8.Хімічні властивості.

Серед хімічних властивостей є такі, які характеризують відношення металів і сплавів до дії різних речовин та середовищ. Найбільш суттєвими є: окислювальність, розчинність і корозійна стійкість.

Корозійна стійкість особливо важлива для виробів, які пра­цюють у дуже окислювальному середовищі (наприклад, колосни­кові ґратки). Для досягнення високої корозійної стійкості виробляють спеціальні нержавіючі, кислостійкі та жароміцні сталі, а також застосовують захисні покриття.

9.Технологічні властивості. Технологічні властивості мають надто важливе значення при виконанні тих або інших технологічних операцій. Основними технологічними властивостями металів є прокалюваність, рідкотекучість, ковкість, зварюваність, обробка різанням.

10.Спеціальні властивості металів визна­чаються їх здатністю не руйнуватися і зберігати свою структуру, склад і форму в специфічних умовах, тобто при підвищених або знижених температурах тощо.

Чисті метали, які зазвичай використовують в електро- і радіо­техніці, майже не застосовують у виробництві товарів народного споживання. Основними конструкційними матеріалами, які викорис­товують для виготовлення товарів народного споживання, є металеві сплави. Сама назва "сплав" означає, що це речовина, яку отримують сплавленням двох або більше хімічних елементів, що називаються компонентами, основним з яких є метал.

Металеві сплави мають кристалічну будову і володіють всіма властивостями, притаманними металам (металевий блиск, електро-і теплопровідність тощо). В залежності від числа компонентів сплави поділяють на подвійні (бінарні), потрійні і т. д. 3а_характером фізико-хімічної взаємодії компонентів розрізняють чотири основних типи сплавів: механічні суміші (І тип), тверді розчини необмеженої розчинності (II тип), тверді розчини обмеженої розчинності (III тип) і хімічні сполуки (IV тип).

Механічна суміш двох компонентів А і В утворюється у випадку, коли вони неспроможні до взаємного розчинення в твердому стані і не вступають в хімічну реакцію з утворенням сполуки. Кожний із металів, що утворюють такі сплави, зберігає свою кристалічну гратку.

Механічні суміші утворюються за умов, коли існують значні відмінності у властивостях металів, що входять до сплаву. Звичайно, що властивості такого сплаву будуть залежати від кількісного спів­відношення властивостей компонентів, що входять до нього. Такими сплавами є, наприклад, сплав свинцю з сурмою, цинку з оловом, алюмінію з міддю та ін.

Твердий розчин утворюється в тому випадку, якщо компоненти сплаву володіють взаємною розчинністю як в рідкому, так і в твер­дому стані. Твердий розчин — це однорідна (однофазна) кристалічна речовина, що має один тип кристалічної ґратки. Елемент, що зберіг свою кристалічну гратку, називають розчинником, а елемент, атоми якого увійшли в цю гратку, — розчинним. Розрізняють тверді розчини заміщення і тверді розчини впровадження (укорінення).

В твердих розчинах заміщення атоми розчиненого компонента заміщають частину атомів розчинника в його кристалічній гратці. При цьому параметри кристалічної ґратки розчинника змінюються в залежності від різниці атомних діаметрів розчиненого елементу і роз­чинника. Якщо атомний діаметр розчиненого елементу більше атом­ного діаметра розчинника, то елементарний осередок кристалічної ґратки розчинника збільшується; в протилежному випадку вона змен­шується. Тверді розчини заміщення з необмеженою розчинністю утворюються, якщо компоненти мають однотипні кристалічні ґратки.

11.Хімічні сполуки утворюються між елементами, розташованими далеко один від одного в Періодичній системі елементів, тобто істотно відрізняються за будовою і властивостями.

Хімічна сполука — це однорідне кристалічне тіло, склад якого постійний і визначається формулою А_пВ_т. Температура плавлення (дисоціації) хімічної сполуки постійна.

