вого лидера в производстве электрощеток - французской корпорации «КАРБОН ЛОРРЕН» («LE CARBONЕ LORRAINE»).

Рисунок 2.6- Щетки для электрических машин (ГОСТ 12232 1-77)

1 - щетка, 2 - токоведуший провод (канатик), 3 – коллектор, t - тангенциальный размер, а - аксиаль­ный размер, r - радиальный размер

Все вышесказанное относилось к выбору материала, из которого изготав­ливается электрощетка. Однако сами щетки являются промышленными изде­лиями, требования к которым стандартизованы. Схематично электрощетка показана на рис. 2.6.

Размеры щеток указывают через знак умножения в последовательности: tхах r, где txa- площадь сечения щетки, t- ширина щетки (тангенциаль­ный размер), мм, а - длина щетки (аксиальный размер), мм, r - высота щетки (радиальный размер), мм.

Размеры разрезных щеток указывают следующим обра­зом: (2 х t/2) х ах r

Номинальные размеры t, а и r выбираются из ряда:

0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 64,0; 80,0; 100,0; 125,0.

Размеры: t - от 0,4 до 50 мм; а - от 0,8 до 50 мм; r - от 1,2 до 125 мм.

Подавляющее число щеток имеют 5 основных элементов:

1) собственно тело щетки. ГОСТ 12232 определяет ряд, из которого выби­раются размеры щеток и точность их изготовления. Следует помнить, что требования к точности соблюдения размеров электрощеток коррелируют с аналогичными требованиями касательно щеткодержателей. Зазор между те­лом щетки и обоймой щеткодержателя более 0,2 мм не должен допускаться. Подобные стандарты действуют у всех мировых производителей и являются практически идентичными. ГОСТ 122321 определяет конструктивное испол­нение электрощеток, сложившееся в СССР. Эта часть индивидуальна для большинства мировых производителей;

2) гибкий токоведущий провод, предназначенный для обеспечения элек­трического контакта в процессе работы щетки и естественного уменьшения ее длины. Во всем мире для этих целей используют провод, сплетенный из большого количества медных отожженных жил диаметром 0,1...0,2 мм. В СССР - провод ПЩ или ПЩС (ГОСТ 9125; ТУ 16-7058.467-87). Цифры по­сле обозначения марки указывают сечение провода в мм². Для щеток тропи­ческого исполнения применяется провод, сплетенный из луженых жил;

3) место крепления провода в тело щетки. Наиболее распространенный метод крепления провода в тело щетки — конопатка медным порошком (с содержанием серебра в тропическом исполнении). В советской электротех­нической школе качество крепления провода определяется двумя параметра­ми: усилием вырывания провода и переходным сопротивлением в месте кре­пления (методы определения - ГОСТ 12232). Оба этих параметра являются приемо-сдаточными;

4) место крепления щеточного провода к траверсе щеткодержателя. Чаще всего провод (несколько проводов) с целью быстрого и надежного крепления с помощью болтового соединения заканчиваются наконечником (клеммой). Возможные типы наконечников определяет ГОСТ 12232;

5) место установки пружины щеткодержателя. Подавляющее число элек­трощеток являются углеграфитными. Для того чтобы пружина щеткодержа­теля, с одной стороны, не разрушила тело щетки, а с другой стороны, была жестко ориентирована и не заклинила между телом щетки и обоймой щетко­держателя, на верхнюю поверхность щеток устанавливают специальные на­кладки. Типы накладок, применявшихся в СССР, указаны в ГОСТ 2232.2; ОСТ 16.0.686.011-72. Следует отметить, что большинство крупных произво­дителей щеток выпускает также и щеткодержатели. Конструкции же этих сборок во многом индивидуальны у каждого производителя.

2.4. Конструкционные материалы

К конструкционным материалам относятся все материалы, из которых из­готовляются детали электрических машин. Исключение составляют активные части машин, т. е. магнитопроводы, обмотки и их изоляция.

Известно, что примерно 90 % конструкционных и инструментальных ма­териалов изготавливается на основе железа. Из черных металлов производит­ся около 95 % всей металлопродукции.

Прогнозируется, что использование неметаллических материалов при производстве промышленных изделий вскоре достигнет 10 % от объема по­требления металлов и их сплавов. Таково соотношение в структуре произ­водства и потребления металлических и неметаллических конструкционных материалов.

Чистые металлы (содержание более 99,5 % данного элемента) обычно об­ладают низкой прочностью и зачастую не обеспечивают требуемого уровня физико-механических и технологических свойств.

Поэтому наиболее широко распространены сплавы различных металлов или металлов с неметаллами.

Преимущественным назначением деталей из конструкционных материа­лов является восприятие и передача механических нагрузок, а также обеспе­чение требуемой степени защиты, охлаждения, смены смазки и т. д. (стани­ны, корпуса, подшипниковые щиты, валы, жалюзи, уплотнители, вентилято­ры и т. п.).

Все конструкционные материалы можно разделить на три группы: черные металлы, цветные металлы и пластмассы.

К черным металлам, наиболее часто применяемым в электромашино­строении, относят простой, ковкий и немагнитный чугун, литую и ковкую сталь.

В электрических машинах литые детали составляют 35...60 % общей мас­сы. Для получения отливок применяют: серый и высокопрочный чугун, сталь, алюминиевые и медные сплавы, латунь, бронзу, железокобальтовые и никелевые сплавы, баббиты и пластмассы.

Самым дешевым из литейных металлических сплавов является серый чу­гун. Из него отливают корпуса, подшипниковые щиты, крышки, коробки выводов, втулки, нажимные шайбы и др.

Чугун — это многокомпонентный сплав железа с углеродом. Содержание углерода более 2 % (обычно 2,5.. .4,5 %).

По способу производства чугун подразделяют на: первичный и вторичный.

Первичный чугун получают в доменных печах путем восстановления из руды. Вторичный чугун получают переплавом первичного чугуна в сочета­нии с металлическим ломом и ферросплавами в вагранках, дуговых и индук­ционных электрических печах.

Получаемые в металлургическом производстве чугуны по назначению и химическому составу разделяют па передельные, литейные и специальные.

Передельный чугун, составляющий около 80 % всего производственного чугуна, служит полупродуктом, идущим на последующую переработку в уг­леродистые и другие стали.

Литейный чугун применяется для производства чугунных фасонных от­ливок.

Специальные чугуны имеют увеличенное содержание кремния, алюми­ния или марганца. Специальные чугуны, называемые иначе доменными фер­росплавами (доменный ферросилиций, ферромарганец, силикомарганец, зер­кальный чугун), выплавляют в ограниченных количествах. Их применяют для раскисления и легирования стали. Кроме того, в чугун для придания ему различных физических, химических и механических свойств вводят хром, никель, медь, алюминий, гитан, молибден и др. элементы Такие чугуны на­зывают легированными. Если легирующие элементы переходят в металл из руды, то такой чугун называют природным легированным чугуном.

