21. Нержавеющие стали и сплавы

Нержавеющая сталь (нержавейка) - сложнолегированная сталь, стойкая против ржавления в атмосферных условиях и коррозии в агрессивных средах. Основной легирующий элемент нержавеющей стали - Cr (12-20%). Кроме того, нержавеющие стали содержат элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo). Чем выше содержание Cr в стали, тем выше её сопротивление коррозии. При содержании Cr более 12% сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17% - коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и др. средах, в частности в азотной кислоте крепостью до 50%.

Коррозионная стойкость нержавеющей стали объясняется тем, что на поверхности контакта хромсодержащего сплава со средой образуется тончайшая защитная плёнка окислов или др. нерастворимых соединений. Большое значение при этом имеют однородность металла, соответствующее состояние поверхности, отсутствие у стали склонности к межкристаллитной коррозии. Чрезмерно высокие напряжения в деталях и аппаратуре вызывают коррозионное растрескивание в ряде агрессивных сред, а иногда приводят к разрушению. В сильных кислотах высокую коррозионную стойкость показывают сложнолегированные нержавеющие стали и сплавы с более высоким содержанием Ni с присадками Mo, Cu, Si в различных сочетаниях. При этом для каждых конкретных условий выбирается соответствующая марка нержавейки. Выделяется также нержавейка жаростойкая.

22. порошковые сплавы на основе железа и цветных металлов

С целью повышения срока службы быстроизнашивающихся деталей сельскохозяйственных машин применяют наплавку твердых сплавов. Наибольшим сопротивлением износу обладают сплавы, содержащие карбиды или бориды, сцементированные соответствующей эвтектикой. Наплавку твердыми сплавами сейчас проводят не только при восстановлении изношенных, но и при изготовлении новых деталей машин. Это в зависимости от вида   твердого   сплава   и  технологии   работ повышает износостойкость деталей в 2... 10 раз; значительно сокращает потребность в новых деталях, время простоя машин и механизмов, а также расходы на монтажные работы.

Современные твердые сплавы в зависимости от способа изготовления подразделяют налитые и порошкообразные (зернообразные).

•  К первым относятся стеллиты В2К, ВЗК, ВЗК-ЦЭ, стеллитоподобные сплавы сормайт № 1 и сормайт № 2, порошковые электроды и ленты;

• Ко вторым — сталинит вокар, ВИСХОМ-9 и боридная смесь.

Стеллиты и стеллитоподобные сплавы представляют собой твердый раствор карбида хрома в кобальте, никеле или железе. Основой твердого раствора стеллитов является кобальт, а стеллитоподобных сплавов — никель или железо. Данные сплавы выпускают в виде литых прутков и применяют в качестве присадочного металла при наплавке деталей машин, работающих в условиях сухого, полусухого и жидкостного трения в холодном и горячем состоянии.

Порошковые электроды и ленты применяют при наплавке ножей бульдозеров и скреперов, опорных катков тракторов и экскаваторов. Механические свойства металла, наплавленного порошковыми электродами и лентами, в случае необходимости можно изменять за счет химического состава наполнителя. На стержни порошковой проволоки наносят покрытия, которые тоже влияют на химический состав наплавленного металла. Наиболее распространенными и доступными наполнителями порошковых электродов и лент являются доменный ферромарганец и сталинит.

Порошковые электроды маркируют следующим образом: ЭТН-1 с шихтой из доменного ферромарганца, ЭТН-2 с шихтой из сталинита, ЭТН-3 с шихтой из доменного ферромарганца с добавлением 6...7% никеля. Твердость металла, наплавленного данными электродами, достигает HRC60...61.

Шихта улучшенного сталинита состоит из 38% феррохрома, 11% ферромарганца, 47% чугунного порошка и 4% нефтенного кокса. В наплавленном металле содержится около 20% хрома, 17% марганца, 3% кремния и до 10% углерода. Твердость металлопокрытия, полученного при однослойной наплавке, составляет HRC 50, при двухслойной HRC 56...57. Данную шихту применяют при наплавке щек дробилок, зубьев и козырьков ковшей экскаваторов, бандажей бегунов и других деталей.

Вокар представляет собой механическую смесь измельченного вольфрама с углеродом. В наплавленном металле присутствуют сложные карбиды вольфрама, находящиеся в твердом растворе. Наплавленный металл содержит до 10% углерода, до 3 — кремния, 85...87 — вольфрама и до 2% железа. Металлопокрытие имеет высокую твердость, износостойкость и хрупкость. Первый слой наплавки имеет твердость HRC 56...58, второй — HRC 61...63. Вокаром наплавляют только буровой инструмент. Высокая стоимость, а также свойства наплавленного  слоя ограничивают его применение.