Атоми кожного елементу в гратці хімічної сполуки розмі­щуються упорядковано, тобто атоми кожного компонента розміщені закономірно і в певних вузлах ґратки. Кристалічна гратка хімічної сполуки і всі її властивості, як правило, різко відрізняються від гратки і властивостей елементів, що входять в нього. Наприклад, цементит має складну кристалічну гратку, несхожу на гратку заліза вуглецю, і володіє абсолютно іншими властивостями. Твердість цементиту в 10 разів вища твердості заліза і набагато вища твердості вуглецю.

Властивості сплавів залежать від їх температури, концентрації компонентів, фаз, структурних складових і графічно відоб­ражаються у вигляді діаграм стану.

Між діаграмами стану і властивостями сплавів існує певна залеж­ність. Ця залежність вперше була вивчена Н. С. Курнаковим, який встановив характер зміни твердості і електроопору сплаву в залежності від типу діаграми.

Так, для сплавів з компонентами, що утворюють механічну - суміш (І тип) твердість сплаву та електроопір змінюються за лінійним законом адитивно.

Для сплавів безперервних твердих розчинів (II тип) спостеріга­ються екстремальні зміни властивостей: навіть невеликі добавки іншого компонента в інший метал підвищують твердість сплаву і електричний опір

В сплавах з обмеженою розчинністю (III тип) при концентрі раціях, які відповідають однофазному твердому розчину, і властивості змінюються по криволінійній залежності, а в двофазній області — по прямій

Утворення хімічної сполуки в сплаві відзначається характерним переломом на кривій властивостей: твердість і електро­опір різко підвищуються.

Якщо знати зв'язок між типом сплаву і його властивостями, можна підібрати вид вихідних компонентів і їхню концентрацію для одержання сплаву з необхідними властивостями для виробів в залежності від їхнього призначення.

У виробництві металогосподарських товарів найбільш пошире­ними металевими матеріалами є сплави заліза: сталі і чавуни.

Сплави заліза з вуглецем, які містять до 2,14% вуглецю, нази­вають сталями, а сплави, що містять вуглецю 2,14—6,67%, -чавунами. Сплави заліза з більшим вмістом вуглецю не використовують у Зв'язку з великою крихкістю. У сталях і чавунах вуглець є другим (після заліза) основним елементом і в цих сплавах може знаходитися в" двох видах: у вільному стані — у вигляді графіту або у вигляді хімічної сполуки — називається карбідом заліза (Ре₃С) або цементитом. Вміст вуглецю в цементиті становить 6,67%. Окрім вуглецю, в чавуні присутні постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор тощо, які в різній мірі впливають на його властивості.

Чавуни за призначенням поділяють на переробні, спеціальні (феросплави) і ливарні. Переробні і спеціальні чавуни використо­вують для плавлення сталі, ливарні — для відливання різноманітних деталей і виробів. Властивості ливарних чавунів визначаються вугле­цем, що може знаходитися як у формі графіту, так і у вигляді зв'язаного вуглецю Ре₃С (цементиту).

За структурою чавуни поділяють на білі, сірі, модифіковані та ковкі.

Білим називають чавун, в якому весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у формі цементиту. На зламі він має білий колір і характерний металевий блиск. Білий чавун використовують для виплавляння сталей.

Сірим називають чавун, в якому весь вуглець або більша його частина знаходиться у вигляді графіту. Такий чавун на зламі має сірий колір у зв'язку з великою кількістю графіту.

Сірі чавуни в залежності від механічних властивостей випус­кають 11 марок: СЧОО, СЧ12-28. СЧ15-32, СЧ18-36 і т. д. до СЧ44—64. Літери "СЧ" означають "сірий чавун", перші дві цифри після літер — межу міцності при розтягуванні, другі — межу міцності при випробуванні на згин, кгс/мм². Для чавуну марки СЧОО механічні властивості не визначаються.