Отливки из легированного чугуна имеют повышенную жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и др. физические, химические и механические свойства. В зависимости от содержания легирующих элемен­тов легированные чугуны подразделяются на:

хромистые чугуны (0,4. .34% Сг), которые обладают повышенной прочностью (с„ 600 МПа) и стойкостью в агрессивных средах;

медистые чугуны (2...2,5% Си), которые обладают повышенной проч­ностью (о„ 500...550 МПа) и используются для изготовления коленчатых валов, маховиков и станин;

- титановые чугуны (около 0,7 % Ti), которые обладают антифрикцион­ными свойствами в паре с другими металлами, применяются как антифрик­ционные сплавы;

- алюминиевые чугуны (6...34% AI), которые обладают высокой стойко­стью к газовой коррозии при повышенных температурах (до 1000 °С), ис­пользуются для изготовления печной арматуры;

-кремнистые чугуны (4,5... 18% Si), которые обладают высоким сопро­тивлением ползучести до 900 °С, применяются в нагревательных системах;

- марганцевые чугуны (4... 12 % Мп), которые обладают малой магнитной проницаемостью и высоким электрическим сопротивлением, применяются в электротехнике;

хромоникелевые чугуны (0,2... 1,5 % Сг, 0,2...4 % Ni), которые обладают высокой прочностью, износостойкостью и стойкостью к газовой коррозии.

Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии в виде це­ментита или в структурно-свободном состоянии в виде графита.

Литейные чугуны в зависимости от степени графитизации принято делить на белые, серые и ковкие.

Белый чугун при обычной температуре содержит перлит и цементит. Весь углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии, поэтому та­кой чугун имеет светлый излом.

Детали со сплошной структурой белого чугуна в машиностроении не ис­пользуются. Обычно применяют детали, у которых поверхность имеет струк­туру белого чугуна, а сердцевина — серого, что достигается специальной тер­мической обработкой. Высокая твердость отбеленной поверхности (350...400 НВ) придает изделию большую износостойкость.

Большая часть белого чугуна, получаемого доменной плав­кой, предназначается для передела в сталь (передельный чугун), а некоторая часть - для получения ковкого чугуна.

Чугун с графитом можно представить в виде стальной основы, содержа­щей графитные включения. Этими графитными включениями можно управ­лять, придавая чугуну те или иные механические свойства. В зависимости от формы и размеров этих включений чугун с графитом делят на серый, высо­копрочный и ковкий.

В сером чугуне графитные включения имеют форму кривых пластинок. Такой чугун является сталью с готовыми трещинами - концентраторами на­пряжений, заполненными графитом. Чем их больше и чем они крупнее, тем ниже прочность серого чугуна.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, рядом с которыми ставят двузначное число, означающее временное сопротивление σ_в (кгс/мм²): СЧ10, СЧ15, СЧ45.

Для повышения прочности серый чугун модифицируют. Для этого в него вводят силикокальций, измельчающий графитные пластинки-трещинки.

Серый чугун получается при медленном охлаждении отливки в форме, если при этом в его составе кремний, являющийся графитизатором, преобла­дает над марганцем.

Серый чугун имеет хорошие литейные свойства и обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. К его недос­таткам следует отнести низкую пластичность.

Высокопрочный чугун применяют для отливки деталей электродвигате­лей взрывобезопасного исполнения и ответственных деталей других электри­ческих машин. Он содержит графит в геометрически правильной шаровид­ной форме, почти не концентрирующей напряжений и поэтому обеспечи­вающей чугуну наибольшую прочность σ_Б (до 1200 МПа), сочетающуюся с удовлетворительной пластичностью δ (2... 17 %).

В маркировке высокопрочного чугуна отражены прочность и пластич­ность: ВЧ38-17, В470-2, ВЧ120-2 и т. д.

Высокопрочный чугун получается в результате модифицирования серого чугуна специального состава небольшими добавками (0,03...0,07%) магния или церия.

По сравнению с серым чугуном он имеет лучшие механические свойства, но отливки из него имеют среднюю стоимость на 30 % выше, чем отливки из серого чугуна.

Ковкий чугун содержит графит в хлопьевидной форме. Это обеспечивает ему значительно более высокую, чем у серого, но несколько меньшую, чем у высокопрочного чугуна, прочность, сочетающуюся с некоторым запасом пластичности: КЧ30-6, КЧ97-12, КЧ63-2.

Ковкий чугун получают путем длительного (70...80 ч) графитизируюшего отжига отливок из белого чугуна специального состава при температуре 970...740 °С, во время которого происходит частичный или полный распад цементита с образованием свободного углерода - графита в виде хлопьев.

Ковкий чугун применяется для изготовления литых деталей, подвергаю­щихся в работе небольшим ударным нагрузкам (кожухи, рычаги и т. д.).

Стальное литье применяют для отливки ответственных деталей с высо­кими прочиостными характеристиками или когда они служат магнитопрово- дами. К сталям формально относятся сплавы, содержашие менее 2,14 % угле­рода, остальные сплавы причисляются к чугунам. Из стали отливают: корпу­са, щиты, детали коллекторов, нажимные фланцы машин постоянного тока, валы, втулки роторов, нажимные шайбы крупных электрических машин. Для деталей магнитопроводов следует выбирать сталь с содержанием углерода до 0,25 %. Для получения стальных отливок с хорошей свариваемостью содер­жание углерода должно быть выше 0,18 %. Средняя стоимость стальных от­ливок на 50 % выше стоимости отливок из серого чугуна. Для придания ста­ли требуемой структуры или технологических свойств ее подвергают терми­ческой обработке, которая представляет собой совокупность проводимых по определенным режимам операций ее нагрева и охлаждения. За счет термиче­ской обработки можно, не меняя химического состава стали, изменять ее свойства в очень широком диапазоне. Например, отожженная сталь 40 имеет твердость 1500 МПа (150 НВ), а закаленная - 6000 МПа (600 НВ).

Основными фазами и структурными составляющими системы железо-углерод, от которых зависят свойства сплавов и их поведение при нагруже- нии и нагреве, являются феррит [Ф], аустенит [А] и цементит [Ц].

Аустенит - это фаза и различимая в микроскоп в виде зерен структурная составляющая, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода в железо. В аустените в зависимости от температуры нагрева может раство­ряться до 2,14% углерода (при Т = 1147°С). Обычно аустенит существует при Т > 727 °С. При комнатной температуре он иногда в небольших количе­ствах может сохраниться только в закаленной стали. Он очень пластичен (5 = 40...50%), его твердость составляет 1700...2000 МПа (170. .200 НВ). При Т = 727 °С аустенит может содержать только 0,8 % углерода. При повы­шении температуры растворимость углерода в аустените возрастает до 2,14% при 1147 °С.

При охлаждении всех сплавов, содержащих аустенит, из него вследствие уменьшения растворимости будет выделяться углерод. Выделяющийся угле­род образует цементит, получивший название вторичного. Для понимания природы свойств равновесных сплавов системы железо-углерод при комнат­ной температуре наибольший интерес представляют феррит и цементит. Дело в том, что при Т < 727 °С, включая и комнатную, все сплавы с содержанием углерода от 0 до 6,67 % состоят только из этих двух фаз, находящихся в них в разных количественных сочетаниях. Количество цементита в сплавах возрас­тает от 0 до 100 % при 6,67 % углерода. В то же время количество феррита, соответственно, убывает от 100 % до 0. В связи с этим у сплавов будут воз­растать свойства, привносимые цементитом, и снижаться характеристики, определяемые ферритом.

Твердость феррита зависит от фактического количества растворенного в нем углерода и может достигать 800 МПа (80 НВ). Феррит, входящий в со­став промышленной стали, благодаря неизбежно попадающим в нее при вы­плавке и растворяющимся в нем некоторым количествам кремния и марганца имеет более высокую твердость, доходящую до 1000 МПа (100 НВ). Он очень пластичен, его относительное удлинение δ = 50 %, а поперечное суже­ние ψ = 80 %.

