Бабенко - Лаб.р.Материал

После травления микрошлифов на них проявляется металлическая основа, ко- торая в зависимости от количества связанного углерода может быть ферритной, феррито - перлитной и перлитной.

В зависимости от металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, феррито - перлитные и перлитные

(рис.10.3; 10.4; 10.5).

феррит феррит феррит

феррит перлит феррит перлит феррит перлит

Рис.10.5. Микроструктура перлитных чугунов: а) серого; б) высокопрочного; б) ковкого

51

Маркировка конструкционных чугунов.

Чугуны маркируются буквами и цифрами: серые – СЧ, ковкие- КЧ, высоко- прочные – ВЧ.

Всерых чугунах цифры указывают предел прочности при растяжении, кгс/мм2. Например: СЧ 12, СЧ 36.

Ввысокопрочных и ковких чугунах первая пара цифр показывает значение предела прочности при растяжении, кгс/мм2; вторая – относительное удлинение,

%.Например: ВЧ 40-10, ВЧ 60-2, КЧ 30-6, КЧ 60-3.

10.3 Порядок выполнения работы.

1.Изучить микроструктуры: а) белого чугуна в травленном виде, б) серого, ковкого и высокопрочного в нетравленном и травленном виде.

2.Зарисовать и описать изучаемые структуры.

10.4 Содержание отчета

1.Рисунок микроструктуры белых чугунов.

2.Рисунки микроструктур нетравленых шлифов серого, ковкого и высоко- прочного чугунов.

3.Рисунки микроструктур травленных шлифов серого, ковкого и высоко- прочного чугунов и указать металлические основы этих чугунов.

На рисунках указать структурные составляющие.

10.5 Контрольные вопросы.

1.Какие сплавы называют чугунами?

2.Что такое феррит?

3.Что такое цементит?

4.Что такое перлит?

5.Какая форма графита у серого чугуна?

6.Какая форма графита у высокопрочного чугуна?

7.Как получают высокопрочный чугун?

8.Какая форма графита у ковкого чугуна?

9.Как получают ковкий чугун?

10.Какая может быть структура металлической основы чугунов? 11.На какие свойства чугунов оказывает влияние форма графита? 12. На какие свойства чугунов оказывает влияние структура основы?

52

11. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11. Изучение микроструктур цветных металлов и сплавов.

11.1 Цель работы.

Изучить микроструктуры алюминиевых, медных и антифрикционных сплавов. Установленить связи между составом, обработкой и структурой сплавов.

11.2.Сведения из теории.

Кцветным металлам и сплавам относятся все металлы и их сплавы за ис- ключением железа и его сплавов. В современной технике наибольшее применение имеют алюминий, медь, магний, цинк, свинец, олово, никель, титан и их сплавы, благодаря их специфическим свойствам – высокой электропроводимости, малого удельного веса, коррозионной стойкости, антифрикционным свойствам и др.

Медь и медные сплавы (латунь и бронза).

М е д ь – химический элемент 1 группы Периодической системы элементов, атомный номер 29, атомная масса 63,54, кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая, аллотропических превращений не имеет металл красновато - розового цвета, плотность 8,9 г/см3, температура плавления 10830С. Обладает низким удельным электросопротивлением, составляющим 0,0178 мкОм м, что обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике.

Медь имеет очень высокую пластичность в горячем и холодном состояниях, что позволяет получать изделия штамповкой, прокаткой, волочением. При де- формировании меди увеличивается ее прочность (σв) и уменьшается пластич- ность. Некоторые механические свойства чистой меди приведены в табл.11.1.

Понижение пластичности меди при деформации затрудняет дальнейшую обра- ботку. Для восстановления пластических свойств меди проводят рекристаллиза- ционный отжиг (450…5000С).

Примеси, присутствующие в меди, оказывают большое влияние на ее свойст- ва. Вреднейшими примесями являются висмут и свинец, т.к. с ними медь образует Таблица 11.1.

Механические свойства чистой меди.

