высококачественные чугуны (ГОСТ 7293—54) —

ВЧ 45-0; ВЧ 45-5 и т. д.

64

Первая цифра показывает предел прочности при ра­ стяжении в кГ/мм2, а вторая — относительное удлине­ ние (меру пластичности) в процентах.

Физико-механические свойства чугунов приведены в таблице 6 .

Таблица 6

Физико-механические свойства чугунов

§ 2. Ц В Е ТН Ы Е М ЕТА Л Л Ы И ИХ С П Л А В Ы

Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы широко используются как в чи­ стом виде, так и в виде компонентов различных сплавов. К ним относятся ванадий, вольфрам, кремний, кобальт, марганец, молибден, никель, ниобий, тантал, титан, хром, цирконий.

В а н а д и й — металл светло-серого цвета. В чистом виде пластичен, но даже небольшое количество примесей резко снижает его пластические свойства. Механические свойства ванадия еще недостаточно изучены, так как в виде чистого металла в промышленном масштабе его не получают.

Основным потребителем ванадия является черная металлургия. Наиболее широко ванадий применяется в производстве конструкционных и инструментальных сталей. Сталь, легированная ванадием, имеет повышен­ ную твердость, высокое сопротивление истиранию и ди­ намической нагрузке. Ванадиевые конструкционные ста­ ли широко используются в машиностроении. Различные химические соединения ванадия использует химическая промышленность в качестве катализаторов, текстильная промышленность — в качестве протрав при крашении тканей, лакокрасочная промышленность, стекольная промышленность и т. д.

В о л ь ф р а м — металл, по внешнему виду похожий на сталь, отличается высоким удельным весом, высокой температурой плавления и малым коэффициентом тер­ мического расширения. Механические свойства в значи­ тельной степени зависят от предшествующей механиче­ ской и термической обработки.

Вольфрам находит широкое применение в технике в виде чистого металла и в сплавах, из которых наиболее важными являются лигированные стали, карбидные твердые сплавы, износоустойчивые, кислотоупорные и жаростойкие сплавы с цветными металлами.

В виде проволоки, листов и различных деталей вольфрам применяют в производстве электроламп, рент­ геновской аппаратуры, высоковакуумных усилителей, выпрямителей высокого напряжения, газоразрядных трубок и в радиотехнике. Из вольфрама изготовляют также рабочие части контактов для электроаппаратуры, электроды горелок для водородной резки, нагреватель­ ные элементы высокотемпературных печей и т. п.

В настоящее время нет материалов, из которых мож­ но было бы изготовлять формы для плавки вольфрама.. Поэтому обычную плавку в формах, применяемую для

66

большинства металлов, приходится для вольфрама заме­ нять техникой порошковой металлургии (накаливание спрессованного под большим давлением порошка метал­ ла до спекания). Таким методом можно получать не только бруски вольфрама, но и детали несложной формы.

К р е м н и й — крупнокристаллический порошок серо­ го металлического цвета, хрупкий, твердый. Кремний, если не считать кислород,— самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно 0,25 веса земной коры. Многочисленные соединения кремния вхо­ дят в большинство горных пород (граниты, гнейсы, ба­ зальты) и минералов (кварц, полевые шпаты, слюды). Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Несмот­ ря на исключительное распространение на земле, в сво­ бодном состоянии кремний не встречается. Выделение его в чистом виде представляет сложную техническую задачу. Кремний получают путем восстановления его из двуокиси кремния в электрических печах с графитовыми электродами.

Основное назначение кремния в машиностроении — легирование стали и сплавов цветных металлов. Сверх­ чистый кремний используется для изготовления полу­ проводников.

Кремний хорошо растворим во многих расплавлен­ ных металлах, причем в одних случаях с ними химиче­

Основное применение кобальта — использование в каче­ стве легирующих добавок для получения высококачест­

венных сталей, твердых сплавов, высококачественных магнитов, металлокерамических изделий.

М а р г а н е ц — хрупкий металл серебристо-белого цвета. При обычной температуре на воздухе не изменяет­ ся, в кислотах растворяется. При нагревании вступает в соединение со всеми неметаллами и образует сплавы с большинством металлов. Марганец применяется в про­ изводстве легированных сталей и цветных сплавов.

М о л и б д е н — металл, по внешнему виду похожий на серебро, отличается высокой температурой плавления

ималым коэффициентом термического расширения. Механические свойства в большей степени зависят от чистоты металла, способа его получения, предшествую­ щей механической и термической обработки. Твердость

ипрочность молибдена ниже, чем вольфрама; он легче

поддается обработке давлением.

Молибден используется в производстве легирован­ ных сталей, сплавов цветных металлов, применяется как в чистом виде, так и в виде химических соединений. В виде ленты или проволоки молибден используется в производстве электроламп и в электровакуумной технике для изготовления нагревательных элементов и электро­ дов в печах. Молибден вместе с вольфрамом применяет­ ся для изготовления термопар для измерения темпера­ туры в диапазоне 1200—2000°С.

Н и о б и й — пластичный, хорошо сваривающийся ме­ талл серо-стального цвета. Чистый ниобий обычно получают в виде порошка химическим путем. Для полу­ чения металла порошок прессуется в вакууме под боль­ шим давлением при высокой температуре.

Ниобий применяется в атомной энергетике, радио­ электронике, рентгенотехнике и электротехнике, в про­ изводстве жаропрочных и инструментальных сталей, для легирования цветных сплавов. Он используется также

68

для получения сверхтвердых и различных ценных сплавов.

Т а н т а л — металл голубовато-белого цвета с сине­ ватым оттенком, по внешнему виду напоминает платину. Чистый тантал отличается высокой пластичностью и мо­ жет быть прокатан в тонкие листы в холодном состоя­ нии. Тантал имеет высокую температуру плавления, малый коэффициент термического расширения, большую способность к электронной эмиссии. Важным свойством тантала является способность поглощать газы — кисло­ род, водород и азот, а также высокая антикоррозийная устойчивость.

Тантал преимущественно используется в электро­ вакуумной технике и в химической промышленности. Из него изготовляют электроды ламповых выпрямителей, аноды, сетки, катоды и другие детали электронных ламп. Устойчивость тантала против действия кислот позволяет применять его для изготовления химической посуды и облицовки химической аппаратуры.

Тантал хорошо поддается механической обработке и электросварке.

Тит а н — тугоплавкий металл, по внешнему виду похожий на сталь. Он обладает тремя основными преи­ муществами по сравнению с другими техническими ме­ таллами: малым удельным весом, высокими химическими свойствами и отличной коррозийной стойкостью. Сочета­ ние малого удельного веса с высокой прочностью делает титан особенно перспективным материалом для авиа­ ционной промышленности, а коррозийная стойкость — для судостроения и химической промышленности.

Титановые сплавы обладают более высокой жаро­ прочностью по сравнению с алюминиевыми и магниевы­ ми сплавами, что является особенно ценным свойством для современной высокоскоростной авиации. *

69