Цементит является самой твердой и хрупкой фазой и структурной со­ставляющей в рассматриваемом ряду сплавов. Его твердость максимальна (второе место после алмаза) и составляет 8000 МПа (800 НВ), а пластичность равна нулю, т. к. он способен только к небольшим упругим деформациям.

На основании вышесказанного легко понять, что при увеличении в сплаве содержания углерода вследствие возрастания в нем количества твердого и хрупкого цементита и соответственно уменьшения доли мягкого и пластич­ною феррита твердость и прочность сплава должны повышаться, а пластич­ность и вязкость - уменьшаться. При этом, поскольку в данном случае обра­зуется механическая смесь этих двух фаз (Ф + Ц), свойства изменяются по линейному закону.

Перечисленные ранее входящие в состав сталей и чугунов фазы (аустенит, феррит, цементит) могут находиться в них как отдельные структурные со- ставляющие в виде зерен или мелких продолговатых включений. Они также образуют характерные структурные составляющие - механические смеси с некоторыми присущими им признаками - перлит и ледебурит.

Перлит представляет собой механическую смесь тонких пластинок цементита и находящихся между ними более толстых пластинок феррита. Он образуется при 727 °С из аустенита, содержащего 0,8% углерода. Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формирова­нии их свойств.

Ледебурит является механической смесью зерен аустенита и цементита, которые одновременно кристаллизуются из жидкой фазы, при постоянной температуре, равной 1147 °С. Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При даль­нейшем охлаждении содержание углерода в аустените из-за уменьшения растворимости снижается и при 727 °С достигает 0,8 %. Аустенит при этом пре­вращается в перлит и, таким образом, ледебурит становится смесью зерен перлита и цементита. Ледебурит содержится только в чугунах и отсутствует в сталях.

Основную массу производимой в мире стали получают главным образом из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах со стальным ломом. Ос­новными агрегатами для производства стали являются конвертеры, марте­новские печи и электропечи. Полученную в них сталь называют соответст­венно конвертерной, мартеновской или электросталью.

Сущность выплавки стали из чугуна состоит в удалении из него путем окисления избыточного количества углерода до требуемого марочного уров­ня, а также примесных элементов, содержание которых ограничивается опре­деленными пределами.

Для получения стали повышенного качества применяют рафинирующие переплавы, позволяющие удалить из расплавленной стали различные приме­си. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легиро­ванные.

Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (до 1 %) и кремний (до 0,4 %), а также вредные примеси - серу и фосфор.

Для оценки свойств отожженных, т. е. находящихся в равновесном фазо­вом состоянии сталей, надо знать отличия химического состава их фаз - фер­рита и цементита - и металлургические дефекты, которые привносятся в них при выплавке и которые влияют на их механические и другие свойства.

Марганец и кремний, попадающие в сталь из чугуна, а также вводимые в нее дополнительно при раскислении, растворяются в феррите, а марганец - в цементите. Благодаря этому при сохраняющейся пластичности несколько возрастают прочность и твердость стали.

Сера и фосфор снижают прочность и пластичность, а также ударную вяз­кость стали и поэтому являются вредными примесями. При этом фосфор, растворяясь в феррите, упрочняет его и делает хрупким, т.е. снижает вяз­кость стали, особенно при низких температурах. Отсюда принято считать, что фосфор придает стали хладоломкость.

Сера в фазах, находящихся в стали, растворяться не может. Поэтому в стали она располагается между ее зернами в виде легкоплавкого соединения FeS. Это соединение, как бы разъединяя зерна, снижает прочность, пластич­ность и вязкость стали. Кроме того, соединение FeS образует с соседними зернами стали плавящуюся при 988°С смесь. Поэтому сильно пораженная серой сталь при ковке (Т>1100°С) разрушается на фрагменты. Поэтому го­ворят, что сера придает стали красноломкость.

Кислород, как и сера, в твердой стали не растворяется, но присутствует в ней в виде различных оксидов, имеющих форму разнообразных по очертаниям и размерам зерен (Si0₂, FeO, МnО и т. п.), называемых неметаллическими включе­ниями. Эти включения делают сталь хрупкой и снижают ее прочность.

Азот и водород способны растворяться в феррите и образовывать мелкие зерна нитридов и гидридов. Все это приводит к росту твердости и потере пластичности, а также вязкости стали.

Углерод существенно влияет на свойства стали, поскольку от него зави­сят относительные количества находящихся в стали мягкого и пластичного феррита и очень твердого, но хрупкого цементита. В связи с этим, тесно пе­реплетается классификация сталей по содержанию углерода и назначению.

Углеродистая сталь является нелегированной сталью, содержащей 0,04...2,14% углерода и постоянные примеси (до 1 % марганца, до 0,4% кремния, до 0,07 % серы, до 0,09 % фосфора), которые неизбежно присутст­вуют в стали в связи с условиями ее производства.

По содержанию углерода стали классифицируют на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

Низкоуглеродистые стали (до 0,25 % углерода) очень пластичны, но сравнительно малопрочны и используются для изготовления слабонагруженных изделий. Низкоуглеродистые стали паяются и свариваются.

Среднеуглеродистые стали (0,3...0,6% углерода) имеют достаточно вы­сокий комплекс вязкостно-прочностных свойств и являются основными кон­струкционными машиноподелочными материалами.

Высокоуглеродистые стали (0,7... 1,3 % углерода) обладают очень высо­кой твердостью, низкими пластичностью и вязкостью. Из них изготовляется режущий и другой инструмент, а также изделия с высокой износостойко­стью.

По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные и инст­рументальные.

Конструкционные стали составляют класс машиноподелочных и строи­тельных сталей, используемых в машиностроении и строительстве.

Конструкционные стали в зависимости от величины и характера нагрузки, прикладываемой к изготовляемым из них изделиям и конструкциям, делятся на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества допускают в своем составе большее ко­личество серы, фосфора, неметаллических включений, газов и других приме­сей, чем в качественных. Согласно ГОСТ 380-71 стали обыкновенного каче­ства делятся на три группы: А, Б, В.

Сталь группы А выпускается с гарантируемыми только механическими свойствами. Химический состав не гарантируется. Из стали этой группы можно изготовлять заготовки, подвергающиеся только механической обра­ботке (снятие стружки). Нагревы, сварку применять нельзя, т. к. изменяю­щиеся при этом свойства можно восстановить только термической обработ­кой. но для этого необходимо знать содержание углерода в стали, т. е. Ее химический состав.

Стали этой группы маркируются так: Ст0, Ст1,...Ст6. Гарантируемая прочность о_в находится в пределах 300...625 МПа, а пластичность σ_в = 22.. .14%.

Сталь группы Б выпускается с гарантируемым химическим составом. Поэтому при изготовлении изделий ее можно нагревать, например для ковки, а потом при помощи термической обработки исправлять нарушенную струк­туру и придавать необходимые свойства.

Стали этой группы маркируют: БСт0, БСт1,…. БСт6.

Сталь группы В выпускается с гарантируемыми механическими свойст­вами и химическому составу. Сталь этой группы идет для изготовления свар­ных конструкций.

Стали группы В маркируют: ВСт1,..., ВСт6.

К маркировке недораскисленных («кипящих») сталей прибавляются бук­вы кп, например Ст1кп, БСт1кп.