Шихта ВИСХОМ-9 состоит из 74% измельченной стружки серого чугуна, 15 — ферромарганца, 5 — феррохрома, 6% серебристого графита, связанных между собой раствором жидкого стекла с водой. Металл, наплавленный такой шихтой, имеет твердость HRC 55...56. Данной шихтой наплавляют лапы культиваторов, лемеха, полевые доски плугов и т. п.

Боридная смесь БХ представляет собой механическую смесь, состоящую из 50% борида хрома и 50% железного порошка. Наплавленный металл насыщен кристаллами борида хрома, сцементированными эвтектикой, и содержит около 0,12% углерода, 35 — хрома, 7,63 — бора и 57,25 % железа; его твердость HRC 82...84, а износостойкость в 2...3 раза выше, чем при наплавке сталинитом. Боридную смесь применяют при наплавке деталей, работающих в абразивной среде  без ударных нагрузок.

23. Медь и ее сплавы

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнической промышленности, электронике, приборостроении, плавильном производстве, двигателестроении. Основные сплавы, применяемые в конструкциях, – это латуни и бронзы.

Медь плавится при 1083°С, плотность 8, 94 кг/дмі, ГЦК – решетка, диамагнитна, не имеет полиморфизма, отлично электро- и теплопроводна. Выпускается 11 марок меди МООБ (99,99% Cu, бескислородная), МОБ (99,97% Cu), МО (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu) и др. Вредные элементы в меди: Bi, Pb, O, H, Se, S, Te и др. придают красноломкость, хрупкость, хладноломкость, трещиночувствительность. В таблице 7 приведены свойства меди и сплавов на ее основе.

Сплавы меди с цинком называются латунями. Они содержат до 45% Zn. Сплавы меди с другими элементами таблицы Менделеева (Ag, Al, Au, Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn, Be, Pb, Kd и др.) называются бронзами.

Латуни бывают деформируемые (ГОСТ 15527 – 70) и литейные (ГОСТ 17711 – 93). Деформируемые латуни обозначаются буквой «Л» и цифрой, показывающей содержание меди (Л96, Л63). Часто латуни легируют Pb, Sn, Fe, Al, Si, Mn, Ni и др. элементами с целью придания определенных свойств. В этом случае ставят после Л обозначение элемента соответственно O, Ж, А, С, Мц, Н и т.д. Числа показывают содержание меди и последующих легирующих элементов.

Например: ЛАНМц59 – 3 – 2 – 2 содержит Cu – 59%, Al – 3%, Ni – 2%, Mn – 2%, Zn – остальное – 34%.

Примечание -Н — сплав нагартованный, упрочненный со степенью пла- стической де- формации 50% (Н) и 40% (Н*); О — отожженный при 600 °С по- сле соот- ветствующей степени деформации; 3 — закаленный, (3+С) — после закал- ки и старения; (3+Н+С) — закаленый, нагартованный и соста- ренный; П — литье в песчаные формы; К— литье в кокиль

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ с цифрой указывающей со- держание Zn. Их так же легируют другими элементами, например, Лц23А6Ж2Мц2 содержат: 23% – Zn, 6% – Al, 2% – Fe, 2% – Mn. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, жидкотекучестью, отлично обрабатываются давлением (ά – латуни) на лист, сорт, трубы, специальный профиль.

Из литейных латуней изготавливают запорную арматуру, задвижки, подшипниковые вкладыши и многое другое. Бронзы маркируют буквами Бр. В деформируемых бронзах (Гост 5017- 74,18185-78) после этих букв указывают легирующие элементы, а в конце их содержание. Например, Бр0Ф6,5-04 содержит 6,5% Sn и 0,4% P, остальное медь. Литейные бронзы маркируются (ГОСТ 613 – 79, 493 – 79) с букв. Бр, затем легирующий элемент с цифрой и т.д. Например, Бр03Ц12С5 содержит Sn – 3%, Zn – 12%, Pb – 5%, основа Cu.

