МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕИ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВПОД ОБЩЕЙ РЕДАКЦИЕЙ О.С. КОМАРОВА3-е издание, исправленное и дополненноеДопущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию
в области автоматизированного машиностроения (УМОАМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и направлениям подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»;«Автоматизированные технологии и производства»
Утверждено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебника для студентов высших учебных заведений
МИНСК «НОВОЕ ЗНАНИЕ» 2009
М34
Серия основана в 2005 году Авторы:
О.С. Комаров (гл. 1, 7, разд. II-III); В.Н. Ковалевский (гл. 8-10); Л.Ф. Керженцева, Г.Г. Макаева (разд. I, кроме гл. 1, 7-10); О.В. Хренов (разд. IV); Б.М. Данилко (разд. V); В.Е. Чигринов (разд. VI)
Рецензенты:
кафедра «Технология металлов» Белорусско-Российского университета (зав. кафедрой — кандидат технических наук, доцент Г.Ф. Ловшенко); зав. кафедрой «Материаловедение, обработка и упрочнение материалов» Белорусского государственного университета транспорта, доктор технических наук, профессор ПЛ. Богданович; доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология металлов» Белорусского государственного технологического университета НА. Свидунович
Материаловедение и технология конструкционных мате- М34 риалов : учебник / О.С. Комаров, В.Н. Ковалевский, Л.Ф. Керженцева и др.; под общ. ред. О.С. Комарова. — 3-е изд., испр. и доп. — Минск : Новое знание, 2009. — 671 с.: ил. — (Техническое образование). ISBN 978-985-475-355-3.
Данный учебник является третьим изданием учебника «Технология конструкционных материалов». Даны основные сведения о материаловедении черных и цветных металлов. Описаны традиционные способы обработки металлов (термическая, литьем, давлением, сваркой, резанием, электрохимическая, электрофизическая). Подробно рассмотрены новые технологические методы получения и обработки металлов, их технико-экономические характеристики и области применения. Качественные иллюстрации значительно облегчают усвоение материала. Третье издание дополнено материалом по свойствам металлов и методам их определения.
Для студентов технических высших учебных заведений. Может быть полезен учащимся средних специальных учебных заведений.
УДК 621.7/9(075.8) ББК 34.43я73
ISBN 978-985-475-355-3© Коллектив авторов, 2005
© Коллектив авторов, 2009, с изменениями © Оформление. ООО «Новое знание», 2009
ПредисловиеТехнология конструкционных материалов является комплексной дисциплиной, в которой рассматриваются основные сведения о способах производства машиностроительных материалов и методах их обработки с целью получения деталей с заданными свойствами и конфигурацией.
Предлагаемый учебник основывается на одобренной Министерством образования программе, общая концепция которой базируется на трех принципах:
непрерывности образования, предполагающем органическую связь между профессиональным, средним и высшим техническим образованием;
универсальности учебника, рассчитанного на использование при подготовке специалистов различных профилей. Исходя из этого принципа в каждом разделе дается максимум информационного материала, часть которого может быть опущена при использовании конкретными специальностями;
органической связи между отдельными разделами. Исходя из этого нринципа студент (учащийся) должен уметь с учетом условий работы детали выбрать материал, установить способ его производства, а также подобрать методы получения заготовки, условия и способы ее механической и термической обработки.
Данный учебник является переизданием учебника «Технология конструкционных материалов». Он традиционно включает разделы: материаловедение (О.С. Комаров, Л.Ф. Керженцева, Г.Г. Ма- каева, В.Н. Ковалевский), металлургия и литейное производство (О.С. Комаров), обработка металлов давлением (О.В. Хренов), сварка (Б.М. Данилко) и обработка резанием (В.Е. Чигринов).
В первом разделе рассматриваются свойства металлов и методы их изучения, кристаллизация и строение металлов и сплавов, способы их термической обработки. Детально описаны превращения, протекающие в сплавах при их нагреве и охлаждении. Приведены классификация и свойства сталей, а также методы их улучшения. Большое внимание уделено сплавам на основе цветных металлов, а также таким перспективным материалам, как неметаллические, порошковые и композиционные.
Во втором разделе описаны способы получения чугуна, стали и цветных металлов. Особое внимание уделено физико-химическим процессам восстановления металлов из руд.
В третьем разделе рассмотрены основы современной технологии литейного производства, специальные способы литья, а также приведены характеристики основных литейных сплавов и описаны печи, применяемые для их выплавки.
Четвертый раздел посвящен обработке металлов давлением. Здесь даны представления о горячей и холодной деформации металлов, методах производства заготовок и применяемом с этой целью оборудовании.
В пятом разделе рассмотрены физические основы сварки, а также дана классификация ее процессов и способов.
Шестой раздел посвящен обработке материалов резанием. В нем описаны основные процессы, протекающие при резании, приведены краткие сведения о конструкциях станков и режущих инструментов. Здесь же рассмотрены электрофизические и электрохимические способы обработки.
При разработке данного учебника использован новый подход к изложению материала по технологиям производства металлов и способам их обработки. Он базируется на следующих отличительных признаках:
отход от традиционной описательной формы изложения и стремление разобраться в механизме и взаимосвязях отдельных этапов производства, чтобы учащиеся составили представление о физико-химической сущности технологических процессов;
при проработке иллюстрационного материала ставилась цель отобразить на одной схеме всю совокупность этапов технологического процесса производства или обработки металлов с тем, чтобы создать целостное представление о процессе, а не проиллюстрировать его отдельные этапы;
традиционно используемые рисунки и схемы подвергнуты переработке с целью отделения главного материала от второстепенного, что способствует концентрации внимания на основном;
существенное внимание в учебнике уделено прогрессивным технологическим процессам с тем, чтобы ориентировать внимание студентов на передовые технологии;
текст не перегружен справочным и цифровым материалом, при необходимости студентам предлагается использовать материал справочников и лабораторных практикумов.
Раздел 1 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
1. Основные сведения о свойствах и методах испытания металлов и сплавов
2. Общее представление о строении металлов
3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
4. Термическая обработка
5. Химико-термическая обработка
6. Углеродистые и легированные стали
7. Цветные металлы и сплавы
8. Композиционные материалы
9. Порошковая металлургия
10. Неметаллические материалы
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ И МЕТОДАХ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВКлассификация металлических ЩЩЩ материаловСуществует несколько типов классификаций металлов. Наиболее четкой является классификация металлов в соответствии с их положением в периодической системе химических элементов — химическая. Однако в технике используют и другие классификации, в основе которых лежит какой-либо признак металла, важный при его практическом применении. В дальнейшем будем опираться на классификацию, предложенную А.П. Гуляевым, согласно которой все металлы делятся на черные, имеющие темно-серый цвет, и цветные, окраска которых может быть красной, желтой и белой.
В группе черных металлов выделяют:
железные — железо, кобальт, никель и марганец. Три последних могут быть использованы самостоятельно, но чаще их добавляют к железу для изменения его свойств в желаемом направлении;
тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем у железа (1539 °С), — титан, ванадий, хром, цирконий, молибден, вольфрам и др. Эти металлы используют как добавки к железу или в качестве основы для получения сплавов специального назначения;
урановые — актиноиды (уран, плутоний и др.), применяемые в атомной энергетике;
редкоземельные — лантаноиды (лантан, церий, неодим и др.). Их используют в качестве присадок для улучшения свойств других металлов;
щелочноземельные — натрий, калий, цезий и др. Данные металлы в свободном металлическом состоянии в технике применяются крайне редко в связи с их химической активностью и низкими механическими свойствами.
Цветные металлы подразделяются:
на легкие — бериллий, магний, алюминий. Их сплавы нашли широкое применение в авиации, космической и автомобильной технике;
благородные — серебро, золото, платина и др. Они обладают высокой устойчивостью против коррозии. К этой группе может быть отнесена и медь;
легкоплавкие — цинк, ртуть, олово, свинец и др. Они отличаются низкой температурой плавления и в основном используются для получения сплавов на основе других металлов.
В первом приближении металлические материалы, применяемые в технике, можно разделить на две группы: чистые металлы, используемые преимущественно в электротехнике, и сплавы нескольких металлов, которые применяются в различных областях машиностроения.Физические и химические свойства ШЩЯ металловК физическим свойствам металлов относится обширный перечень характеристик, совокупность которых позволяет отличать их друг от друга по цвету, плотности, теплофизическим и электрическим величинам, твердости. Основные физические свойства наиболее распространенных металлов, а также углерода, кремния и бора приведены в табл. 1.1.
В зависимости от плотности металлы можно разделить на легкие (Al, Mg, Be) и тяжелые (Mo, Bi, Си и др). Отличаются они и по температуре плавления: Mg, Al, Zn, Pb, Sn, Bi относятся к легкоплавким, а у Be, Mn, Fe, Co, Ni, Си и, особенно, Mo температура плавления превышает 1000 °С. Почти все металлы, кроме Mg и Zn, имеют высокую температуру кипения.
Несмотря на то что металлы вследствие специфики своего строения характеризуются высокой тепло- и электропроводностью, абсолютное значение этих показателей для различных металлов может различаться в несколько раз. Высокой теплопроводностью обладают Al, Be, Mg, Си, Mo и Zn. У Ni, Со, Fe, Sn и, особенно, Bi этот показатель ниже.
Элемент Содержание в земной коре, % Плотность, г/см3 Температура плавления, К Температура кипения, К Теплопроводность, К, Вт/мК Удельное сопротивление, р • 10й, Ом м Удельная магнитная восприимчивость, х ■ 1 о!| Коэффициент линейного расширения х 10", К 1 Микротвердость, Мпа
Be 6 • 10 4 1,84 1 560,0 2 744 179,0 6,6 -1,00 13,9 260
В 5 10! 2,37 2 348,0 3 980 27,0 1 • 10'2 -0,62 8,0 3 370
С ОД 2,26 4 020,0 4 200 268,0 1 300 -0,50 27,2 —
Mg 2,10 1,74 923,0 1 376 172,0 4,0 +0,54 27,5 400
Al 8,80 2,70 933,5 2 793 221,0 2,6 +0,61 23,4' 230
Si 27,60 2,33 1 688,0 3 522 152,0 104,0 -0,11 2,5 12 100
Mil 0,09 7,44 1 517,0 2 480 157,0 258,0 +9,63 22,0 3 840
Fe 4,65 7,87 1 811,0 3 473 76,0 10,0 Ферромагнетик при t < 1090 К 16,0 600
Co 4 ■ 103 8,90 1 767,0 3 230 70,0 6,5 То же при t<1400 К 14,0 1 290
Ni 8 ■ 10 3 8,90 1 728,0 3170 67,0 7,5 То же при f< 631 К 13,2 1 760
Cu 4,7 ■ 10 3 8,94 1 357,0 2 816 402,0 1,7 -0,09 16,6 840
Zn 8,3 ■ 10 3 7,14 692,7 1 179 112,0 6,1 -0,18 20,0 510
Mo 1,1 10 1 10,21 2 890,0 4 873 139,0 5,0 +0,93 4,9 1950
Sn 8 -10 3 5,85 505,0 2 896 59,0 11,3 -0,31 21,0 90
Pb 1,6 • 10 3 11,34 600,6 2 018 35,5 19,0 -0,13 28,0 50
Bi 2 • 10 5 9,81 544,6 1 830 8,5 103,0 -1,34 38,0 50
Таблица 1.1
Основные физические свойства применяемых в технике элементов
В качестве характеристики электропроводности в табл. 1.1 приведено удельное сопротивление. Чем выше его значение, тем ниже способность металла проводить электрический ток. Be, Mg, Al, Fe, Co, Ni, Zn, Mo, Sn и, особенно, Си обладают высокой, электропроводностью, а у Bi, Мп и В, который в большей степени обладает амфотерными, а не металлическими свойствами, она низкая.
Магнитные свойства веществ можно оценивать различными показателями, но наиболее часто используется безразмерная физическая величина, называемая магнитной восприимчивостью. По магнитным свойствам вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. У диамагнетиков магнитная восприимчивость отрицательна, т.е. поле молекулярных токов у них противоположно внешнему, а у пара- и ферромагнетиков она положительна, причем у ферромагнетиков — Fe, Ni и Со — магнитная восприимчивость на несколько порядков выше, чем У ДРУГИХ металлов. Высокая магнитная восприимчивость у них сохраняется при нагревании до определенной температуры, называемой точкой Кюри (для каждого металла своя).
В табл. 1.1 приведены значения удельной магнитной восприимчивости, полученные делением безразмерной величины магнитной восприимчивости на плотность. У Be, В, Си, Zn, Pb, Sn и Bi эта величина отрицательна, а у Мо, Мп и ферромагнетиков — положительна, т.е. они намагничиваются в магнитном поле.
Весьма важной характеристикой размерной стабильности, металлов при нагревании является линейный коэффициент теплового расширения (коэффициент линейного расширения), характеризующий выраженное в процентах изменение линейного размера (длины) при изменении температуры на один градус. Эта величина имеет различные значения при различных температурах. В табл. 1.1 приведены значения данного коэффициента при нормальных температурах. Абсолютные значения коэффициента линейного расширения для различных металлов близки по величине, однако у Bi, Pb, Zn и Mg они несколько выше.
Твердость металлов определяет их износостойкость и способность подвергаться обработке инструментом. В табл. 1.1 приведены значения микротвердости различных металлов. Высокой твердостью характеризуются В, Мп, Со, Ni и Мо, в то время как Al, Mg, Fe, Си, Zn и, особенно, Pb, Sn и Bi могут быть отнесены к мягким металлам.
Химические свойства металлов характеризуют их способность взаимодействовать с различными средами, а также окисляться и растворяться в них. В табл. 1.2 приведены сведения о характере взаимодействия наиболее часто встречающихся металлов и, для сравнения, бора, углерода и кремния с различными средами. Следует отметить относительность приведенных характеристик. Так, например, алюминий не взаимодействует с разбавленной и концентрированной серной и азотной кислотами, но растворяется при средних их концентрациях. Поведение ряда металлов на воздухе и в кислороде зависит от содержания влаги, которая активизирует процессы окисления.
Характер взаимодействия металлов со средами во многом зависит от плотности образующихся на их поверхности оксидов. Например, А1 и Mg в атмосфере сухого воздуха покрываются плотной пленкой оксида, которая предохраняет их от дальнейшего взаимодействия с кислородом. Аналогично ведут себя Ni и Со в серной и азотной кислотах. Некоторые металлы (Си в кислороде, Со в щелочи) изменяют свое поведение при повышении температуры.
Комплекс физических и химических свойств учитывается при выборе металла для решения конкретных технических задач. Чистые металлы используются преимущественно в электротехнике, в то время как в машиностроении чаще применяют их сплавы.
Следует отметить, что поведение металла-'растворителя в сплаве может зависеть от характера примеси.Методы определения механических свойств металлов
Каждому металлу присуще большое количество механических свойств. Однако на практике, как правило, выделяют только самые основные из них. Для их изучения применяют механические испытания, которые по характеру изменения во времени действующей нагрузки делятся:
а на статические (на растяжение, сжатие, твердость, изгиб, кручение);
□ динамические, или ударные (на ударную вязкость);
Таблица 1.2
Элемент Воздух н2о о2 НС1 H2so4 HN03 КОН
Be - - - + + +
(при нагреве) +
(при нагреве)
В + - + - + + +
С (при t< 500 °С) - (при t < 500 °С) - - + -
Mg - +
(при кипении) + + + + +
(при нагреве)
Al + +
(при средних концентрациях) +
(при средних концентрациях) +
(легко)
Si (при?<400 °С) - (при t< 400 °С) + - - +
Мп +
(медленно) +
(медленно) + - +
(медленно) + -
Fe + (при отсутствии Н20) + +
(при нагреве) + +
Со - - - + + Пассивируется +
(при t > 330 °С)
Окончание табл. 1.2
Элемент Воздух н2о 02 НС1 н^о. HN03 КОН
Ni - - - +
(медленно) - Пассивируется -
Си + + +
(при нагреве) +
(при нагреве) +
(при нагреве) + +
Zn - - +
(npnt> 150 °С) + + + +
(при нагреве)
Mo (при*<600 °С) +
(при высокой температуре) +
(медленно) (слабо)
Примечание. Знак «+» обозначает, что элемент взаимодействует со средой, «-» — не взаимодействует.
□ усталостные (при многократном циклическом приложении нагрузки).
Отдельную группу методов образуют длительные высокотемпературные механические испытания (на ползучесть, длительную прочность, релаксацию).
Механические испытания проводят при высоких и низких температурах, в агрессивных средах, при наличии надрезов и трещин, нестандартных режимах, облучении и других условиях.1.3.1. Статические испытания на растяжениеСтандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 15...30 °С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, истинного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва. При испытании на растяжение принимаются следующие обозначения и определения: рабочая длина I (м, мм) — часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата; начальная расчетная длина образца 10 (м, мм) — участок рабочей длины образца до разрыва, на котором определяется удлинение.
Испытания проводят на машинах различной конструкции. Принципиальная схема гидравлического пресса для испытаний на растяжение приведена на рис. 1.1.
Насос 9 подает масло из резервуара 7 через регулировочный кран 6, определяющий скорость поступления масла, в рабочий цилиндр 3. Испытуемый образец 1 устанавливается в захваты 2 и при перемещении поршня 4 вместе с рамой 5 подвергается растяжению. Перемещение рамы передается через блочную систему барабану 10, на который наматывается диаграммная лента. Усилие, сообщаемое образцу, передается на индикатор усилия 8 и фиксируется в виде графика на ленте.
Общий вид машины Р-100, используемой для проведения испытаний на разрыв, показан на рис. 1.2. Нагружение образца, установленного в зажимах 6, осуществляется перемещением траверсы 2, связанной с помощью тяг 3 и поперечины 4 с поршнем гидравлического цилиндра 5. Усилие на образце определяется по давлению масла в рабочем цилиндре 5 с помощью, специального торсионного силоизмерителя 1. Усилие отсчитывается по трем шкалам сделениями от 0 до 20 ООО, 50 ООО и 100 000 кгс.

Рис. 1.2. Машина Р-100 для испытаний на разрыв
Графическое изображение зависимости между напряжениями (нагрузками) и деформациями материала (перемещениями при деформировании) представляет собой диаграмму растяжения. Испытательные машины имеют специальные приспособления, которые автоматически фиксируют диаграмму растяжения, на которой по оси ординат откладываются действующие осевые нагрузки, а по оси абсцисс '— абсолютные деформации.
На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма с постепенным переходом из упругой области в пластическую (рис. 1.3, а) характерна для большинства металлов в пластичном состоянии (легированные стали, медь, бронза). Такие материалы разрушаются при больших остаточных деформациях (больших остаточных удлинениях, измеряемых после разрыва).

б ■— с площадкой текучести; в — для хрупких сплавов
Диаграмма со скачкообразным переходом в пластическую область в виде четко обозначенной площадки текучести (рис. 1.3, б) характерна для некоторых металлов и сплавов (мягкой углеродистой стали, отожженных марганцовистых и алюминиевых бронз).
На рис. 1.3, в показана диаграмма растяжения хрупких материалов (закаленной и неотпущенной стали, серого чугуна, стекла, бетона и др.). Такие материалы разрушаются при малых остаточных деформациях.
Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 1.4. По оси абсцисс отложены абсолютные удлинения образца Al, а по оси ординат — значения растягивающей силы Р. На первом участке диаграммы 0-1 наблюдается прямолинейная зависимость между силой и удлинением, отражающая закон Гука. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т.е. наибольшему напряжению, при котором еще соблюдается закон Гука. Если нагрузку, соответствующую точке 1, обозначить Рпц, а начальную площадь сечения образца F0, то предел пропорциональности можно будет описать соотношением dna=Pm/F0.

Предел пропорциональности можно определить графически. В этом случае Рпц определяется по положению точки, в которой кривая растяжения начинает отклоняться от прямолинейного направления.
Несколько выше точки 1 находится точка Г, соответствующая пределу упругости. Если нагрузку в точке 1' обозначить Руп, то предел упругости будет выражаться соотношением ауп = Pyn/F0. По ГОСТу предел упругости обозначается а0 05. Он соответствует напряжению, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка образца, равного базе тензометра.
Для определения условного предела пропорциональности (о0 05) необходимо определить Р0 05 по диаграмме растяжения. С этой целью на оси абсцисс вправо от начала координат откладывают отрезок, равный 0,05 % исходной длины образца, и через точку, соответствующую его концу, проводят прямую, параллельную прямолинейному отрезку диаграммы испытаний, до пересечения с диаграммой. Точка пересечения дает значение Р0 05, деление которого на F0 позволяет определить о0 05.
После точки Г возникают заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы частицы материала начинуот переходить в область пластичности — наступает явление, называемое текучестью образца. На диаграмме растяжения ему соответствует горизонтальный участок 2-3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. Для него характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Обозначим величину нагрузки, соответствующей площадке текучести, через Рт. Напряжение от, отвечающее этой нагрузке, — это то напряжение, при котором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки, оно является физическим пределом текучести и определяется соотношением ат = P^/F0.
Предел текучести (физический) — это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку (см. рис. 1.3, б). Предел текучести устанавливает границу между зонами упругого и упругопласти- ческого деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации.
Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определенного значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости). Обычно в качестве допуска для величины остаточной деформации при растяжении принимается остаточное удлинение 0,2 %. Условный предел текучести определяется соотношением а0 2 = Pq.z/^oi где Р0 2 — нагрузка при условном пределе текучести.
Графически с0 2 можно определить аналогично ст0 05.
При увеличении напряжений сверх предела текучести в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за точкой 3 наблюдается подъем кривой растяжения — участок упрочнения. До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Этой точке соответствует наибольшее значение нагрузки, предшествующее разрушению образца, — Ртах. Точка 4 характеризует максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытаний и называемое временным сопротивлением ав. Оно определяется отношением
няи^тп-тттат"т иатру^пг Р ^ ттротгтттрг-грг.тдпрттт.зтЧ разрушению образца! *я«1»ваужвишжшвнтюв»е)вй!нв1»сечения образца: as = PmiiX/F0.
В момент, соответствующий нагрузке Ртах, появляется заметное местное сужение образца — шейка. Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредоточивается в области шейки.
Участку 4-5 соответствует быстрое уменьшение сечения шейки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет (площадь сечения в шейке FBf < F0). При дальнейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению FK, где действительные напряжения достигают наибольшего значения. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 — момента разрушения.
Усилие разрыва, соответствующее точке 5, обозначается Рк. Отношение разрывающего усилия к действительной площади сечения в месте разрыва FK называется истинным сопротивлением разрыву: ок = PK/FK.
Напряжения, определяемые отношением приложенной на-, грузки к начальной площади образца, называются условными, а к действительной — истинными. Так как по мере растяжения площадь поперечного сечения образца уменьшается, истинные напряжения в образце выше условных.
Показателем пластической деформации является его абсолютное остаточное удлинение при разрыве Д£ост.п (отрезок OAj на рис. 1.4). Так как упругая деформация (отрезок А1А2) исчезает после разрыва, Д£ост п = 1К -10, где 1К — конечная длина образца; Z0 — начальная длина образца.
Общее удлинение образца при растяжении слагается из равномерного и сосредоточенного удлинения (за счет образования шейки). Так как размеры испытуемых образцов могут быть различными, то характеристикой пластичности образца служит не абсолютное, а относительное остаточное удлинение при разрыве. Относительное удлинение при разрыве 8 — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ДiOCT„ к первоначальной расчетной длине 10 в процентах: 8 - (AZOCT I1/Z0) • 100. Чем больше значение 5, тем пластичнее металл.
Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение сечения после разрыва \|/ в процентах — отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:
^=F0-FK 1QQ(1 Л)
F0
где F0 — начальная площадь образца; FK — минимальная площадь сечения в месте образования шейки (в месте разрыва).
При оценке свойств образцов пластичных материалов большое значение имеет их сопротивление пластической деформации. Оно показывает, какое напряжение можно допустить, не вызывая пластической деформации или вызывая допускаемое ее значение (изменения металла под действием внешних сил).
Свойства, характеризующие сопротивление пластической деформации, можно разделить на две группы: сопротивление металла малым пластическим деформациям и сопротивление металла значительным пластическим деформациям.
Сопротивление малым пластическим деформациям характеризует предел упругости. Свойства сопротивления металла значительным пластическим деформациям проявляются при напряжениях выше условного предела текучести. Для пластичных металлов временное сопротивление определяет сопротивление значительным пластическим деформациям. Оно же является основной характеристикой хрупких материалов, разрушающихся при малых пластических деформациях. В табл. 1.3 приведены механические характеристики некоторых наиболее распространённых материалов.
Таблица 1.3
Механические характеристики различных материалов
Материал Предел, кгс/см2 • 103 Относительное удлинение при разрыве, 6, % Вид деформации
ат а. СтЗ
Ст5
Пружинная и тросовая сталь 1,9...2,1 2,2...2,4 7,0...9,0 2,4 2,8 9...12 3,8...4,0 5,0...5,3 12...17 23...28 17 16 Любой
Окончание табл. 1.3
Предел, кгс/см2 ■103 Относитель Вид деформации
Материал <з„ц ат ное удлинение при разрыве, 5,% Чугун (3,5...4,5) х хЮ1 — 1,2...1,9 0,25 Растяжение
СЧ25 1,0...1,5 — 5,0...9,0 — Сжатие
Бетон До 0,25 — До 0,5 — Сжатие
Сосна
(вдоль волокон) 0,25—0,30 — 0,4-0,8 — Растяжение
1.3.2. Определение твердости металловТвердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него под действием нагрузки индентора. Индентор представляет собой твердое тело (алмаз, твердый сплав, сталь) определенной геометрической формы (шар, пирамида, конус), вдавливаемое в поверхность образца или изделия. О величине твердости судят по полученной при вдавливании индентора деформации.
В зависимости от ожидаемой твердости испытываемого образца применяются различные методы определения твердости: статические и динамические нагрузки, царапанье поверхности, отскок свободно падающего наконечника и др.
Чаще других применяется метод вдавливания наконечника под действием статической нагрузки. В результате вдавливания поверхностные слои металла образца под наконечником и вблизи него пластически деформируются, и после снятия нагрузки на образце остается отпечаток, по размерам или глубдне которого судят о твердости образца. Чем они больше, тем пластичнее и мягче металл образца. Так как твердость характеризует сопротивление пластической деформации, которая является показателем механических свойств металла, по величине твердости можно судить о прочностных показателях металла и, в частности, о пределе прочности на растяжение (ов). Так как такой метод измерения твердости относится к неразрушающим, он нашел широкое применение в машиностроении.
Различают макротвердостъ и микротвердость. В первом случае размеры отпечатка во много раз превышают размеры структурных составляющих металла, который может включать как твердые, так и мягкие компоненты. Таким образом, макротвердость дает представление о некоторой усредненной величине твердости совокупности структурных составляющих.
При необходимости определить твердость каждой из структурных составляющих пользуются методами определения микротвердости. В этом случае размер отпечатка должен быть значительно меньше размера структурных составляющих, а пластическая деформация ограничиваться размерами одного зерна, твердость которого измеряется. Естественно, что определение микротвердости осуществляется под небольшими нагрузками на индентор.
Поверхность образца (детали) для измерения твердости должна представлять собой горизонтальную шлифованную площадку, а для измерения микротвердости — полированную. Образец должен устанавливаться горизонтально, перпендикулярно направлению силы, вдавливающей индентор в образец.
Определение твердости по Бринеллю. Для определения твердости по Бринеллю испытываемый образец (деталь) устанавливают на столик твердомера и подводят его к индентору до упора. Индентором служит стальной закаленный шарик или шарик из твердого сплава диаметром 1; 2; 2,5; 5; 10 мм. На шарик воздействуют с усилием Р, в результате чего он вдавливается в испытываемый образец. По диаметру d полученной лунки определяют твердость.
Твердость по Бринеллю — это отношение усилия Р к площади поверхности полученного сферического отпечатка:
HB(HBW) = Р/А, —• —————————
2где D — диаметр шарика; dcp — среднее из двух взаимно-перпендикулярных измерений диаметра отпечатка.
При использовании в качестве индентора стального шарика твердость обозначается НВ, шарика из твердого сплава — HBW.
Для измерения твердости металлов по методу Бринелля используют прибор ТШ-2М. Его принципиальная схема изображена на рис. 1.5. Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт — маховик 9-10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. Вращение от двигателя передается через червячный редуктор 2 на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобожденная рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передает через оправку 7 с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается.
6

Рис. 1.5. Прибор для измерения твердости металлов ТШ-2М
Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут изменяться путем регулирования пресса в зависимости от твердости материала образца.
Испытание проводят следующим образом. Выбирают соответствующий шариковый наконечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Образец кладут на столик пресса 8 и с помощью маховика 10 до отказа поджимают к шариковой оправке, затем включают электродвигатель. По окончании испытания образец снимают и измеряют диаметр полученного отпечатка с помощью специальной лупы или микроскопа.
Диаметр каждого отпечатка измеряют по двум взаимно-перпендикулярным направлениям с точностью до сотых долей миллиметра и берут среднее из двух полученных значений (значения не должны различаться более чем на 2 %). Число отпечатков каждый раз доллсно быть не менее трех.