Качественные углеродистые конструкционные стали выплавляются при более строгом соблюдении технологии выплавки, а содержание вредных примесей серы и фосфора в них не должно превышать 0,03 % каждого. Маркировка этих сталей состоит из двузначного числа, означающего содержание углерода в сотых долях процента: сталь 05, 08, 10, 15,20,..., 40,45,..., 85. Из-за высокой хрупкости конструкционные углеродистые стали не содержат углерода свыше 0,85 %. Буква А в конце марки свидетельствует об улучшенном металлургическом качестве ста­ли: более полном раскислении, мелком наследственном зерне, более точном хими­ческом составе и меньшем содержании серы и фосфора (менее 0,02 % каждого). Из этих сталей изготовляют детали ответственного назначения.

Низкоуглеродистые стали могут выплавляться и как «кипящие»: 10кп, 15кп, 20 кп. Важным преимуществом «кипящей» стали является отсутствие у ее слитков сосредоточенных усадочных раковин, благодаря чему на 10...20 % увеличивается выход годного металла. Находящиеся в слитке мно­гочисленные заполненные оксидом углерода пузыри завариваются во время прокатки или ковки.

Инструментальные углеродистые стали являются высокоуглеродистыми сталями, содержащими 0,7...1,3 % углерода. Это гарантирует им высокую твер­дость, необходимую для придания инструменту режущих свойств и износостой­кости. Их маркируют У7, У7А,..., У13, У13А. Цифра означает содержание угле­рода в десятых долях процента, а буква А - улучшенные металлургические каче­ства.

Как указывалось выше, изменяя скорость охлаждения аустенита, можно получать изделия с различными свойствами - от самых мягких и пластичных до наиболее твердых и хрупких. На этом и основана широко и часто приме­няемая в промышленности термическая обработка металлов.

Термическая обработка металлов представляет собой процесс тепловой обработки металлов и сплавов с целью изменения их структуры, а следова­тельно, и свойств, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной ско­ростью.

Термическая обработка применяется как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металла (обрабатываемости давлением, резанием и т. п.) и как окончательная - для придания ему комплекса механи­ческих, физических и химических свойств, обеспечивающих необходимые характеристики изделия.

Основные виды термической обработки металлов: отжиг, нормализация, за­калка, отпуск, старение, термомеханическая обработка, химико-термическая об­работка. Существует также множество разновидностей термической обработки металлов, например обработка стали холодом, электротермическая обработка, патентирование.

Отжиг служит главным образом для снижения твердости стальных заго­товок перед механической обработкой. Отжиг заключается в нагревании за­готовки, выдерживании ее при определенной температуре и последующем медленном охлаждении. Отжиг способствует переходу неустойчивой струк­туры в близкую к равновесной, снятию механических напряжений, повыше­нию пластичности и улучшению обрабатываемости. Отжиг в контролируе­мой атмосфере проводят для изменения состава вещества.

Нормализация служит для повышения механических свойств стали, а также для улучшения обрабатываемости стали резанием.

Нормализация заключается в нагреве заготовки до температур аустенитного состояния (примерно до 750...950 °С), выдержке и последующем охла­ждении на воздухе.

Нормализацией достигают ряд целей: измельчение выросшего по какой-либо причине зерна стали, разрушение затрудняющей механическую обработку це- ментитной сетки, а также перекристаллизация грубой и хрупкой столбчато- дендритной структуры литой стали в мелкозернистую, равноосную.

Для заготовок из мягкой низкоуглеродистой стали нормализация с целью экономии времени проводится вместо отжига, а для деталей неответственно­го назначения из любой стали заменяет закалку.

При охлаждении на открытом воздухе низкоуглеродистой стали получа­ется более тонкая по строению, чем при отжиге смесь зерен феррита и перли­та, но вследствие небольшого содержания углерода твердость оказывается не намного выше.

Средне- и особенно высокоуглеродистые стали при этом приобретают структуру мелкозернистого, мелкопластинчатого перлита, называемого сор­битом. Поэтому прочность оказывается выше, чем при отжиге.

Вокруг зерен высокоуглеродистой стали цементитная оболочка сформи­роваться не успевает, и выделяющийся цементит оказывается внутри зерен перлита в виде изолированных друг от друга зернышек. С таким строением сталь легче обрабатывается режущим инструментом. Но чтобы уменьшить ее твердость и дополнительно облегчить снятие стружки, сталь после норма­лизации следует подвергнуть неполному отжигу с нагревом до температуры 750...950 °С.

Закалка стали позволяет получить в ее структуре мартенсит, характери­зующийся высокой твердостью. Закалка является первой операцией оконча­тельной термообработки изделия. Под окончательной понимают такую тер­мообработку, которая придает стали ту структуру и свойства, которые необ­ходимы изделию для выполнения своих эксплуатационных функций. В этом случае изделие подвергают истинной закалке, обеспечивающей получение мартенситной структуры. Получив предварительно мартенсит и подвергнув его затем соответствующему виду отпуска, можно получить у стали наилуч­ший комплекс механических свойств, т. е. наиболее благоприятное сочетание твердости, прочности, вязкости и пластичности, необходимое для надежной и долговечной работы изделия.

Для закалки на мартенсит сталь нагревается до температуры 760...780 °С, выдерживается для выравнивания аустенита по углероду и другим раство­ренным в нем элементам (например, легирующим, если сталь легированная), а затем охлаждается со скоростью не менее критической. Для углеродистых сталей закалочной средой является вода.

Закалка с меньшей скоростью дает более мягкие, чем мартенсит, структу­ры - тростит или сорбит, обеспечивающие более низкие механические свой­ства.

Отпуск стали является заключительной операцией термообработки, вы­полняемой после закалки. Основной целью отпуска является трансформиро­вание полученного в результате закалки мартенсита в структуру, обладаю­щую оптимальным комплексом вязкостно-прочностных свойств, обеспечиваюших надежную и долговечную работу изделия в условиях эксплуатации. Процесс отпуска заключается в нагреве закаленной детали до какой-то опре­деленной, заданной температуры, выдержке при этой температуре, достаточ­ной для завершения необходимых структурно-фазовых превращений, и ох­лаждении с любой скоростью.

В практике термической обработки сложились три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при 150... 180°С (иногда при 220...250°С). При этих температурах из решетки мартенсита выходит лишь часть углерода, который образует высоко дисперсные, невидимые в микроскоп частицы эпсилон-карбида. Полученная структура обладает высокой твердостью. Однако вследствие хотя и уменьшающихся, но все еще сохраняющихся искажений и внутренних напряжений ее пластичность и вязкость повышаются незначи­тельно.

Средний отпуск производится при 350...450°С (иногда 470 °С). При та­кой температуре мартенсит полностью распадается на ферритно-цементитную смесь, т. к. весь избыточный углерод покидает решетку мар­тенсита (и образуется феррит), а частицы эпсилон-карбида в результате пере­стройки и коагуляции превращаются в зернышки цементита. Образующаяся при среднем отпуске тонкая смесь феррита и зернистого цементита называет­ся троститом отпуска. Она обладает высокими упругими свойствами и доста­точной для долговечной работы вязкостью.

Высокий отпуск производится при 500...650°С. Он практически полно­стью устраняет искажения кристаллической решетки α-железа и снимает за­калочные напряжения.

Под действием такой температуры зернышки цементита, объединяясь, ук­рупняются, и получается смесь более крупных, чем у тростита, зерен цемен­тита с ферритом. Образующуюся структуру называют сорбитом отпуска. Она имеет наиболее благоприятное сочетание свойств, а именно: максимальные вязкость, пластичность и удовлетворительный предел текучести. По этой причине закалку с высоким отпуском часто называют улучшением.

