9. Технологические свойства

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холод­ной обработки. К основным из них относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инстру­ментом.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение от­ливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость — это способность металла или сплава деформиро­ваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности, от температуры нагрева и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовы­вать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечива­ющих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть вне­дрены в производство только в том случае, если их технологи­ческие свойства удовлетворяют необходимым требованиям. По­казатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатацион­ными или служебными характеристиками материалов, применя­емых для их изготовления. В зависимости от условий эксплуата­ции и рабочей среды к машиностроительным материалам помимо прочностных характеристик можно предъявлять требования жаро­прочности, т. е. сохранения высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионной стойкости при работе в различных агрессивных средах; повышенной износостойкости, необходимой, если детали в процессе работы подвергаются исти­ранию, и т. п. Износостойкость — способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

К физико-химическим свойствам материалов относятся темпе­ратура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэф­фициенты линейного и объемного расширения, способность к хи­мическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Перечисленные свойства во многом определяются химическим составом компонентов сплава и их структурой.

10. 11. 12. 13. Литейные сплавы и их применение.

Литейные сплавы полу­чают сплавлением двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей электро- и теплопровод­ностью, повышенной пластичностью и др. Практическое значение литейных сплавов определяет то, что они по некоторым свойствам (прочности, твердости, способности воспроизводить очертания литейных форм, обрабатываемости режущим инструментом и др.) превосходят чистые металлы. Важное место в литейном произ­водстве занимают сплавы с особыми физическими свойствами (например, электропроводностью, магнитной проницаемостью и др.).

Сплавы в зависимости от химического состава отличаются друг от друга температурой плавления, химической активностью, вязкостью в расплавленном состоянии, прочностью, пластич­ностью и другими свойствами. Для производства фасонных отли­вок применяют серые, высокопрочные, ковкие и другие чугуны, углеродистые и легированные стали, сплавы алюминия, магния, меди, титана и др.

Серый чугун (состав в %: 2,8—3,5 С; 1,8—2,5 Si; 0,5— 0,8Мп; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Прочность серых чугунов обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы. Из серого чугуна изготовляют станины станков, корпуса и крышки редукторов, шкивы и другие отливки.

Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или церием, при которой графит принимает шаровидную форму . Из высоко­прочного чугуна получают ответственые тяжелонагруженные детали: коленчатые валы, барабаны шахтных вагонеток, шатуны и др.

Ковкий чугун (состав в %: 2,4—2,8 С; 0,8—1,4 Si; менее 1 Мп; не менее 0,2 Р; не менее 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe₃C) в течение 30—60 ч при температуре 900—1050 °С. При отжиге обра­зуется графит в виде хлопьев (рис. 6, е). В зависимости от условий отжига ковкий чугун может быть ферритным (К.Ч 37-12), ферритно-перлитным (КЧ 45-6) и перлитным (КЧ 63-2). Ковкий чугун используют для производства корпусов пневматического инстру­мента, ступиц, кронштейнов, звеньев цепей и других деталей.

Углеродистые стали (состав в %: 0,12—0,6 С; 0,2—0,5 Si; 0,5—0,8 Мп; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механи­ческие свойства, чем серый и ковкий чугуны. Углеродистые стали при­меняют для изготовления различных цилиндров, станин прокат­ных станов, зубчатых колес и других изделий.

Легированные стали отличаются от углеродистых составом ле­гирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высо­кую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специаль­ные свойства. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, их легко обрабатывать. Наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (силумины), кото­рые обладают повышенной коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и другими свойствами. Алюминиевые сплавы применяют при производстве блоков цилиндров, корпусов при­боров и инструментов и т. п.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочно­стью, хорошей обрабатываемостью. Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость. Для повышения меха­нических свойств практически все магниевые сплавы обрабаты­вают (модифицируют) гексахлорэтаном, мелом и другими веще­ствами. Из магниевых сплавов изготовляют корпусы насосов, приборов и инструментов и другие детали.

Медные сплавы (бронзы и латуни) имеют сравнительно высо­кие механические и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошей обрабатываемостью. Для изготовле­ния отливок применяют оловянные и безоловянные бронзы и ла­туни. Безоловянные бронзы используют как заменители оловян­ных бронз.

По механическим, коррозионным и антифрикционным свой­ствам безоловянные бронзы превосходят оловянистые. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес и др.

Алюминиевые, магниевые и медные сплавы широко применяют в приборостроении.

14. 15. Приготовление литейных сплавов.

Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления различных материалов.

Плавление — это переход из кристаллического состояния в аморф­ное. При этом нарушается устойчивость кристаллических решеток, увеличиваются колебательные движения атомов, и кристалличе­ское тело, проходя через область неустойчивых состояний, пре­вращается в жидкое. При плавлении твердые кристаллические тела теряют постоянство формы, объема, а также изменяются их физические свойства. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в сплав при приготовлении вводят в жидком или в твердом состоянии специальные (легирующие) элементы, в качестве которых используют Си, Ni, Mn, Ti, Mg,Mo и др.

Для размельчения структурных составляющих и равномерного их распределения по всему объему литого металла в сплавы вводят малые добавки различных элементов (модификаторов), в качестве которых используют Na, Zn, Mg, Ti, Zr и другие элементы.

Для выплавления чугуна и стали в качестве исходных мате­риалов (шихты) используют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производ­ства и ферросплавы. Для понижения температуры плавления обра­зующихся шлаков используют флюсы — известняк, доломит и др.

Для выплавления цветных сплавов используют как первичные (полученные на металлургических заводах), так и вторичные (после переплавки цветного лома) металлы и сплавы, кроме того, применяют лигатуры (специально приготовленные сплавы из двух или нескольких металлов) и флюсы (обычно хлористые и фтори­стые соли щелочных и щелочноземельных металлов).

Для плавления стали и чугуна широко применяют индук­ционные высокочастотные печи (рис.20 а), позволяющие нагревать металл до высокой температуры, регулировать состав газовой атмосферы, создавать вакуум для получения металла высокого качества с минимальными затратами. Для размещения расплава / предназначен тигель 2, выполненный из кварца или магнезита с последующим спеканием. Нагрев производится при помощи мед­ного или алюминиевого водоохлаждаемого индуктора 3. При пропускании тока высокой частоты через индуктор в шихте, за­груженной в тигель, наводятся вихревые токи, выделяется большое количество теплоты, расплавляющей шихту и нагревающей расплав до нужной температуры..

Рис.20. Схемы устройства плавильных печей:

а — индукционной высокочастотной; б — сопротивления.

Для плавления цветных сплавов широко применяют индук­ционные печи промышленной частоты, электрические печи сопро­тивления

(рис.20 б) и др. Электрическая печь сопротивления выполнена в виде сварного цилиндрического кожуха 3, облицо­ванного (футерованного) шамотным кирпичом 4. Между кожухом и футеровкой предусмотрена теплоизоляционная набивка 5 из легковесных материалов и асбестовых листов. Б качестве нагрева­телей 6 используют нихромовые спирали. Сплав приготовляют в литом тигеле 2 из жаропрочного чугуна. Сверху печь закры­вается крышкой .