а — общий вид;

Рис. 1.6. Микроскоп МПБ-2: б — шкала для измерения диаметра отпечатка
Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2 (рис. 1.6, а).
Прибор оснащен окуляром 1, на который нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра, сеткой 2 и объективом 4. Установочное кольцо 3 применяется для регулирования резкости отпечатка 5. При измерении желательно применять автономный источник света 6. На рис. 1.6, б показано измерение отпечатка, диаметр которого составляет 4,7 мм.
При испытании на твердость особое значение имеет качество поверхности. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе подготовки поверхности свойства поверхностного слоя не изменялись из-за наклепа или разогрева при шлифовании (полировке).
Минимальная толщина образца или изделия, допускающая применение метода Бринелля, определяется по прил. 2 ГОСТ 9012-59.
Требования к качеству индентора, условиям приложения силы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продолжительность выдержки под нагрузкой составляет 10... 15 с для черных металлов, 10...180 с — для цветных металлов и сплавов в зависимости от твердости материала и должна быть указана в нормативно-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от центра отпечатка до края образца (изделия) — не менее 2,5с?; для металлов с твердостью менее 35 НВ расстояния должны быть соответственно 6d и 3d.
Для быстрого определения значения твердости в зависимости от диаметра шарика D, испытательной нагрузки Р, величины d используют специальные таблицы. Усилие вдавливания Р, диаметр шарика D и время испытаний t выбирают в зависимости от ожидаемой твердости материала по табл. 1.4 и 1.5
Таблица 1.4
Примеры выбора времени приложения нагрузки в зависимости от твердости материала образца
Ожидаемая твердость по Бринеллю, Продолжительность
НВ (HBW), к гс/мм2 (МПа) выдержки t, с
До 10 (100) 180
10...35 (100...350) 120
35...100 (350...1000) 30
Свыше 100 (свыше 1000) 10...15
1,0
2,0
2,5
5,0
10,0
Таблица 1.5 Примеры выбора диаметра шарика в зависимости от усилия вдавливания
Диаметр шарика D, мм Усилие Р, Н
10...300
40...1 180
61...1 840
245...7 350
980...29 400

Испытание считается действительным, если диаметр отпечатка лежит в пределах 0,24 В <d< 0,6D. В других случаях испытания требуют корректировки в соответствии с ГОСТ 9012-59.
Метод Бринелля позволяет измерять твердость в пределах 8...450 НВ стальным закаленным шариком и 450...650 НВ — шариком из твердого сплава.
Если в результате испытания при Р = 3000 кгс, диаметре шарика D = 10 мм и продолжительности выдержки t от 10 до 15 с (нормальные условия) получена твердость 200 кгс/мм2, то твердость обозначается 200 НВ. В остальных случаях, связанных с изменением условий измерения твердости, в обозначении обязательно указываются используемые диаметр шарика, нагрузка и время выдержки. Например, обозначение 200 НВ 5/750/20 показывает: 200 — расчетное значение твердости, D = 5 мм, Р = 750 кгс,
t = 20 с.
Определение твердости по Роквеллу. Для определения твердости по этому методу используют индентор в виде алмазного или твердосплавного конуса с углом при вершине 120° или закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Шариковый индентор используется для измерения твердости металлов до 250 НВ, индентор в виде алмазного конуса — сталей и других очень твердых материалов. Применение различных инденторов и усилий вдавливания позволяет использовать 9 способов измерения твердости по Роквеллу, которые обозначаются HRA, HRB, HRC3, HRD, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK, однако на практике используют первые три. Их основные характеристики приведены в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Выбор наконечника и нагрузки для измерения твердости по Роквеллу
Способ измерения твердости Индентор Общее усилие испытательной нагрузки, Измеряемая
твердость по Виккерсу (ориентир), МПа Допускаемый интервал измеряемой твердости по шкале твердомера Роквелла
HRB Стальной 1000 600...2400 25...100
шарик HRC, Алмазный 1500 2400...9000 20...67
конус HRA Алмазный 600 3900.-.9000 70...85
конус * Р0 — предварительная нагрузка (Р0 = 100 Н), Рх — основное усилие.
Значение твердости по Роквеллу определяют расстоянием, на которое вершина индентора при вдавливании не дошла до условного уровня проникновения (0,2 мм). Данный уровень принимается за нуль твердости (см. рис. 1.8):
RRJ,2-(h-h0 ) =0,002 0,002где h — глубина погружения индентора после отключения основного усилия Рх; h0 — глубина погружения индентора под воздействием предварительной нагрузки Р0.
Для измерения твердости металлов и сплавов по методу Рок- велла используют прибор для измерения твердости металлов ТК-2М (рис. 1.7). Механизм 14 подъемного столика 11 состоит из пары винт — маховик 12,13. Испытания образца на твердость осуществляются с помощью механизма нагружения, приводимого в действие электродвигателем 1. От двигателя вращение через редуктор 2 передается кулачковому блоку 16, который через шток 5 опускает грузовой рычаг 6 с грузами 3 и передает нагрузку на образец через наконечник 10 с шариком или алмазным конусом на конце. При повороте кулачкового блока 16 па один оборот шток 5 возвращает грузовой рычаг 6 в первоначальное положение, снимая с наконечника приложенную нагрузку (за счет подвески 6 и пружины 9 на образец передается нагрузка, равная соответственно 60 и 10 кгс; нагрузка в 100 или 150 кгс

передается на образец за счет сменных грузов 3). Включение привода нагружения осуществляется педалью 15, а включение электродвигателя — выключателем, установленным на правой стороне корпуса прибора 4. Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором 7, который приводится в движение рычагом 8.
Измерение твердости на твердомере Роквелла производят следующим образом (рис. 1.8).
Включают прибор и устанавливают деталь (образец) на столик. Стрелки индика'тора прибора находятся в произвольном положении (позиция I).
Подводят деталь к наконечнику с помощью телескопического подъемника таким образом, чтобы указатель маленькой стрелки индикатора совместился с красной точкой на его циферблате (позиция II). При этом на образец действует сила вдавливания Р0 = 100 Н, а индентор внедряется на глубину h0. Поворотом внешнего кольца индикатора устанавливают нулевое деление
I

Рис. 1.8. Измерение твердости по Роквеллу
шкалы подвижного циферблата напротив указателя большой стрелки. Прибор готов к измерению твердости.
Включают автоматическое нагружение основным усилием Р1. Под воздействием общего усилия Р0 + Рх стрелки индикатора приходят в движение (позиция III).
После автоматического отключения основного усилия Р, по указанию большой стрелки фиксируют твердость, соответствующую нахождению индентора на глубине h (позиция IV).
Опускают столик с помощью телескопического устройства и снимают образец.
Измерение твердости по методу Роквелла проводится в соответствии с ГОСТ 9013-59. Согласно ему твердость измеряется на поверхности, очищенной от ржавчины, загрязнений, окалины; измерения производятся не менее трех раз и за величину твердости принимают среднее значение. При этом расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех их диаметров, но не менее 2 мм.
Определение твердости по Виккерсу. Определение твердости данным методом осуществляется вдавливанием в испытуемуюповерхность (шлифованную или полированную) алмазной пирамиды. Мерой твердости при этом служит диагональ отпечатка.

Рис. 1.9. Прибор для измерения твердости (а) и схема измерения (б)
а
Измерение твердости по Виккерсу производят по ГОСТ 2999-75 следующим образом. Подготовленный образец устанавливают на подставку (столик) 3 шлифованной или полированной поверхностью кверху. Поворотом маховика 5 с винтовой гайкой 4 по часовой стрелке столик прибора поднимают почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой, закрепленной в оправке 2. Затем с помощью рукоятки пускового рычага 6 приводят в действие нагружающий механизм, который Через рычаг передает давление грузов 7 на алмазную пирамиду. Затем, нагружающий механизм постепенно возвращается в исходное положение; окончательное снятие нагрузки определяется по звуковому сигналу. Далее столик прибора опускают, подводят к нему микроскоп 1, установленный на штанге и прикрепленный к станине, и замеряют длины диагоналей отпечатка оптическим микрометром. На окуляре микроскопа имеются две шторки: подвижная и не-
При измерении твердости материалов по Виккерсу наконечник стандартного типа (алмазная четырехгранная пирамида с углом 136° между боковыми гранями при вершине) вдавливается в испытуемый образец под действием нагрузки Р (рис. 1.9,6), которая выбирается в пределах 49...1176 Н (5...120 кгс). Испытания проводятся на стационарных твердомерах (приборах Виккерса) типа ТВ (рис. 1.9, а).
подвижная, с которой совмещается левый угол отпечатка. Микрометрическим винтом подвижную шторку перемещают до соприкосновения с правым углом отпечатка. Перемещение подвижной шторки вызывает вращение цифровой ленты указателя. Цифра, которая соответствует положению подвижной шторки, когда она соприкасается с углом отпечатка, и будет величиной длины отпечатка. Подготовку нагружающего механизма для нового испытания производят нажатием рукоятки взвода 6.
В результате испытаний на поверхности образца получают отпечаток в виде ромба. Для получения значения твердости измеряют обе диагонали ромба и вычисляют их среднее значение.
Твердость по Виккерсу (HV), так же как и по Бринеллю, определяется как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности отпечатка, т.е. как отношение нагрузки Р (Н), приложенной к пирамиде, к поверхности отпечатка F (мм2):
Р 2PsinfР
HV = — =-А. = 1 8544-^-,
F d2d2где Р — нагрузка на пирамиду: 49, 98, 196, 294, 490, 981, 1177 Н (5, 10, 20, 30, 50, 100, 120 кгс); ос = 136° — угол между противоположными гранями пирамиды; d — среднее арифметическое длины двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, мм.
Соотношение диагоналей получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах увеличивать или уменьшать нагрузку в зависимости от целей испытаний.
Величину нагрузки выбирают в зависимости от размеров детали и твердости материалов. Чем больше нагрузка, тем глубже проникает индентор в испытуемый материал, поэтому чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.
Твердость по Виккерсу определяется по заранее составленным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка). Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность Н/м2 (кгс/мм2) и для материалов с твердостью до 400 НВ практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения твердости для высокотвердых материалов, так как алмазная пирамида имеет большой угол при вершине и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении индентора на небольшую глубину.
Определение твердости твердомером ТВ сложнее других способов, однако имеет преимущества: позволяет измерять твердость как мягких, так и твердых материалов, а также очень тонких деталей (до 0,3...0,5 мм) и поверхностных слоев (0,03...0,005 мм) цементированных, азотированных, платинированных изделий;1.3.3. Определение ударной вязкостиМеханические свойства образцов, определенные в результате медленного повышения нагрузки, часто не соответствуют действительным условиям нагружения деталей в ходе эксплуатации, когда нагрузка возрастает очень быстро. Это привело к необходимости исследовать свойства металла при быстровозрастающих нагрузках, так называемых динамических, или ударных.
Если детали машин, механизмов, конструкции и т.п. в процессе эксплуатации испытывают ударные нагрузки, то металл, идущий на их изготовление, кроме статических испытаний подвергают еще испытанию динамической нагрузкой, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются от малых ударных нагрузок.
Из динамических испытаний (растяжение, сжатие, кручение, изгиб) в практике наиболее распространенным являются испытания на ударный изгиб. Они выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод (ГОСТ 9454-78) основан на разрушении образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работа удара), или ударную вязкость.
Ударная вязкость — это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Для определения ударной вязкости при изгибе используют призматические образцы пяти типов (рис. 1.10). В качестве основного рекомендуется образец I типа: в виде бруска размером 10 х 10 х 55 мм с надрезом посередине, сделанным шлифовальным кругом толщиной 2 мм и радиусом закругления 1 мм.
Д1+0Д0
\ 1 Keio.io 27,5±0,42 ^ 2
Я1+0Д0
_[Х7±0Д0
10±0Д0
10±0,10
> и
II

2
Я1±0.07 1 ^-5±0,09
1 Jl , 2
10±0,10
III
10±0Д0
IV
8+0,10
45±2°
■ U8±0,10
I 2 "—
5+0,10
I

Рис. 1.10. Образцы для определения ударной вязкости
Количество энергии (Дж, кгс • м), затраченное на разрушение образца, или работа удара, поглощенная образцом, вычисляется по формуле
К = К1 - К2 = Q(H - h),
где К — абсолютная вязкость; К1 — энергия поднятого маятника, Дж; К2 — остаточная энергия маятника после удара, Дж; Q — масса груза, кг; Н — высота начального подъема груза, м; h — высота подъема груза после разрушения образца, м.
Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV, КТ) и цифрами. Первая буква К — символ работы удара, вторая (U, V или Т) — вид концентратора. Последующие цифры обозначаютмаксимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Цифры не указываются при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 300 Дж (30 кгс • м) при глубине 2 мм для концентратора видов U и V и 3 мм для концентратора вида Т и ширине образца 10 мм.
Ударная вязкость — способность металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок — характеризуется относительной, или удельной, вязкостью.
Ударная вязкость обозначается символом КС, третья буква — вид концентратора. Первая цифра обозначает максимальную энергию удара маятника, вторая — глубину концентратора, третья — ширину образца. Например, KCU (KCV) — ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида U (V) при комнатной температуре, максимальная энергия удара маятника 300 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 10 мм. Для обозначения ударной вязкости, определенной при пониженной или повышенной температуре, вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Например, KV 40 50/2/2 — работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре -40 °С, максимальная энергия удара 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм; КСТ+10° 150/3/7,5 — ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида Т при температуре 100 °С, максимальная энергия удара 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.
Ударную вязкость КС (Дж/см2, кгс • м/см2) вычисляют по формуле
КС = К/S0,где S0 — начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см2 (S0 = Н^В, где Н1 — начальная высота рабочей части образца, см; В — начальная ширина образца, см).
Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: U — при обычных испытаниях металлов и сплавов; V — для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления); Т — для особо ответственных конструкций.
Для определения вязкости хрупких материалов (инструментальных сталей с твердостью более 50 HRC) применяют гладкие образцы, а ударная вязкость обозначается КС.
Для испытания материалов на ударный изгиб широкое распространение получили маятниковые копры. На рис. 1.11 показана принципиальная схема копра МК-15. Цифра в маркировке копра показывает максимальную работу удара в кгс • м, которую может совершить копер при испытании образцов.

Рис. 1.11. Маятниковый копер МК-15 для испытания на ударный сгиб
Копер состоит из чугунной станины в виде массивной плиты 2 с двумя вертикальными колоннами 3. В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укрепленный в шарикоподшипниках маятник 4 с грузом в виде стального плоского диска 5 с вырезом, в котором закреплен стальной закаленный нож, служащий бойком при испытании. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колонам станины прикреплены две стальные закаленные опоры 10, на которые помещают испытываемый образец 11. Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень 12, который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие вручную специальной рукояткой 1 или автоматически. Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой 6.
При испытании образца маятник освобождается от защелки, падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разрушение образца. Определение угла взлета маятника в копре МК-15 производится следующим образом. Стрелка 8, насаженная на ось маятника, свободно, но с некоторым трением в момент удара упирается в упор 7 у нулевого деления шкалы 9. При взлете маятника стрелка остается неподвижной, а при обратном движении, маятника, двигаясь, вследствие трения, вместе с маятником, показывает угол взлета маятника в градусах.
Маятниковые копры изготавливают с максимальной энергией удара маятника 4,9 (0,5); 9,8 (1,0); 49,0 (5,0); 98,0 (10,0); 147 (15,0); 294,0 (30,0) Дж (кГс ■ м).1.3.4. Испытания на усталостьУсталость металла — это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению. При этом разрушение наступает без заметных признаков пластической деформации и происходит при напряжениях, меньших не только предела прочности и текучести, но и предела упругости. Усталостное разрушение необходимо учитывать в связи с применением в технике сильно нагруженных и быстроходных машин.
Разрушению предшествует появление и развитие характерных микротрещин, которое связано с особенностями структуры металла.
При многократном действии переменных нагрузок в местах, где имеется резкое повышение напряжений вследствие наличия отверстий, выточек, выкружек, пустот, включений, трещин и т.д., происходят внезапные изломы усталостного разрушения. Место появления излома обычно совпадает с зоной концентрации напряжений, вызванной резким изменением поперечного сечения. Таким образом, при усталости пластическая деформация проявляется в определенных слабых местах металла, т.е. носит избирательный характер и этим отличается от обычной деформации.
Местом образования и развития излома усталости является наружная зона детали. Здесь в результате действия переменных нагрузок и концентрации напряжений (от структурных или поверхностных нарушений) появляются микроскопические трещины. В течение длительного действия переменных нагрузок они развиваются в макроскопическую трещину. Вследствие взаимного смещения поверхностей, ограничивающих макроскопическую трещину, и трения между ними шероховатости исчезают и возникает гладкая притертая зона излома с мелкозернистой фарфоровидной поверхностью — зона усталости.
и, МПа (кгс/мм2)

ь
Свойство материала сопротивляться усталости называется выносливостью. Выносливость возрастает по мере снижения напряжения, что видно из кривой усталости (рис. 1.12), которая показывает, какое число циклов перемен нагрузки N выдерживает материал до разрушения. Анализ кривой усталости показывает, что чем меньше напряжение, тем больше число нагружений выдерживает металл до разрушения. Существует максимальное напряжение, ниже которого металл не разрушается от усталости после заданного числа перемен нагрузок (циклов) — предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости. На эту величину влияет и характер самого цикла, так как нагрузки могут быть знакопеременными (растяжение — сжатие) или без изменения знака. Соответственно цикл может быть симметричным, если напряжения противоположны по знаку и равны, и асимметричным,
в
7
N,N2N3 N4 Ns N=10 ■ 106 Число циклов Рис. 1.12. Кривая усталости
если напряжения не одинаковы по величине. Для сталей такое число циклов условно принято 10 млн, а для цветных металлов и сплавов — 20... 100 млн. Исследования показали, что если металл выдержал указанное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе перемен нагрузок.
Выносливость металлов и сплавов зависит от их природы, характера обработки, состояния поверхности, условий эксплуатации и т.п. Испытания на усталость производят как для пластичных, так и для малопластичных и хрупких материалов (ГОСТ 2860-65).
Предел выносливости чаще всего определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) в условиях знакопеременного (симметричного) цикла (omax = omi„), т.е. с приложением изгибающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения, (растяжение — сжатие); при этом число циклов знакопеременных нагружений может быть установлено достаточно большим. Испытания на усталость могут быть длительные и ускоренные. Длительные испытания производятся на круглых образцах.
Схема испытания на машинах, работающих по методу консольного изгиба, показана На рис. 1.13. Один конец образца 2 зажимается во вращающемся шпинделе 1 машины, а на другой конец надевается подшипник 3, к которому подвешивается груз Р. При вращении образец подвергается повторно-переменному на- гружению. При каждом обороте изменение значения напряжения совершит полный цикл от атах через нуль к amin. В этом случае изгибающие моменты распределяются по закону треугольника.
1

a
2
Время
Рис. 1.13. Схема машины для испытаний на усталость (а) и изменение напряжений за один оборот образца (б)
3
б
При заданной нагрузке испытание продолжается до разрушения образца, а результатом является число выдержанных циклов. После разрушения образца его заменяют другим и уменьшают или увеличивают груз. Испытания повторяют несколько раз, каждый раз определяя число циклов, доводящее образец до разрушения. Для определения предела выносливости испытывают серию (не менее шести) одинаковых образцов, изготовленных из одного материала. Испытания заканчиваются построением диаграммы кривой усталости в координатах напряжение о — число циклов N в пропорциональном или логарифмическом масштабах.
Кривая вначале быстро падает, а потом приближается к прямой, параллельной горизонтальной оси (см. рис. 1.12). Горизонтальный участок, т.е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости.
Пределы выносливости выражают в номинальных напряжениях и обозначают ая (МПа, кгс/мм2). Предел выносливости определяют по формуле
Од = Pl/(Rd3),
где Р — вес груза, Н (кгс); I — длина образца, м (мм); R — коэффициент асимметрии цикла; d — диаметр образца, м (мм).
Следовательно, при напряжениях меньше ал материал, не разрушаясь, выдерживает большое число циклов. Предел выносливости обычно считают достигнутым при числе циклов N = 5 ■ 106, если испытания проводились при комнатной температуре.1.3.5. Испытания на ползучестьСопротивление упругой и пластической деформациям зависит от скорости и времени деформации. Длительное статическое нагружение оказывает значительное влияние на механические свойства металлов: длительно действующие нагрузки даже ниже предела упругости вызывают в металле пластические деформации.
Ползучесть (крип) — это медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших тех, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений, т.е. постепенным изменением напряжений в теле при постоянной его деформации.
Ползучестью обладают практически все конструкционные материалы. Для сталей и чугунов ползучесть существенна лишь при повышенных температурах (свыше 300 °С) и протекает тем интенсивнее, чем выше температура. Для металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий), бетона, дерева, резины, пластмассы она заметна и при комнатных температурах.
Процесс ползучести сопровождается двумя взаимно противоположными явлениями: упрочнением и разупрочнением. Упрочнение (наклеп) возникает в результате пластической деформации, а разупрочнение — рекристаллизации (образования кристаллических зерен с более совершенной структурой), которая протекает при горячей деформации. Из-за рекристаллизации снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность.
Испытания на ползучесть при растяжении заключаются в том, что испытываемый образец в течение длительного времени подвергается воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуры. При этом все время фиксируется деформация образца.
В результате испытания определяют предел ползучести материала, т:е. то наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины.
Для испытаний применяют цилиндрические образцы диаметром 10 мм и расчетной длиной 100 мм (нормальный образец) и 200 мм (удлиненный образец), а также плоские образцы шириной 15 мм и расчетной длиной 100 мм. Толщина образца определяется толщиной листа, из которого он вырезан. Допускается применение образцов другой формы и размеров.
Предел ползучести определяют при допусках на удлинение в пределах 0,1...1,0 % при длительности испытания 100, 300, 500, 1000 ч, если по техническим условиям не требуются другие длительность или допуск на деформацию. Если предел ползучести определяется по скорости ползучести, то продолжительность испытания должна быть не менее 2000...3000 ч при условии продолжительности прямолинейного участка кривой ползучести не менее 500 ч.
Максимальное длительно действующее напряжение, при котором деформация еще равна нулю, называется теоретическим пределом ползучести.
Процесс испытания изображают в виде первичной кривой ползучести в координатах «относительное удлинение — время», по которой определяют напряжение, соответствующее условному пределу ползучести материала (рис 1.14).

Рис. 1.14. Удлинение образца во времени: 5а — начальное удлинение под действием нагрузки; 5„ — удлинение на криволинейном участке кривой ползучести; 5С — удлинение на прямолинейном участке
Условный предел ползучести — напряжение, которое за установленное время испытания при данной температуре вызывает заданное удлинение образца или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.
При определении по величине деформации предел ползучести обозначается символом с с тремя числовыми индексами: двумя нижними и одним верхним. Первый нижний индекс обозначает заданное удлинение (суммарное или остаточное) в процентах, второй — заданную продолжительность времени испытания в часах, верхний индекс — температуру в градусах Цельсия. Например, CTo°2/ioo — предел ползучести при допуске на деформацию 0,20 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С. При этом необходимо дополнительно указать, по суммарной или остаточной деформации определялся предел ползучести.
В случае определения предела ползучести по скорости ползучести он обозначается символом а с двумя числовыми индексами: верхним и нижним. Нижний индекс обозначает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний — температуру испытания (°С). Например, 5 — предел ползучести при 1 • 10 5 %/ч при температуре 600 °С. Кроме того, необходимо дополнительно указать время испытания, за которое была достигнута заданная скорость ползучести.jjjjjg Методы определения дефектов металловВ процессе кристаллизации слитков, их последующей пластической деформации и термической обработки в металле образуются различные дефекты, такие как шлаковые включения, газовые раковины, трещины и др. Для выявления этих дефектов, наличие которых в деталях не допускается по условиям эксплуатации, разработаны различные методы контроля качества металла и его структуры. Наибольший интерес представляют неразрушающие методы контроля, в ходе которых изделиям из металла не причиняется повреждений. К таким методам относятся радиационный (рентгеновское и у-просвечивание), ультразвуковой, магнитный и др.
Для рентгеновского просвечивания применяют рентгеновский аппарат (рис. 1.15), который состоит из рентгеновского излучателя РИ и пульта управления ПУ. РИ представляет собой

Рис. 1.15. Схема рентгеновского аппарата

металлический защитный корпус 6, в котором размещается рентгеновская трубка РТ и блок трансформаторов 5. Защитный кожух имеет окно для выхода рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка является основным элементом аппарата и представляет собой вакуумируемую колбу 2 с запаянными в нее катодом 4 и анодом 7. Нить накала 3 катода изготовляется из вольфрама и разогревается электрическим током до температуры 2400... 3000 РС, при которой происходит термоэмиссия электронов. Электроны разгоняются в электрическом поле и попадают на зеркало анода 1, отдают ему свою кинетическую энергию, часть из которой преобразуется в рентгеновское излучение.
Рентгеновские лучи проходят через просвечиваемое изделие 8 и попадают на фотопленку 10. Если в изделии имеются дефекты, например газовые или шлаковые включения 9, проводимость рентгеновских лучей у которых выше, чем у металла, на пленке в месте расположения включения проявится темное пятно 11.

4
Рис. 1.16. Просвечивание у-лучами
3
Ультразвуковой метод контроля качества изделий относится к эхоакустическим, в основу которых положен ввод ультразвуковых колебаний (УЗК) в исследуемый объект и регистрация отраженных волн (рис. 1.17). Электрический сигнал от генератора импульсов 4 поступает на электроакустический преобразователь 3 и электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 5, на экране 6 которой формируется начальный зондирующий импульс А.
Сходные результаты получаются в случае просвечивания изделий у-лучами (рис. 1.16). Ампула 1 с радиоактивным веществом установлена в свинцовом кожухе 2, через отверстие которого выходит поток у-лучей. В случае наличия в изделии 3 дефекта на пленке 4 появится темное пятно.
Электрический сигнал на преобразователе преобразуется в УЗК, которые передаются в контролируемое изделие 1. УЗК, пройдя расстояние х, равное толщине изделия, отражаются от противоположной поверхности изделия и вновь воспринимаются преобразователем, образуя в нем сигнал, который поступает на ЭЛТ. На экране 6 от этого сигнала формируется донный импульс В. Если УЗК встретят на своем пути дефект 2, то они отразятся от него и сформируется импульс С, расстояние от которого до импульса А (хл) характеризует глубину залегания дефекта. Ширина импульса С качественно соответствует протяженности дефекта.