Старение сплавов представляет собой изменение строения и свойств металлических сплавов, протекающее либо в процессе выдержки при комнатной температуре (естественное старение), либо при нагреве (искус­ственное старение). Основным процессом при старении является распад пересыщенного твердого раствора, получаемого, как правило, при закалке сплава.

В результате образования дисперсных выделений старение приводит к увеличению прочности и твердости сплава при одновременном уменьше­нии пластичности и ударной вязкости. В ряде случаев старение отрица­тельно влияет на свойства сплава, поэтому для ослабления склонности сплава к старению иногда принимают специальные меры. Старение широ­ко используется для повышения прочности различных сплавов, например дуралюминов.

Термомеханическая обработка металлов представляет собой совокуп­ность операций пластической деформации, нагрева и охлаждения, в резуль­тате которых формирование окончательной структуры сплава, а следователь­но, и его свойств происходит в условиях повышенного числа несовершенств кристаллов (главным образом, дислокаций), созданных пластической дефор­мацией.

Различают высокотемпературную и низкотемпературную термомеханиче­скую обработку.

Высокотемпературная механическая обработка стали состоит из горячей обработки давлением (ковка, прокатка и т. п.) в области температур устойчи­вости аустенита с немедленным охлаждением для предотвращения его рек­ристаллизации.

Низкотемпературная термомеханическая обработка стали состоит из деформации в области температур неустойчивости аустенига и ниже тем­пературы его рекристаллизации. Из такого аустенита при последующей закалке получается мартенсит с особым строением, обеспечивающим очень высокое временное сопротивление разрыву (предел прочности) - до 3 ГПа и более.

Термомеханическая обработка является одним из перспективных путей повышения прочности конструкционных сплавов.

Как указывалось выше, прочностные и вязкопластические свойства стали изменяются не однозначно: если по какой-либо причине растут пластичность и вязкость, то одновременно уменьшаются твердость и прочность, и наобо­рот. Например, если при отпуске твердость оказывается высокой, ю вязкость оказывается низкой. То же происходит при увеличении содержания углерода в стали: твердость растет, а вязкость снижается. Однако в некоторых случаях от материала изделия одновременно требуется высокая износостойкость (со­противление истиранию, обеспечиваемое высокой твердостью) и высокая вязкость (стойкость против разрушения при продолжительных ударных на­грузках).

В подобных случаях вся деталь изготовляется из материала, обладающего достаточно высокой пластичностью и вязкостью, а затем места детали, от которых требуются высокая твердость и износостойкость, подвергаются до­полнительной поверхностной упрочняющей обработке.

Наиболее часто для этого применяют поверхностную закалку и химико- термическую обработку.

Деталь при поверхностной закалке изготовляется из среднеуглеродистой стали. Для придания окончательных свойств сердцевине всю деталь вначале нормализуют или улучшают, а затем упрочняемому месту дают поверхност­ную закалку на глубину до 2 мм. Нагревают поверхность детали под закалку индуктором, охватывающим по контуру упрочняемую поверхность и питаю­щимся током высокой частоты.

Упрочняемая поверхность за очень короткое время прогревается до аустенитного состояния на требуемую глубину и после этого охлаждается струями воды. После поверхностной закалки деталь повергается низкому отпуску. Полученная таким образом твердая поверхность хорошо противо­стоит износу, а сохранившаяся вязкой сердцевина изделия хорошо воспри­нимает и поглощает ударные нагрузки.

Химико-термическая обработка применяется для насыщения поверхности изделия каким-либо элементом - упрочнителем диффузионным способом, и таким образом обеспечивается ее высокая твердость и износостойкость. Для этой цели чаще всего применяются цементация, азотирование и цианирование.

Цементацией называется насыщение упрочняемой поверхности детали углеродом на глубину до 2 мм с целью получения при последующей закалке с низким отпуском высокой твердости и износостойкости. Чтобы сердцевина детали оказалась вязкой и ударостойкой, деталь изготовляется из низкоугле­родистой легированной стали 18ХГТ, 20Х и т. д. Хорошие результаты дает газовая цементация оксидом углерода СО или метаном СН4 в специальной герметичной камере при температуре 900...950 °С.

После закалки и низкого отпуска упрочненный слой приобретает твердую и износостойкую структуру мартенсита отпуска с равномерно распределен­ными в нем зернами карбидов.

Азотированием называется поверхностное упрочнение стали путем ее на­сыщения азотом. Наиболее твердыми и термостойкими нитридами, образующи­мися при азотировании и обеспечивающими упрочняемому слою высокую твер­дость и износостойкость не только при комнатной, но и при повышенной темпе­ратуре, являются нитриды хрома (CrN), алюминия (AIN) и молибдена (MoN).

Поэтому детали, подвергающиеся азотированию, должны изготовляться из среднеуглеродистой стали, содержащей упомянутые легирующие элементы, напри­мер из стали 35ХМЮА.

В отличие от цементации, азотированию подвергают такие трущиеся де­тали, которые при эксплуатации испытывают еще и нагрев. Необходимо от­метить, что упрочненный цементацией слой при нагреве свыше 250°С теряет твердость и износостойкость, а азотированный слой выдерживает более вы­сокие температуры (свыше 600...700 °С).

Цианирование представляет собой одновременное насыщение упроч­няемой поверхности углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли.

Однако вследствие опасности обращения с циансодержащей средой на за­водах более широкое применение нашла нитроцементация - поверхностное упрочнение стальных деталей в газовой среде, состоящей из смеси около 92 % цементирующего газа (эндогаз + природный газ) и до 8 % аммиака. Процесс идет в специальной камере при температуре около 870 °С. В резуль­тате закалки и низкого отпуска на поверхности получается твердый, износо­стойкий мартенситный слой с зернышками карбонитридов.

Легированной сталью называется такая сталь, в которую помимо обыч­ных примесей (углерода кремния, марганца, серы, фосфора) специально вво­дятся один или несколько других элементов, либо кремний или марганец в повышенном против обычного количестве, называемые легирующими.

Целью легирования является улучшение механических и технологических свойств стали или получение каких-либо новых эксплуатационных характе­ристик, не присущих углеродистой стали.

Легирующие элементы, как правило, вводят в расплавленную сталь в виде ферросплавов или лигатур.

По суммарному содержанию легирующих элементов легированную сталь делят на низколегированную (до 2,5 %), среднелегированную (2,5... 10%) и высоколегированную (свыше 10 %).

В качестве легирующих элементов наибольшее применение получили хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, титан. Сталь может быть легирована одним, двумя или более элементами. Соответственно леги­рованную сталь называют хромистой, хромоникелевой, хромоникельмолиб- деновой и т. д.

Легирующие элементы, используемые в марках сталей, имеют следующие обозначения: А - азот, Ю - алюминий, Л - бериллий, Р - бор, Ф - ванадий, Ви - висмут, В - вольфрам, Ги - галий, Кд - кадмий, К - кобальт, С - крем­ний, Ш - магний, Г - марганец, Д - медь, М - молибден, Н - никель, Б - нио­бий, Е - селен, Т - титан, У - углерод, П - фосфор, X - хром, Ц - цирконий.

Легированные стали обозначаются цифрами и буквами (ГОСТ 4543-71). Первые две цифры показывают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей и десятых долях процента для инст­рументальных и нержавеюших сталей). Буквы обозначают легирующий эле­мент, а стоящие за буквами цифры - содержание легирующего элемента в процентах, если оно превышает 1 %. Если элемента менее 1 %, то цифра не ставится. Стоящая в конце маркировки буква А свидетельствует о высоком качестве стали и прежде всего о том, что в ней серы и фосфора менее 0,02 % каждого.