Застосовують сірі чавуни для виготовлення методом лиття деталей і виробів, що зазнають невеликих навантажень в роботі. Використовують їх для виготовлення посуду, прасок, корпусів м'ясо рубок, корпусів замків і швацьких машин, деталей холодильників, верстатів, автомобілів і т. д.

Модифіковані чавуни відрізняються від сірих дрібними графіт­ними включеннями кулькоподібної форми, що призводить до підви­щення механічних властивостей чавунів. Для отримання модифіко­ваних чавунів до їх складу вводять модифікатори (магній або церій), які подрібнюють частинки графіту.

Високоміцні (модифіковані) чавуни випускають дев'яти марок і позначають ВЧ38-17, ВЧ45-5, ВЧ50-1, 5 і т. д. до ВЧ120-4. Літери "ВЧ" означають "високоміцний чавун", перші цифри після літер — межа міцності при розтяганні кгс/мм², другі — відносне подовження, %. Застосовують високоміцні чавуни для виготовлення деталей, що піддаються значним навантаженням, наприклад колінчастих валів, зубчастих коліс, станин верстатів, молотів, пресів, прокатних валків, корпусів насосів парових турбін, деталей автомобілів і т. д.

Ковкі чавуни — це чавуни, які виробляють з білого чавуну шляхом термічної обробки — топлення (довготривалого нагрівання при + 1000Х з піском або ферум оксидом). Ця операція призводить до розкладання карбіду заліза, в результаті чого зменшується крихкість і збільшується пластичність.

Ковкі чавуни виготовляють 9 марок і позначають КЧ37—12, КЧ35-10, КЧ38-8 і т. д. до КЧ63-2. Літери "КЧ" означають "ковкий чавун", а цифри — те саме, що і у високоміцних чавунів. Застосовують їх для виготовлення деталей, працюють при більших динамічних і статичних навантаженнях, наприклад всіляких гаків, трійників, вентилів, хрестовин для водопроводу, гайкових ключів, гайок та ін.

За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані.

12.Вуглецеві сталі. Вуглецевими сталями називають сплави заліза з вуглецем, що містять менше 2,14% вуглецю. Окрім вуглецю, в сталі зазвичай містяться домішки марганцю, кремнію, фосфору, сірки, кисню, азоту, водню та інших елементів, що потрапляють в сталь при її виплавці.

Властивості сталі залежать від способу виплавки та її хімічного складу. Для одержання сталі використовують переробний чавун і ^відходи металообробки. За хімічним складом сталь відрізняється ^В'Д переробного чавуну меншим вмістом вуглецю, марганцю, кремнію і шкідливих домішок.

Марганець міститься у сталі в якості домішки в кількості 0.4-0,8%.

Кремній є корисною домішкою, його вміст у сталі може становити до 0,5%. Кремній значно підвищує міцність сталі.

Фосфор для більшості сталей є шкідливою домішкою, і вміст його не повинен перевищувати 0,05%. Фосфор збільшує міцність, знижує пластичність і в'язкість сталей, що викликає холодоламкість сталі. Однак в ряді випадків фосфор може бути корисним, наприклад вміст фосфору 0,06—0,15% покращує оброблюваність автоматних сталей ріжучим інструментом.

Сірка є шкідливою домішкою, яка призводить до тріщин при гарячій деформації сталі, тобто викликає її червоноламкість. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,06%. В автоматних сталях вміст сірки допускається до 0,08-0,30%, оскільки вона полегшує обробку сталі різанням.

Кисень, азот і водень є шкідливими домішками. Вміст кисню, азоту і водню допускається не більше 10²—10⁴ %.

Вуглецеві сталі класифікують за призначенням та якістю.

За призначенням вуглецеві сталі поділяють на конструкційні та інструментальні. Конструкційні вуглецеві сталі поділяють на сталь якісну і сталь звичайної якості (ГОСТ 380-94 "Сталь углеродистая обьїкновенного качества. Марки"); інструментальні — на якісну і високоякісну.

Вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості поділяють на три групи: А, Б і В.

Сталі групи А поставляють з гарантованими механічними власти­востями і застосовують без додаткової гарячої обробки. Сталі цієї групи маркірують СтО, Стіпс, Стісп, Ст2кп, СтЗпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст5пс, Стбпс та ін. Літери "Ст" означають сталь, цифра — умовний номер її марки (від 0 до 6). Із збільшенням номера міцність сталі збільшується, наприклад для Стіпс межа міцності така: о = 32 — 42 кгс/мм², а для Стбпс — понад 60 кгс/мм².

Сталі групи Б поставляють з гарантованим хімічним складом. В позначці цих сталей спереду додають літеру "Б" і їх маркірують наступним чином: БСтО, БСт2, БСтЗ, БСтікп, БСт2кп і т. д. до БСбкп, БСтбпс, БСтбсп. Чим більший номер сталі, тим більше в ній вміст вуглецю і тим вище її міцність.

Сталі групи В поставляють з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом. В позначці сталі додається літера "В", наприклад, ВСтікп, ВСт2кп, ВСтЗкп, ВСтЗсп, ВСт4пс, ВСт4сп, ВСт5пс, ВСт5сп та ін.

Сталі групи А застосовують для виготовлення деталей і виробів механічною обробкою (без гарячої обробки). Якщо при виготовленні деталей або виробів необхідне нагрівання до певних температур (наприклад, при термообробці), то використовують сталі групи Б. Сталі групи В застосовують при виготовленні зварних виробів, при використанні гарячої пластичної деформації, а також при зміцненні термічною обробкою.

Вуглецеві конструкційні якісні сталі позначають цифрами: 08, 10, 15, 20, 25 і т. д. до 85. Цифри показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Наприклад, сталь 50 містить 0,47—0,55% вуглецю. В сталях з підвищеним вмістом марганцю (до 1%) в маркіру­ванні додається літера "Ґ": 60Г, 65Г, 70Г. В сталях всіх марок вміст сірки допускається не більше 0,040%, а фосфору — не більше 0,035%. Крім того, якісна сталь менш забруднена неметалічними включеннями і має менший вміст розчинених газів, ніж сталь звичайної якості. Якісні вуглецеві сталі мають певний хімічний склад або певні механічні властивості. Ці сталі застосовують для виготовлення деталей підвищеної міцності або таких, що піддають ударним навантаженням (шестерні, вали, інструменти тощо), а також для виготовлення деталей, що зміцнюються термічною обробкою.

Вуглецеві інструментальні якісні сталі маркірують літерою "У" і цифрою, що показує вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8, У9, ... У13. Вміст сірки і фосфору в цих сталях не повинен перевищувати 0,03%.

Вуглецеві інструментальні високоякісні сталі маркірують так само, як і якісні, але з додаванням літери "А", наприклад У8А, У9А і т.д. Такі сталі містять менше шкідливих домішок. Вміст сірки і фосфору не повинен перевищувати 0,02%.

Вуглецеві інструментальні сталі мають високу твердість, міцність і невисоку вартість. Висока їх твердість і міцність обумовлена підвищеним вмістом вуглецю (0,8—1,3%). Сталі У7, У7А, У8, У8А застосовують для зубил, тавр, ножів, ножиць, ножів і ґраток м'ясорубок, інструментів для обробки деревини; У9, У9А, У10, У10А, У11, УПА — для мітчиків, свердел, ножівкових полотен, розверсток, різців для обробки м'яких матеріалів; У12, У12А, У13 і У13А — для напильників, бритв, граверних інструментів.

Основним недоліком вуглецевих інструментальних сталей є низька теплостійкість. При нагріванні вище 200°С їхня твердість різко знижується, тому інструменти з таких сталей застосовують при невеликих швидкостях різання.