Рис. 1.17. Ультразвуковой метод контроля
Магнитная дефектоскопия позволяет обнаружить поверхностные и подповерхностные дефекты на глубине до 5 мм. Контроль изделий методом магнитной дефектоскопии заключается в регистрации магнитного поля рассеяния (МПР), которое образуется над дефектом при намагничивании изделия (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Магнитная дефектоскопия
Для этого изделие помещают в магнитное поле. Магнитный поток, проходя через изделие 1, наталкивается на дефект 2 (трещину, неметаллическое включение, газовую раковину), магнитная проницаемость которого ниже, чем у металла. Магнитные силовые линии не могут прерываться, поэтому они: выходят из образца в окружающую среду. Если на поверхность изделия нанесен ферромагнитный порошок, то в местах выхода магнитных силовых линий из образца на поверхность образуется валик, повторяющий характер и форму дефекта. Вместо ферромагнитного порошка можно использовать магнитную ленту, запись с которой считывается преобразователем.
НЗ! Коррозия металловПод коррозией понимают повреждение и разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Ей в основном подвержены неблагородные металлы, легко взаимодействующие с неметаллами.
Различают следующие виды коррозии.
Равномерное разрушение происходит по всей поверхности и оценивается в мм/год. Так1, например, корпуса судов корродируют со скоростью до 0,3 мм/год.
При точечной (питинговой) коррозии наблюдается местное разъедание металла, приводящее в итоге к появлению углублений или сквозных дыр.
Избирательная (селективная) коррозия характерна для сплавов с различными структурными составляющими, склонность которых к взаимодействию со средой неодинакова. Например, у чугуна, структура которого состоит из металлической основы и графита, окисляется металл, а на поверхности остается мягкий графитный скелет.
Межкристаллитная коррозия происходит по границам зерен. На границе зерен, как правило, собираются более рыхлые примеси, такие как сера, фосфор, что создает предпосылки для их окисления. Например, у нержавеющих сталей при температуре свыше 600 °С по границам зерен могут выделяться карбиды, что вызывает обеднение металла хромом и снижение его коррозионной стойкости.
Черезкристаллитная коррозия проходит через зерна, образующие зерновую структуру металла. Обычно она наблюдается в находящихся под напряжением металлах или под воздействием длительных знакопеременных нагрузок.
Коррозионные испытания проводят для того, чтобы определить поведение металлов в различных средах и климатических условиях, а также разработать наиболее эффективные способы защиты от коррозии. Различают натурные и лабораторные испытания. В первом случае образцы помещают совместно с работающими изделиями в производственную среду и периодически наблюдают за процессом коррозии. Естественно, что образцы должны быть изготовлены из того же материала, что и изделие. Лабораторные испытания позволяют оценить пригодность материалов для работы в определенных условиях в короткие сроки. Для этого проектируют и изготавливают шкафы, имитирующие климатические или почвенные условия, электролизные ванны для изучения коррозии под воздействием тока и установки, позволяющие сравнивать поведение металлов в различных средах под нагрузкой.
Способность металлов взаимодействовать с различными средами была рассмотрена выше (см. табл. 1.2).
Кроме химических, физических и прочностных свойств металлы характеризуются технологическими свойствами, которые указывают на способность металлов и сплавов обрабатываться различными методами. Эти свойства будут рассмотрены в разделах «Литейное производство», «Обработка металлов давлением», «Сварочное производство» и «Обработка резанием».

ОБШЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ МЕТАЛЛОВWL
Кристаллические структуры металлов и сплавовМеталлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой (рис. 2.1).

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, образованный минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве позволяет построить весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания используют шесть величин: три ребра ячейки а,Ь,с и три угла между ними а, |3, у. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.
2.1.
Существует всего 14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток (рис. 2.2: линии на схемах условные; в действительности никаких
471ИЗ?
Рис. 2.2. Типы кристаллических решеток: а — объемноцентрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная
линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т.е. узлов решетки):
объемноцентрированная кубическая (ОЦК) — атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fea, К, Cr, W и другие металлы;
гранецентрированная кубическая (ГЦК) — атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Au, Cu, Co, Fey и другие металлы;
гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три — в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Mg, Ti, Re, Zn, Hf, Be, Са и другие металлы.
Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.
Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 10"9 м) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1...0,7 нм. Например, период решетки Fe — 0,287 нм; Си — 0,361 нм; W — 0,316 нм.
в
Координационное число показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число равно 12, ОЦК — 8, ГПУ — 12.
Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй — как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам ^-8 = lj. Базисное число ГЦК
и ГПУ решеток равно 4.
Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки г) определяется отношением объема Уа, занимаемого атомами, ко всему объему элементарной ячейки решетки Fp:
Л = V. / Fp.
Плотность упаковки поцк = 0,68, Г\гцк = 0,74, r\rav = 0,74.
Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 2.2), можно заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинакова. По этой причине свойства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел, существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т.е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависйт от направления, т.е. они изотропны.
Стецень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что временное сопротивление с„ изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение 8 — 10...55 %.
Технические металлы являются поликристаллическими веществами, состоящими из множества мелких (10_1...10~5 см), различно ориентированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.
Дефекты строения реальных кристалловСуществующие в природе кристаллы, которые получили название реальных, не обладают совершенной атомно-кристалличе- ской структурой. Их решетки имеют различного рода дефекты, т.е. отклонения от правильного периодического расположения атомов.
Дефекты кристаллического строения с учетом их пространственного измерения подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых по всем трем пространственным координатам соизмеримы с размером атома. К точечным дефектам относятся (рис. 2.3, а):
междоузельные, или дислоцированные, атомы, вышедшие из положения равновесия и перемещенные в позицию между узлами решетки;
а вакансии, или пустые узлы, кристаллической решетки;
примесные атомы.



Рис. 2.3. Дефекты кристаллического строения: а — точечные (1 — дислоцированный атом; 2 — вакансия; 3 — примесный атом внедрения); б — линейные (т — вектор сдвига); в — поверхностные (а —угол разориентировки субзерен)
Линейные дефекты, или дислокации (рис. 2.3, б), — это линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Так называемыекраевые (линейные) дислокации возникают вследствие появления в кристалле неполной атомной плоскости, которая называется экстраплоскостью (плоскость ABED). Линия AD, т.е. край экстраплоскости, и будет краевой дислокацией. Длина дислокаций может достигать размера всего кристалла, в поперечном же сечении размеры дефекта невелики и не превышают нескольких межатомных расстояний.
Образование дислокаций происходит обычно в процессе первичной кристаллизации. Однако при пластической деформации, термической обработке и других процессах плотность дислокаций может существенно изменяться, оказывая очень сильное влияние на механические свойства металлов и сплавов. Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг (см. рис. 2.3, б). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние и зафиксировать положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только ее часть ADCF, то граница AD между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не произошло, и будет линейной дислокацией .
Поверхностные дефекты (рис. 2.3, в) представляют собой поверхности раздела (границы) между отдельными зернами и субзернами в поликристаллическом металле/Зерна разориентиро- ваны, повернуты относительно друг друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. К поверхностным дефектам относятся двойники (симметрично переориентированные области кристаллической решетки) и дефекты упаковки (локальные изменения расположения плотно упакованных плоскостей в кристалле).
Объемные дефекты представляют собой поры, макротрещины и другие подобные несплошности металла.ЩЩЩ Кристаллизация металловКристаллизация обусловлена стремлением системы при определенных условиях перейти к энергетически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией F. На рис. 2.4 показана зависимость изменения свободной энергии F для жидкой и твердой фаз от изменения температуры Т системы. Меньшей свободной энергией вещество в жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом — ниже теоретической температуры плавления (точка Т„). В реальных условиях процесс кристаллизации не может начаться при температуре Т„, так как при данной температуре система находится в состоянии равновесия (Fx - FT). Для того чтобы процесс кристаллизации начался, жидкость необходимо охладить ниже точки Ts. Температура, при которой реально начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации (Гкр). Разность между теоретической температурой Ts и реальной температурой Ткр, при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения системы АТ. При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при определенной степени перегрева системы АТ.

Рис. 2.4. Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fx) и твердом (FT) состоянии в зависимости от температуры Т
Выделяют два вида кристаллизации:
первичная — переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры;
вторичная — образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.
Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью термического анализа, суть которого заключается в регистрации температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 2.5, а) с расплавленным металлом погружают термоэлектрический термометр (термопару) 2, подключенный к регистрирующему потенциометру 3. На основании полученных данных в координатах температура — время строят кривую охлаждения (рис. 2.5, б), которая отражает последовательность протекания процесса кристаллизации.
На рис. 2.6, а приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различной скоростью охлаждения.
Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температуре, соответствующей горизонтальному участку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в течение всего времени, необходимого для завершения процесса. Нижний участок кривой соответствует охлаждению закристаллизовавшегося металла. Тонкой горизонтальной линией на диаграмме показано значение теоретической температуры кристаллизации Ts. Из рис. 2.6 видно, что по мере увеличения скорости охлаждения (Vx < V2 < V3) степень переохлаждения расплава возрастает и кристаллизация начинается при более низких температурах. Период кристаллизации при этом сокращается.
а
б
L

Рис. 2.5. Кристаллизация металлов: а — схема установки для регистрации процесса; б — кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L — жидкое состояние; а — твердое
состояние)

т, с
Основы теории кристаллизации были разработаны более 100 лет назад основоположником науки о металлах — металловедения — Д.К. Черновым, который установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц твердоговещества, называемых зародышами или центрами кристаллизации, и роста кристаллов из этих центров. При охлаждении металла ниже Т3 в различных участках жидкого металла образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. С понижением температуры расплава количество зародышей возрастает. В реальных условиях центры кристаллизации образуются на тугоплавких неметаллических включениях.

CP
ДТ3
х, с
Рис. 2.6. Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации: а — кривые охлаждения чистого металла; б — влияние степени переохлаждения AT на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (CP)
AT
Т
Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называются зернами. Размер зерен зависит от скорости зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скорости роста кристаллов (CP). На рис. 2.6, б показана зависимость этих параметров от степени переохлаждения расплава.
Полиморфизм металловСуществование разных типов кристаллических решеток у одного и того же вещества при различных температуре и давлении называется полиморфизмом или аллотропией, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую — полиморфным или аллотропическим превращением. Ряд элементов — Со, Ti, Мп, Sn, Са, Li, Fe и др. имеют два и более типа (модификации) кристаллических решеток, обозначаемых малыми буквами греческого алфавита (а, |3, у и т.д.), начиная с той формы, которая существует при наиболее низкой температуре.
Процесс перехода из одной формы в другую определяется термодинамическим состоянием системы и объясняется тем, что, начиная с определенной температуры (температуры перекристаллизации), новая модификация обладает меньшим запасом энергии, чем предыдущая, И является энергетически более устойчивой. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, называется температурой полиморфного превращения. Новые полиморфные формы образуются в результате зарождения центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

На рис. 2.7 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, характеризующие его полиморфные превращения. При температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С железо имеет объемноцен- трированную кубическую решетку и обозначается Fea. При температурах 911...1392 °С оно имеет гранецентрированную кубическую решетку и обозначается Fer Высокотемпературную модификацию Fea иногда обозначают Fe6.
При температуре 768 °С (точка Кюри) происходит изменение магнитных свойств железа: ниже 768 °С оно магнитно, выше — немагнитно (немагнитное a-железо иногда называют р-железом).Основные сведения о металлических сплавахВ машиностроении чистые металлы не находят широкого применения, так как в большинстве случаев они не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств. Чаще используют металлические сплавы — вещес!тва, состоящие из двух и более элементов. Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.
Компонентами могут быть химические элементы (металлы и неметаллы) или устойчивые химические соединения.
В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (рис. 2.8, а), в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом. При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, от характера которого зависит его строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую решетку, является растворителем, а другой (или другие) распределяется в кристаллической решетке растворителя, не изменяя ее типа.
Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла. В зависимости от характера распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения (рис. 2.8, б) и внедрения (рис. 2.8, в). Растворимость в твердом состоянии ^южет быть неограниченной и ограниченной. При неограниченной растворимости возможна любая концентрация (от 0 до 100 %) растворенного вещества (при концентрации более 50 % растворенное вещество становится растворителем).
Для образования твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью необходимо соблюдение следующих условий:
изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;
близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8...13 %;
близость физико-химических свойств компонентов.
Если два компонента сплава не отвечают перечисленным выше
условиям, то они могут растворяться друг в друге лишь ограниченно. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.
Химическим соединением (рис. 2.8, г) называют вещество, характерными особенностями которого являются:
102870197485
тГ
Рис. 2.8. Фазы в металлических сплавах: а — жидкий раствор L; б — твердый раствор а-замещения; в — твердый раствор а-внедрения; г — химическое соединение АпВт; д — механическая смесь А и В
47147! UvW
ш
постоянство состава, выраженное формулой, которая отвечает определенному соотношению количеств атомов компонентов А и В в нем;
наличие нового типа кристаллической решетки, отличающегося от типов решеток сплавляемых компонентов;
ярко выраженное существенное изменение всех свойств.
В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими различия в электронном строении атомов.
Механическая смесь (рис. 2.8, д) образуется, когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфазная структура сплава, представленная чередующимися зернами чистых компонентов А к В.
При изучении явлений, протекающих в металлах и сплавах в процессе их превращений, пользуются понятиями «система», «фаза», «компонент».
Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента (чистый металл), и сложной — из нескольких элементов (сплав).
2.6.
Фазой называется однородная по химическому составу и внутреннему строению часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, двухфазной — механическая смесь кристаллов двух металлов.
Диаграммы состояния двойных сплавовПроцесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним закономерности их строения отражаются на диаграммах состояния. Эти диаграммы представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов в условиях равновесия и строятся в координатах температура — состав сплава (рис. 2.9, а).
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут бытьвыражены в математической форме, называемой правилом фаз или законом Гиббса:
C = k-f + 2,
где С — число степеней свободы системы; k — число компонентов в системе; f — число фаз в системе.

Рис. 2.9. Диаграмма состояния I рода (а), кривые охлаждения сплавов I...V и схемы ИХ структур (б): АСВ — ликвидус; DCE — солидус
Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе. Если число степеней свободы равно единице, то можно изменить в некоторых пределах один из перечисленных факторов и это не вызовет уменьшение или увеличение числа фаз.
Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и уравнение правила фаз примет следующий вид:
C = k-f +1.
Для случая кристаллизации чистого металла, когда металл находится в жидком состоянии, / = 1 (одна фаза — жидкость), а число степеней свободы равно 1(1-1 1 = 1). В момент кристаллизации f — 2 (две фазы — твердая и жидкая), а С = k — f + 1 = = 1 — 2 + 1=0. Это означает, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не исчезнет.
Подобным образом можно рассчитать число степеней свободы и для случая кристаллизации сплавов.
Для построения диаграммы используют кривые охлаждения чистых компонентов, образующих систему (в общем случае А и В), и их сплавов различного состава, полученные методом термического анализа (рис. 2.9, б). По кривым охлаждения определяют температуры фазовых превращений — критические точки. На кривых охлаждения I и V чистых компонентов А и В имеется только по одной критической точке, так как кристаллизация чистых металлов протекает при постоянной температуре (см. 2.3).
Процесс кристаллизации сплавов II...IV протекает иначе: сначала в интервале температур между точками 1 и 2, а затем при постоянной температуре (точки 2 и 2'). Ниже этой температуры происходит охлаждение уже твердого вещества. Первая критическая точка (1), отвечающая началу кристаллизации, называется ликвидус, а вторая (2), отвечающая концу кристаллизации, — солидус.
Если полученные температуры нанести на вертикальные линии для чистых компонентов А и В и выбранных составов сплавов и соединить одной линией точки, отвечающие началу кристаллизации — ликвидус, а другой — точки, отвечающие концу кристаллизации — солидус, то получим диаграмму состояния, показанную на рис. 2.9, а. На этой диаграмме линия АСВ (ликвидус) — линия начала затвердевания сплавов. Выше температур этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия DCE (солидус) — линия конца затвердевания сплавов. При температурах ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом состоянии, а часть — в жидком.
Диаграммы состояния позволяют определить состав фаз и их количественное соотношение в условиях равновесия при определенной температуре; проследить превращения, протекающие при охлаждении и нагревании; определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава; выяснить, будет ли сплав однородным, каковы его жидкотекучесть, пористость, а также выбрать необходимые виды термической обработки сплава.
В процессе кристаллизации любого сплава состав и количество каждой фазы изменяются: количество жидкой фазы уменьшается, а твердой — увеличивается. Количество фаз и их состав в любой точке диаграммы можно определить с помощью следующего правила отрезков. Для определения концентрации компонентов в фазах через заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Точки пересечения указывают на фазы, находящиеся в равновесии, а проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы этих фаз. Массовые (объемные) доли твердой и жидкой фаз в сплаве обратно пропорциональны отрезкам линии между заданной точкой и точками, определяющими составы этих фаз.
В зависимости от характера образующихся в сплавах структурных составляющих (механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие типы диаграмм состояния:
с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии;
с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии;
с ограниченной растворимостью компонентов;
а компоненты образуют химическое соединение.
2.6.1. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых нерастворимы в твердом состоянии (I рода)Компоненты сплава А и В данной системы неограниченно растворимы в жидком состоянии (L) и нерастворимы в твердом, образуя механические смеси из чистых компонентов (пример такой диаграммы приведен на рис. 2.9, а). При охлаждении сплавов на ветви ликвидуса АС начинают выделяться кристаллы вещества А, а на ветви СВ — кристаллы В. На линии DCE из жидкости состава, соответствующего проекции точки С на ось концентрации, одновременно выделяются кристаллы А и В в виде механической смеси.
На рис. 2.9, б приведены кривые охлаждения трех сплавов. Для сплавов II, IV на участке 0-1 идет охлаждение жидкого сплава, на участке 1-2 в сплаве II из жидкости выделяются кристаллы компонента А, а в сплаве IV — кристаллы компонента В. На участке 2-2' у обоих сплавов совместно выделяются кристаллы А и Б, а на участке 2'-3 происходит охлаждение твердого вещества.
В сплаве III на участке 0-2 происходит охлаждение жидкого сплава, на участке 2-2' совместно выделяются кристаллы А и В, на участке 2'-3 происходит охлаждение твердой фазы.
Схемы структур сплавов в разные моменты кристаллизации показаны на том же рисунке. В сплаве II из жидкости выделяются кристаллы А, затем оставшаяся жидкость кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и Б. В левом нижнем кружке показана структура уже закристаллизовавшегося сплава, состоящего из первичных кристаллов А и механической смеси кристаллов А и В, которые кристаллизовались одновременно. В сплаве IV (правый нижний кружок) структура состоит из первичных кристаллов Б и механической смеси кристаллов А и В.
Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой. Температура, при которой образуется эвтектика, называется эвтектической температурой, а состав сплава, при котором образуется эвтектика, называется эвтектическим (сплав концентрации точки С). Линия ВСЕ — линия образования эвтектики. Все сплавы данной системы окончательно затвердевают при эвтектической температуре. Сплавы, лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, а правее — заэвтектическими.
Диаграммы такого типа имеют системы Pb-Sb, Sn-Zn.
2.6.2. Диаграмма состояния для сплавов, компонентыкоторых неограниченно растворимы в твердомсостоянии (II рола)Оба компонента сплава (А и В) неограниченно растворимы в жидком (L) и твердом состоянии и не образуют химических соединений. Диаграмма имеет простой вид и показана на рис. 2.10, а, где линия АтВ — ликвидус, АпВ — солидус.
Структура всех этих сплавов однофазная и состоит из зерен, которые представляют собой твердый раствор одного компонента в другом (рис. 2.10, б). Из кривых охлаждения сплавов видно,

Рис. 2.10. Диаграмма состояния II рода (а), кривые охлаждения сплавов I, II, III и схемы их структур (б)
что до точки 1 происходит охлаждение жидкого сплава, на участке 1-2 — кристаллизация твердого раствора, а ниже точки 2 — охлаждение уже твердого вещества.
Рассмотрим процесс затвердевания одного из сплавов этой системы. Кристаллизация сплава I начинается при температуре t^ Из жидкой фазы состава т выделяются кристаллы твердого раствора состава п, обогащенные компонентом В.
При дальнейшем охлаждении до температуры t2 в равновесии с жидкостью состава q находятся кристаллы твердого а-раствора состава р. При кристаллизации сплава I состав жидкости непрерывно меняется по линии ms, а твердого раствора — по линии л2,. В результате медленного охлаждения в равновесных условиях успевает произойти диффузионное перераспределение компонентов между жидкой и твердой фазами. Поэтому к моменту окончания процесса кристаллизации при температуре t3 все зерна твердого раствора будут иметь одинаковый состав.
Определим состав и количество фаз в точке К. В соответствии с правилом отрезков в точке К в равновесии находятся жидкая фаза (точка q) и твердая фаза (точка р). Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Количество жидкой фазы определяется соотношением Кр :qp, а количество твердой фазы — соотношением qK:qp. Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидуса q на ось концентрации (точка q'). Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидуса р на ось концентрации (точка р').
В реальных условиях охлаждения состав кристаллов получается неоднородным. Это происходит потому, что скорость кристаллизации больше скорости диффузии и у кристаллов, образующихся при температуре выше t4, не успевает произойти диффузионное перераспределение компонентов. Внутренние участки кристалла обогащаются тугоплавким компонентом В, а наружные — компонентом А. Такая неоднородность химического состава называется внутрикристаллической или дендритной ликвацией. Ликвация чаще всего играет отрицательную роль, так как ухудшает технологические и механические свойства сплавов.
Диаграммы такого типа имеют системы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-V, Mo-W и др.
2.6.3. Диаграмма состояния для сплавов, компонентыкоторых ограниченно растворимы в твердом состоянии(111 рода)Общий вид такой диаграммы состояния показан на рис. 2.11, а, где линия АСВ — ликвидус, ADCEB — солидус. Оба компонента А и В сплава неограниченно растворимы в жидком (L) состоянии, ограниченно — в твердом и не образуют химических соединений.
Характерной особенностью данной диаграммы является то, что здесь не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы а или р. Сплавы, составы которых расположены в области аир, кристаллизуются аналогично сплавам предыдущей диаграммы состояния (см. рис. 2.10). В этих областях образуются однородные твердые а-раствор (с кристаллической решеткой компонента А) и (3-раствор (с кристаллической решеткой компонента В). Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а А в В — линией ЕК.
а
б

и °с
/
С=1
О ха20 40 60 80 100 Б, %
1, с
100 80 60 40 20 0 А, %
Рис. 2.11. Диаграмма состояния III рода (а), кривые охлаждения сплавов I, II, III и схемы их структур (б)
t,° С
Рассмотрим превращения, происходящие в сплаве I (рис. 2.11, б). После полного затвердевания в точке 2, кристаллы имеют состав xt и сохраняют его до точки 31. При дальнейшем охлаждении концентрация компонента В в твердом а-растворе уменьшается до значения, соответствующего точке F. Определим фазовый состав данного сплава при температуре tl7 используя правило отрезков. Через точку т проведем горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы DF и ЕК. Проекции точек пересечения а и b на ось концентрации укажут состав фаз. Твердый а-раствор имеет состав, соответствующий ха, а твердый p-раствор — состав, соответствующий К. По мере уменьшения концентрации в твердом а-растворе часть компонента В выделяется из раствора и образует отдельные кристаллы компонента р, называемые вторичными (Рп), которые обычно располагаются по границам зерен. Конечная структура данного сплава будет состоять из двух фаз
(а + рп).
В сплавах II и III при температуре точек 2 в равновесии находится жидкая фаза состава точки С и твердая фаза состава точки D для сплава II и точки Е для сплава III. При температуре точки 2 из оставшейся жидкости состава точки С одновременно выделяются зерна а-твердого раствора (точка D) и р-твердого раствора (точка Е), образуя эвтектику (а + Р). Структура сплавов, лежащих левее точки С, состоит из а-кристаллов, эвтектики (а + Р) и кристаллов рш а структура сплавов правее точки
С — из p-кристаллов и эвтектики (а + Р). Фазовые состояния сплавов и их структуры в различных областях диаграммы указаны на рис. 2.11, а.
Диаграмму такого типа имеет система Pb-Sn.
2.6.4. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (IV рода)
Оба компонента сплава неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии образуют устойчивое химическое соединение. Общий вид данной диаграммы состояния показан на рис. 2.12, а. Химическое соединение АпВп характеризуется определенным соотношением компонентов, которое отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей через точку оси абсцисс, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Это означает, что в данном соединении на п атомов компонента А приходится т атомов компонента В.
Легко заметить, что диаграмма как бы составлена из двух диаграмм I рода. Левая часть образована компонентом А и химическим соединением АпВт< а правая — компонентом .В и соеди-

100 80 60 40 20. 0 А, %
Рис. 2.12. Диаграмма состояния IV рода (а) и кривые охлаждения сплавов I, II и схемы их структур (б)
нением АпВт. Точка С на диаграмме соответствует концентрации компонентов в химическом соединении. В сплавах, лежащих левее точки С, компонента А больше, чем в химическом соединении АпВт, и структура этих сплавов состоит из смеси А и АпВт. Структура сплавов, лежащих правее точки С, состоит из смеси В и АпВп. Кристаллизация таких сплавов не отличается от кристаллизации сплавов, описанных ранее для механических смесей. Характерной особенностью этой диаграммы является то, что в ее левой части образуется эвтектика, состоящая из кристаллов А и химического соединения АпВт (точка £,), в правой части — эвтектика из кристаллов В и химического соединения АпВт (точка Е2).
2.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состоянияСвойства сплавов зависят от их строения, которое определяется характером взаимодействия компонентов. Диаграммы состояния характеризуют взаимодействие компонентов и показывают, какие фазы и структуры образуются в зависимости от состава сплава и температуры. Отсюда вытекает, что должна существовать определенная связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплава. Такая связь была установлена академиком Н.С. Курнаковым.
При образовании механической смеси свойства изменяются прямолинейно и их значения находятся в интервале между свойствами чистых компонентов (рис. 2.13, а).
При образовании твердых растворов свойства изменяются по плавным кривым (рис. 2.13, б).
При образовании ограниченных твердых растворов характер изменения свойств становится более сложным. В области однофазных твердых растворов а и Р они изменяются по плавным кривым, в двухфазных — по прямолинейному закону (рис. 2.13, в).
При образовании химического соединения свойства изменяются резко — скачком. Максимум или минимум на кривой изменения свойств соответствует точке химического соединения. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой (рис. 2.13, г).
По диаграммам состояния можно также определить технологические свойства сплавов. Чем больше расстояние между линиями

А
Свойства (о„, НВ) в
в
566420405130
в

Рис. 2.13. Связь между диаграммами состояния и механическими свойствами сплавов

ликвидуса и солидуса, тем больше интервал кристаллизации и тем больше склонность сплавов к ликвации и образованию усадочной пористости. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Эти же сплавы лучше обрабатываются резанием. Однофазные сплавы — твердые растворы — лучше деформируются в холодном и горячем состоянии.
Из сказанного можно сделать вывод, что диаграммы состояния позволяют теоретически прогнозировать свойства сплавов, создавать промышленные сплавы с заданными свойствами и выбирать оптимальные виды обработки для получения заданной структуры и свойств.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВСтруктурные составляющие сплавов железа с углеродомВ технике наиболее широко применяют сплавы железа с углеродом — стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния железо — углерод имеет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабилъная, характеризующая превращения в системе железо — цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превращения в системе железо — графит.
Основные структурные составляющие сплавов Fe-C приведены на рис. 3.1.