Бронзы оловянистые бывают одно – и двухфазные. С увеличением содержания олова прочность увеличивается в связи с появлением, кроме ά – фазы, δ – фазы. Оловянистые бронзы бывают деформируемые и литейные. Деформируемые бронзы имеют однофазную ά – структуру, их обычно легируют фосфором (до 0,4%). К ним относятся, например, БрОФ65 – 04, БрОЦ4 -3, БрОЦС4 – 4 – 25 и т.д. Для удешевления оловянистой бронзы в нее добавляют 5 – 10% Zn, 3 – 5% Pb, чтобы получать БрОЦС 5 – 5 – 5. Литейные оловянистые бронзы Бр03Ц12С5, Бр03Ц7С5Н1, Бр05Ц5С5, Бр05С25, Бр010ФЛ и др. обычно имеют двухфазную структуру (ά + δ). Они химстойки, антифрикционны. Из них изготавливают запорную арматуру, подшипники скольжения. Фосфор вводят для легирования и лучшего раскисления от CuO, SnO.

Применяют так же алюминиевые бронзы (БрA5), алюминиевожелезистые (БрА9ЖЗ), алюминиевомарганцовистые (БрАМц 9 – 2), алюминиевожелезоникелиевые БрАЖН10 – 4 – 4), кремнистые (БрК3), кремниймарганцевые (БрКМц3 – 1), бериллиевые (БрБ2), бериллиевоникельтитановые 19), хромовые (БрХ05), хромосеребряные (БрХAg05 – 05), циркониевые (БрЦр07) и т.д. Эти бронзы имеют большую твердость и упругость, особенно бериллиевые. Алюминиевые бронзы применяются для изготовления втулок, флянцев, шестерен. Бериллиевая бронза закаливается с 800°С и подвергается старению при 300 – 350°С. Получается твердость 350 – 400 НВ. Она используется для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов и т.д.

Отличным антифрикционным материалом является свинцовистая бронза (БрС30). Из латуней, как конструкционных сплавов, изготавливают трубки, силь- фоны, гибкие гофрированные шланги, мелкий сортовой прокат, лист и т.д.

Из оловянистых бронз изготавливают антифрикционные изделия, подпят- ники, подшипники скольжения, втулки, пояски поршневых колец. Высоко- прочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, пружин, подшипников.

Из бериллиевой бронзы изготавливают упругие элементы манометров, приборов, пружины, мембраны. Хромистые и циркониевые бронзы используются в двигателестроении.

24. Алюминий и его сплавы

Алюминий имеет огромное значение в промышленности из-за высокой пластичности, большой тепло и электропроводности, слабой коррозии, т.к. образующая на поверхности пленка Al2O3 защищает металл от окисления. Из него делают тонкий прокат, фольгу, любой профиль прессованием и другими видами обработки давления. Из него изготавливают разного типа провода, применяют в электроаппаратуре. Как конструкционный материал алюминий чаще всего применяется в сплавах со следующими легирующими элементами: Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn, Ti, Si, Cr, которые формируют упрочняющие зоны и фазы.

Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые (получают лист, трубы, профиль, паковки, штамповки) и литейные – для фасонного литья. Сплавы алюминия нашли широкое применение прежде всего в авиации, автомобилестроении, судостроении и др.отраслях народного хозяйства.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Порошковые материалы, композиты деформируются, а иногда льются.

Неупрочняемые сплавы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг). Это коррозион- ностойкие материалы, идущие на изготовление бензо -, маслобаков, корпусов судов.

Упрочняемые сплавы Al -Mg – Si (АВ, АД31, АД33) идут для изготовления лопастей и деталей кабин вертолетов, барабанов колес гидросамолетов.

Дуралюмины Al – Cu – Mg (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17, В93, В95, В96 и др.).

Дюраль содержит от 2 до 4,5 Cu и, кроме того, он часто легируется Mg (~0.5%), Mn, Fe, Be, Si, Zn. Перечисленные элементы образуют ряд химических соединений, растворяемых в алюминии – матрице (CuAl2, Mg2Si) и нерастворимых Fe, Mn, Cu. Механические свойства после закалки и старения (отпуска) зависят от температуры закалки и старения, скорости охлаждения.

Высокопрочные сплавы Al – Zn – Mg – Cu (В93, В95, В96Ц) более прочны, чем дюралюминий, обладают лучшей коррозионной стойкостью и применяются для изготовления шпангоутов, лонжеронов, стрингеров. Алюминиевые сплавы часто применяются для изготовления поковок штамповок лопастей винта самолета, рам, поясов лонжеронов, крепежных деталей. Это сплавы АК1, АК6, АК8, АК4.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al – Cu – Mn (Д20, Д21) и Al – Cu – Mg – Fe – Ni (АК – 4 – 1) применяют для изготовления поршней, головок цилиндров, дисков, лопаток компрессоров и т.д., работающих при температурах до 300°С. Жаропрочность достигается за счет легирования Ni, Fe, Ti, (Д20, Д21, АК – 4 – 1).