Например, сталь марки 3X13 содержит 0,3% углерода и 13% хрома; сталь марки 2X17Н2 содержит 0,2% углерода, 17% хрома и 2% никеля; сталь марки 12Г2А содержит 0,12% углерода, 2% марганца, высококачест­венная.

По назначению легированные стали делят на три группы:

А.Конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей ма­шин.

Б.Инструментальные стали, применяемые для изготовления различного инструмента.

В.Стали с особыми свойствами.

В легированных сталях должно быть не менее 50 % железа, при меньших количествах получаются сплавы с особыми свойствами.

Такими сталями являются:

1) нержавеющие и кислотоупорные;

2. жаропрочные и жаростойкие;

3. износоустойчивые;

4. с особым тепловым расширением;

5. с особыми магнитными свойствами;

6. высокого электросопротивления и т. д.

Для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначе­ния у углеродистых сталей недостаточно прочности и вязкости. Компенсиро­вать этот недостаток за счет увеличения сечения детали нерационально, так как из-за недостаточной прокаливаемости углеродистых сталей внутренняя часть сечения оказывается непрочной. Под прокаливаемостью понимается способность стали закаливаться на определенную глубину. Ее можно оцени­вать, например, по наибольшему диаметру, при котором деталь из данной стали прокаливается насквозь, приобретая во всем сечении мартенситную структуру.

Оптимальным содержанием вводимых в конструкционную сталь леги­рующих элементов является такое, которое обеспечивает сквозную прокаливаемость изготавливаемых из этой стали деталей.

Конструкционные легированные стали обладают более высокими вязко­стно-прочностными свойствами по сравнению с углеродистыми благодаря следующим преимуществам:

1) все они имеют мелкозернистую структуру (кроме марганцовистых);

2) они имеют более высокие пластичность и вязкость, т. к. они глубже прокаливаются и закаливаются не в воде, а в масле, а некоторые на воздухе, что способствует получению очень малых закалочных напряжений;

3) при отпуске на равные с углеродистыми сталями твердость и прочность требуют более высокой температуры и большей выдержки, вследствие чего в них легко снимаются закалочные напряжения и вязкость оказывается выше;

4) значительно улучшают механические свойства стали никель (до 5 %) и хром (до 3 %), которые, растворяясь в феррите, повышают его прочность и вязкость больше, чем другие элементы.

От стали, идущей на изготовление деталей машин, требуются главным образом высокие механические свойства. Они должны обладать достаточной пластичностью и вязкостью, чтобы успешно противостоять динамическим и ударным нагрузкам, и вместе с тем высокой прочностью и выносливостью, особенно в условиях усталостных нагрузок. Простая углеродистая сталь не всегда может удовлетворить этим требованиям, и в таких случаях использу­ются легированные стали. Положительное влияние легирующих элементов сказывается, прежде всего, на прокаливаемости стали. Вместе с тем, леги­рующие элементы, растворяясь в цементите, препятствует его коагуляции (слипанию частиц) при нагреве и тем способствуют повышению прочности, т. к. грубодисперсный цементит снижает прочность. Кроме того, распределя­ясь по границам зерен твердого раствора, легирующие элементы затрудняют собирательную рекристаллизацию металла и тем самым препятствуют росту зерна, что также приводит к возрастанию прочности.

Никелевые стали. Никель образует с железом непрерывный ряд твер­дых растворов и расширяет температурный интервал существования аустенита.

Сплав железа с 36% никеля и 0,15...0,25% углерода называется инва­ром. Он имеет минимальный коэффициент линейного расширения и практи­чески не расширяется в интервале температур от -100 до +100 °С. Инвар ши­роко применяется в приборостроении для изготовления эталонов калибров, деталей часовых механизмов и прочих приборов, которые с изменением тем­пературы должны сохранять свои размеры.

Сплав железа с 46 % никеля и около 0,15 % углерода называется плати­нитом. Он имеет такой же коэффициент линейного расширения, как у плати­ны и стекла, поэтому применяется вместо платины для электродов лампочек накаливания.

Хромистые стали. Хром повышает твердость и прочность стали, не сни­жая пластичности. Однако увеличение содержания хрома выше 1,0... 1,5% снижает ударную вязкость. Хром повышает коррозионную стойкость в атмо­сферных условиях и сопротивляемость стали газовой коррозии при высоких температурах. При больших концентрациях хрома на поверхности стали об­разуется тонкая окисная пленка (Сг₂О₃), препятствующая развитию процесса коррозии в атмосферных условиях, а также в кислотах, особенно в азотной. Хромистые стали применяют для изготовления мерительных, режущих и пневматических инструментов, штампов, ролико- и шарикоподшипников, постоянных магнитов и т. п. Кроме того, хромистые стали широко распро­странены как теплоустойчивые и коррозионностойкие материалы в нефтяной и химической промышленности. Наиболее распространены следующие мар­ки хромистых сталей: 15ХА с содержанием около 0,15% углерода и 0,7...1,0% хрома; 38ХА с содержанием около 0,38% углерода и 0,8...1,1 % хрома и ШX15 (шарикоподшипниковая) с содержанием 0,9... 1,1 % углерода и 1,3... 1,65 % хрома.

Хромоникелевые стали. Одновременное введение хрома и никеля весь­ма благоприятно влияет на строение и свойства стали. Сталь приобретает высокую твердость и прочность, достаточную вязкость и пластичность, хо­рошую прокаливаемость, однородное строение. Содержание хрома и никеля в конструкционных сталях обычно меняется в пределах: 0,6... 1,5% хрома, 1,0.. .4,0 % никеля при содержании 0,1.. .0,4 % углерода.

Дополнительное введение вольфрама и молибдена в хромоникелевые ста­ли значительно улучшает их механические и другие свойства. После терми­ческой обработки вольфрамовые стали приобретают повышенную твердость, прочность и высокую ударную вязкость. Вольфрам добавляется к конструк­ционным хромоникелевым сталям и к жаропрочным сталям, а также является основным легирующим элементом быстрорежущих сталей.

Хромо-молибдено-алюминневая сталь. Алюминий является лучшим рас- кислителем стали. Он добавляется в ванну незадолго до выпуска стали из печи, а также вводится в ковш или желоб.

В небольших количествах, до 0,1 %, алюминий добавляется во все конст­рукционные и инструментальные стали, от которых требуется зерно малой величины. Особенно сильно алюминий повышает стойкость стали против газовой коррозии при высоких температурах. Сплавы для постоянных магни­тов, имеющие высокие магнитные свойства, содержат 12... 15% алюминия. Хромомолибденоалюминиевые стали широко применяются для изготовления деталей машин, от которых требуется большая стойкость против износа и истирания при обычных и повышенных температурах.

Хромомарганцовокремнистая сталь (хромансиль). Одна из наиболее распространенных марок этой стали — 30ХГСА — содержит в среднем 0,3 % углерода и по 1 % хрома, марганца и кремния. Марганец образует с железом твердые растворы. Кремний образует с железом твердые растворы и метал­лические соединения - Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂. Особенно заметно кремний повы­шает пределы упругости и текучести, что позволяет широко применять крем­нистые стали для изготовления пружин.