Аустенит (А) С < 2,14 % Цементит (Ц) С = 6,67 % Феррит (Ф) С < 0,02 %

НШ
,200 НВ; 5 = 30%, ЩЖ?. 80 НВ; 5 = 50%
*Ч(С)800 НВ; 5 < 1 %,Fe~
-V
14262103733800


969010128270
700 НВ; 6 = 2%

250 НВ; 5 = 20%
Ледебурит (Л) С = 4,3 % -»Перлит (П) С = 0,8 %
ЦРис. 3.1. Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии
Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух аллотропических формах: Fea и Fer
Твердый раствор внедрения углерода в Fea называется ферритом (Ф). Растворимость углерода в Fea невелика и составляет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (ав = 250 МПа), но высокую пластичность (5= 50 %).
Твердый раствор внедрения углерода в Fey называется аусте- нитом (А). Растворимость углерода в Fey значительно больше, чем в Fea, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160...220 НВ.
Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластичность (8-1 %). Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.
Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продуктом распада аустенита при 727 °С (200...250 НВ; 5 = 10...20 %; ов = 600...650 МПа):
As ФР + Ц.
Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называется ледебуритом (JI). Ледебурит образуется при кристаллизации расплава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.
Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена на рис. 3.2. Линия ACD — ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF — солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область существования феррита ограничена площадью 0QPG, аустенита — GSEA. На линии DFKL образуется цементит, на ECF -- ледебурит, на PSK — перлит.
Диаграмма состояния Fe—Fe3C очень сложная. Поэтому для подробного ознакомления с ней и превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на характерные участки, исходя из процентного содержания углерода:
1600 1539 1500
952503175
1100
Аустенит + + феррит 1000
Феррит
! Цементит 4- ледебурит i\
Феррит + + перлит
1250 °С
40
Рис. 3.2. Диаграмма состояния Fe—Fe3C
8140702411095
Перлит Перлит
1 (вторичный)
Перлит + цементит + 4- ледебурв
2 2,14
С, % ° (по массе) Fe3C, % (по массе)
10
20
30
50
60
70
80
90
0...0.8 % — сплав I; 0,8...2,14 % — сплав II; 2,14...4,3 % — сплав III; 4,3... 6,67 % — сплав IV.
Сплавы железа с углеродом, содержащие 0...0,02 % углерода, называются техническим железом, 0,02...2,14 % — сталями, 2,14...6,67 % углерода — чугунами.
Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C с концентрацией углерода 0...2,14 %
Данный участок диаграммы представлен на рис. 3.3, а, а кривые охлаждения сплавов I и II — на рис. 3.3, б. Сплав I выше точки 1г находится в жидком состоянии. В точке из жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться в этом, проведем горизонтальную линию через точку а, лежащую ниже точки li, до пересечения с линиями АЕ и АС' и обозначим соответственно точки а1 и а2. В точке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пересекается с линией АС' в точке а2) и кристаллы аустенита (с линией АЕ в точке а1).
При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет изменяться по линии аг-С', а состав аустенита — по линии а1-2,. В точке 21 процесс кристаллизации аустенита заканчивается. От точки 2j до точки 3, не происходит никаких превращений, идет процесс охлаждения аустенита. В точке 3[ и ниже начинает протекать полиморфное превращение. Происходит перестройка кристаллической решетки железа: Fe.f —> Fea. В результате из аустенита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3j горизонтальная линия.
По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита — по линии GP. К моменту достижения температуры 727 °С аустенит содержит 0,8 % углерода (точка S) и начинает распадаться на механическую смесь, называемую перлитом (рис. 3.3, в). Такое превращение называется эвтек- тоидным, а линия PSK — линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоид- ных сплавов, за точкой S — заэвтектоидных. Состав эвтекто-

1147
727
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,14 С, %
t,° С

т, с
вFea Fe3C

Рис. 3.3. Часть диаграммы состоянии Fe—Fe3C для сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)
идного сплава соответствует проекции точки S на ось концентрации. Ниже точки 4, в равновесии находятся феррит, перешедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде аустенита.
В сплаве II (см. рис. 3.3, а) от точки jfn до точки Зп протекают превращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки J, до точки Зг. Ниже точки 3„ из перенасыщенного углеродом аустенита выделяется цементит, получивший название вторичного (Цп), так как он образуется из твердой фазы. Состав аустенита изменяется по мере снижения температуры по линии 3nS, являющейся частью линии ES, которая отражает растворимость углерода в аустените. С понижением температуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения температуры 727 °С содер-
жание углерода в аустейите составляет 0,8 % и он распадается на механическую смесь — перлит. Ниже точки Зп в равновесии находится смесь А + Цц, а ниже точки 4и — П + Цп, причем перлит образовался в результате распада аустенита в точке 4и.
Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C КШ1 с концентрацией углерода 2,14...6,67 %В сплаве III (рис. 3.4, а, б) между точками 1т и 2Ш из расплава выделяются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 °С при содержании углерода 4,3 % (точка С) жидкость
III (3,2 % С) . IV (5,6 % С)

Рис. 3.4. Часть диаграммы состояния Fe-Fe3C для белых чугунов (а), структурообразование типовых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и структурообразование сплава с содержанием углерода 4,3 % при температуре точки 2 (в)
распадается на механическую смесь аустенита и цементита — аустенитный ледебурит (рис. 3.4, в).
Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2Ш-2'Ш на кривой охлаждения сплава III), называется эвтектическим, линия ECF — линией эвтектического превращения, а сама механическая смесь — эвтектической. Сплавы, лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.
Между точками 2щ и Зш из аустенита выделяется вторичный цементит (линия ES, рис. 3.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + JI + Ц„ = А + (А + Ц) + Ц„. При температуре 727 °С (участок Зш-З(и охлаждения сплава III) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки Зш в равновесии находятся фазы П + JI + Ц„. При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).
В сплаве IV ниже точки 1IV из жидкости выделяются кристаллы цементита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ниже точки 1IV. Состав жидкой фазы изменяется по линии DC. При достижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распадается на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке 21V-2{V (кривая охлаждения сплава IV). Дальнейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III.
Сплавы железа с углеродом после окончания всех превращений при температурах ниже 727 °С имеют различную структуру. Их условное изображение и микроструктуры показаны на рис. 3.5 и 3.6.
Количество углерода в составе сплава, а следовательно, и марку стали можно приблизительно определить по микроструктуре сплава. Для этого по шлифу стали определяют площадь, занятую перлитом, и умножают на содержание углерода в нем. Количество углерода в перлите составляет 0,8 %. Ввиду малой растворимости углерода в феррите содержание в нем углерода принимается равным нулю.
Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растёт количество цементита. Железоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные(0,02...0,8 % С, структура — Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура — перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (8...2,14 % С, структура — П + Цп). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14...4,3 % С, структура — П + Цп + JI); эвтектические (4,3 % С, структура — JI) и заэвтектические (4,3...6,67 % С, структура —
ц, + Л).

Образование стабильной фазы (графита) в чугуне будет подробно рассмотрено в разделе III.


т
П + Л(П + Ц)Ц,+ Л(П + Ц)
Рис. 3.5. Графическое изображение структур углеродистых сплавов

- Г 5-
л
/Л V ■ 'Ж;,
Щ J
ф
V*.
4937760621665
* *.
43707051256030
л

37369752188210
Puc. 3.6. Микроструктуры сталей и чугунов (окончание см. на с. 78): а — аустенит; б — феррит; в — сталь Зпс (Ф + П); г — сталь 35 (Ф + П); д — сталь 45 (Ф + П);
е — перлит пластинчатый

Рис. 3.6. Окончание (начало см. на с. 77): ж — перлит зернистый + перлит пластинчатый + сетка цементита (У 12); з —
зо
>
п> >
ф

ш
>
со ф
>
Л>
X
<Т>
и — эвтектический чугун (J1); к
доэвтектический чугун (П + JI); заэвтектический чугун (Ц + JI)
Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграмма состояния железо — цементит позволяет проследить за превращениями, происходящими при его нагреве и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяснить температурные интервалы фазовых превращений, а также установить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.
В соответствии с этой диаграммой назначают режимы термической обработки сталей и горячей обработки металлов давлением. Из нее также получают другие необходимые для производства сведения.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Основы термической обработки сталиТермическая обработка заключается в следующих операциях: нагрев изделий и заготовок до определенной температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали. Основные видь! термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.
Термическая обработка влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики многих машиностроительных материалов.
Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки определяется диаграммами фазового равновесия сплавов. Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы Fe—F3C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 4.1).
На этом рисунке показаны температурные области нагрева заготовок при различных видах термической обработки сталей.
Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диаграммы состояния Fe-Fe3C. Нижняя критическая точка, соответствующая превращению аустенита в перлит при температуре PSK, обозначается Аг. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения феррита из аустенита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А3. Температура линии выделения вторичного цементита (SE) обозначается АСТ.
Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении, рядом с буквой А в первом случае ставят букву «с», во втором — «г».
4.1.При термической обработке стали происходят четыре основных превращения:
1) перлита в аустенит выше точки А5:
Fea + Fe3C Fe^C), или П А;

Рис. 4.1. Фрагмент диаграммы Fe-Fe3C и температурные области нагрева при термической обработке сталей
аустенита в перлит ниже точки А
Fe/C) Fea+ Fe3C, или А —> П;
аустенита в мартенсит при температурах ниже температуры метастабильного равновесия этих фаз:
Fe^C) Fea(C), или А М;
мартенсита в перлит:
Fea(C) Fea + Fe3C, или М П.
4.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зернааустенита при нагревеПри нагреве сталей выше Асг происходит превращение перлита в аустенит. Как правило, кристаллы аустенита (рис. 4.2, б) зарождаются на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом; в аустените растворяется углерод распадающегося цементита.
Превращение перлита в аустенит состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного (а —> у)-перехода и растворения в Fey углерода из распадающихся кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому после завершения превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется время (выдержка). Для определения длительности превращения используют диаграмму изотермического превращения перлита в аустенит (рис. 4.2, а), из которой видно, что чем меньше температура, тем больше времени необходимо для завершения процесса. Лучи на диаграмме соответствуют нагреву с различными скоростями (V, < у% < Va).
В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до-
а
■Нача ло пр еврап (сния /3 Коне 3 пре зраще ния \а2. L h А,
\ ч X 780 760 740 720

Рис. 4.2. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (а) и схема зарождения и роста кристаллов аустенита (б)
t, ° С 800и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются соответственно феррит и цементит. В до- эвтектоидных сталях при нагреве от Ac t до Ас3 происходит превращение феррита в аустенит, а в заэвтектоидных при нагреве от Ac j до AcCT — растворение вторичного цементита в аустените.
При нагреве выше критической точки Асх из перлита, независимо от размеров его зерен, образуются мелкие зерна аустенита, которые называют начальными зернами (рис. 4.3). Повышение температуры стали приводит к росту зерна аустенита, так как происходит процесс собирательной рекристаллизации. Скорость роста аустенитных зерен при нагреве выше температур Ас3 и Асст неодинакова у разных сталей и зависит от способа их раскисления и наличия легирующих элементов. С учетом скорости роста аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозер-

Рис. 4.3. Схема наследственной зернистости и влияние температуры нагрева на величину зерна аустенита: а — начальное зерно аустенита; б — наследственно крупнозернистая сталь; в — наследственно мелкозернистая сталь
Размер зерна
Охлаждение
Перлит | J, Аустенит
А, 800 1000 1200 Температура, °С
нистые и наследственно мелкозернистые. К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскисленные ферросилицием и ферромарганцем. В таких сталях по мере нагрева выше температур Ас3 и Ас„ зерна аустенита быстро укрупняются.
К наследственно мелкозернистым относятся стали, дополнительно раскисленные алюминием, а также легированные титаном, вольфрамом и ванадием. В этих сталях при нагреве до 1000-1100 °С зерна аустенита растут с малой скоростью. Такое поведение сталей объясняется тем, что присутствующие в них оксиды и нитриды алюминия, титана, ванадия, а также карбиды титана и ванадия располагаются по границам зерен в виде мелких включений и механически препятствуют их росту при нагреве. При температурах выше 1000-1100 °С происходит растворение этих включений в аустените, в результате чего устраняется препятствие для роста зерен.
От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве до определенной температуры и получившего название действительного, зависит степень дисперсности продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада при охлаждении получаются мелкими. Действительное аусте- нитное зерно определяют с помощью специальных металлографических микроскопов, сравнивая его с эталоном по балльной шкале (ГОСТ 5639-82). Стали с зерном 1...5 баллов считаются крупнозернистыми, а 6. ..15 — мелкозернистыми. Размер действительного зерна оказывает влияние на прочностные, технологические и эксплуатационные свойства стали.4.1.2. Превращения аустенита при охлаждении
Если сталь со структурой аустенита охладить до температуры ниже Аг1У то аустенит претерпит превращение. Скорость превращения и строение продуктов распада аустенита зависят от степени переохлаждения, т.е. от температуры, при которой оно происходит.
Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита (рис. 4.4).
Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур выше Ас3 с целью получения стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают до
Количество распавшегося аустенита, %

Мк Конец превращения А-*-М
Т =550...580°С х, ср
Троостит
Рис. 4.4. Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного
2715260134620
Аустенит
Тпр< 250 °С
Мартенсит
Б«-А
Тпр= 250...500 °С Бейнит
Тпр= 590...640 °С
Сорбит

аустенита в эвтектоидной стали: а — кинетические кривые; б — диаграмма изотермического превращения аустенита; в — графическое изображение структур
температур ниже Агх (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т.д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита.
Превращения аустенита при постоянных температурах ниже Агг описываются кинетическими кривыми (рис. 4.4, а), показывающими количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала его распада. Как видно из рисунка, после охлаждения стали до температур ниже критической точки А! должен пройти инкубационный период 0-Н, в течение которого сохраняется метастабильный аустенит. По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. Распад аустенита заканчивается в момент, определяемый точкой К. Скорость распада в процессе выдержки при фиксированной температуре сначала быстро растет, а затем, после распада около 50 % аустенита, постепенно замедляется.
Кинетические кривые распада аустенита для различных температур дают возможность построить диаграмму изотермического превращения аустенита (см. рис. 4.4, б). Для ее построения отрезки времени, соответствующие началу (Н1г Н2, Н3) и концу (К 1, К2, К3) распада аустенита для каждой температуры, переносят на график температура — время и одноименные точки соединяют кривыми. Эти кривые по форме напоминают букву С, поэтому их называют С-образными кривыми. Левая кривая характеризует начало распада аустенита, правая — время полного распада. Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. Это область метастабильного аустенита. Устойчивость переохлажденного аустенита и скорость его превращения зависят от степени его переохлаждения. Как видно из диаграммы, аустенит обладает наибольшей устойчивостью при температурах немного ниже критической точки Aj и немного выше критической точки начала мартенситного превращения Мн. При этих температурах левая кривая наиболее удалена от вертикальной оси. Наименее устойчив аустенит при температуре t2 = 550 °С — левая кривая наиболее близко расположена к вертикальной оси. Время устойчивости аустенита при данной температуре — 1,0...1,5 с.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную область, которой соответствует температурный интервал от 727 до 550 °С; область промежуточного превращения — от 550 °С до температуры начала мартенситного превращения (Мн) и мар- тенситную область — ниже температуры Мн.
Перлитное превращение переохлажденного аустенита происходит в области температур, где скорости диффузии достаточно высокие и процесс образования перлита определяется скоростями зарождения центров кристаллизации и их роста. Оба фактора зависят от степени переохлаждения. Образование зародышей цементита происходит на границе зерен аустенита. При этом аустенит, прилегающий к зародышам цементита, обедняется углеродом, что приводит к образованию зародышей феррита. От одного центра идет рост чередующихся пластинок цементита и феррита до их столкновения с кристаллами составляющих перлита, растущими из других центров. Степень дисперсности перлитной структуры зависит от температуры превращения: чем больше переохлаждение, тем тоньше пластины. Эта закономерность и графическое изображение структур показаны на рис. 4.4, в, а микроструктуры сплавов — на рис. 4.5.
На рис. 4.5, а отчетливо видна структура перлита, состоящая из чередующихся участков цементита (черные) и феррита (светлые), которые параллельны и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Структура троостита закалки (рис. 4.5, б) включает феррит и цементит, но в отличие от перлита плотность цементитных пластинок очень велика, а расстояние между ними очень мало. На рис. 4.5, в области верхнего бейнита окружены участками доэвтектоидного феррита (белый) и мартенсита; нижний бейнит (рис. 4.5, г) состоит из бейнитных игл и мартенсита (белый непротравленный фон).
Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластинчатым расстоянием Д0, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита. В зависимости от дисперсности продукты распада аустенита имеют различное название: перлит, сорбит и троостит. Основные характеристики этих структур приведены в табл. 4.1.
Перлит, сорбит и троостит являются ферритоцементитными смесями, имеющими пластинчатое строение, и различаются лишь степенью дисперсности. Однако такое деление перлитных структур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения.

Рис. 4.5. Микроструктуры семейства перлитов и бейнитов: а — пластинчатый перлит; б — троостит закалки; в — верхний бейнит;
г — нижний бейнит
Таблица 4.1
Характеристики продуктов распада аустенита
Характеристика Структура
Перлит Сорбит Троостит
Д0, мкм 0,6...1,0 0,25...0,30 ОД...0,15
НВ, МПа 1800...2500 2500. ..3500 3500...4500
Температура превращения, °С 727...650 640...590 580...550
В доэвтектоидных сталях при температуре ниже Аг3 превращение аустенита начинается с выделения феррита, а в заэвтекто- идных — вторичного цементита. Начало выделения избыточного феррита (вторичного цементита) на диаграмме характеризуется добавочной штриховой линией.4.1.3. Мартенситное превращение
Мартенситное превращение (рис. 4.6) — это превращение переохлажденного аустенита, происходящее при его охлаждении в интервале температур от Мв до Мк, где Мн — температура начала; Мк — температура конца мартенситного превращения.
При этих температурах диффузионные процессы становятся невозможными и перестройка решетки Fey (ГЦК) в решетку Fea (ОЦК) происходит по сдвиговому механизму без выхода атомов углерода из решетки. При этом атомы смещаются на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя первоначальное соседство. Образуется перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе, называемый мартенситом. Растворимость углерода в мартенсите может достигать 2,14 %, в то время как в a-железе при 727 °С в равновесном состоянии растворяется не более 0,02 % углерода. Главные особенности мартенсита — высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита тем выше, чем больше содержание в нем углерода.
Атомы углерода, внедряясь в решетку a-железа, сильно ее искажают. Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 4.6, а), в ней параметр с больше а, следовательно, отношение с/а > 1. При увеличении содержания углерода степень тетрагональности решетки мартенсита увеличивается.
Как уже отмечалось, мартенситное превращение начинается при температуре Мн и продолжается в некотором интервале температур при непрерывном охлаждении. Если охлаждение прекращается, прекращается и превращение. Этим оно отличается от перлитного, идущего при постоянной температуре. Чтобы мартенситное превращение завершилось полностью, необходимо непрерывно охлаждать сталь до температуры Мк. Положение точек М„ и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита (рис. 4.6, б).

Мартенсит \ ^У^

727
\Л W
с/а> 1 FOXJI^150...200°/c

Тпр < 200 °С

Рис. 4.6.. Мартенситное превращение: а — механизм превращения и строение кристаллической решетки; б — влияние содержания углерода на положение мартенситных точек; в — микроструктура крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита
в стали
Чем больше в стали углерода, тем ниже температура начала и конца мартенситного превращения. При содержании в сталях более 0,6 % углерода превращение завершается при температурах ниже нуля. Если такие стали охлаждать до 0 °С, то это приводит к сохранению некоторого количества непревращенного (остаточного) аустенита (Аост). Увеличение содержания углерода в стали ведет к росту Аост — в структуре высокоуглеродистых сталей после их закалки в воде сохраняется значительное количество остаточного аустенита, что уменьшает твердость стали.
По морфологии мартенсит разделяют на пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит состоит из широких и тонких пластин, которые на шлифе имеют вид игл, расположенных параллельно друг другу или под углом (рис. 4.6, в). Он характерен для высокоуглеродистых сталей. Чем мельче зерна исходного аустенита, тем мельче пластины мартенсита, образующиеся из него. Реечный мартенсит наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы такого мартенсита имеют вид тонких реек, собранных в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов.
Превращение аустенита в мартенсит связано с изменением объема. Все структуры стали можно расположить в ряд по мере увеличения объема: аустенит —> перлит —> сорбит —» троостит —> мартенсит.
Промежуточное превращение переохлажденного аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартен- ситным превращениями с образованием структуры, называемой бейнитом (см. рис. 4.5, в, г). Бейнит состоит из перенасыщенного твердого раствора С в Fea и цементита. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется в интервале температур 550...350 °Си имеет строение, напоминающее строение перлита. Нижний бейнит образуется обычно в интервале температур от 350 °С до точки Мн и имеет игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.
Бейнитное превращение начинается с диффузионного перераспределения углерода в аустените. При этом в обедненных углеродом зернах аустенита инициируется мартенситное бездиффузионное превращение, так как для этих зон повышается температура начала мартенситного превращения (Ми). В объемах аустенита, обогащенного углеродом, выделяются частицы карбидов (цементита), соседствующие с зонами зерен, в которых происходит мартенситное превращение. Мартенситные кристаллы перенасыщены углеродом, что в сочетании с высокой температурой и благоприятными условиями для протекания диффузионных процессов создает условия для распада мартенсита и образования карбидов.
В верхнем бейните диффузия идет быстрее и цементит в основном выделяется из аустенита, в нижнем бейните — из мартенсита. Верхний бейнит имеет твердость и прочность примерно такие же, как у троостита, но более низкую пластичность. Снижение, пластичности связано с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен. Нижний бейнит имеет высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.4.1.4. Превращения мартенсита при нагреве
Мартенсит и остаточный аустенит являются неравновесными фазами, которые при нагреве могут переходить в более устойчивое состояние и распадаться с образованием структур, состоящих из феррита и цементита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, скорость которого зависит от температуры нагрева. При нагреве мартенсит начинает распадаться в первую очередь.
Как было отмечено выше, структурные превращения сопровождаются изменением удельного объема стали. В частности, при распаде мартенсита происходит уменьшение объема, а при распаде аустенита— увеличение. Поэтому для изучения структурных превращений при нагреве закаленной стали пользуются дилатометрическим анализом, суть которого заключается в точной фиксации изменений длины закаленных образцов. В соответствии с характером изменения длины закаленных образцов в углеродистой стали различают четыре стадии превращения при нагреве.
На первой стадии превращения в интервале температур 80...200 °С из мартенсита выделяется углерод в виде е-карбида, стехиометрический состав которого приближенно соответствует Fe2C. Выделение углерода из мартенсита снижает степень тетра- гональности кристаллической решетки, в результате чего длина образца уменьшается. Дисперсные кристаллы е-карбида когерентно связаны с кристаллической решеткой исходной мартенситной фазы, которая поэтому сохраняет высокую твердость.
Вторая стадия превращения связана с протеканием одновременно нескольких процессов. Распад остаточного аустенита, продуктом которого являются мартенсит и дисперсные карбиды, происходит в температурном интервале 200...300 °С. Одновременно продолжается выделение углерода из мартенсита, что сопровождается дальнейшим уменьшением степени тетрагонально- сти его решетки, которая к завершению второй стадии становится почти кубической (содержание углерода равно 0,1 %). Такой мартенсит называется отпущенным (рис. 4.7). Показанная на рисунке структура получена в результате следующей термообработки: 790 °С в течение 20 мин, охлаждение в воде; 200 °С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе. Около 250 °С начинается карбидное превращение, при котором ранее выделившийся е-кар- бид превращается в цементит. Это превращение приводит к нарушению когерентности решеток твердого раствора и карбида железа. В результате превалирования процесса распада аустенита на второй стадии происходит увеличение длины закаленного образца.

Рис. 4.7. Отпущенный мартенсит (при травлении окрашивается в темный цвет, многочисленнее выделения карбидов светлые)
На третьей стадии в интервале температур 300...400 °С выделение углерода из мартенсита завершается полностью, что приводит к формированию ферритоцементитной смеси, идентифицируемой как троостит.
На четвертой стадии при дальнейшем повышении температуры до 600 °С происходит рост кристаллов цементита за счет их коагуляции и образование более грубой ферритоцементитной смеси — сорбита.Основные виды термической обработки сталиТермическая обработка позволяет значительно изменить многие свойства металлов, особенно механические.
В машиностроении термической обработке подвергается более половины объема выпускаемой номенклатуры деталей — от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического и энергетического оборудования.
Основными факторами воздействия при термической обработке являются температура и время. Изменяя температуру и скорость нагрева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требований, предъявляемых к изделиям. Выбор вида термической обработки определяется характером требуемых структурных изменений в металле.4.2.1. Отжиг сталейОтжиг является весьма распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения отжига режимы его могут быть различными. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температур критических точек, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В результате получается стабильная структура. Отжиг применяют для устранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в материале после прокатки, ковки и других видов обработки, а также для подготовки детали к последующей технологической операции (резанию, закалке и т.д.). Температурные области нагрева для диффузионного, рекристаллизационного отжига и отжига для снятия остаточных напряжений в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C указаны на рис. 4.1.
Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках. Его также назначают для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприятного распределения избыточных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 °С, длительную выдержку (в течение 8...20 ч) и медленное охлаждение. Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост зерна стали. Для устранения этого недостатка требуется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до температур, превышающих порог рекристаллизации (650...760 °С), выдержку в течение 0,5... 1,5 ч и последующее медленное охлаждение. В процессе такого отжига вытянутые в результате деформации зерна феррита становятся равноосными, а также происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате чего повышается пластичность сталей.
Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации и могут вызывать изменение размеров, коробление изделий в процессе обработки, эксплуатации или хранения. Схема технологического процесса включает нагрев до 160...700 °С, выдержку в течение 2...3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обработки: после резания — при 570...600 °С, сварки — при 650...700, шлифования — при 160... 180 °С.
Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас3 или Ас1 и подразделяют на полный, неполный и изотермический.
Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений. Схема технологического процесса включает нагрев стальных деталей на 30...50 °С выше точки Ас3, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение вместе с печью (рис. 4.8, а). При этом образуется мелкозернистый аустенит, обусловливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пластичность стали.
Разновидностью полного отжига является нормализационный {нормализация). Отжиг в этих случаях обязательно сопровождается ос у-фазовыми превращениями.
Нормализационный отжиг применяется для получения мелкозернистой однородной структуры, устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше Ае3 для доэвтектоидных

1 Ф + П |—*4АМ Ф + II

Рис. 4.8. Режим отжига стали: а — полный; б — нормализационный
или выше Асст для заэвтектоидных сталей, выдержку в течение 0,5...3,0 ч с последующим охлаждением на воздухе (рис. 4.8, б). Нормализация — более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как ускоренное охлаждение на воздухе приводит к сокращению времени, затрачиваемого на охлаждение деталей. Кроме того, нормализация приводит к получению сталей более высокой прочности, так как распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритоцементитной смеси. Эту особенность охлаждения на воздухе используют для среднеуглеродистых сталей, чтобы заменить улучшение (для изделий неответственного назначения). Нормализацию с последующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что обеспечивает повышение производительности.
Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше точки Ас1У выдержку и последующее медленное охлаждение. Следует отметить, что в доэвтектоидных сталях при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация, так как перлит превращается в аустенит полностью, а избыточный феррит — лишь частично. Поэтому доэвтектоид- ные стали подвергают неполному отжигу тогда, когда необходима перекристаллизация только перлитной составляющей структуры стали.
Заэвтектоидная сталь подвергается только неполному отжигу, так как при этих температурах происходит практически полная перекристаллизация перлита, который приобретает зернистое строение вместо пластинчатого. Зернистое строение обеспечивается тем, что при небольшом превышении температуры нагрева над Aci аустенит сохраняет неоднородность и частицы не полностью растворившегося цементита служат зародышами при последующей кристаллизации перлита из аустенита в процессе охлаждения стали.
Для получения структуры зернистого перлита (рис. 4.9) температуру нагрева выбирают в диапазоне 750...760 °С для эвтекто- идных сталей и 770...790 °С для заэвтектоидных. Охлаждение выполняют с малой скоростью до температуры образования карбидов, выдерживают при этой температуре 1...3 ч, а затем быстро

Рис. 4.9. Перлит зернистый (структура состоит из ферритной матрицы, в которой вместо цементитных пластинок появились сфероиды различного размера)
охлаждают на воздухе. Стали со структурой зернистого перлита лучше обрабатываются резанием, так как имеют более низкую твердость (160...180 НВ), чем стали с пластинчатым перлитом (180...250 НВ). Так как при этом виде отжига получается зернистая (сфероидальная) форма частичек цементита, его называют сфероидизирующим.
Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2...3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температур выше точки Ас3 на 20...30 °С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680...620 °С (ниже температуры точки Агг на 50...100 °С) и выдержку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.
Для ускорения процесса отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области. Это приводит к получению более однородной ферритно-пгерлитной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаждения.4.2.2. Закалка сталей
Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критических температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочностью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические напряжения и оптимизировать ее свойства.
Температуру закалки (рис. 4.10, а) выбирают в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определяется по левой нижней части диаграммы Fe—Fe3C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагревают на 30...50 °С выше линии Ас3, а при неполной — на 30...50 °С выше линии Ас1. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудшению структуры углеродистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке (Ас3 + 30...50 °С), так как при этих температурах обеспечивается полное превращение ферритно-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а соответственно, после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита (рис, 4.10, б):
д ф нагрев А з ^ ^ охлаждение ^ вд
Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтек- тоидного феррита:
П + Ф - 1Шгрд,!А» ) А + ф охлаждение > м + ф<
t, °С
-4445170815
Сплав II
400
0 I 1,011 2,0 С, %
Рис. 4.10. Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) сталей
а t,° С 1200
Из-за низкой твердости феррита твердость стали после закалки будет неоднородна (рис. 4.11) и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.