легкоплавкие эвтектики, которые располагаются за границами зерен. При нагреве они (эвтектики) расплавляются, что приводит к разрушению металла при горячем

53

деформировании. Содержание висмута и свинца в меди не должно превышать

0,002%.

Важнейшими легирующими элементами в медных сплавах являются цинк, олово, алюминий, никель.

Л а т у н и. Латунями называются сплавы меди с цинком. Применяемые в технике двухкомпонентные латуни содержат до 47% цинка. Латуни, содержащие до 39% цинка, являются однофазными, представляющие собой твердый раствор цинка и меди. Их называют α- латунями (рис 11.1 а). Они хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии.

При увеличении содержания цинка с 39 до 47% наряду с α- фазой в сплаве по- является β- фаза, представляющая собой твердый раствор, где растворителем

Рис. 11.1. Микроструктура латуней: а) – α-латунь; б) – β-латунь Х 300

меди и цинка является электронное соединение CuZn (рис 11.1. б). При высоких температурах β- фаза имеет неупорядоченное расположение атомов в структур- ной решетке. В этом состоянии фаза достаточно пластична. При температуре ни- же 453…4700С расположение атомов меди и цинка в β- фазе становится упорядо- ченным, в результате чего латунь теряет пластичность и становится твердой и хрупкой. Поэтому двухфазные (α+β) латуни обрабатывают давлением только в горячем состоянии. Максимальную пластичность имеет α-латунь, содержащая 30% Zn, когда латунь является двухфазной.

Латуни обладают хорошей жидкотекучестью и малой склонностью к ликва- ции, поэтому из них получают хорошие отливки. Основная же часть латуни идет на изготовление листов, лент, труб, проволоки и др. изделий, получаемых обра- боткой давлением.

Цинк является более дешевым материалом по сравнению с медью и его введе- ние в сплав повышает механические и технологические свойства, что приводит к снижению стоимости – латунь дешевле меди. Кроме двухкомпонентных, приме-

54

няются специальные латуни легированные марганцем, оловом, никелем, железом, свинцом, кремнием. Марганец, олово, и никель повышает прочность и коррози- онную стойкость латуней, свинец улучшает обрабатываемость, кремний повыша- ет твердость и прочность (табл.11.2.).

Маркировка латуней следующая: буква Л обозначает название сплава (ла- тунь), следующие за ней цифры – содержание меди; например Л 62 обозначает латунь, содержащую 62% меди и 38% цинка.

У специальных латуней буквы обозначают легирующие элементы: А- алюми- ний; Мц- марганец; К- кремний; С- свинец; О- олово; Н- никель; Ж- железо. На- пример, марка ЛАЖМц 66-6-3-2 указывает на то, что латунь содержит 66% меди, 6% алюминия. 3% железа и 2%марганца, остальное цинк.

Буква Л в конце обозначения марки, например, в марке ЛК 80-3Л, указывает на то, что латунь литейная.

Специальные латуни подразделяются на деформированные и литейные.

Кдеформируемым относятся латуни марок: ЛН 65-6, ЛМц 58-2, ЛО 70-1, ЛО

59-1, ЛК 80-3 и др.

Клитейным относятся латуни марок ЛАЖМц 66-6-3-2Л, ЛКС 80-3-3Л, ЛмцОС 58-2-2-2Л и др.

Б р о н з ы. Бронзой называют сплав меди со всеми элементами, кроме цин- ка. Исключение составляет сплав меди с никелем, который называется мельхио- ром.

В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и специальные. Оловянные бронзы – это сплав меди с оловом, которые легируют цинком,

свинцом, никелем, фосфором. Цинк улучшает литейные свойства, свинец- обра- батываемость, никель повышает прочность и износостойкость, фосфор раскисляет сплав и повышает его жидкотекучесть. Двухкомпонентные Cu-Sn сплавы, содер- жащие до 8% олова, являются однофазными. При дальнейшем повышении про- центного содержания олова бронза становится двухфазной и имеет структуру, со- стоящую из смеси твердого раствора α и эвтектоида. С увеличением содержания

55

олова до 18…20% прочность бронзы возрастает, но затем снижается. Оловянные бронзы обладают прекрасными литейными свойствами, поэтому из них изготав- ливают литейные детали.