13.Леговані сталі. Легованими називають сталі, в які вводять один або декілька легуючих елементів для одержання заданих властивостей.

Леговані сталі поділяються за хімічним складом, мірою легованості та призначенням.

До легуючих елементів належать кремній, хром, нікель, марга­нець, молібден, вольфрам, ванадій, титан, ніобій, тантал, алюміній, бор та ін. В залежності від хімічного складу, що визначається легуючими елементами, леговані сталі поділяють на хромисті, хромонікелеві, хромонікельмолібденові і т. д. Сталь вважають легованою хромом і нікелем, якщо їхній вміст становить 1% і більше. Кремній вважається легуючим елементом, якщо його вміст в сталі перевищує 0,4-0,5%, а марганець - при вмісті понад 0,8-1%. Сталі, що містять більш 0,1—0,5% молібдену, вольфраму, ванадію, титану й інших елементів, вважаються легованими цими елементами. Легуванням можна підвищити міцність і пластичність сталі, збільшити червоностійкість, підвищити опір спрацюванню і корозії, надати сталі особливі фізичні і хімічні властивості. Переваги легованої сталі виявляються після термічної обробки.

Нікель підвищує міцність сталі, збільшує її пластичність, ударну в'язкість і прогартовуваність, перешкоджає зростанню зерна при нагріванні і знижує короблення сталі при термічній обробці.

При введенні більше 12,5% хрому і 18-20% нікелю сталь стає немагнітною, набуває високої міцність, пластичності, корозійної стійкості і жароміцності.

Кремній підвищує твердість, пружність, корозійну стійкість і жаростійкість сталі, але знижує її пластичність. При вмісті кремнію до 1,5% в'язкість зберігається достатньою; такі сталі застосовують для виготовлення пружин і ресор. При вмісті кремнію біля 4% збільшується електроопір сталі.

Марганець підвищує міцність сталі і ріжучі властивості інструменту, що з неї виготовляється. Однак при вмісті марганцю понад 1,5% сплав стає крихким, тому в конструкційних сталях кількість марганцю не перевищує 2%. Вольфрам, молібден, ванадій, титан значно підвищують твердість сталі.

За ступенем легування сталі поділяють на низьколеговані, що містять не більше 2,5—3% легуючих елементів, середньолеговані — від 3 до 10% і високолеговані, що містять понад 10% легуючих елементів.

Для маркірування легованих сталей прийнята система літер і цифр. Умовна позначка, виражена таким способом, показує приблизний хімічний склад сталі.

Легуючі елементи позначають наступними літерами: марга­нець — Г; кремній — С; хром — X; нікель — Н; вольфрам — В; молібден — М; ванадій — Ф; титан — Т; алюміній — Ю; мідь — Д; ніобій - Б; кобальт - К; бор — Р; цирконій — Ц; фосфор — П.

Вміст легуючих елементів вказується після відповідної літери в цілих числах. При вмісті легуючого компонента в межах 1% і менше цифру не ставлять. Більшість легованих конструкційних сталей виплавляється якісними ( 0,035% 3 та 0,035% Р). У високоякісних сталях вміст сірки і фосфору не повинен перевищувати 0,025%. В кінці маркірування таких сталей проставляють літеру "А". Наприклад, сталь марки 18ХГТ містить 0,18% С, 1% Сг, 1% Мп і 0,1% Ті; сталь марки 35Х2МА містить 0,35% С, 2% Сг, 1% Мо і є високоякісною.

У інструментальних сталей вміст вуглецю позначають в десятих частках відсотка. Наприклад, сталь марки 9ХС містить 0,9% С, 1% Сг і 1,4% 5і. Якщо вуглецю міститься більше 1%, то цифри не ставлять. Наприклад, сталь марок ХВГ, ХГ та ін.