Рис. 4.11. Дефект «мягкие пятна»
При нагреве заэвтектоидных сталей на 30...50 °С выше температуры точки Ас1 перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, следовательно, структура нагретой стали состоит из аустенита и цементита:
П + Ц„ нагре1'А' > А + Ц„ °*лаждепие > М + Ц„.
Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита (см. рис. 4.10, в). Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше Аст снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.
Нагрев под закалку осуществляется в пе.чной атмосфере, расплавленных солях или металлах (обычно свинец). На рис. 4.12 приведены схемы печей, применяемых для термической обработки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвейерные печи.
По источнику теплоты печи подразделяются на электрические и топливные (газовые и, редко, мазутные).
аб

Рис. 4.12. Печи для термической обработки деталей: а — камерная; б — толкательная; в — шахтная; г — конвейерная
Скорость и время нагрева деталей зависят от температуры в печи, степени легирования стали, конфигурации деталей, мощности и типа печи, объема садки и способа укладки деталей.
Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на структурные превращения, происходящие в стали. Ориентировочные значения длительности нагрева на 1 мм толщины изделия составляют в электропечах 1...2 мин, в пламенных печах — 1, в соляных ваннах — 0,2. ..0,5, в свинцовой ванне — 0,2...0,15 мин. Время выдержки обычно составляет 15...25 % от времени нагрева.
Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла рабочее пространство печи заполняют защитной атмосферой, состав которой постоянно контролируется. Обычно используют атмосферы из смеси метана, азота, водорода и оксидов углерода.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью, равной или выше критической (Укр), чтобы получить структуру мартенсита. Для углеродистых сталей VKp составляет 1400...400 °С/с. Такие скорости охлаждения достигаются погружением закаленных деталей в холодную воду или в воду с добавками солей. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличению остаточных напряжений и образованию трещин.
Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартенситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550...650 °С (область температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно — ниже 200...300 °С (область температур мартенситного превращения).
При закалке различают три периода охлаждения:
пленочное охлаждение — на поверхности детали образуется паровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидкости и обусловливающая сравнительно небольшие скорости охлаждения;
пузырьковое кипение — наступает при низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается; в результате этого происходит быстрый отвод теплоты, так как на образование пузырьков пара расходуется большое ее количество;
конвективный теплообмен — наблюдается при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости; отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью.
В табл. 4.2 приведены наиболее широко применяемые охлаждающие среды и обеспечиваемые ими скорости охлаждения.
При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения в области температур мартенситного превращения возникают большие структурные напряжения, что создает опасность возникновения трещин. При использовании горячей воды снижается скорость охлаждения в интервале температур 550...650 °С, а скорость охлаждения в области мартенситного превращения остается высокой и вероятность образования трещин не уменьшается. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью обладают 8...12%-ные водные растворы NaCl и NaOH. В интервале температур мартенситного превращения эти растворы охлаждают быстрее, чем вода.
Таблица 4.2
Охлаждающие среды
Охлаждающая среда Температура охлаждающей среды, °С Скорость охлаждения в интервале температур, °С/с
650...550 °С 300...320 °С
Вода 18 600 270
25 500 270
50 100 270
75 30 270
10% -ный водный раствор: NaCl 20 1200 300
NaOH 20 1100 300
5% -ный раствор марган 20 450 10
цовокислого калия Масло минеральное 20 120 40...60
Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода, и обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения. Это объясняется тем, что температура кипения масла (250...300 °С) повышает температуру перехода от стадии пузырчатого кипения к конвективному теплообмену и, как следствие, обеспечивает уменьшение скорости охлаждения в области температур мартенситного превращения.
Закалку углеродистых и некоторых низколегированных сталей проводят в воде и водных растворах NaCl и NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.
В практике термической обработки сталей наряду с непрерывной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступенчатая закалка. Закалка в двух средах состоит в прерывистом охлаждении изделия — сначала в воде до температуры 300 °С, а затем в масле или на воздухе до 20 °С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или в масло уменьшает внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении.
Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого изделия сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180...250 °С выше МИ (см. рис. 4.6, б), непродолжительную выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе. При таком методе закалки получение мартенсита возможно в легированных сталях с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур перлитного превращения и в изделиях небольшого сечения (10...12 мм) из низко- и среднеуглероди- стых сталей. После такой закалки уровень внутренних напряжений и склонность к образованию трещин меньше.
Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В структуре закаленных сталей, у которых точка Мк лежит в области минусовых температур, всегда присутствует значительное количество остаточного аустенита (см. рис. 4.6, б и рис. 4.13). Обработку холодом проводят для уменьшения его количества. Это особенно важно для сталей, которые используются для изготовления мерительного инструмента, пружин и деталей подшипников качения. В результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит понижаются твердость, износостойкость, нередко изменяются размеры деталей, работающих при низких температурах.
Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят низкий отпуск. Выдержка в течение 3...6 ч стабилизирует аустенит и уменьшает эффект обработки холодом.

Рис. 4.13. Между иглами мартенсита отчетливо выделяются светлые аустенитные участки
4.2.3. Закаливаемость и прокаливаемость сталиВажными характеристиками стали, необходимыми для назначения технологических режимов закалки, являются закаливаемость и прокаливаемость.
Под закаливаемостью понимают способность стали получать максимальную твердость при закалке. Главным фактором, определяющим закаливаемость, является содержание углерода в стали. Закаливаемость оценивают по твердости поверхностного слоя стального образца после закалки, поскольку на поверхности скорость охлаждения максимальна.
Под прокаливаемостъю понимают глубину закаленного слоя с мартенситной или трооститно-мартенситной структурой. Оценивается прокаливаемость расстоянием от поверхности изделия до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита.
На возможность образования различных структур по сечению деталей после закалки указывает схема (рис. 4.14, а), где представлено распределение скоростей охлаждения по сечению

аб
Рис. 4.14. Прокаливаемость сталей: а — схема зависимости прокаливаемости деталей от скорости закалки; б — кривые изменения твердости и влияния легирующих элементов на прокаливаемость
О 3
h
h
Диаметр сквозной закалки, мм
цилиндрического прутка. Скорости охлаждения отличаются вследствие разных условий теплоотвоДа на поверхности и в объеме прутка.
В данном случае кривые расположены так, что при указанных условиях охлаждения на поверхности образца и на половине радиуса от нее будет образовываться преимущественно мартен- ситная структура, а в центре — смесь перлита с бейнитом. Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозной прокаливаемости, будет неодинакова.
Диаметр заготовки, в центре которой после закалки образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром. Для экспериментального определения прокаливаемости применяется способ торцевой закалки. Цилиндрический образец диаметром 0,025 м и длиной 0,1 м, нагретый до температуры закалки, охлаждают с торца струей воды на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по образующей цилиндра и строят график изменения твердости по длине образца (рис. 4.14, б).
Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки FKp, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и изделие будет иметь сквозную прокаливаемость.
На прокаливаемость оказывают влияние не только скорость охлаждения, но и однородность структуры, температура нагрева, исходная структура и химический состав стали. Заметно повышают прокаливаемость марганец, хром и молибден, меньше влияют никель и кремний. При одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов их влияние может усиливаться. Более высокая прокаливаемость легированных сталей по сравнению с углеродистыми объясняется большей устойчивостью переохлажденного аустенита и, соответственно, меньшей критической скоростью охлаждения. С увеличением скорости охлаждения прокаливаемость сталей увеличивается. При наличии неоднородности структуры прокаливаемость снижается, так как нерас- творившиеся карбиды и неметаллические включения являются центрами кристаллизации, облегчающими образование перлита.
4.2.4. Поверхностная закалка
Как отмечалось выше, закалка повышает твердость, прочность, износостойкость стали, но снижает ее пластичность. Однако для многих деталей, работающих в условиях циклических нагрузок (валы, шестерни), требуется не только высокая износостойкость поверхности, но и высокая вязкость и пластичность внутренних слоев. Достичь этого можно применением поверхностной закалки.
б

Рис. 4.15. Кривые распределения температуры и твердости после закалки по сечению изделия (а) и схема индукционного нагрева (б)
а t,°0
Наиболее распространены следующие методы поверхностной закалки: с индукционным нагревателем (нагрев токами высокой частоты — ТВЧ), газоплазменная поверхностная и в электролите. Все способы поверхностной закалки основаны на быстром нагреве поверхностного слоя выше точек фазовых превращений и последующем охлаждении, приводящем к тому, что слой I,
Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве поверхностного слоя изделия до температуры выше Ас3 для доэвтектоидных и Асх для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью получения структуры мартенсита в поверхностном слое (рис. 4.15, а).
нагретый выше температуры Ас3, закалится полностью, слой II — частично, а слой III останется незакаленным. В результате Обеспечивается высокая прочность и износостойкость поверхностных слоев в сочетании с пластичностью и вязкостью сердцевины изделия.
Закалочные температуры для поверхностной закалки выбираются более высокими (на 100...200 °С), чем для обычной, так как при нагреве с высокими скоростями превращение перлита в аустенит происходит в области более высоких температур. Поскольку перегрев тонкого поверхностного слоя осуществляется с очень большой скоростью и выдержка при температуре закалки отсутствует, он не приводит к ухудшению структуры за счет роста зерна аустенита. Глубина закалки составляет 1,5... 15 мм и определяется условиями работы деталей. Так, детали, подвергающиеся усталостному изнашиванию, закаливаются на глубину 1,5...3 мм, при особо высоких контактных нагрузках — 10...15 мм.
При закалке ТВЧ изделия помещают в специальный индуктор (катушку), состоящий из одного или нескольких витков медной трубки (рис. 4.15, б). Для равномерного нагрева поверхности изделий различной формы применяют индукторы, по форме и размерам соответствующие деталям. Через индуктор 1 пропускают переменный ток высокой частоты (500...15 000 Гц). При этом вокруг индуктора возникает магнитное поле, а в детали 2 генерируются вихревые токи, которые и нагревают поверхность детали до температуры закалки, после чего следует резкое охлаждение водой и низкий отпуск.
Скорость нагрева колеблется от 100 до 1000 °С/с. Время нагрева зависит от скорости нагрева и находится в пределах 1,5...40 с. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, которая определяет глубину проникновения индуцируемых в деталях вихревых токов. Закалка ТВЧ позволяет получить структуру стали с твердостью на 3...5 HRC3 выше, чем при обычной закалке, с более мелким зерном (на 2...4 балла) и меньшим браком по короблению и образованию закалочных трещин. При нагреве ТВЧ не происходит окалинообразования и выгорания углерода. Кроме того, обеспечивается высокая производительность труда. Этот вид закалки используют для сталей, содержащих 0,4...0,5 % углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (50...60 HRCJ, сопротивляемость изнашиванию и не ёклонны к хрупкому разрушению.
Газоплазменная поверхностная закалка заключается в нагреве поверхностного слоя детали пламенем сгорающего газа, имеющего температуру 2400...3000 °С, и последующем охлаждении водой. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость 50. ..56 HRC3, структура состоит из мартенсита и феррита. Применяется газоплазменная закалка в основном для крупных изделий, таких как коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валы и т.п. При этом в крупных деталях создаются меньшие напряжения, чем при обычной объемной закалке.
Закалка в электролите основана на том, что при пропускании тока через электролит (5... 10%-ный раствор кальцинированной соды) на катоде, которым является закаливаемая деталь, образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно возрастает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей в условиях массового производства.4.2.5. Отпуск сталейОтпуском называют финишную термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Аси выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью (рис. 4.16, а). Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск проводят при нагреве до 250-°С, после чего следует выдержка в течение 1...1.5 ч в зависимости от размеров детали и охлаждение. Применяют его для режущего и измерительного инструмента, деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации (более подробно см. главу 5). После низкого отпуска снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки (рис. 4.16, б) превращается в мартенсит отпуска (рис. 4.16, в), повышается прочность и несколько — вязкость. Твердость остается высокой (58...63 HRC3) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.
40005635
I //. Средний отпуск
1147
727
•ржут
I'//, Низкий отпуск
'±12,0 С, %
Низкий отпуск

1,0Закалка
.- » -
Л Vl^®
щММ*
399415115570
Средний отпуск

2191385121920
Высокий отпуск
" ШШI
3994151017905

.Рис. 4.16. Температурные области нагрева под отпуск (а), структуры закалки и продуктов ее распада: мартенсит закалки (б), мартенсит отпуска (в), троостит отпуска (г), сорбит отпуска (5)
Средний отпуск проводят при нагреве до 350...500 °С, затем следует выдержка от 1 до 8 ч в зависимости от массы детали и охлаждение, как правило, на спокойном воздухе. Этот вид отпуска применяют для пружин, рессор и некоторых видов штам- пового инструмента. В результате такой обработки достигаются высокие значения пределов упругости и выносливости, образуется структура — троостит отпуска (рис. 4.16, г) или троосто-мартен- сит, твердость стали — 40...50 HRC3.
Высокий отпуск проводят при температурах 500...680 °С в течение 1...6 ч в зависимости от габаритов изделия и затем изделия охлаждают на воздухе. Для легированных сталей применяют охлаждение в воде или масле с целью предотвращения отпускной хрупкости. Этот вид отпуска используют для нагруженных конструкционных деталей из среднеуглеродистых конструкционных сталей с целью обеспечения наилучшего соотношения прочности и вязкости. После высокого отпуска структура стали состоит из сорбита отпуска (рис. 4.16, д). Твердость — 25...30 HRC3.
3
Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшение значительно повышает конструкционную прочность стали, уменьшая ее чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости.
Термомеханическая обработка сталиТермомеханическая обработка (ТМО) стали заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с последующей закалкой. В зависимости от температуры, при которой деформируют сталь, различают высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку.
При ВТМО сталь нагревают до температуры выше Ас3, пластически деформируют при этой температуре и закаливают. Степень деформации составляет 20...30 %. Закалка следует немедленно после деформации во избежание развития рекристаллизации. Схема процесса приведена на рис. 4.17, а.
-1831975635
&фор; мирова "НИЯ
Зона рекр'и-' 'У///// '////// сталлизации У////у /////у
-2338070109855
t, °С
шш
^Отпуск
А->М
X, с

Рис. 4.17. Схемы режимов термомеханической обработки и структуры стали: а — высокотемпературного; б — низкотемпературного

М„
Зона дефор
мирования
Отпуск

При НТМО сталь нагревают до температур выше Ас3, выдерживают при этой температуре, охлаждают до температуры выше точки Мн (400...600 °С), но ниже температуры рекристаллизации, при этой температуре осуществляют обработку давлением (степень деформации 75...95 %), а затем сразу же производят закалку и низкотемпературный отпуск (рис. 4.17, б).
ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО — только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита, т.е. легированные. С помощью ТМО удается повысить предел прочности и пластичность стали по сравнению с обычной закалкой и отпуском. В табл. 4.3 приведены усредненные механические свойства сталей после различных видов обработки.
Повышение прочности в процессе ТМО по сравнению с обычной закалкой объясняется предварительным наклепом аустенита, в котором в результате деформации создается повышенная плотность дислокаций, наследуемая образующимся при закалкемартенситом. Такое структурное состояние обеспечивает протекание пластической релаксации локальных напряжений, вызванных повышенной плотностью дислокаций. Как следствие, образующийся при отпуске мартенсит, несмотря на более высокую по сравнению с обычной термической обработкой плотность дислокаций, имеет меньший уровень остаточных напряжений. Это обеспечивает более высокие значения как прочности, так и ударной вязкости и пластичности одновременно.
Таблица 4.3
Влияние вида обработки на механические свойства сталей
Вид обработки ав, МПа ат, МПа 5, % V- %
Закалка, сталь 40 1400 1100 2 3
НТМО 2400...2900 2000...2400 5...8 15...30
ВТМО 2100...2700 1900...2200 7...9 25...40
Более высокая прочность стали после НТМО по сравнению с ВТМО объясняется тем, что при высоких температурах, по-видимому, происходит частичная рекристаллизация стали. Однако после ВТМО сильнее повышаются пластичность и ударная вязкость.
В настоящее время более широко используется ВТМО, так как она обеспечивает высокие характеристики прочности (наряду с высокой пластичностью и ударной вязкостью стали) и для ее осуществления требуется меньше энергии в связи с меньшей степенью деформации. ВТМО осуществляют в цехах прокатного производства на металлургических заводах для упрочнения прутков нефтенасосных штанг, рессорных полос, труб и пружин.Термическая обработка чугуна
В чугунах, как и в сталях, в твердом состоянии происходят фазовые превращения, поэтому для них могут быть использованы те же виды термической обработки, что и для стали. Чугунные отливки подвергаются отжигу, нормализации, закалке с отпуском.
Отжиг для снятия внутренних напряжений отливок из серого и высокопрочного чугунов проводят при температуре 500...550 °С в течение 3...5 ч с последующим медленным охлаждением со скоростью 30...60 °С/ч до 200 °С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге не только уменьшаются внутренние напряжения в отливках, но и достигается стабильность размеров и уменьшается вероятность образования трещин при механической обработке и в процессе эксплуатации.
Графитизирующим отжигом отливок из белого доэвтекти- ческого чугуна получают ковкий чугун. Отливки нагревают до 950...1000 °С и выдерживают при этой температуре 10...15 ч до полного распада цементита, продуктами которого являются аустенит и графит.
При ускоренном охлаждении отливок до комнатной температуры получают ковкий чугун на перлитной основе.
Для получения ковкого чугуна на ферритной основе отливки после завершения первой стадии графитизации охлаждают ниже Агх и делают вторую длительную выдержку при температуре 680...750 °С для распада цементита, входящего в состав перлита. В результате второй стадии графитизации весь углерод выделяется в структурно-свободном состоянии, что приводит к формированию ферритной основы.
Закалку и нормализацию для серого, высокопрочного и ковкого чугунов проводят для повышения твердости и износостойкости.
При нормализации отливки нагревают до 850...950 °С, выдерживают при данной температуре и охлаждают на воздухе. При нагреве и выдержке часть графита растворяется в аустените, обогащает его углеродом. В результате ускоренного охлаждения на воздухе в отливках образуется чисто перлитная структура металлической основы вместо ферритной или ферритно-перлитной.
Для закалки чугунные отливки нагревают до 850...930 °С, выдерживают 0,5...3 ч и охлаждают в воде или масле для получения мартенситной структуры с твердостью 55...60 HRCa.
После закалки проводят отпуск, температура которого зависит от требуемой твердости. Для деталей, работающих на износ, температура отпуска составляет 250...350 °С. Однако рациональнее чугунные отливки подвергать поверхностной закалке, так как в этом случае не наблюдается коробление и трещинообразо- вание в деталях.
Дефекты термической обработки сталиПри термической обработке стали могут возникнуть следующие дефекты: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности, коробление, деформации и трещины. Причиной их возникновения является нарушение технологических режимов термической обработки.
При нагреве доэвтектоидной стали ниже температуры Ас3 фазовые превращения происходят не полностью и в структуре стали Присутствует феррит, который в ходе закалки не претерпевает изменения, вызывая понижение твердости (см. рис. 4.11).
Перегрев стали приводит к росту зерна, образованию структуры крупноигольчатого мартенсита и, как следствие, к повышенной хрупкости стали.
Обезуглероживание (рис. 4.18) и окисление поверхности происходят при нагреве сталей в печах без контролируемой атмосферы. Обезуглероживание характеризуется выгоранием углерода в поверхностных слоя?с детали и резко снижает твердость ее поверхности. При окислении на поверхности детали образуется окалина, которая приводит к неравномерной твердости, в результате чего возникает необходимость в дополнительной обработке.

Рис. 4.18. Сталь У12Л после отжига на зернистый перлит
Для предохранения от окисления и обезуглероживания детали необходимо нагревать в печах с контролируемой защитной или нейтральной атмосферой.
Деформации, коробление и трещины образуются при слишком резком или неравномерном охлаждении или нагреве деталей. Для предотвращения указанных дефектов необходимо правильно назначать режимы термической обработки.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКАа.
Основы химико-термической обработки сталей
Химико-термической обработкой называют технологический процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя деталей различными элементами с целью изменения его состава, структуры и свойств.
В зависимости от того, какими элементами насыщают поверхностный слой стального изделия, различают:
цементацию — насыщение углеродом;
азотирование — азотом;
нитроцементацию — углеродом и азотом;
хромирование — хромом;
силицирование — кремнием.
Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.
Проведение любой химико-термической обработки деталей включает следующие стадии:
диссоциацию химических соединений, в состав которых входит насыщающий элемент, с образованием активных атомов диффундирующего элемента;
адсорбцию диффундирующих элементов на поверхности металла, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффузионно-активным элементом;
собственно диффузию — проникновение элемента в глубь металла.
В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация легирующего элемента максимальна, а по мере удаления от нее — падает. Первые две стадии протекают значительно быстрее третьей, которая и определяет скорость процесса химико-термической обработки.
Для определения природы фаз, образующихся при химико- термической обработке, и выбора ее режимов служат двойные диаграммы состояния. Главными факторами, определяющими состав и структуру поверхностного слоя, являются температура процесса, концентрация на поверхности изделия активного химического компонента и время выдержки в активной среде.
Наиболее широкое распространение в промышленности нашли такие виды химико-термической обработки, как цементация, азотирование и нитроцементация. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стальных изделий, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро формируют диффузионные слои значительной толщины.
ШКШ ЦементацияЦементацией называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий углеродом. Цементация применяется для деталей, работающих в условиях трения и высоких контактных давлений (например, зубчатые колеса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.). Обработке подвергаются детали с припуском на шлифование из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,1...0,25 % углерода, и низколегированных сталей типа 20Х, 15ХР, 20ХН, 18ХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4 и др. Глубина цементованного слоя колеблется от 0,5 до 4 мм. После цементации изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. В результате такой обработки твердость поверхностного слоя достигает 58...62 HRG, при сохранении вязкой сердцевины детали. В основном применяют два вида цементации: твердую и газовую.
При твердой цементации карбюризатором, т.е. науглероживающим веществом, служит смесь древесного угля и углекислых солей BaC03, Na2C03, К2С03. Углекислые соли добавляют к древесному углю в количестве 10...30 % в качестве катализаторов. Детали укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором так, чтобы они не соприкасались друг с другом, со стенками и дном ящика. Сверху ящик закрывают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики устанавливают в печь и нагревают до температуры 910...950 °С.
При такой температуре уголь взаимодействует с кислородом воздуха, сохранившегося в порах засыпки, по реакции:
2С + 02 —> 2СО.Оксид углерода разлагается на диоксид углерода С02 и атомарный углерод Сат:
2СО С02 + Сат.
Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют в глубь металла. Углекислые соли интенсифицируют процесс (ВаС03), предотвращают спекание частиц карбюризатора (СаС03), а также, разлагаясь, увеличивают количество СО и С02 и обогащают среду атомарным углеродом по схеме:
ВаС03 -» ВаО + С02, С02 + С(уголь) 2СО, 2СО С02 + Сат.
Цементация в твердом карбюризаторе — длительная операция, скорость которой составляет 0,10...0,12 мм/ч при температуре 930 °С, а длительность зависит от толщины требуемого цементованного слоя. Для получения цементованного слоя глубиной 1 мм при температуре 930 °С длительность процесса составляет около 10 ч.
После окончания цементации ящики вынимают из печи, охлаждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.
Цементация в твердом карбюризаторе — малопроизводительный процесс, который применяется только при мелкосерийном и индивидуальном способе производства.
Газовая цементация наиболее широко применяется в массовом производстве. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного атомарного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода по реакции:
СН4 2Н2 + Сат,
2СО С02 + Сат.
В качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (метан), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов.
В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может иметь различную науглероживающую способность. Скорость газовой цементации составляет 0,12...0,15 мм/ч при температуре 930...950 °С, а толщина диффузионного слоя достигает 1,7 мм.
Газовая цементация осуществляется в стационарных или периодических конвейерных печах. Цементирующий газ подают в цементационную реторту. При газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое, сократить длительность процесса (отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных плохо проводящим тепло карбюризатором), обеспечить возможность полной механизации и автоматизации процесса, проводить закалку непосредственно от температуры цементации.
Содержание углерода в поверхностном слое при данной температуре определяется пределом растворимости углерода в ау- стените (линия SE диаграммы Fe—Fe3C). Так как температура цементации выше температуры Ас3, углерод поглощается аусте- нитом(рис. 5.1, а). Предельное содержание углерода в аустените в непосредственной близости от поверхности обычно составляет 1,1...1,2 % и быстро убывает по толщине детали. При охлаждении детали происходят фазовые превращения в поверхностном слое, а поскольку цементованный слой имеет переменную концентрацию, то его структура различна по глубине.
Поверхностная зона имеет структуру, состоящую из перлита и цементита — заэвтектоидная зона; затем идут эвтектоидная зона, состоящая из одного перлита, и доэвтектоиднаЯ зона — из перлита и феррита (рис. 5.1, б и рис. 5.2). Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает в направлении к сердцевине. За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной зон и половину переходной зоны до области, содержащей 0,4 % углерода.
Для получения необходимых свойств детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Обычно после цементации структура стали крупнозернистая, что связано с выдержкой при высокой температуре. Для таких деталей проводятся двойная закалка и отпуск.
Первая закалка (или нормализация) проводится с температур 880...900 °С с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое. Вторую

Расстояние от поверхности
Рис. 5.1. Схема режима цементации (а), участок диаграммы Fe—Fe3C и кривая изменения содержания
углерода по толщине цементованного слоя (б)
123

Рис. 5.2. Микроструктура цементованного слоя низкоуглеродистой стали: 1 — заэвтектоидная зона (П + Ц); 2 — эвтектоидная зона (П);
3 — доэвтектоидная зона (П + Ф)
закалку проводят с нагревом до 760. ..780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Для наследственно мелкозернистых сталей применяют закалку с температур выше Асх. После газовой цементации такие изделия Часто закаливают без повторного нагрева, непосредственно из печи с температур 840...860 °С после подстуживания с целью уменьшения коробления обрабатываемых изделий.
После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при температуре 160...180 °С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разрушению.
АзотированиеАзотированием называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий азотом, в результате которого повышается твердость, износостойкостьи предел выносливости ответственных деталей машин (например, коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, валов и др.). Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, которые прошли чистовую обработку, закалку и высокий отпуск. После азотирования детали шлифуют или полируют.
Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герметичные камеры, куда с определенной скоростью подается аммиак, который при нагреве разлагается с образованием атомарного азота:
NH3 ЗН + NaT.
Температура азотирования составляет 500...600 °С (рис. 5.3, а). Длительность процесса зависит от необходимой толщины азотированного слоя. Для определения структур, образующихся в поверхностных слоях при азотировании, рассмотрим диаграмму Fe—N (рис. 5.3, б), штриховые линии на которой указывают температуру азотирования.