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления литых заготовок. Это сплавы Al – Si (силумины), Al – Cu (дюрали), Al – Mg (Амг). К силуминам относятся сплавы Al – Si (AЛ – 2), Al – Si – Mg (АЛ – 4, АЛ – 9, АЛ – 34), которые упрочняются термообработкой. Силумины хорошо льются, обрабатываются резанием, свариваются, анодируются, пропитываются лаками.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы систем Аl – Cu – Mn (АЛ – 19), Al – Cu – Mn – Ni (АЛ – 33), Al – Si – Cu – Mg (АЛ – 3, АЛ – 5). Легированные Ti, Cr, Ni, Cl, Zn жаропрочны до 300°С, хорошо термообрабатываются. Из них изготавливают поршни, головки блока, цилиндров и т.п.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы систем Al – Mg (АЛ8, АЛ27) и Al – Mg – Zn (АЛ24) хорошо льются и свариваются. Легирование Be, Ti, Zn вызывает изменение зерна. Они термообрабатываются.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) получается прессованием (700 МПа) при температуре 500 – 600°С алюминиевой пудры. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью до 500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Ni (СОС 1), Al-Si-Fe (СОС 2) иногда легированные Mn,Cr, Zn, Ti, V закаливаются, стареют, жаро- прочны до 350°С.

Композиционные алюминиевые сплавы армируются борными волокнами (АД1, АД33, ВКА – 1, ВКА – 2), стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А) прочны, гнутся, обладают большой ударной вязкостью, жаропрочностью, усталостью, прочностью.

 

Основные свойства пластмасс и их классификация

Материалы, получаемые синтезом органических веществ, на­зываются синтетическими. К ним относятся: пластмассы, пленки и волокна, резины, клеи, герметики, краски, лаки. В основе этих материалов лежат полимерные соединения, так называемые полиме­ры. Свойства синтетических материалов определяются физико-меха­ническими показателями тех полимеров, из которых они получены. Все полимеры отличаются исключительно большим размером молекул. Молекулы полимеров называют макромолекулами. Моле­кулярный вес полимеров составляет от 6—10 тысяч до величины, определяемой размером данного куска полимера, т. е. кусок поли­мера представляет собой единую молекулу. Форма молекул поли­меров может быть линейной (нитевидной) или сетчатой. Каждая макромолекула представляет собой совокупность звеньев какой-то одной определенной структуры, соединенных химическими связями. Часто макромолекулы представляют собой сочетание звеньев двух или трех различных типов структур. Такие полимеры называют совмещенными полимерами или сополимерами, Свойства сополимеров бывают средними показателями свойств отдельных поли­меров, составляющих данный сополимер. Сильнее выражены свой­ства того полимера, звеньев которого больше в макромолекулах сополимера.

Изделия из пластмасс, приняв при определенной температуре и давлении заданную форму, при обычных условиях представляют собой твердые и упругие тела.

Пластмассы широко применяют в машиностроении благо­даря высоким показателям следующих основных положительных свойств:

1) малая плотность полимерных материалов по сравнению с металлами (1,1—1,8 г/см³) позволяет значительно уменьшить Бес машин при изготовлении их деталей из пластмасс;

2) химическая стойкость: пластмассы не подвержены корро­зии, а многие из них и агрессивным средам;

) электроизоляционные свойства, позволяющие применять пластмассы в качестве диэлектриков, незаменимых в высокочастот­ных устройствах радиосвязи, телевидения и т. д.;

4) абсолютная и удельная механическая прочность и возмож­ность создания анизотропных материалов;

5) антифрикционные свойства: некоторые виды пластмасс, на­пример текстолит, ДСП (древеснослоистые пластики), капрон, капролон, успешно заменяют бронзу и баббит в подшипниковых узлах машин;

6) фрикционные качества: фенопласты с асбестовым напол­нителем, пресскомпозиции на основе каучуков и другие виды специальных пластмасс обладают высоким коэффициентом трения, малым износом; они с успехом заменяют в конструкциях транспорт­ных и прочих машин чугун и дорогие сорта дерева;