Сталь хромансиль широко применяется в машиностроении, т. к. она обла­дает хорошей свариваемостью, высокими механическими свойствами, хоро­шей прокаливаемостью, удовлетворительной обрабатываемостью режущими инструментами и высокой пластичностью в отожженном состоянии. Из хромансиля изготовляют заготовки в виде листов, труб, профилей, поковок, прутков и проволоки.

Коррозионно-стойкими (нержавеющими) называются стали, противо­действующие поверхностному разрушению под действием агрессивных газо­вых или жидких сред.

Углеродистые и низколегированные стали не обладают сколько-нибудь значительной коррозионной стойкостью, т. к. образующаяся на них окисная пленка не изолирует металл от химического воздействия среды. Только вве­дение в сталь около 12 % хрома делает ее устойчивой против коррозии в ат­мосфере, кислотах, щелочах, растворах солей. Все стали, содержащие 12% хрома и более, являются нержавеющими. Так, например, стали 12X13 и 40X13 устойчивы на воздухе, в воде, в паровой среде. Из них изготовляют клапаны гидропрессов, предметы домашнего обихода, хирургический инст­румент. Сталь с большим содержанием хрома 12X17 является кислотостой­кой. Сталь 08X17Т, которая кроме хрома содержит титан, хорошо противо­стоит межкристаллитной коррозии, поэтому годна для изготовления сварных конструкций. Хромоникелевые кислотостойкие стали с аустенитной структу­рой I2X18H9 и 12XI8H9T имеют еще большую коррозионную стойкость. Нержавеющие стали легко упрочняются при холодной обработке. Так, при прокатке с обжатием в 40 % предел прочности стали повышается с 60 до 120 кг/мм², а предел текучести - с 25 до 100 кг/мм².

Алюминиевые сплавы применяют для получения отливок корпусов, подшипниковых щитов, крышек, коробок выводов, вентиляторов и других деталей. Алюминиевые сплавы представляют собой сплавы на основе алю­миния с добавками меди, магния, цинка, кремния, марганца, лития, кадмия, циркония, хрома и других элементов. Алюминиевые сплавы обладают высо­кими механическими свойствами и малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью.

В зависимости от способа производства алюминиевые сплавы можно раз­делить на деформируемые, литейные и спеченные.

Деформируемые алюминиевые сплавы способны пластически дефор­мироваться при изготовлении из них изделий. Наиболее простые из них со­держат до 1,6 % марганца или 2...5 % магния. Эти элементы, растворяясь в кристаллической решетке алюминия, существенно его упрочняют и лишь незначительно уменьшают пластичность, обеспечивая хорошую деформированность сплавов. Эти сплавы стойки против коррозии и термической обра­боткой не упрочняются. Из них изготовляют малонагруженные детали и лег­кие сварные конструкции.

К деформируемым алюминиевым сплавам относится дюралюмин (дура- люмин, дюраль, дюралюминий), представляющий собой сплав алюминия с медью (2,2...5,2%), магнием (0,2...2,7%) и марганцем (0,2...1,0%). Медь вводится для обеспечения возможности упрочняющей термообработки, а магний и марганец для улучшения комплекса свойств.

Дюралюмин подвергают закалке в воде после нагрева до температуры около 500°С и упрочняющему естественному (при комнатной температуре в течение 4...5 суток) или искусственному (при 150°С, 18 ч) старению. Дюралюмины маркируются буквой Д с цифрой, означающей порядковый номер в системе разработки сплава (Д6, Д16, Д18 и т. д.). Дюралюмины широко при­меняются как конструкционный материал для транспортного машинострое­ния и авиастроения. Коррозионные свойства дюралюминов невысоки, поэто­му листы из них плакируют чистым алюминием.

Литейные алюминиевые сплавы имеют низкую пластичность, поэтому для получения из них изделия нужной конфигурации их заливают в расплав­ленном виде в специальную литейную форму (чаще всего в кокиль). Из ли­тейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, содер­жащие 10... 13 % Si, а также некоторые примеси (Fe, Mn, Са, Ti, Си, Zn). При содержании 11,7 % кремния температура плавления силумина 577°С. Силу­мины обладают относительно хорошими механическими свойствами в соче­тании с коррозионной стойкостью во влажной и морской атмосфере. В зави­симости от химического состава силумины изготовляют следующих марок (ГОСТ 1521): СИЛ-00, СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2, отличающихся количеством примесей (не более 0,48 % для марки СИЛ-00 и не более 1,71 % для марки СИЛ-2). Силумины поставляют в чушках с цветной маркировкой. Масса чу­шек 15 и 1000 кг. Перед заливкой силумина в форму производят модифици­рование - обработку расплава солями натрия NaCl и NaF. После модифици­рования эвтектика силумина становится тонкодисперсной, что упрочняет сплав и повышает его пластичность.

Достоинствами всех алюминиевых сплавов являются малая плотность (2650...2800 кг/м³), высокая удельная прочность (отношение предела проч­ности к плотности), удовлетворительная стойкость против атмосферной кор­розии, недефицитность, дешевизна и простота технологии их получения и обработки по сравнению с другими цветными сплавами. По широте приме­нения в народном хозяйстве алюминиевые сплавы занимают второе место после стали и чугуна.

Спеченные алюминиевые сплавы - сплавы, полученные из металличе­ских порошков методами порошковой металлургии.

Медные сплавы - сплавы на основе меди с добавками олова, цинка, алюминия, свинца, никеля, марганца, железа, фосфора, кремния и других элементов. Медные сплавы разделяют на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. В зависимости от легирующих элементов медные сплавы могут об­ладать высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, быть прочными и пластичными, коррозионностойкими и антифрикционными.

Латунями называются двойные или многокомпонентные сплавы на осно­ве меди, в которых главной легирующей добавкой является цинк. Двойные медно-никелевые сплавы называются простыми латунями, а многокомпо­нентные - специальными.

Кроме цинка, легирующими добавками в латуни могут быть алюминий, железо, марганец, никель, свинец и другие элементы (в сумме до 10%) для улучшения структуры и свойств. Так, например, добавка олова повышает коррозионную стойкость, а олово и мышьяк повышают стойкость к действию морской воды, алюминий и никель повышают механические свойства, марга­нец повышает дугостойкость сплава, а добавка свинца улучшает обрабаты­ваемость режущим инструментом. Железо в количестве, большем 0,03 %, придает латуням магнитные свойства, поэтому в антимагнитных латунях со­держание железа меньше 0,03 %. Алюминий может ухудшить технологиче­ские свойства латуни вследствие невозможности применения для ее пайки мягких припоев, например латуней марок JIA77-2 и ЛА67-2,5.

При содержании цинка в сплаве до 32 % одновременно повышаются проч­ность и пластичность латуни. Наиболее пластичными являются однофазные ла­туни, в которых весь цинк растворен в кристаллической решетке меди.

Предельная растворимость - 39 % цинка. При сплавлении с большим ко­личеством цинка образуется вторая фаза на основе раствора в химическом соединении CuZn и, таким образом, получаются двухфазные латуни. Эти ла­туни тверже, но хрупче однофазных.

Латуни разделяются на обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527) и ли­тейные (ГОСТ 17711).

Простые латуни маркируются буквами Л с цифрами, указывающими про­центное содержание меди. Простые латуни, содержащие до 10 % цинка, на­зываются томпаками (Л96, Л90), а 10. ..20 % — полутомпаками (Л85, Л80). Они отличаются хорошей пластичностью, повышенной, по сравнению с дру­гими латунями - электро- и теплопроводностью.