б
а
t, °С
-17983202691130
500...600
т, с
N
в
N

g+Y'
t, °С
Рис. 5.3. Схема режима азотирования (а), диаграмма Fe—N (б) и структура азотированного слоя при температуре 640 °С (в)
Из диаграммы видно, что при температуре азотирования в системе Fe—N существуют следующие фазы: а-фаза— твердый раствор азота в а-железе (азотистый феррит); /-фаза— твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N и е-фаза — твердый раствор на основе нитрида железа Fe2_3N. При медленном охлаждении от этих температур азотированный слой состоит из трех фаз: е, / и а. При температуре выше 590 °С присутствует у-фаза — азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры 591 °С. При более низкой температуре он распадается на эвтектоид (а + 7'), и азотированный слой состоит из е-, у'- и (а + у')-фаз (рис. 5.3, в). Структура азотированного слоя стали, легированной алюминием, приведена на рис. 5.4.
Г

Рис. 5.4. Структура азотированного слоя стали, легированной
алюминием:
е — светлая тонкая полоса; у — темная широкая полоса
Распределение азота по глубине имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев. При азотировании углеродистых сталей наряду с указанными выше фазами возможно образование карбонитридных фаз Fe2_3(N, С). Твердость азотированного слоя таких сталей невелика и составляет 450...550 HV. Поэтому азотированию рекомендуют подвергать стали, легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием и титаном, так как в них на поверхности образуются легированные е- и /-фазы типа (Fe, M)2_3N и (Fe, M)4N, а также нитриды типа Cr2N, A1N, Mo2N. Комплексное легирование хромом, молибденом и алюминием позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 HV, а в сталях, не содержащих алюминий, — до 950 HV.
Азотирование — длительная операция. Для получения слоя толщиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при температуре азотирования 500...520 °С. С целью ускорения процесса азотирование проводят по двухступенчатому режиму: при 500...520 °С в течение 12...15 ч и при 540...600 °С в течение 20...25 ч. Вторая стадия ускоряет диффузионные процессы и общая длительность процесса сокращается в 1,5...2 раза.
ЦианированиеЦианирование сталей заключается в поверхностном насыщении стальных изделий одновременно углеродом и азотом из расплавленных цианистых солей NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. При нагреве в ванне, содержащей указанные соли, происходят следующие реакции:
2NaCN + 02 -> 2NaCNO, 2NaCNO + 02 -» Na2C03 + 2Nai + СО, 2СО -> С02 + Сат.
Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных солях до температуры 820...860 °С и выдерживают 0,5...1,5 ч. При этом толщина диффузионного слоя достигает 0,16...0,35 мм и в нем содержится примерно 0,7 % углерода и 0,1 % азота.
После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и подвергают низкому отпуску при 180...200 °С. Твердость цианированного слоя после термической обработки 58...62 HRC3. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью. Его структура состоит из тонкого поверхностного слоя карбонитридов Fe2(C, N), Fe3(C, N), после чего следует слой азотистого мартенсита.
Цианированию подвергают коленчатые валы, шестерни, режущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным недостатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и BaCl добавляют для повышения температуры плавления смеси, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых цианистых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирования, получивший название нитро- цементации.
При нитроцементации совмещают процессы газовой цементации и азотирования и используют смесь СО, С02, Н2, СН4, NH3. Температура и состав атмосферы контролируются и зависят от марки стали, требуемой структуры и глубины насыщаемого слоя детали.
Высокотемпературная нитроцементация осуществляется для деталей из конструкционных сталей при температурах 830...950 °С и из легированных — при 850...870 °С. Процесс длится 4... 10 ч, так как диффузия углерода существенно ускоряется в присутствии азота.
Низкотемпературная нитроцементация проводится для инструмента из быстрорежущей стали при температурах 550...570 °С. Процесс длится 1,5...3 ч, толщина нитроцементо- ванного слоя 0,02...0,04 мм, а его твердость 900...1200 HV. Износостойкость инструмента повышается в 1,5...2 раза. Перед низкотемпературной нитроцементацией детали подвергают закалке и высокому отпуску.
После нитроцементации осуществляют закалку с 800. ..825 °С (после подстуживания) и низкий отпуск при 160...180 °С. Твердость достигает 56...62 HRC3, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм. Структура слоя представлена мелкокристаллическим мартенситом, остаточным аустенитом и небольшим количеством дисперсных включений карбонитридов. В случае повышенного количества аустенита после закалки рекомендуется обработка холодом,.
5.5.
Преимуществами нитроцементации по сравнению с цианированием являются безопасность процесса (отсутствуют ядовитые вещества), его низкая стоимость и возможность более точного регулирования толщины и состава поверхностного слоя. Преимущества по сравнению с цементацией заключаются в меньшей длительности и стоимости процесса, более простой термической обработке, меньшей деформации и более высокой износостойкости и усталостной прочности.Диффузионная металлизацияДиффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изделий металлами — диффузионная металлизация — производится с целью упрочнения и придания особых физико-химическихсвойств поверхностному слою детали. Диффузионная металлизация может проводиться из расплава диффундирующего металла или его солей, из газовой и твердой фаз. Наибольшее распространение получили методы алитирования, хромирования и си- лицирования.
Алитирование, или диффузионное насыщение алюминием, проводится для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей из углеродистых сталей, используемых преимущественно в теплоэнергетическом машиностроении.
Насыщаемые детали вместе с порошком из ферроалюминия, оксида алюминия А1203 и хлористого аммония NH4C1 упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами и нагревают до 950...1000 °С. Во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:
NH4C1 NH3 + НС1, 6НС1 + 2А1 2АЮ13 + ЗН2.
Пары хлористого алюминия реагируют с железом на поверхности изделия по реакции:
Fe + А1С13 FeCl3 + Al„.
Атомарный алюминий диффундирует в металл, образуя твердый раствор алюминия с железом в поверхностном слое изделия. После выдержки в течение 3...16 ч обеспечивается толщина алитированного слоя 0,3...0,5 мм, а содержание алюминия в нем достигает 40...50 %-.
Жидкостное алитирование проводится при температуре 750...800 °С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим 3...4 % Fe. После выдержки в течение 45...90 мин получается насыщенный алюминием слой толщиной 0,20...0,35 мм.
На рис. 5.5 показана микроструктура стали'45 после алитирования в расплавленном алюминии при 800 °С. Диффузионный слой состоит из фазы Fe2Al5 и имеет иглообразный характер.
Хромирование, или диффузионное насыщение хромом, проводят для повышения твердости, износостойкости, окалиностой- кости и коррозионной стойкости среднеуглеродистых сталей. В результате хромирования на поверхности образуется тонкий слой (0,025...0,030 мм) карбида хрома (Cr, Fe)7C3 или (Cr, Fe)23C6 и переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8 %).


Толщина хромированного слоя 0,1...0,3 мм, твердость — 1200... 1300 HV. Хромирование осуществляется из порошковой смеси, состоящей из феррохрома, оксида алюминия и хлористого алюминия, при температуре 950...1100 °С в течение 6...12 ч.
На рис. 5.6 приведена структура хромированного слоя на армко-железе после газового хромирования при 1100 °С, продолжительность процесса 6 ч.
Силицирование, или диффузионное насыщение кремнием, применяется для стальных и чугунных деталей для повышения коррозионной стойкости в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах, износостойкости и жаростойкости при температурах до 700...750 °С. Силицирование проводят в порошковых смесях, содержащих ферросилиций, или в Газовых средах при температуре 950...1100 °С в течение 2...12 ч. Толщина силици- рованного слоя составляет 0,3... 1,0 мм, структура поверхностного слоя состоит из твердого раствора кремния в а-железе, за которым располагается перлит (200...300 HV). Силицирован- ный слой имеет поры, которые часто пропитывают маслом при 170...200 °С для повышения износостойкости деталей.

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ»
Влияние примесей на свойства сталейСплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.
Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), постоянными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие элементы (Cr, Si, Ni, Мп, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то получают легированную сталь.
Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирующих элементов на механические свойства сталей.
Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость (рис. 6.1).
Временное сопротивление ов достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеродистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлитной(0,8 %)иперлитоцементитной(свыше0,8 % углерода). Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.
Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и структурно не обнаруживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако
\ НВ'
V \
\
N /
/
> / X » < / ч ^0,2
Л
\ ' ч\ ч N
Л- кси <8
НВ,
<v
МПа °0,2> МПа
2000 800
1500 600
1000 • 400
500 200
0 0
8, у, KCU,
% МДж/м
40 1,6
30 1,2
20 0,8
10 • 0,4
0 0
О 0,4 0,8 1,2 С, % (по массе) Рис. 6.1. Влияние углерода на механические свойства стали
принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.
Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe—FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как, соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Мп —> MnS + + Fe), температура плавления которого 1620 °С.
При температуре горячей обработки (800...1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.
Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняютсвою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.
Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.
Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2 %, однако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025...0,06 %.
Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охруп- чивание стали.
Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии не только ее охрупчйвает, но и способствует возникновению очень опасного дефекта — внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.
Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.
Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказывают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марганец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область существования у-железа. Например, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки А3 и повышает температуру точки Аа, что (при определенном их содержании) расширяет область у-железа от температуры плавления до комнатной (рис. 6.2, а). Такие сплавы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе и относятся к сталям аустенитного класса.
Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А4
ж + у

Мп, Ni%
Рис. 6.2. Диаграммы состояния железо — легирующий элемент: а — Fe—Мп, Ni, Pt, Ru, Os, Си; б — Fe—Si, W, Mo, V, Ti, Ta, Nb, Zr
(ж — ЖИДКОСТЬ)
и повышает температуру точки А3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 6.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до температуры плавления представляют собой твердый раствор легирующего элемента в а-железе и называются сталями ферритного класса.
К элементам, способным образовывать карбиды, относятся марганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы растворяются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей формуле (Fe, М)3С, где М— легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг7С3, Cr23C6, Мо2С, W2C, VC, TiC и др. Ряд элементов,-например вольфрам и молибден, совместно с железом образуют карбиды Fe3W3C и Fe3Mo3C. Все эти карбиды отличаются высокой твердостью и высокой температурой плавления.
Элементы, не образующие карбидов (Ni, Си, Si, Со), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.
224282093980
ж + а
Y+ а
Ci.Si,...,%
Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аустенита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. — замедляют), влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения(кобальт и алюминий повышают точки Мн и Мк, остальные — понижают) и замедляют процесс распада мартенсита при отпуске.
6.2.
Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке, а также вызывая изменения фазового состава и структуры, оказывают существенное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.
Классификация сталейСтали классифицируют по химическому составу, способу производства, назначению, качеству, степени раскисления, структуре (рис. 6.3).
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали разделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3...0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). Легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5...10 %) и высоко-
Классификация сталей

по способу выплавки
по качеству
по химическому состав
по назначению
по структуре (в отожженном состоянии)
Я я в
О)
п
° £ О S
о
а о о
а
со
g о
м<а
Ии
®I",
ИU
01 я
в в. о t< а
О
я я
о «
а В
к «
о о.
Я и
л
ч
а н IS о р. Ен О
a t. я
е. о
К
Я w к к
ю
о, а И
a »
а> ч ГО
ш К
К

Рис. 6.3. Классификация сталей
легированные (более 10 %). По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромомарганцево-ванадие- вые и др.
По способу производства различают конверторные, мартеновские, электростали и стаЛи особых методов выплавки.
По назначению стали классифицируют на конструкционные, инструментальные, строительные и стали специального назначения с особыми свойствами.
По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Качество стали зависит от количества вредных примесей, преимущественно серы и фосфора. Содержание этих элементов в сталях различного качества приведено в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Содержание серы и фосфора в сталях разного качества, %
Стали S Р
Обыкновенного качества 0,04...0,06 0,04...0,08
Качественные 0,03...0,04 0,03...0,04
Высококачественные 0,03 0,025.-0,03
Особо высококачественные До 0,015 0,015
Качество углеродистой стали отражается в маркировке. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (например, СтЗ). В конце маркировки высококачественных сталей ставится буква А (например, У12А). Отсутствие букв Ст в начале и буквы А в конце маркировки означает, что углеродистая сталь является качественной (45, У12 и т. д.). Все легированные стали производят, как минимум, качественными.
Для производства особо высококачественных сталей применяют специальные виды улучшающей обработки, которые могут быть указаны в марках сталей: ВИ (ВИП) — переплав в вакуумных индукционных печах; Ш (ЭШП) — электрошлаковый переплав; ВД (ВДП) — переплав в вакуумных дуговых печах; ШД — вакуумно-дуговой переплав стали после электрошлакового переплава; ОДП — обычная дуговая плавка; ПДП — плазменно-ду- говая плавка.
По степени раскисления различают спокойную сталь, которая раскислена марганцем, кремнием и алюминием; полу спокойную — марганцем и алюминием и кипящую — марганцем. Кипящая сталь уступает по качеству спокойной, так как содержит больше кислорода.
По структуре в равновесном состоянии стали классифицируют на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (перлитного класса), ледебуритные, аустенитные и ферритные. По структуре в неравновесном состоянии после охлаждения на воздухе — на перлитные, мартенситные и аустенитные.
В ГОСТах на стали принята следующая система для обозначения марок сталей. Обозначения состоят из комбинации цифр и букв.
Первые цифры в маркировке указывают на содержание углерода в стали: если число однозначное — в десятых долях процента, если двузначное — в сотых долях процента. В случае, когда первые цифры (цифра) отсутствуют, углерода в стали не менее 1 % (например Х12, Х6ВФ).
Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каждому из них присвоена своя буква: Ni — Н, Си — Д, N — А, Сг — X, В — Р, Р — П, Со — К, Nb — Б, Мо — М, Zr — Ц, Ti — Т, Мп — Г, Si — С, V — Ф, W — В, А1 — Ю. Для указания количества легирующего элемента в составе стали после соответствующей буквы в марке ставится число, равное процентному содержанию элемента. Если числа нет, то содержание элемента меньше 1...1.5 % (например, 5ХЗВЗМФС).
Степень раскисления стали обозначается буквами в конце маркировки стали: сп — спокойная; пс — полуспокойная; к — кипящая.
Помимо указанных, для некоторых сталей употребляются специальные условные обозначения. Например, обозначение быстрорежущих сталей начинается с буквы Р, цифры за которой показывают содержание вольфрама в процентах (Р18, Р6М5К5); шарикоподшипниковых сталей — с буквы Ш (ШХ9, ШХ15СГ), где цифры (9 и 15) указывают на содержание хрома в стали в десятых долях процента.
Описанная выше классификация принята в Беларуси и странах СНГ.
Европейская система обозначений сталей регламентируется стандартом EN 10027, состоящим из частей:
часть 1 определяет порядок наименования сталей (присвоения им буквенно-цифровых обозначений). В первую группу включены стали, наименование которых определяется их назначением и механическими или физическими свойствами;
часть 2 регламентирует присвоение сталям порядковых номеров. Вторую группу составляют стали, наименования которых определяются их химическим составом.
В Японии наименование марок стали, как правило, состоит из нескольких букв и цифр. Буквенное обозначение определяет группу, к которой относится данная сталь, а цифры — ее порядковый номер в группе и свойство.
В США существует несколько систем обозначения металлов и их сплавов. Это объясняется наличием нескольких организаций по стандартизации (AMS, ASME, ASTM, AWS, SAE, ACJ, ANSI, AJS).
В табл. 6.2 приведены некоторые марки сталей по классификации стран СНГ и их аналоги в классификациях по европейской системе обозначений и стандартам США.
Таблица 6.2 Марки сталей по, различным классификациям
ГОСТы стран СНГ Европейская система обозначений Стандарты США
10 С10Е 1.1121 1010
10ХГН1 10ХГН1 1.5805 —
14ХНЗМ 14NiCrMol-3-4 1.6657 9310
15 С15Е 1.1141 1015
15Г С16Е 1.1148 1016
16ХГ 16MnCr5 1.7131 5115
16ХГР 16МпСгВ5 1.7160 —
16ХГН 16NiCr4 1.5714 —
17Г1С S235J2G4 1.0117 —
17ХНЗ 15NiCrl3 1.5752 Е3310
18ХГМ 18CrMo4 1.7243 4120
18Х2Н2М 18CrNiMo7-6 1.6587 —
Окончание табл. 6.2
ГОСТы стран СНГ Европейская система обозначений Стандарты США
20 С22Е 1.1151 1020
20ХМ 20МоСгЗ 1.7320 4118
20ХГНМ 20МоСг2-2 1.6523 8617
25 C25E 1.1158 1025
25ХМ 25СгМо4 1.7218 4130
28Г 28Мп6 1.1170 1330
30 СЗОЕ 1.1178 1030
34Х 34Сг4 1.7033 5130
34Х2Н2М 34CrNiMo6 1.6582 4340
Углеродистые сталиУглеродистые стали относятся к числу самых распространенных конструкционных материалов. Объем их производства достигает 80 % от общей выплавки стали. Эти стали сочетают в себе высокую прочность и достаточную .вязкость, хорошие технологические свойства, они экономичны и не дефицитны. Различают следующие углеродистые стали: конструкционные обыкновенного качества, качественные, специального назначения и инструментальные.
Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, СтЗГ, Ст4, Ст5, Ст5Г и Стб. Цифры указывают номер стали, с увеличением которого возрастает содержание углерода, поэтому чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность. Буква Г указывает, что сталь содержит марганец в количестве, превышающем примесную концентрацию этого элемента.
По степени раскисления стали с номерами марок 1...4 выплавляют кипящими, полуспокойными и спокойными; с номерами ЗГ, 5,6 — полуспокойными и спокойными; 5Г — полуспокойной. Не разделяется по степени раскисления лишь сталь марки СтО.
Углеродистые стали обыкновенного качества применяют для изготовления металлоконструкций и слабо нагруженных деталей машин и приборов (например, ограждений, перил, настилов, заклепок); фасонных профилей для вагонов, автомобилей, сельскохозяйственного машиностроения; крепежных деталей, ручек, тяг, рычагов, штырей и т. д.
Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества приведен в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Химический состав некоторых углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380—94)
Сталь Массовая доля элементов, %
С Мп Si
СтО Не более 0,23 —
Ст1кп 0,06...0,12 0,25...0,50 Не более 0,05
Ст1пс 0,06...0,12 0,25...0,50 0,05...0,17
Ст1сп 0,06...0,12 0,25...0,50 0,12...0,30
Ст2пс 0,09...0,15 0,25...0,50 0,05..,0,17
Ст4кп 0,18...0,27 0,40.. .0,70 Не более 0,07
Стбсп 0,38...0,49 0,50...0,80 0,15...0,35
Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Механические свойства некоторых углеродистых сталей обыкновенного качества
Сталь о„ МПа ат, МПа, не менее 5, %, не менее
СтО 310 — 20
Ст1сп 310...410 — 31
Ст2кп 320...410 200 30
Стбпс 490...630 260 17
Стбсп Не менее 590 300 12
Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 08, 10, 15, 20 и т.д. до 85). Химический состав некоторых марок сталей приведен в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Химический состав стали конструкционной углеродистой качественной (ГОСТ 1050-88)
Сталь Массовая доля элементов, %
С Si Мп
05кп Не более 0,06 Не более 0,03 Не более 0,04
08 0,05...0,12 0,17...0,37 0,35...0,65
10 0,07...0,14 0,17...0,37 0,35...0,65
15 0,12.-0,19 0,7...0,37 0,35...0,65
20 0,17...0,24 0,17...0,37 0,35...0,65
30 0,27...0,35 0,17...0,37 0,50...0,80
40 0,37...0,45 0,17...0,37 0,50—0,80
55 0,52...0,60 0,17...0,37 0,50...0,80
60 0,57...0,65 0,17...0,37 0,50...0,80
Качественные стали производят и поставляют без термической обработки, термически обработанными и нагартованными. Механические свойства гарантируются после нормализации, закалки и отпуска, нагартовки и отжига.
Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают различными механическими и технологическими свойствами. Из них изготавливают детали типа винтов, гаек, болтов, зубчатых колес, деталей автомобилей, кулачков, осей и др.
Основным недостатком этих сталей является их малая прокаливаемость и склонность к перегреву при термической обработке.
Характерной особенностью автоматных сталей является их хорошая обрабатываемость резанием, что достигается за счет повышенного содержания в стали серы (до 0,30 %) и фосфора (до 0,15 %), а также за счет добавок свинца (0,15...0,30 %)или его аналога — селена в количестве до 0,1 %. Сера и фосфор облегчают процесс резания благодаря измельЧению стружки, свинец и селен — за счет эффекта внутренней смазки, снижающего коэффициент трения в паре заготовка — инструмент. Роль внутренней смазки выполняют сами элементы, которые из-за крайне низкой растворимости в железе находятся в стали практически в свободном состоянии в виде включений. Автоматные стали маркируют буквой А, за которой следует двузначное число, указывающее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы С и Е в обозначении стали указывают на наличие в ее составе соответственно свинца и селена. Широко используются следующие марки автоматных сталей: All, А12, А20, АЗО, АС40, АС14, АС20ХГНМ и др.
Автоматные стали по причине особенностей их химического состава обладают невысокими показателями пластичности и вязкости. Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагружен- ных деталей на станках-автоматах (болты, винты, гайки, мелкие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей из них получается чистой и ровной. Износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой. Стали АЗО и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие нагрузки. У автоматных сталей, содержащих свинец (АС11, АС40), стойкость инструмента повышается в 1...3 раза, а скорость резания — на 25...50 %.
Легированные хромистые и хромоникелевые стали с присадкой свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ) используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности.
Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У в начале и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в десятых долях процента, и делятся на качественные (У7, У8, У9...У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А...У13А). Из них можно изготавливать инструмент, который в процессе работы не разогревается выше 150 °С. Это ножовочные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент. Окончательная термическая обработка инструмента заключается в закалке и низком отпуске. Температура отпуска в зависимости от условий работы инструмента может находиться в пределах от 150 °С (напильники) до 350 °С (пилы для дерева).
Основными достоинствами инструментальной углеродистой стали по сравнению с легированными сталями являются:
возможность закалки с низких температур (750...820 °С) и получения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины, что важно для ручных метчиков и штампов для высадки, которые работают на износ и с динамическими нагрузками;
низкая твердость в исходном (отожженном) состоянии, обеспечивающая хорошую обрабатываемость резанием и давлением, что позволяет применять накатку, насечку, плющение и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента;
низкая стоимость.
Вместе с тем низкая теплостойкость, небольшая прокаливаемость (10...15 мм при закалке в воде и 2...8 мм — в масле), чувствительность к перегреву и пониженная закаливаемость ограничивают область применения этих сталей.Легированные сталиОсновными легирующими элементами являются кремний, никель, марганец, хром. Такие элементы, как вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан и бор, вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. Однако высокие эксплуатационные характеристики легированных сталей обнаруживаются только после закалки и отпуска, так как в отожженном состоянии их механические свойства практически не отличаются от свойств углеродистых сталей. Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость и размер зерна.
Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Однако упрочнение феррита приводит к снижению ударной вязкости, особенно если концентрация легирующих элементов больше 1 %. Исключение составляет никель, который не снижает вязкости стали.
Карбидообразующие элементы (Cr, Мо, V, W, Nb, Ti) влияют на природу и свойства карбидов в стали. Специальные карбиды легирующих элементов способны при нагреве растворяться в аустените, а на стадии отпуска, выделяясь из перенасыщеного твердого раствора в виде мелкодисперсных фаз, упрочнять сталь. Легирование сталей хромом, бором, молибденом повышает их прокаливаемость. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость комплексное легирование Cr + Мо, Cr + Ni, Cr + Ni + Мо. Большинство легирующих элементов измельчают зерно, но особенно эффективно это делают ванадий, ниобий, титан, цирконий, алюминий.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные легированные стали, применяемые в народном хозяйстве.6.4.1. Конструкционные сталиЦементуемые стали обычно содержат 0,1...0,25 % углерода, а в качестве легирующих элементов — хром, марганец, бор, молибден, ванадий, титан, никель в пределах от 0,002 (В) до 4,4 % (Ni). После цементации, закалки и низкого отпуска изделия из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (58...62 HRC,) и вязкую сердцевину с твердостью 15...30 HRC3. К углеродистым цементуемым сталям относятся стали 10, 15, 20. Характерными представителями легированных цементуемых сталей являются:
стали средней прочности (15ХР, 15Х, 20Х, 20ХН), которые идут на изготовление небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках (зубчатые колеса, валы, кулачки и т.п.). Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью, а детали, изготовленные из них, чувствительны к надрезам;
стали повышенной прочности (12ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА) идут на изготовление деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повышенных нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.). Эти стали малочувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются и имеют повышенную прочность сердцевины.
Улучшаемые стали содержат 0,3...0,5 % углерода, легирующих элементов в сумме не более 5 % и используются после улучшения (закалки и высокого отпуска). Эти стали имеют высокую прочность и пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, работающих под воздействием циклических и ударных нагрузок.
Хромистые стали (ЗОХ, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовление коленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15...25 мм), склонны к отпускной хрупкости. Прочность сталей увеличивается с увеличением содержания углерода, но при этом снижается пластичность.
Хромокремнемарганцевые стали (ЗОХГСА, 35ХГСА) имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются, имеют невысокую прокаливаемость и широко применяются в автомобилестроении.
Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием динамических нагрузок (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а пластичность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на большую глубину.
Лучшими показателями среди сталей обладают хромоникелъ- молибденовые (40ХНМА, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМФА). Эти стали имеют высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливаются. Из них изготавливают сильно нагруженные детали, а также валы, роторы, турбины, работающие в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят путем закалки с 850 °С в масле и последующего отпуска при 620 °С.
Высокопрочные стали — это стали, имеющие предел прочности а„ > 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним относятся стали типа 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. В табл. 6.6 приведены механические свойства двух марок высокопрочных сталей после закалки с 900 °С и низкого отпуска при 250 °С.
Указанная прочность сталей сохраняется благодаря низкому отпуску, а удовлетворительная пластичность обеспечивается высокой степенью чистоты и мелкозернистой структурой.
Таблица 6.6
Механические свойства высокопрочных сталей
Сталь Механические свойства сталей
ав, МПа 8,% KCU, МДж/м2
ЗОХГСНА 1850 13 50 0,55
40ХГСНЗВА 2000 11 43 0,45
Общая тенденция развития техники и стремление к созданию легких, нематериалоемких машин требуют применения сталей, имеющих о„ >2000 МПа и высокие показатели пластичности. После закалки и низкого отпуска уровень прочности таких сталей определяется в основном содержанием углерода, увеличение которого свыше 0,4 % делает сталь хрупкой. В этой связи особый интерес вызывают мартенситно-стареющие стали, представляющие собой сплавы железа и никеля (8...20 %) с очень низким (до 0,03 %) содержанием углерода и дополнительно легированные титаном и алюминием, а также часто кобальтом и молибденом. Механические свойства сталей типа 03Н12К15М10 и 03Н18К9М5Т приведены в табл. 6.7.
Таблица 6.7
Механические свойства мартенситно-стареющих сталей
Сталь Механические свойства сталей
ст„ МПа 6,% KCU, МДж/м2
03Н18К9М5Т 2100 8 50 0,5
03Н12К15М10 2500 6 30 0,3
Эти стали закаливают с температур 800...860" °С на воздухе, так как никель и другие легирующие элементы стабилизируют твердый раствор, который благодаря этому переохлаждается до мартенситного превращения. Закалка фиксирует сильно перенасыщенный легирующими элементами, почти безуглеродистый (< 0,03 %) мартенсит, отличительными особенностями которого являются относительно невысокая прочность и очень высокая пластичность.
Основное упрочнение сталей достигается при последующем отпуске (старении) при 450...500 °С, когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные упрочняющие частицы интерметаллид- ных фаз (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др.), когерентно связанные с матрицей. В результате такого механизма упрочнения сплавы обладают высокой прочностью и малой чувствительностью к надрезам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур — от криогенных до 450...500 "С. Они обладают высокой технологичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо свариваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и текучести (a0i2 S 800 МПа) и сопротивлением усталости при достаточной пластичности (8 = 5 %, \|/ = 20...25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легированы одним или несколькими элементами: 1,5...2,8 % кремния; 0,6...1,2 % марганца; 0,2...1,2 % хрома; 0,1...0,25 % ванадия; 0,8...1,2 % вольфрама; 1,4...1,7 % никеля. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.
Наиболее широко в промышленности применяются кремнистые стали типа 55С2, 60С2А, 70СЗА, из которых изготавливают пружины вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и др. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхности заготовок при горячей обработке, что снижает предел выносливости. Поэтому для высоконагруженных рессор и пружин применяют стали марок 60С2ХА, 50ХФА, 60СГА, 60С2Н2А с прокаливаемостью до 50...80 мм. Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, ванадием, никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве.
Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троостит или деформационному упрочнению после патентиро- вания. Патентирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65...0,9 % углерода, и заключается в ее высокотемпературной аустениза- ции для получения однородного аустенита и последующего пропускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450...550 °С.
Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землеройных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывает усталостное выкрашивание на рабочих поверхностях и излом деталей. Такой механизм изнашивания особенно актуален для подшипников, элементы которых изготавливают из шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % углерода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шарикоподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических включений.
Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зернистого перлита. Закалку осуществляют с температур 820...860 °С в масле, отпуск — при 150...170 °С с выдержкой в течение 2...3 ч. Время между закалкой и отпуском не должно превышать 3 ч для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали. После окончательной термической обработки твердость стали составляет 62...65 HRC3, структура — мартенсит с включениями мелких карбидов и остаточный аустенит (8...15 %). Для стабилизации размеров деталей их обрабатывают холодом при температурах -70...80 °С.
Детали машин, работающие в условиях абразивного изнашивания и больших ударных нагрузок, такие как корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничных тракторов, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали марки 110Г13Л (сталь Гадфильда), которая содержит 1... 1,4 % углеродаи 12...14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (буква Л в марке стали). Сталь 110Г13Л подвергают закалке с 1100 °С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую твердость (220...250 НВ) и высокую вязкость. Высокая износостойкость стали обеспечивается наклепом аустенита в поверхностном слое в процессе работы в условиях ударного воздействия. В результате твердость поверхности повышается до 600 НВ, а сердцевина остается вязкой.6.4.2. Инструментальные стали
К инструментальным сталям относятся легированные стали повышенной прокаливаемости и специальные легированные стали — штамповые и быстрорежущие.
Легированные инструментальные стали в соответствии с особенностями их химического состава условно можно отнести к трем группам. Первую группу образуют стали X, 9ХС и ХВСГФ. Присадки хрома в количестве 1...1,5 % обеспечивают повышение прокаливаемости сталей. Кремний (до 1,6 %) дополнительно улучшает прокаливаемость и повышает отпускоустойчивость. В большей степени условиям рационального легирования отвечает сталь ХВСГФ, дополнительно легированная вольфрамом, ванадием и марганцем. Она обладает наилучшим комплексом свойств среди легированных инструментальных сталей (ав = = 2500...2700 МПа, сохраняет твердость 60 HRC, до 250...260 °С).
Ко второй группе относятся стали 9Г2Ф, 9ХВГ и ХВГ, отличающиеся повышенным содержанием марганца при нормальном (на уровне примеси) содержании кремния. Марганец, вызывая при закалке резкое снижение температурного интервала мартенситного превращения в стали, способствует сохранению повышенного количества остаточного аустенита в ее структуре. Как следствие, уменьшается уровень термических напряжений и деформаций при закалке инструмента. По этой причине стали получили название мал од сформирующихся.
В третью группу входят стали В2Ф и ХВ4Ф, легированные вольфрамом и отличающиеся повышенной твердостью. У стали ХВ4Ф благодаря образованию в структуре наряду с цементитом карбидов М8С твердость после термической обработки достигает 68...70 HRC,. Термическая обработка инструмента, изготовленного из легированных сталей, заключается в отжиге, закалке и низком отпуске. Для вольфрамосодержащих сталей вместо отжига проводят высокий отпуск.
Из легированных сталей изготавливают крупногабаритный инструмент, температура которого в процессе, работы не превышает 150.i.200 °С. Номенклатура инструмента — круглые плашки, крупные протяжки и зенкеры, обрабатывающие мягкие материалы, крупные вытяжные штампы, прошивные пуансоны и т.п. Сталь X используют главным образом для измерительного инструмента.
Штпамповые стали подразделяются на стали для штампов холодного и горячего деформирования.
Инструмент для деформации металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (> 58 HRCJ. Для такого инструмента обычно используют стали со структурой низкоотпу- щенного мартенсита, содержащие около 1 % углерода. Штампы небольших размеров и простой конфигурации с относительно легкими условиями работы изготавливают из углеродистых инструментальных сталей (штампы диаметром до 30 мм для высадки и вытяжки, деформирующие с небольшой скоростью, чеканочные с глубокой гравюрой для обработки мягких цветных металлов и т.п.). Для аналогичных штампов, отличающихся боле? сложной конфигурацией и более тяжелыми условиями работы, применяют легированные инструментальные стали.
Для штампов холодного деформирования, работающих в условиях высоких динамических нагрузок, используются специальные инструментальные стали повышенной ударной вязкости (6ХЗМФС, 6ХС, 6ХВ2С и 7X3). Отличительный признак химического состава этих сталей — пониженное содержание углерода, что и является залогом их повышенной вязкости.
Особую группу холодноштамповых сталей образуют стали ледебуритного класса, отличающиеся повышенным содержанием хрома (Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ). Высокохромистые стали обладают повышенной прокаливаемостью (до 250 мм) и износостойкостью (за счет присутствия в структуре стали большого количества особо твердых карбидов Сг32С3). Они используются для тяжелонагруженного холодноштампового инструмента, работающего с повышенной скоростью. После закалки с температур 950...1010 °С инструмент отпускают на твердость 60...63 HRC3 при 150...160 °С, а на 57...58 HRC, — при 260...275 °С.
Стали для штампов горячего деформирования, или, как их еще называют, молотовые, должны обладать повышенной ударной вязкостью в крупных сечениях (более 0,4 МДж/м2 на образцах с надрезом). Для выполнения этого важнейшего условия содержание карбидообразующих элементов в стали ограничивается в ущерб таким свойствам, как износостойкость и теплостойкость (стали сохраняют твердость 45 HRC3 до 350...450 °С). Высокая прокаливаемость достигается за счет легирования хромом, никелем, марганцем. К молотовым горячештамповым сталям относятся 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 4ХМФС.
Прессовый инструмент, штампы горизонтально-ковочных машин, а также матрицы пресс-форм литья под давлением изготавливают из более легированных сталей, теплостойкость которых для твердости 45 HRC3 составляет 590...630 °С. Наиболее широко используются стали ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС, 5ХЗВЗМФС. Горячештамповый инструмент после закалки подвергают высокому отпуску на твердость 38...46 HRC3 (молотовые штампы) и 45...50 HRC, (прессовый инструмент).
Быстрорежущие стали являются основным материалом для большинства режущих инструментов. Важнейшим свойством быстрорежущих сталей является теплостойкость, которая сочетается с высокой твердостью (до 70 HRC3), износостойкостью и повышенным сопротивлением пластической деформации. Под теплостойкостью понимают способность стали при нагреве рабочей части инструмента в процессе эксплуатации сохранять структуру и свойства, необходимые для деформирования или резания обрабатываемого материала. Теплостойкость создается специальной системой легирования стали и закалкой с очень высоких температур (для высоковольфрамовой стали до 1300 °С). Основными легирующими элементами являются вольфрам и его химический аналог молибден, который может замещать вольфрам в соотношении W : Мо = 1 : 1,4...1,5 (если содержание молибдена в стали не превышает 5 %). Для большинства современных рационально легированных быстрорежущих сталей суммарное содержание вольфрама и молибдена принято в пределах 12 % [W + (1,4...1,5)Мо = 12]. Быстрорежущие стали легируют также хромом, ванадием, кобальтом и некоторыми другими элементами. Ранее говорилось, что быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова «рапид» — быстрый). Цифры после буквы Р указывают на содержание вольфрама в процентах. Другие легирующие элементы обозначаются соответствующими буквами, а их содержание в процентах — цифрами. Исключение представляет хром, который в количестве около 4 % находится практически во всех быстрорежущих сталях, однако в обозначении марки стали не указывается.
Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В их структуре помимо вторичных карбидов присутствуют первичные карбиды эвтектического происхождения М6С, МС, М23С6.
Помимо теплостойкости другим важнейшим свойством быстрорежущей стали является вторичная твердость, получаемая при отпуске. Отпуск на вторичную твердость сопровождается эффектом дисперсионного твердения, т.е. выделением при отпуске мелкодисперсных фаз-упрочнителей с карбидной природой. В результате твердость стали после отпуска возрастает. Для получения при закалке высоколегированного твердого раствора за счет более полного растворения тугоплавких карбидов быстрорежущей стали температура аустенизации должна быть высокой — До 1300 °С для сталей с высоким содержанием вольфрама. После закалки сталь сразу же подвергают многократному (обычно трехкратному) отпуску при 560 °С по 1 ч. Многократным отпуск делают для более полного и эффективного превращения остаточного аустенита в мартенсит.
Структура быстрорежущей стали после полной термической обработки представлена мартенситом отпуска, первичными и вторичными карбидами. Рабочая твердость быстрорежущих сталей находится в пределах 62...68 HRC3 в зависимости от их системы легирования.
По главному показателю — теплостойкости — быстрорежущие стали делят на три группы: умеренной, повышенной и пониженной теплостойкости.
К сталям умеренной теплостойкости относятся Р18, Р12, Р6М5, Р8МЗ, которые сохраняют твердость 60 HRC3 до 615...620 °С. Эти стали предназначены для изготовления большинства режущих инструментов, обрабатывающих стали и чугуны с твердостью 250...280 НВ.
Стали повышенной теплостойкости отличаются повышенным содержанием углерода или ванадия, а также дополнительно легированы кобальтом (Р6М5, Р8МЗ, Р12ФЗ, Р6М5К5, Р9М4К8Ф) и обладают теплостойкостью 640...650 °С. Они используются для обработки сталей аустенитного класса либо обычных конструкционных материалов, но с повышенными скоростями резания.
Третью группу образуют экономнолегированные и безвольфрамовые быстрорежущие стали пониженной теплостойкости: РЗМЗФ2, Р2М8, Р0М8. Главной особенностью этих сталей является малое количество и специфический состав карбидной фазы, что делает сталь малочувствительной к масштабному фактору (т.е. прочность и вязкость меняются незначительно при увеличении диаметра проката до 80. ..100 мм) и допускает использование сравнительно низких температур закалки (1100...1150 °С). Поэтому эти стали рекомендуются для изготовления крупногабаритного инструмента, работающего с невысокими скоростями и подвергающегося при эксплуатации значительным динамическим нагрузкам.
Быстрорежущие стали, отличающиеся повышенным содержанием углерода, ванадия, кобальта (например, Р7М2ФЗ-МП, Р9М4К8-МП), используют для обработки труднообрабатываемых материалов.6.4.3. Стали специального назначенияКоррозионно-стойкие (нержавеющие) стали относятся к специальным сталям и идут на изготовление деталей, работающих под воздействием агрессивных сред. Эти стали при эксплуатации должны обладать не только определенными механическими свойствами, но и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее часто в таких случаях используются хромистые и хромоникеле- вые стали.
Хромистые нержавеющие стали содержат 0,1...0,45 % углерода и не менее 13 % хрома. Они сопротивляются коррозии при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, азотной и многих органических кислотах. В морской воде они подвержены коррозионному растрескиванию.
Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Стали 12X13 и 20X13 доэвтектоидные и в отожженном состоянии их структура состоит из хромистого феррита и перлита. После закалки с температуры 1000...1100 °С в масле и отпуска при 700...750 °С структура стали состоит из феррита и карбидов хрома. Твердость стали 200...250 НВ. Эти стали хорошо свариваются, штампуются и идут на изготовление лопаток гидравлических турбин, емкостей, арматуры.
Сталь 30X13 эвтектоидная и имеет перлитную структуру, 40X13 — заэвтектоидная, в структуре которой дополнительно образуется легированный цементит и карбиды хрома. После за- калкис 1000...1050 °Св масле и отпуска при 180... 200 °С структура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50...60 HRC3) и достаточной коррозионной стойкостью. Эти стали используются для изготовления шестерен, пружин, хирургического инструмента и т.д.
Хромоникелевые нержавеющие стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к сталям аустенйтного класса, в структуре которых иногда присутствуют карбиды хрома. Они используются в тех же средах, что и хромистые, но могут работать и при повышенных температурах. Эти стали технологичны, хорошо обрабатываются давлением и сваркой;
Структура сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля, а также вида термической обработки, которой они подвергнуты. Термическая обработка этих сталей заключается в нагреве и выдержке при 1100...1150 °С с целью более полного растворения карбидов в аустените и закалке в воде для предотвращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитной коррозии из-за малого содержания углерода и дополнительного легирования титаном, поэтому их называют стабилизированными. Они используются в авиа-, судо- и машиностроении.
Жаростойкие и жаропрочные стали относятся к специальным сталям, которые предназначены для изготовления деталей, стойких к химическому разрушению поверхности при высоких температурах (выше 550 °С). Жаростойкостью называется способность материала сопротивляться химическому действию окружающей среды при высокой температуре.
При эксплуатации в среде нагретого воздуха и в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали, на поверхности металла образуется рыхлый оксид железа FeO. На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной пленки: если она пористая, окисление происходит интенсивно, если плотная, окисление замедляется или даже совершенно прекращается.
Хром, кремний и алюминий являются теми элементами, которые образуют плотные оксиды.
Для уменьшения интенсивности окисления сталей при повышении рабочих температур необходимо увеличивать степень их легированности. Сталь 15X5 жаростойка до температур 700 °С; 12X17 — до 900 °С; 15X28 — до 1110...1150 °С. Структура стали на жаростойкость не влияет.
Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению при высоких температурах. Оценивается жаропрочность испытанием материала на растяжение при высоких температурах. Так как напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях повышенных температур, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки, при тестировании материала учитывается время действия нагрузки. По сопротивлению пластической деформации определяется предел ползучести, а по сопротивлению разрушения — предел длительной прочности. Например, предел ползучести о f/iooooo = 100 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая деформация 1 %; предел длительной прочности a foooo = 130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10 000 ч.
На повышение жаропрочности влияют:
высокая температура плавления основного металла, наличие в структуре сплава твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы;
пластическая деформация, вызывающая наклеп;
высокая температура рекристаллизации;
термическая и термомеханическая обработка;
введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, цезий, ниобий, цирконий в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.
Основными жаропрочными материалами являются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, используемые при температурах 450...700 °С.
Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08...0,15 % углерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом до 1000 °С и отпуска при температуре 650...750 °С в течение 2...3 ч стали имеют структуру пластинчатого перлита. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температуре 450...580 °С и используются главным образом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1 % за 104 или 105 ч.
Мартенситные жаропрочные стали содержат 0,10...15 % углерода, 10...12 % хрома и легированы молибденом, ванадием, ниобием, вольфрамом (20Х12ВНМФ, 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ). Стали, содержащие до 0,55 % углерода, 5...15 % хрома и 1,5...3 % кремния, получили название силъхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40Х10С2М. Жаропрочные свойства сильхромов возрастают по мере увеличения степени легированности сплава.
Стали мартенситного класса после закалки или нормализации с температур 950...1100 °С (для растворения карбидов) и отпуска при 600...740 °С имеют структуру легированного феррита и мелких карбидов. Эти стали глубоко прокаливаются и предназначены для длительной эксплуатации при температуре до 600 °С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы), а также трубы и крепежные детали.
Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 °С и отпускают при 720...780 °С. Применяют сильхромы для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей моторов с рабочими температурами в интервале 600...900 °С. При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготавливают из сталей аустенитного класса.
Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 15Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР) содержат около 0,1 % углерода и легированы хромом и никелем. Содержание хрома и никеля выбирают такое, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Такие элементы, как молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам и Др., вводят в сталь для повышения жаропрочности, так как они образуют карбидные и интерметаллид- ные фазы-упрочнители. В результате закалки с 1050...1200 °С получают высоколегированный твердый раствор. В процессе старения при 600...800 °С происходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температуре 500...700 °С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т.д.).