7) оптические свойства: некоторые ненаполненные пластиче­ские массы, как полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол и другие, прозрачны и бесцветны, способны пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиоле­товую часть спектра, значительно превосходя в этом отношении силикатные стекла; эти пластмассы широко применяют в оптической промышленности и машиностроении для изготовления прозрачных деталей — водомерных стекол, арматуры масляных и охлаждаю­щих систем, линз смотровых отверстий и т. д.;

 технологичность: трудоемкость изготовления самых сложных деталей из пластмасс незначительна по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей из других материалов;

9) наличие неограниченных ресурсов дешевого сырья. Одновременно с указанными достоинствами пластмассы обла­дают следующими недостатками:

1) низкая теплостойкость: основные виды пластмасс могут удовлетворительно работать лишь в сравнительно небольшом интервале температур (от— 60 до + 200° С); пластмассы на основе кремнийорганических полимеров, фурфурольных композиций и фто­ропластов имеют верхний предел температур 300—400° С; 258

2) низкая теплопроводность: теплопроводность пластмасс в 500—600 раз ниже теплопроводности металла, что создает труд­ности при их применении в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отвод больших количеств тепла;

3) низкая твердость (НВ6—60);

4) ползучесть: это свойство особенно ярко выражено у термо­пластов;

5) малая жесткость: модуль упругости самых жестких пласт­масс — стеклопластиков на один-два порядка ниже, чем у метал­лов;

6) старение: пластмассы теряют свои свойства под действием температуры, влажности, света, воды, длительного пребывания в атмосферных условиях.

Все это необходимо учитывать при конструировании деталей из пластмасс.

Пластмассы в зависимости от поведения смолы при нагреве делятся на термореактивные (реактопласты) и термопластические (термопласты).

Реактопласты под действием тепла и давления (или инициато­ров— ускорителей отверждения) переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Реактопласты не могут быть вторично переработаны.

Термопласты под действием тепла плавятся и затвердевают при охлаждении. Изделия из термопластов могут неоднократно перерабатываться. Однако повторный нагрев несколько ухудшает физико-механические свойства материала (за счет разложения и загрязнения его).

В зависимости от применяемого наполнителя пластические массы разделяют на композиционные и слоистые. Композицион­ные в свою очередь делятся на порошкообразные и волокнистые.

26. Изготовление отливки

Песчано-глинистые формы называют разовыми. Песчано-глинистые формы изготовляют из формовочных смесей в опоках при помощи моделей и другой модель-но-опочной оснастки. [1]

Литьем в песчано-глинистые формы изготовляют около 80 % общего количества отливок. [2]

Литье в песчано-глинистые формы не обладает идентичными характеристиками, зато имеет свои преимущества. К ним следует отнести: масса отливки может достигать величины сотен тонн ( станины станков), размеров от нескольких миллиметров до десятков метров, может изготовляться любой конфигурации и из любых литейных сплавов. Этим способом изготовляется подавляющая часть отливок в отечественном машиностроении. Если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100 %, то стоимость отливок из других сплавов составляет 130 % из ковкого чугуна, 150 % - из стали, 300 - 600 % - из цветных сплавов. Одной из забот при получении отливок всеми способами является обеспечение необходимого ( достаточного) припуска на механическую обработку. В специальных способах литья это гарантированно обеспечивается литейной оснасткой. При литье в песчано-глинистые формы ввиду низкой точности обеспечения размеров этому вопросу приходится уделять больше внимания. [3]

При литье в песчано-глинистые формы для получения ровной поверхности применяют мелкозернистые формовочные смеси. Большое значение для получения качественных отливок имеет устройство литниковой системы. Для алюминиевых сплавов применяют расширяющиеся литниковые системы, обеспечивающие замедление скорости протекания металла при выходе из питателей и тем самым отделение неметаллических частиц. В шлаковиках нередко устанавливают фильтры из стеклоткани и других материалов. Заливку следует проводить спокойной непрерывной струей без захвата воздуха и вспенивания для предупреждения окисления. [4]

При литье в песчано-глинистые формы для получения ровной поверхности применяют мелкозернистые формовочные смеси. Большое значение для получения качественных отливок имеет устройство литниковой системы. Для алюминиевых сплавов применяют расширяющиеся литниковые системы, обеспечивающие уменьшение скорости протекания металла при выходе из питателей и тем самым отделение неметаллических частиц. В шлаковиках нередко устанавливают фильтры из стеклоткани и других материалов. Заливку следует проводить спокойной непрерывной струей без захвата воздуха и вспенивания для предупреждения окисления. [5]