Если латунь содержит другие легирующие элементы, вводимые в сплав для улучшения свойств, то они обозначаются русскими буквами, простав­ляемыми после Л: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Mг - магний, Мц - марганец, Мш - мышьяк, Н - никель, О - олово, С - свинец, Кд - кадмий, Т — тиган, Ф - фосфор, Цр — цирконий. В марке многокомпо­нентной латуни первая цифра указывает среднее процентное содержание ме­ди, а последующие - легирующих элементов. Например, латунь марки ЛАН59-3-2 содержит 59 % меди, 3 % алюминия, 2 % никеля, остальное - цинк.

В ГОСТ 17711 маркировка литейных латуней изменена: после буквы Л в марке ставится буква Ц, за которой следует цифра, указывающая среднее процентное содержание цинка, а затем буква, указывающая легирующий элемент, и цифра, соответствующая его содержанию. Например, марка ли­тейной латуни ЛЦЗОАЗ содержит 30 % цинка, 3 % алюминия, остальное - медь. Буква Л в конце марки не ставится.

Простые латуни благодаря высокой пластичности легко перерабатываются в листы, ленты, проволоку, прутки, штампуются и вытягиваются, свариваются и паяются (Л68, J163).

Латуни марок ЛМц58-2, ЛЖМц59-1-1 и ЛС59-1 применяются для изго­товления стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигате­лей, деталей соединителей, токоведущих частей.

Латуни марок ЛЦ16К4 и ЛС40С применяются для изготовления литых токоведущих деталей электрических машин и аппаратов, а также для заливки короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей.

Бронзами называются сплавы меди с различными химическими элемен­тами, кроме цинка и никеля (однако цинк может входить в состав сложных бронз в качестве второстепенного элемента).

Главными легирующими добавками бронзы являются олово, алюминий, бериллий, кремний, свинец, хром и другие элементы. Соответственно бронза называется оловянной, алюминиевой, бериллиевой и т. д.

Существенное отличие бронз от латуней заключается в том, что с увели­чением содержания легирующего компонента бронза быстро теряет пластич­ность, в то время как твердость довольно быстро возрастает, а у латуней с содержанием цинка до 32 % растут оба эти показателя.

Бронзы маркируются буквами Бр, затем идут буквы, соответствующие наименованию легирующих элементов (см. Латуни), и цифры, указывающие их среднее процентное содержание. Например, бронза БрОЦС4-4-2,5 содер­жит 4 % олова, 4 % цинка и 2,5 % свинца, остальное - медь.

В электротехнике широкое распространение имеют бронзы, сочетающие высокую проводимость с прочностью и твердостью (кадмиевая, магниевая и хромовая бронзы), а также особо прочные сплавы с достаточно хорошей про­водимостью (бериллиевые бронзы).

Проводниковые бронзы применяются для изготовления коллекторных пластин, скользящих контактов, токоведущих пружин и других деталей.

Бронзы разделяются на бронзы оловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017), бронзы оловянные литейные (ГОСТ 613), бронзы безоловян­ные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 18175), а также бронзы безоловян­ные литейные (ГОСТ 493).

Оловянные бронзы содержат от 3 до 8 % олова. Упрочняющее влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но выра­жено более резко. С увеличением содержания олова до 5...6 % пластичность бронзы повышается, а затем начинает падать.

Широкое применение нашли бронзы БрОФ6,5-0,15 и БрОФ7-0,2. Фосфор вводится как раскислитель и устраняет хрупкие включения окиси олова SnO, а также повышает антифрикционные свойства сплава.

Оловянно-цинковые бронзы, содержащие до 5 % цинка, удешевляют сплав. Цинк растворяется в меди и не влияет существенно на структуру.

Оловянные бронзы обрабатываются резанием, полируются, свариваются газовой и электрической сваркой, паяются мягкими и твердыми припоями, но отличаются повышенным удельным сопротивлением.

Кадмиевая (БрКд1), циркониевая (БрЦрО,5), магниевая (БрМгО,25) и хро­мовая (БрХ0,5) бронзы, сочетающие в себе высокую проводимость с хорошей механической прочностью, широко применяются для изготовления коллек­торных пластин, контактных проводов, контактов электрических аппаратов и других деталей.

Бериллиевая бронза (БрБ2) имеет высокий предел упругости, текучести и усталости, отмечается высокой электрической проводимостью и теплопро­водностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, холодостойко­стью. Она немагнитна и не дает искры при ударах, поэтому находит широкое применение при изготовлении упругих токоведущих элементов и деталей скользящих и разрывных контактов. Однако бериллиевые бронзы дороги, а их производство затруднено токсичностью бериллия.

Из литейных оловянных и безоловянных бронз изготовляются литые то- коведущие детали сложной формы с удельной проводимостью, составляю­щей примерно 10% проводимости стандартной меди. Высокие литейные свойства бронз определяются их исключительно малой усадкой. Усадка оло­вянной бронзы меньше 1, тогда как - усадка латуней и чугуна - около 1,5, а сталей - более 2. Легирующими элементами литейных безоловянных бронз являются алюминий, железо, марганец, никель и свинец.

Для заливки вкладышей подшипников скольжения электрических машин средней и большой мощности применяют баббитовое литье, которое пред­ставляет собой сплав на основе свинца и олова.

Подшипники скольжения электрических машин обычно заливают бабби­тами Б16 (15...17% олова, 15...17% сурьмы, 1,5...2,0% меди, остальное — свинец), БН (9...1 % олова, 13...15% сурьмы, 1,5...2% меди, остальное - свинец), Б83 (10. ..12 % сурьмы, 5,5. ..6,5 % меди, остальное - олово).

Баббит с большим содержанием олова Б83 предназначен для подшипни­ков с большими удельными давлениями и высокой окружной скоростью. Его применяют для крупных машин, а также машин мощностью свыше 100 кВт при частоте вращения более 2900 об/мин.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы относятся к активным материалам в электрических машинах, и какую роль они выполняют?

2. Какие материалы относятся к изоляционным материалам в электрических машинах, и ка­кую роль они выполняют?

3. Назначение и роль конструкционных материалов в электрических машинах.

4. Какими параметрами характеризуется магнитное поле в любой его точке?

5. Какими основными магнитными параметрами оцениваются магнитные свойства материалов?

6. Из каких потерь состоят полные потери в стали?

7. Какое применение имеют магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

8. На какие классы подразделяют тонколистовую электротехническую сталь по структурно­му состоянию и виду прокатки?

9. Как подразделяют марки стали по содержанию кремния?

10. Применение электротехнических сталей в различных узлах электрических машин.

11. Назначение и роль проводниковых материалов в электрических машинах

12. Какими технически ценными свойствами обладает медь как проводниковый материал?

13. Какое применение имеет алюминий в электрических машинах?

14. Назначение и основные свойства коллекторной меди.

15. Какими свойствами должны обладать щетки, применяемые в электрических машинах?

16. Как подразделяются щетки в зависимости от применяемых для их изготовления материалов?

17. На какие группы можно разделить все конструкционные материалы?

18. Области применения чугуна в электромашиностроении.

19. Области применения стального литья в электрических машинах.

20. Какое применение имеют инструментальные углеродистые стали?

21. Какое назначение имеет термическая обработка металлов?

22. Как выполняются операции закалки и отжига стали?

23. Какая сталь называется легированной?

24. Применение литейных алюминиевых сплавов в электромашиностроении.

25. Какие сплавы на основе меди применяют в электромашиностроении?