В ряді випадків сталі маркірують умовними літерами, що характеризують тип сталі, з додаванням цифри, яка вказує номер сплаву і водночас показує вміст основного легуючого компонента.

Шарикопідшипникові сталі позначають літерою "Ш", швидкоріжучі інструментальні — "Р", сталі для постійних магнітів — "Е", електро­технічні сталі (динамні і трансформаторні) — "З", автоматні сталі — "А". Леговані сталі, які не ввійшли в державні стандарти, позначають літерами "ЗИ" та "ЗП" і номером. Літера "З" означає, що сталь виплавлена на заводі "Електросталь", літера "И" — сталь дослідна, а літера "П" — спробна сталь, наприклад ЗИ257, ЗП398 і т. д.

За призначенням леговані сталі поділяють на три групи: конструкційні, інструментальні сталі, сталі і сплави з особливими властивостями.

Конструкційні леговані сталі володіють високою міцністю, пластичністю і в'язкістю. їх застосовують для виготовлення деталей машин, верстатів, механізмів, конструкцій, товарів народного спожи­вання та ін.

З інструментальних легованих сталей виробляють вимірю­вальні, ріжучі інструменти тощо. Тому ці сталі повинні володіти високою твердістю (НРС62—65), зносостійкістю і зберігати надані розміри протягом тривалого часу. Цим вимогам відповідають хромисті, хромокремнієві і хромовольфрамомарганцеві сталі з підвищеним вмістом вуглецю (до 1,0—1,4%).

До сталей і сплавів з особливими властивостями належать нержавіючі сталі, сплави з високим електроопором, магнітні сталі і сплави, сплави з особливими фізичними властивостями та ін.

Нержавіючі сталі володіють корозійною стійкістю в атмосфер­них умовах, у водних розчинах солей, кислот, лугів та інших агре­сивних середовищах. Основним легуючим елементом, що забезпечує корозійну стійкість, є хром. Корозійна стійкість хромистих сталей пояснюється утворенням на поверхні захисної щільної плівки типу Сг₂0₃, що утворюється при вмісті хрому понад 12,5%. Сталі з підвищеним вмістом хрому (до 25—28%) застосовують при виготовленні обладнання в харчовій промис­ловості.

Підвищення корозійної стійкості і механічних властивостей хромистих сталей досягається введенням нікелю. Хромонікелеві сталі володіють кращими технологічними властивостями, ніж хромисті сталі; вони краще зварюються, штампуються і не втрачають пластичності при низьких температурах. Крім того, хромонікелеві сталі мають більш високу корозійну стійкість в прісній і морській воді, харчових кислотах, водних розчинах лугів і хлористих солей. Хромонікелеві сталі використовують для виготовлення кухонного посуду, баків пральних машин, деталей холодильників, галантерейних виробів та ін.

До сплавів з особливими і фізичними властивостями належать інвар, платиніт, елінвар.

Інвар - сплав заліза з 36% Мі - Н36 - зберігає постійним коефі­цієнт лінійного розширення в інтервалі температур від -100 до 100°С. Інвар використовують для виготовлення деталей приладів, що не повинні змінювати розміри при коливанні температури.

Платиніт - Н48 - залізонікелевий сплав, що містить близько 48% Иі. Цей сплав має коефіцієнт лінійного розширення такий самий, як у платини і скла (а=9 10-6 0С-1). Платиніт застосовують в якості провідників для введення в скляні прилади (електроди для ламп накалювання, електровакуумних приладів, радіодеталей).

Елінвар - залізонікелевий сплав 42НхТЮ (41,5 - 43,5% Мі, 5,3-5,9% Сг, 2,4-3,0% Ті і 0,5-1,0% АІ) - має низький коефіцієнт ліній­ного розширення і зберігає пружні властивості в інтервалі температур від -50 до 100°С. Застосовують цей сплав для виготовлення годинни­кових пружин, камертонів і деталей точних приладів.