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ7.1.
Я_—_,
Обшее понятие о цветных металлахТрадиционно к цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и его сплавов, которые составляют группу черных металлов.
Цветные металлы и сплавы на их основе, несмотря на более высокую стоимость по сравнению со сплавами на основе железа, нашли широкое применение в различных отраслях машиностроения. Это объясняется их уникальными физическими и химическими свойствами, а в ряде случаев высокой удельной прочностью, что является определяющим фактором для таких областей, как авиа- и ракетостроение.
Для сравнения в табл. 7.1 приведены прочностные характеристики представителей ряда цветных сплавов, бериллия и стали 03Х18К9М5Т.
Таблица 7.1
Удельная прочность бериллия и сплавов
Характеристика Материал
МАЮ В96 ВТ15 Be 03Х18К9М5Т
Временное сопротивление С,, МПа 430 700 1500 680 2000
Удельная прочность а„/у (разрушающая длина), км 21 23 30 37 27
Как следует из таблицы, удельная прочность сплавов на основе цветных металлов соизмерима, а иногда и выше, чем у высоколегированной стали. Если учесть высокую тепло- и электропроводность, хорошую коррозионную стойкость и технологичность большинства сплавов на основе меди, алюминия, титана и магния, можно легко объяснить их широкое распространение в технике.
Алюминий и его сплавыАлюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку, которая не претерпевает полиморфных превращений при нагреве. Температура плавления алюминия 660 °С. Этот металл имеет низкие плотность (2,7 г/см3) и прочность (ав = 100 МПа), высокие электро- и теплопроводность, пластичность (5 = 30 %) и коррозионную стойкость. Высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности плотной пленки оксида А1203. Легирование медью, магнием, цинком, кремнием и реже лантаном, ниобием, никелем резко улучшает его механические и технологические свойства.
Алюминиевые сплавы широко применяются в пищевой промышленности, автостроении, электротехнике, строительных конструкциях и криогенной технике, но их основная область применения — самолетостроение.
Высокочистый алюминий марок А995, А99, А97, A95, содержащий 0,005...0,15 % примесей, используется в лабораторных целях и для приготовления особо чистых сплавов. Алюминий технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5 и АО с примесями 0Д5...1 % применяют для получения технических сплавов. Постоянными примесями алюминия является железо и кремний, с ростом содержания которых снижается пластичность, но растет твердость и прочность.
Сплавы на алюминиевой основе характеризуются хорошей технологичностью. Они хорошо обрабатываются резанием, легко свариваются, хорошо куются, многие из них обладают высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью (кроме сплавов А1—Си). Алюминий образует со многими легирующими элементами твердые растворы с ограниченной растворимостью, что позволяет применять для таких сплавов термическую обработку, состоящую из закалки на перенасыщенный раствор и последующего старения.
I *> Jm О
На рис. 7.1 приведена диаграмма, характерная для системы алюминий — легирующий элемент. Точка К соответствует предельной растворимости легирующего элемента. Сплавы, расположенные левее точки К, имеют при нагреве однофазный твердый а-раствор, который определяет их высокую пластичность. Эти сплавы относятся к деформируемым и делятся на деформи-t, °С
"Г l
„ А / « в I ] II 'а+Ри а+Рп+
+Э AlЛегирующий
элемент
Рис. 7.1. Диаграмма состояния алюминий — легирующий элемент: А — деформируемые сплавы; В — литейные сплавы; I, II — сплавы, соответственно неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой
руемые, неупрочняемые (зона I) и упрочняемые (зона И) термической обработкой.
Зона II расположена на диаграмме правее зоны I. Закалка сплавов зоны II позволяет получать перенасыщенные твердые растворы, что используется для их упрочнения. Искусственное или естественное старение закаленных деталей из этих сплавов приводит к дисперсионному твердению, в результате чего повышается их твердость и прочность. Обработка давлением также вызывает выделение из перенасыщенного раствора дисперсных фаз, которые препятствуют рекристаллизации и упрочняют сплав. Структура сплавов, имеющих химический состав по легирующему элементу правее точки К, состоит из а-твердого раствора и эвтектики. Такие сплавы обладают хорошими литейными свойствами, которые улучшаются по мере роста количества эвтектики в структуре сплава.
Железо и кремний во всех сплавах являются нежелательными примесями, так как они образуют самостоятельные хрупкие фазы FeAI3 и а(А1, Fe, Si). Легирование марганцем снижает вредное влияние кремния и железа, так как в этом случае образуется компактная четвертная а(А1, Fe, Si, Мп)-фаза. Но наиболее эффективным приемом является снижение содержания кремния и железа в сплаве. В последнем случае в маркировке сплава добавляется буква Ч (чистый) или ПЧ (повышенной чистоты).
Деформируемые алюминиевые сплавы легированы медью, магнием, марганцем и в отдельных случаях титаном, цинком и кремнием. Они делятся на две группы: упрочняемые и неуп-рочняемые термической обработкой. Склонность к упрочнению зависит от количества и природы вторичной фазы, выделяющейся из перенасыщенного раствора на базе алюминия при старении.

Диаграммы состояния сплавов алюминия с марганцем, магнием и медью приведены на рис. 7.2, а состав и некоторые их свойства — в табл. 7.2.

АМг Ап8
Д,в
А10.051 2 Мп, % А11,4 10 20 Mg, % Al 10 20 33 Си, % Рис. 7.2. Диаграммы состояния Al—Мп (a), Al—Mg (б), А1—Си (в)
Таблица 7.2
Химический состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов
Марка Состав, % Свойства
сплава Си Mg Мп Si Прочие o„, МПа S, %
АМц — — 1,0...1,6 — — 130 20
АМг2 — 1,8...2,6 0,2...0,6 — — 190 24
АМг5 — 4,8...5,8 0,3...0,8 — 0,02...0,1 Ti; 0,0002...0,005 Be 270 18
Д1 3,8...4,8 0,4...0,8 0,4...0,8 — 410 20
Д16 3,8...4,9 1,2...1,8 0,3...0,9 — — 440 18
В95 1,4...2,0 1,8-2,8 0,2...0,6 — 5...7 Zn; 0,01—0,2 Cr 540 10
АК6 1,8...2,6 0,4...0,8 0,4...0,8 0,7...1,2 — 420 12
АК9 — 0,2...0,4 0,2...0,5 8...11 — 240 4
АМ5 4,5...5,3 — 0,6...1,0 0,2—0,3 Ti 340 4
АМгЮ — 9,5...10,5 — — — 320 12
АК8М 1,0...1,5 0,3...0,5 0,3...0,5 7,5...9,0 0,1-0,3 Ti 270 3
Примечание. Выше штриховой линии указаны сплавы дефо ниже — литейные.
рмируемые,

Для условного обозначения алюминиевых деформируемых сплавов (ГОСТ 4784-97) используется следующая система. Буква Д в начале марки обозначает сплавы типа дуралюминов; АК — алюминиевый ковочный сплав; В — высокопрочный сплав; АМц — сплав А1-Мп; АМг — сплав Al-Mg. Цифры после букв1 В, Д и К — условный номер сплава; цифра после Мг — средняя массовая доля магния в сплаве.
Сплавы АМц, АМг2 и АМг5 относятся к неупрочняемым термической обработкой. Из диаграммы состояния А1—Мп видно, что теоретически упрочнение возможно за счет выделения из перенасыщенного раствора дисперсной фазы МпА16. Но присутствие в сплавах постоянной примеси (железа) дает вместо нее сложную фазу (Мп, Fe)Al6, нерастворимую в твердом алюминии, что исключает образование перенасыщенного раствора. Тем не менее пластическая деформация вызывает заметное упрочнение сплава. Эти сплавы идут на изготовление изделий, получаемых глубокой вытяжкой из листовых заготовок, в виде которых они поставляются.
Сплавы АМг практически не упрочняются термической обработкой, но упрочняются нагартовкой (наклепом). Наличие магния повышает склонность сплавов к окислению, а добавка бериллия устраняет этот недостаток, но способствует укрупнению зерна слитков. Для измельчения зерна необходимо микролегирование титаном и цирконием. Из неупрочняемых термической обработкой сплавов изготавливают баки, трубопроводы, заклепки, корпуса судов и лифты.
Упрочняемые термической обработкой сплавы (дуралюмины) характеризуются сочетанием высокой прочности и пластичности. Это сплавы системы Al—Си—Mg. Как следует из диаграммы, приведенной на рис. 7.2, в, максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,65 %, минимальная — 0,1 %. Закалкой фиксируется перенасыщенный твердый раствор на базе алюминия. Выделяющаяся из раствора при старении 0-фаза (СиА12, а в сплавах системы А1—Си—Mg — CuMgAl2) приводит к резкому упрочнению сплавов. Максимум прочности достигается при содержании 4 % меди и 1 % магния. Термическая обработка сплавов включает закалку с 500 °С и последующее старение: естественное — при комнатной температуре, искусственное — при нагреве до 100... 150 °С. В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди — так называемые зоны Гинье — Престона. В этих зонах кристаллическая решетка алюминия искажена, вследствие чего в кристаллах возникают большие напряжения, что увеличивает прочность и твердость материала. Дальнейшее увеличение выдержки или повышение температуры старения приводит к укрупнению зон, а затем к выделению мельчайших частиц 0-фазы и завершению процесса дисперсионного упрочнения.
У различных по составу стареющих алюминиевых сплавов упрочнение достигается преимущественно за счет зонного либо фазового старения. Следует отметить, что зонное старение обеспечивает более «мягкое» упрочнение материала, который сохраняет повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Выделение 6-фазы сопровождается снижением пластичности и вязкости.
Достоинством дуралюминов является их высокая удельная прочность, благодаря чему они широко используются в самолетостроении, недостатком — их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дуралюминий плакируют чистым алюминием либо подвергают электрохимическому оксидированию. При этом прочность плакированного или анодированного сплава незначительно снижается, зато коррозионная стойкость резко возрастает.
Высокопрочные сплавы В относятся к системе Al—Zn—Mg—Си и отличаются высокими значениями а„, достигающими 700 МПа. В ходе дисперсионного твердения выделяются сложные фазы интерметаллидов (MgZn, CuMgAl2, Mg3Zn3Al2). Пластичность сплавов невысокая (8 = 7...12 %), но она может быть увеличена путем повышения температуры старения до 170 °С. В этом случае наблюдается укрупнение и коагуляция дисперсных фаз.
Ковочные сплавы АК отличаются высокой пластичностью. По составу это дуралюмины, но с добавкой кремния. После старения в сплаве образуются фазы AlCuMgSi и Mg2Si. Из этих сплавов штамповкой при 450...470 °С получают детали самолетов и судов. С ростом содержания меди прочность сплавов увеличивается, а пластичность падает.
Литейные алюминиевые сплавы в первом приближении можно разбить на четыре группы: Al—Si, Al—Си, Al—Mg и сложные, содержащие в разной пропорции кремний, медь, магний и другие элементы. Примеры сплавов из каждой группы были приведены в табл. 7.2.
Принцип маркировки алюминиевых литейных сплавов (ГОСТ 1583-93) несколько отличается от принципа маркировки деформируемых сплавов. Буква А означает, что сплав алюминиевый литейный, а остальные буквы — элементы сплава: К— кремний; М — медь; Н — никель; Ц — цинк; Су — сурьма; Мг — магний; Кд — кадмий; Мц — марганец". Цифры после букв обозначают среднюю массовую долю соответствующего элемента (в %).
Наиболее широко применяемые литейные сплавы — это сплавы эвтектической системы Al—Si (силумины), обладающие хорошими литейными свойствами. Они «герметичны», имеют хорошую жидкотекучесть и не склонны к образованию трещин и усадочных дефектов. Как следует из рис. 7.3, структура силумина состоит из а-фазы и эвтектики (а + Si). Несмотря на уменьшение растворимости кремния с 1,65 до 0,05 %, дисперсионного упрочнения в растворе не происходит в связи с выпадением кремния из раствора и коагуляцией его частиц уже в процессе закалки. Поэтому основной способ повышения свойств силуминов — модифицирование расплава натрием, который вводится в виде металлического натрия или в виде хлористых или фтористых солей. Если в немодифицированном силумине эвтектический кремний выделяется в виде крупных игл (рис. 7.4, а), то в модифицированном — в виде дисперсных включений (рис. 7.4, б).
Наиболее широко распространенным среди силуминов является сплав АК12, содержащий 10... 13 % кремния и обладающий высокой коррозионной стойкостью. Однако его механические свойства недостаточно высоки и если необходимо обеспечить повышенные прочностные показатели, его заменяют доэвтектическими силуминами с добавками магния, меди, марганца и титана (АК9, АК5М, АМгЮ). Силумины с такими добавками более прочны и тверды. Первые два элемента позволяют упрочнять сплав термической обработкой, состоящей из закалки с 515...535 °С и старения при 150...180 °С, а марганец, титан и цинк способствуют получению перенасыщенных растворов, что вызывает упрочнение при старении, даже если закалка не применялась. Из силуминов получают корпуса компрессоров, поршни двигателей, головки и блоки цилиндров, крышки и т.д.
Литейные сплавы группы Al—Си имеют высокую прочность при повышенных температурах, хорошо обрабатываются реза-
t, "С