Литье в металлические формы и использование центробежного способа (в ус- ловиях ускоренного охлаждения) приводят к уменьшению ликвации и повыше- нию прочностных характеристик сплава. Оловянные бронзы применяют в тех случаях, когда требуется высокая коррозионная стойкость при достаточно боль- шой прочности (арматура, гребные винты); такие бронзы отличаются высокими антифрикционными свойствами, поэтому из них изготавливают вкладыши и втулки подшипников скольжения.

Специальные бронзы – это сплав меди с алюминием, свинцом, кремнием, бе- риллием. Алюминиевые бронзы уступают оловянным по литейным, но превосхо- дят по механическим свойствам и стойкости против коррозии. Из легированных железом и никелем алюминиевых бронз изготовливают, например, зубчатые ко- леса, выхлопные клапаны двигателей. Свинцовые бронзы имеют высокие анти- фрикционные свойства, поэтому они используются для изготовления вкладышей и втулок подшипников скольжения.

Кремниевую бронзу, благодаря хорошим литейным свойствам применяют, главным образом, для изготовления арматуры. Из бериллиевой бронзы изготовли- вают изделия, требующие высокого сопротивления износу.

В марке бронзы впереди ставятся буквы Бр, затем буквы, обозначающие леги- рующие элементы, а далее – цифры, указывающие на содержание легирующих элементов в сплаве. Например, марка оловянистой бронзы Бр ОЦС 3-12-5 указы- вает на содержание в сплаве 3% олова, 12% цинка,, 5% свинца и 80% меди.

Алюминий и алюминиевые сплавы.

А л ю м и н и й – элемент 3 группы Периодической системы элементов, атом- ный номер – 13, атомная масса – 26,98, кристаллическая решетка – гранецентри- рованная кубическая.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, плотностью 2,7 г/см3 и темпера- турой плавления 6600С. Это мягкий, пластичный металл, имеющий высокую электропроводимость и обладающий высокой коррозионной стойкостью, что объ- ясняется наличием на поверхности металла тонкой, прочной пленки окиси алю- миния.

Невысокие механические свойства алюминия (δв=50МПа и δ=50%) предопре- деляют применение его в элементах конструкций и деталей, которые не несут на- грузок, но требуют высокой пластичности, коррозионной стойкости и высокой тепло - и электропроводимости.

Наиболее широко применяются сплавы алюминия с различными легирующи- ми элементами, такими как медь, кремний, магний, цинк, которые резко изменяют свойства алюминия.

56

Ввиду малой прочности алюминий не применяется для изготовления нагру- жаемых деталей подвижного состава, машин, строительных и других конструк- ций, но широко применяются сплавы на основе алюминия как конструкционный материал, особенно там, где требуется применение легких конструкций. Это стало

возможным после создания и освоения сплавов на основе алюминия с высокой удельной прочностью, под которой понимают отношение прочности к плотности. Если удельная прочность рельсовой стали составляет 10, то у высокопрочных алюминиевых сплавов она достигает 25 и выше. Сплавы на основе алюминия ши- роко применяются на ж.д. транспорте для изготовления кузовов цельнометалли- ческих пассажирских и грузовых вагонов, котлов, цистерн, стрел различных кра- нов, ферм перекрытий зданий и других конструкций.

А л ю м и н и е в ы е с п л а в ы. Различают литейные и деформируемые сплавы алюминия с другими элементами. Наиболее распространены литейные сплавы алюминия с кремнием – силумины, содержащие от 4.5 до 12% кремния. В их состав входят также медь, магний, марганец, влияющие на литейные и механи- ческие свойства сплава.

Для получения мелкозернистой структуры и повышения механических свойств силумины модифицируют, добавляя в расплавленный металл около 0.1%

Рис 11.3 Микроструктура силумина Х 300: а) – до модификации; б) – после модификации

Микроструктуры силуминов до и после модифицирования показаны на рис.11.2.

Клитейным сплавам группы алюминий- кремний относятся сплавы АЛ2, АЛ4,

АЛ9.

Калюминиево-магниевым сплавам относятся сплавы АЛ8, АЛ13, АЛ27.

Калюминиево-медным сплавам относятся сплавы АЛ7, АЛ12, АЛ19.

Из жаропрочных литейных сплавов наибольшее применение находит сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, рабо- тающие при температурах до 3000С.

57

Деформируемые сплавы делят на две подгруппы: не упрочняемые термообра- боткой и упрочняемые термообработкой.

Кдеформируемым сплавам, не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием. К данным сплавам относятся сплавы марок АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.

Эти сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью. Находят широкое применение в судострое- нии, строительстве, в вагоностроении.

Кдеформируемым сплавам, упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы «алюминий-медь». Типичным представителем этой группы сплавов яв-

ляется дюралюминий марки Д16 (основной упрочняющей фазой которого являет- ся Al2CuMg). Закалка дюралюминия от 4950С с последующим старением позволя-

ет резко улучшить механические свойства. Для сплава Д16 после закалки σ =

461МПа, δ = 17%.

К этой группе относятся сплавы для поковок и штамповок марок: АК6, АК8, АК2, АК4. Они отличаются высокой пластичностью при температурах 380…4500С, что позволяет получить заготовки сложной формы.

Термообработка заключается в закалке от 515…5250С в воде и последующем старении при 150…1650С в течении 4…13 часов. Упрочняющими фазами в этих сплавах являются Mg2Si, CuAl2, Al2Mg5Cu5Si4.

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы.

Подшипниковые сплавы применяют для изготовления вкладышей подшипни- ков скольжения. К ним предъявляются следующие требования:

∙должны иметь небольшую твердость и достаточно высокую пластичность, чтобы хорошо прирабатываться к поверхности вала;

∙поверхность должна обладать микрокапиллярностью, чтобы удерживать смаз- ку;

∙должны обладать малым коэффициентам трения.

Вкачестве подшипниковых материалов, допускающих высокие давления, применяют оловянные бронзы БрОЦС 5-5-5, БрС 3О. Однако основными анти- фрикционными материалами являются сплавы на основе олова и свинца- бабби- ты.

Наиболее качественным баббитом, применяемым для тяжелых условий рабо- ты, например, для подшипников тяговых двигателей электровозов, является сплав Б83. Он содержит в среднем 83% олова, 11% сурьмы, 6% меди.

На железнодорожном транспорте применяются также баббиты марок Б16 и БКА. Б16 содержит 16% олова, 66% свинца, 16% сурьмы и 2%меди. Ими залива- ют вкладыши подшипников, работающих в относительно спокойных условиях. Из

цинковых антифрикционных сплавов наиболее часто на транспорте используют сплав марки ЦАМ10-5 (10% алюминия и 5%меди, остальное цинк).

58

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впроцессе эксплуатации и ремонта технических устройств в первую очередь необходимо соответствие эксплуатационных свойств конструкционных материа- лов требованиям технической и технологической документации. В свою очередь свойства формируются различными технологиями, из которых одной из основных является термическая обработка, которая не может быть качественно выполнена без глубоких знаний о химическом составе и структуре металлов и сплавов.

Впособии показаны наиболее распространенные в практике методы и приемы исследований структуры и свойств сплавов, используемое при этом оборудова- ние, порядок работы на нем, а также поиска путей формирования заранее задан- ных эксплуатационных свойств изделий.

Отмеченное является составной частью разработки технологических процес- сов эксплуатации и ремонта подвижного состава, строительных и дорожных ма- шин, путевого хозяйства и других систем железнодорожного транспорта, способ- ствующих значительному повышению надежности его работы.

60