400 a+(a+Si)
600
Si+ +(a+Si)

11,6 % IJL
4 10 16 Si, %
Puc. 7.3. Диаграмма состояния Al—Si

Puc. 7.4. Микроструктура силумина до (a) и после (б) модифицирования
нием и свариваются, но литейные свойства у них низкие, а отливки из них пористые. Добавки титана и марганца благоприятно влияют на их свойства, особенно после термической обработки. Сплавы этой группы применяются для изготовления поршней, литейной оснастки и других высоконагруженных деталей.
200
Литейные сплавы группы Al—Mg обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обрабатываются резанием. Так как в их структуре нет эвтектики, они имеют низкие литейные свойства, отливки из них негерметичны. Примеси железа и кремния резко снижают их пластичность. Эти сплавы склонны к окислению при плавке. Дополнительное легирование бериллием, титаном и цинком устраняет этот недостаток. Закалка с 530 °С и последующее старение способствуют существенному повышению прочности. В основном эти сплавы применяются для отливки деталей приборов и деталей, работающих в условиях высокой влажности.Магний и его сплавыМагний имеет низкую плотность (1,73 г/см3); у него гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка, которая не претерпевает превращений до температуры плавления (650 °С).
7,3,
Выпускается несколько марок чистого магния: Мг96 (99,96 % Mg), Мг95 и Мг90. Примеси железа, кремния, никеля, меди снижают и без того низкую пластичность и коррозионную стойкость. На воздухе нагрев свыше 623 °С приводит к его воспламенению. Склонность к окислению объясняется не только высокой химической активностью магния, но и растрескиванием пленки оксидов, плотность которой выше, чем у чистого магния. Изменение растворимости различных легирующих элементов по мере повышения температуры, показанное на рис. 7.5, свидетельствует о возможности упрочнения сплавов закалкой и старением. Необходимо отметить, что термическая обработка сплавов затруднена в связи с медленной диффузией примесей. Так, нагрев и выдержка деталей перед закалкой протекают в течение 25...30 ч. По той же причине естественного старения не проис-

t, "С
500 Nd
300 100
Мп3,3
580
0 2 4 6 8 10 12 14...,%
Рис. 7.5. Растворимость легирующих элементов

ходит, требуется нагрев и длительная выдержка при 200 °С. Закалку можно производить, охлаждая детали на воздухе.
Дополнительного повышения прочности можно добиться термомеханической обработкой, т.е. пластической деформацией закаленных заготовок перед их старением.
Основным достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность. Легирование магния алюминием, цинком, марганцем и дополнительно цирконием, кадмием, церием и неодимом в сочетании с термической обработкой позволяет достичь ов свыше 400 МПа. При этом цирконий, обладая структурным и размерным прдобием кристаллической решетки, служит хорошим модификатором, а марганец устраняет вредное влияние железа и никеля.
Марки магниевых сплавов, их составы и свойства приведены в табл. 7.3. Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и хорошо свариваются в защитных средах. Их общие недостатки: низкая коррозионная стойкость, малые модули упругости, склонность к газонасыщению и воспламенению. Добавки бериллия уменьшают склонность к окислению. Все сплавы делятся на две группы: деформируемые (МА) и литейные (МЛ).
Если в процессе производства в сплавах снижается содержание железа, никеля и меди, то после марки ставят буквы ПЧ — повышенной чистоты (МЛ5ПЧ).
Таблица 7.3
Составы и свойства магниевых сплавов
Сплав Состав, % Свойства
Мп Zn Al Прочие „ ст., МПа 6, %
МА5 0,15...0,5 0,2...0,8 7,8...9,2 — 320 14
МАИ 1,5...2,5 — — 2,5. 0,1. .3,5 Nd; .0,22 Ni 280 10
МА19 5,5...7,0 0,5. 0,2. 1,4. .0,9 Zr; .1,0 Cd; ..2,0 Nd 380 5
MJI5 0,15...0,5 0,2...0,8 7,5...9,0 — 250 6
МЛ8 — 5,5...6,6 — 0,7. 0,2. ..1,1 Zr; .0,8 Cd 250 5
МЛ15 — 4,0...5,0 — 0,7. 0,6. ..1,1 Zr; ..1,2 La 210 3
По мере увеличения содержания алюминия в сплавах группы Mg—Al прочность возрастает вначале за счет легирования а-фазы, а затем вследствие появления дисперсной упрочняющей фазы Mg4Al3. Но более 10 % алюминия обычно не вводят, так как резко снижается пластичность сплавов. Термическая обработка сплавов позволяет повысить прочностные характеристики. Из сплавов этой группы штамповкой изготавливают крыльчатки, жалюзи и другие ответственные авиадетали. Присутствие в них марганца обязательно, так как он устраняет вредное влияние железа.
Сплавы группы Mg—Zn относятся к высокопрочным. Фаза MgZn2 упрочняет сплав, но снижает пластичность. Цинк рафинирует и модифицирует сплав. Кроме того, взаимодействуя с водородом, он способствует повышению плотности прессованных деталей. Старение после закалки для этих сплавов нежелательно, так как при нем снижается наклеп и упрочнение за счет выделения дисперсной фазы не компенсирует этой потери. Сплавы Mg—Zn плохо свариваются, а плавка их затруднена из-за медленного растворения цинка.
Литейные магниевые сплавы близки по составу к деформируемым. Отливки из них характеризуются грубозернистой структурой, что отрицательно сказывается на механических характеристиках. Применение чистых исходных материалов, перегрев расплава, выдержка в расплавленном состоянии и модифицирование измельчают структуру отливок. В качестве модйфикаторов применяют цинк, мрамор и мел.
Наиболее часто употребляются сплавы системы Mg—Al—Zn. Широкий интервал, кристаллизации сплавов вызывает появление пористости и трещин в отливках. По мере увеличения содержания алюминия литейные свойства ухудшаются; появление эвтектики способствует их улучшению, хотя при этом резко снижается пластичность. В связи с малой скоростью диффузии алюминия отливки закаливают на воздухе и подвергают старению при 170...190 °С.
Сплавы с цинком и цирконием, в особенности дополнительно легированные кадмием, отличаются высокими механическими свойствами, а отливки из них имеют плотную мелкозернистую структуру.
Литейные сплавы магния применяют в самолето-, авто- и приборостроении.

Медь и ее сплавыМедь — металл красного цвета, плотность которого составляет 8,9 г/см3, а температура плавления — 1083 °С. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку и не претерпевает превращений при нагреве. Чистая медь обладает высокой электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Свойства меди зависят от степени чистоты металла. Уровень содержания примесей определяет ее марку: М00 — 99,96 % Си; МО — 99,93; Ml — 99,00; М2-99,7 и МЗ — 99,5 % Си.
В литом состоянии прочностные свойства меди невысокие (ств = 160 МПа), но пластичность хорошая (5 = 25 %). Холодная пластическая деформация позволяет повысить а„ до 450 МПа, но пластичность при этом снижается (5 < 3 %).
Медь хорошо куется, но плохо обрабатывается резанием и из-за большой усадки и низкой жидкотекучести имеет плохие литейные свойства.
2
Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, сера и кислород. Висмут и свинец почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, что снижает способность к пластической деформации. Сера и кислород образуют с медью хрупкие эвтектики Си—Cu3S и Си—Си20, которые располагаются по границам зерен. При нагреве меди, содержащей кислород, во влажной атмосфере проявляется «водородная болезнь» меди:
Cu20 + Н2 = 2Си + Н20.
Образующиеся между зернами пары воды создают высокое давление и способствуют образованию трещин.
Все сплавы меди в зависимости от основного легирующего элемента делятся на две группы: латуни и бронзы.
Латунями называются двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. В системе Си—Zn образуется шесть твердых растворов с различной природой, но в используемых на практике сплавах (до 45 % Zn) структура представлена либо одной а-фазой, либо двумя фазами — а + р.
Из рис. 7.6 следует, что при достижении равновесных структур сплав, содержащий до 39 % цинка, является однофазным а-твердым раствором цинка в меди. В реальных отливках (i-фаза появляется уже при содержании свыше 30 % цинка. Кроме того, латуни содержат легирующие элементы (Al, Pb, Fe, Ni, Sn, Мп). Все они, кроме никеля, снижают растворимость цинка и способствуют образованию двухфазной (а + р')-латуни. Твердый а-рас- твор имеет ГЦК решетку и характеризуется высокой пластичностью.

Рис. 7.6. Диаграмма состояния Си—Zn
Электронное соединение CuZn, или р-фаза, существует при температуре свыше 454 °С, имеет неупорядоченное расположение атомов цинка и весьма пластично. При более низкой температуре оно превращается в р'-фазу, имеющую ОЦК решетку и упорядоченное расположение атомов. Это хрупкая и твердая структурная составляющая. Латуни со структурой (а + Р') более прочные и износостойкие, чем а-латуни, но пластичность у них низкая. Латуни, содержащие 20 % цинка, склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере, вероятность которого заметно уменьшается после отжига изделий при 250...270 °С.
На рис. 7.7 представлена микроструктура а-латуни в отожженном состоянии (х75) и микроструктура а + Р'-латуни с 40 % Zn (х150). Различная окраска блоков на рис. 7.7, а связаны с их различной склонностью к окислению травителем. Светлые зерна на рис. 7.7,6 — а-фазы, темные промежутки между ними заполнены р-фазой.

Рис. 7.7. Структура а-латуни (а) и а + Р'-латуни (б)
Различают деформируемые (ГОСТ 15527-70) и литейные (ГОСТ 17711-93) латуни. Маркируют латуни буквами и цифрами. Буквы используются для обозначения латуни (JI) и элементов сплава: А—алюминия; Ж — железа; Мц — марганца; Н —никеля; О — олова; С — свинца; К — кремния; Мш — мышьяка. В деформируемых латунях первые две цифры указывают среднюю массовую долю меди (%), в литейных после буквы Ц — цинка, все последующие — среднюю массовую долю других легирующих элементов (%). Прочность двойных деформируемых латуней (JI96...JI60) возрастает по мере увеличения содержания цинка. Улучшается и их обрабатываемость резанием, но коррозионная стойкость падает. Пластичность растет при содержании цинка до 30 %, а затем резко падает.
Для улучшения технологических свойств латуни легируют различными элементами. Добавки алюминия, кремния, марганца и никеля повышают сопротивление коррозии, а свинец улучшает обрабатываемость резанием.
Состав, свойства и область применения наиболее часто встречающихся марок латуней приведены в табл. 7.4.
Бронзами называются двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами.
Бронзы бывают деформируемыми (ГОСТ 501,7-74 и ГОСТ 18175-78) и литейными (ГОСТ 493-79 и ГОСТ 613-79). Их обозначают буквами Бр, элементы сплава — по аналогии с латунями, дополнительно используя следующие буквы: Ф—фосфор; Б — бериллий; Т — титан; Мг — магний; Кд — кадмий; X — хром. Цифры указывают среднюю массовую долю элементов сплавй (%) в том же порядке, что и буквы; остальное — средняя массовая доля меди. Буквы, обозначающие элементы сплава, в деформируемых бронзах указываются подряд (далее следуют соответствующие цифры через дефис), в литейных — указываются по порядку буквы и цифры. Например, БрС)Ф7-0,2 и БрОЮФ1.
Таблица 7.4
Марки и свойства латуней
Свойства Марка Область применения
о., МПа 5,% Деформируемые: Л90 260 45 Листы, прутки, лента, проволока, трубы
ЛС59-1 400/650 45/5 Гайки, болты, втулки, зубчатые колеса
ЛАЖ60-1-1 450/750 45/8 Прессованные прутки и трубы для судо- и приборостроения
ЛЖМц59-1-1 450/700 50/7 Трубы, листы, полосы, прутки (для авиации, морского машиностроения)
Литейные: ЛЦ23А6ЖЗМц2 700 7 Гайки, червячные винты
ЛЦ30А 300 12 Арматура (для судостроения)
ЛЦ40С 215 12 Втулки, вкладыши, сепараторы подшипников
ЛЦ40МцЗЖ 440 18 Детали сложной конфигурации, гребные винты и их лопасти
Примечание. Для деформируемых латуней в числителе даны значения о, и 8 в отожженном, а в знаменателе — в наклепанном состоянии.
Наиболее распространенные марки бронз приведены в табл. 7.5.
Деформируемые бронзы с целью увеличения пластичности перед деформацией гомогенизируют при 700...750 °С с последующим быстрым охлаждением в воде или (для небольших заготовок) на воздухе.
Наибольшее распространение получили оловянистые и алюминиевые бронзы.
Таблица 7.5
Марки и свойства бронз
Марка Свойства Область применения
о„ МПА 5,% Деформируемые: Бр0ф6,5-0,15 400/750 65/10 Пружины, мембраны
БрОЦС4-4-2,5 350/650 35/2 Антифрикционные детали
БрАЖ9-4 600/850 40/5 Арматура, шестерни, седла
БрКМцЗ-1 380/700 55/7 То же и пружины
БрБ2 500/950 45/1 Пружины, мембраны, вкладыши
Литейные: БрОЗЦ7С5Н1 210 8 Арматура в морской воде
БрОЗЦ12С5 210 8 Арматура в пресной воде
Бр05Ц5С5 180 6 Антифрикционные детали
Бр04Ц4С17 150 12 Червячные пары, подшипники
БрСЗО 80 4 Вкладыши
Примечание. Для деформируемых бронз в числителе даны значения ст, и 5 в отож женном, а в знаменателе — в наклепанном состоянии.
В соответствии с диаграммой Си—Sn (рис. 7.8) оловянистые бронзы характеризуются широким интервалом кристаллизации, вследствие чего они склонны к ликвации и пористости в отливках, а также имеют низкую жидкотекучесть. Несмотря на то что
a+l

растворимость олова в меди при равновесных условиях составляет 15,8 %, в обычных условиях охлаждения в связи с низкой скоростью диффузии олова уже при его содержании 5...6 % в структуре появляется 5-фаза — хрупкое соединение Cu31Sng. В литом состоянии 8-фаза располагается сеткой по границам зерен, резко снижая пластичность и вязкость, а после деформации и отжига она в виде игл располагается непосредственно в а-фазе. Две другие фазы (Р и е) являются соединениями Cu5Sn и Cu3Sn.
Микроструктура литой оловянистой бронзы с 10 % Sn приведена на рис. 7.9. Она состоит из твердого раствора а-фазы (темный) и эвтектоида (а + 8) (светлый), в котором вкраплены мелкие включения, представляющие собой соединения CuaSna.

Рис. 7.9. Структура бронзы с 10 % Sn
По мере увеличения содержания олова в двойных оловянистых бронзах пластичность снижается (начиная с 6 % Sn), а прочность вначале возрастает (до концентрации 25 % Sn) и затем резко снижается. Двойные оловянистые бронзы применяются редко. Для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик их дополнительно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором. Цинк в основном улучшает технологические свойства. Фосфор повышает твердость и прочность, а также антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, плотность и коррозионную стойкость. Свинец снижает механические свойства, но улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.
Двойные алюминиевые бронзы (БрА5 и БрА7) применяются редко. Обычно их легируют никелем, марганцем и железом. Так как в меди при нормальной температуре растворяется до 9,4 % алюминия, эти бронзы являются однофазным а-сплавом. Легирование никелем, марганцем и железом осуществляют с целью измельчения зерна, повышения механических и антифрикционных свойств, а также износостойкости.
По мере роста содержания алюминия наблюдается рост пластичности (до 2...3 % А1) и прочности (до 9...10 % А1). Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и легко обрабатываются давлением, но они дают большую усадку в процессе кристаллизации и склонны к газонасыщению, что приводит к образованию газовых раковин в отливках.
Кремнистые бронзы характеризуются упругостью и их можно применять для изготовления пружин. Легирование этих бронз никелем и марганцем благоприятно сказывается на механических, технологических и эксплуатационных характеристиках.
Бериллиевые бронзы можно упрочнять термической обработкой, так как растворимость бериллия в меди уменьшается от 2,7 до 0,2 % по мере снижения температуры. После закалки с 760...780 °С бронзы пластичны (8 = 25 %). Отпуск (старение) при 300...350 °С упрочняет берилливую бронзу (а„ > 1200 МПа), но резко снижает ее пластичность (8 < 1 %).
Свинец нерастворим.в меди в твердом и жидком состоянии. Вследствие этого после кристаллизации сплав состоит из меди с включениями свинца по границам зерен. Это обеспечивает высокие антифрикционные свойства и хорошую прирабатываемость свинцовистых бронз. Следует отметить, что при кристаллизации свинец ликвирует вследствие высокой плотности, что приводит к возникновению зональной ликвации в слитках.
Титан и его сплавы
Титан по распространенности занимает четвертое место среди металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Тем не менее из-за сложности извлечения из руд промышленное применение он нашел лишь во второй половине XX в. в основном в самолето- и ракетостроении. Плотность титана 4,5 г/см3,а температура плавления — 1672 °С. Он имеет две полиморфные модификации: а-титан с ГПУ решеткой, которая устойчива при температуре до 882 °С, (3-титан с ОЦК решеткой, устойчивой при температурах выше 882 °С.
Титан обладает самой высокой удельной прочностью в интервале температур 300...600 °С, но из-за низкого модуля упругости (Е = 112 ООО МПа) его применение для производства жестких конструкций нежелательно.
Несмотря на высокую химическую активность титана, стойкая пассивирующая пленка ТЮ2 на поверхности изделий из него защищает их от коррозии в атмосфере, морской воде и органических кислотах.
При температуре свыше 500 °С титан и его сплавы интенсивно поглощают газы, образуя твердые растворы внедрения. Примеси любых веществ увеличивают прочность, но резко снижают вязкость и пластичность. Чистый титан пластичен, легко обрабатывается давлением, хорошо сваривается в защитных атмосферах.
Легирующие примеси, входящие в состав сплавов титана, делятся на а-стабилизаторы (А1, О, N), p-стабилизаторы (V, Мо, Nb, Сг, Мп, Ni, Fe, W, Си) и нейтральные (Sn, Zr, Hf, Th). Схематически характер влияния примесей различных групп показан на рис. 7.10.
Повышая температуру (3 —> а)-превращения, алюминий способствует получению равновесной а-структуры, вследствие чего



А], %

t, °с

V, Мо, Nb, % Cr, Мп, Fe, Ni. % Sn, Zn, Hf, Th, %

Puc. 7.10. Схемы диаграмм состояния титан — легирующий элемент: а — а-стабилизаторы; б — изоморфные p-стабилизаторы; в — эвтектоид- нообразующие (3-стабилизаторы; г — нейтральные элементы
для сплавов этой группы невозможно упрочнение с помощью термической обработки. К сплавам с а-структурой относятся АТ7М и АТЗ. Эти сплавы характеризуются термической стабильностью и хорошо свариваются, но имеют низкую пластичность при нормальных температурах и не упрочняются термической обработкой.
Состав и свойства сплавов титана
Основные марки и свойства сплавов титана представлены в табл. 7.6.
Таблица 7.6
Сплав Состав, % Свойства
А1 V Мо Прочие a„, МПа ■ 5, %
а-сплав: АТЗ 2,0...3,5 — 0,2...0,5 Сг; 0,2...0,5 Fe >590 >12
Псевдо а-сплавы: ВТ5 4,5...6,2 1,2 0,8 0,30 Zr; 0,30 Fe 750—900 12...25
ОТ4-1 1,5...2,5 — 0,7—2 Мп; 0,30 Fe; 0,30 Zr 600-750 13-25
ОТ4 3,5...5,0 — 0,8...2 Мп; 0,30 Fe; 0,30 Zr 700—900 10-20
ВТ20 5,5...7,0 0,8...2,5 0,5...2,0 1,5-2,5 Zr 950...1150 8—9
(а + р)- сплавы: ВТ6 5,3...6,8 3,5...5,3 — 0,60 Fe 1100...1150 6-8
ВТ22 4,4...5,7 4,0...5,5 4,0...5,5 0,5-1,5 Cr; 0,5...1,5 Fe — —
BTI4 3,5...6,3 0,9...1,9 2,5—3,8 0,25 Fe 1100...1250 4-7
Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия, Молибдена, марганца и циркония приводит к появлению (3-фазы (псевдо а-сплавы), в результате чего повышается пластичность. Так, сплавы ОТ4 и ОТ4-1 можно ковать в холодномсостоянии, но ВТ20 куют в подогретом до 600...800 °С состоянии. Сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1 отличаются от сплавов серии ОТ тем, что вместо марганца содержат другой (3-стабилизирую- щий элемент — ванадий. При этом сплав ВТ 5 дополнительно легирован еще одним ^-стабилизатором — молибденом (0,8 %), а ВТ5-1 — нейтральным оловом (2-3 %).
Двухфазные (а + |3)-сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Необходимость легирования алюминием связана с упрочнением а-фазы и повышением термической стабильности сплава. Для сплавов этой группы широко применяется упрочнение термической обработкой (закалкой и последующим старением). Как следует из схемы на рис. 7.10, для каждого из легирующих элементов существует предел содержания, превышение которого делает невозможным упрочнение закалкой, так как при охлаждении не происходит (а Р)-превращения.
Промышленные (а + (З)-сплавы используются как жаропрочные, способные длительное время работать при температуре свыше 500 °С.
7.6.
Литейные сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ14Л по составу совпадают с деформируемыми. Процесс изготовления из них отливок сопряжен с трудностями, обусловленными взаимодействием расплава с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы обладают более высокой прочностью, наименьшей ударной вязкостью и более низким пределом усталости по сравнению с деформируемыми.Бериллий и его сплавыБериллий — металл серого цвета, плотность которого составляет 1,845 г/см3, что незначительно больше плотности самого легкого конструкционного металла — магния (1,73 г/см). Температура плавления бериллия 1284 °С. Он обладает полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Веа, существующая до 1250 °С, имеет ГПУ решетку с периодами а = 0,2286 нм, с = 0,3584 нм, а высокотемпературная модификация Вер, существующая в интервале температур 1250...1284 °С, — ОЦК решетку.
Бериллий относится к числу редких металлов. Малая распространенность в природе (содержание в земной коре 0,0005 %),сложная и дорогая технология получения полуфабрикатов и изделий определяют его высокую стоимость.
Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Слитки после вакуумной переплавки обрабатывают давлением или перерабатывают в порошок для получения полуфабрикатов.
Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры: ов = 280...700 МПа, о02 = 230...680 МПа, 5 = 2...40 %. Самые низкие значения относятся к литому бериллию (Св =280 МПа, 5 = = 2...3 %). В деформированных полуфабрикатах бериллия наблюдается выраженная текстура деформации, которая приводит к большой анизотропии свойств. Так, у полученного из слитка горячекатаного полуфабриката относительное удлинение вдоль прокатки такое же, как у литого, а в поперечном направлении — близко к нулю. Наилучшие механические свойства, в том числе и пластичность, имеет бериллий, полученный методом порошковой металлургии. Увеличение прочностных свойств связано с измельчением зерна и дисперсионным упрочнением включениями оксида бериллия ВеО, неизбежно присутствующими в порошковом материале. Рост пластичности обусловлен измельчением зерна.
По удельной прочности бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, Al, Ti), а по удельной жесткости — и металлы, обладающие более высоким модулем упругости (W, Мо). Кроме того, высокий модуль упругости бериллия (Е — 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450 °С. Поэтому бериллий является одним из лучших материалов для изготовления конструкций, в которых важны масса и жесткость силовых элементов. Сочетание высокой удельной прочности и жесткости позволяет снизить массу конструкции, что особенно важно в самолето- и ракетостроении.
Благодаря высокой прочности (ста > 1300 МПа) тонкая берил- лиевая проволока (диаметром десятки микрометров) применяется для армирования композиционных материалов на основе А1 и Ti, которые находят широкое применение в ракетной и космической технике.
Бериллий обладает большой удельной теплоемкостью (в 2,5 раза больше, чем у алюминия; в 4 раза — титана и в 8 раз — стали) и хорошей теплопроводностью (несколько уступая алюминию).
Эти свойства способствуют применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной, особенно в космической технике.
Хорошее сопротивление усталостным разрушениям, высокая скорость распространения звука (в 2,5 раза выше, чем в стали) позволяют применять бериллий в акустической технике и двига- телестроении. Высокие удельные прочность, жесткость и теплопроводность в сочетании с размерной, геометрической и термической стабильностью, низким коэффициентом термического расширения и хорошей отражательной способностью позволяют изготавливать из бериллия зеркала и детали оптических и высокоточных приборов.
Бериллий — наилучший замедлитель нейтронов среди всех металлов, который в то же время слабо их поглощает. Поэтому из него производят замедлители и отражатели в атомных реакторах. Бериллий также используется для легирования сплавов на основе меди и алюминия.
Основными недостатками бериллия являются токсичность, хрупкость, значительная анизотропия механических свойств в полуфабрикатах, полученных обработкой давлением, и высокая стоимость.
Создание сплавов на основе бериллия представляет довольно сложную проблему. Это связано с тем, что бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм), значительно меньший, чем у какого-либо другого металла. Из-за этого затрудняется образование твердых растворов и, следовательно, невозможно дисперсионное упрочнение термообработкой.
Подавляющее большинство легирующих элементов обладает ничтожной растворимостью в бериллии. Растворяясь в бериллии, они искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается хрупкость. Наибольшее распространение получили сплавы бериллия с алюминием. Бериллий образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа практически без взаимной растворимости (рис. 7.11). Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации 2,5 % Be, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством включений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость. Промышленное применение получили сплавы, содержащие 5...80 % Be.

Все эти сплавы эвтектические и в неравновесных условиях кристаллизации эвтектика как бы «вырождается»: структура сплавов состоит из мягкой пластичной матрицы практически чистого алюминия и включений частиц твердого и хрупкого бериллия. Сплавы бериллия и алюминия пластичнее чистого бериллия и обладают высокими прочностными свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24 % AI, имеет os = 620 МПа, с0 2 = 510 МПа, 5 = = 3 %, Е = 260 ГПа.
Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми в бериллиевой фазе, ухудшает свойства этой фазы и сплавов в целом, а легирование элементами, растворимыми в алюминиевой фазе, — улучшает. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет дополнительное легирование магнием в пределах его растворимости в алюминии. Однако значительный эффект упрочнения при одновременном повышении пластичности наблюдается у сплавов с малым количеством бериллия. При содержании в сплаве более 70 % Be резко ухудшается пластичность и практически не изменяется прочность. Добавка к сплаву с низким содержанием бериллия (30 %) 5 % Mg увеличивает ов с 200 до 400 МПа, 8 — с 18 до 25 % при повышении £ до 150. ..300 ГПа.
Легирование бериллия элементами, расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации Вер (Ni, Со, Си и др.), увеличивает температурный диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы повышают прочность и снижают пластичность при 20 °С.
Никель (< 0,5 %) и кальций (< 1 %) вызывают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако самыми высокими показателями обладает бериллий с повышенным содержанием ВеО (до 4 %), полученный методом порошковой металлургии.
Сохраняют прочность до очень высокой температуры интер- металлидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.) — так называемые бериллиды. Они имеют высокую температуру плавления (-2000 °С), высокую твердость (500...1000 HV), жесткость (£ = 300...350 ГПа) при сравнительно низкой плотности (-2,7...5 г/см3). Однако бериллиды очень хрупкие. Из них методами порошковой металлургии изготавливают мелкие несложные по форме детали для систем управления и гироскопов.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ8
ML .,,,,„ ...,.,„

Классификация композиционных материалов
Композиционными материалами (КМ) называют материалы, созданные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных ярко выраженной границей. Они обладают новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределение компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый — армирующим элементом.
КМ подразделяют на волокнистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 8.1). Волокнистые КМ в качестве
а

хху

Рис. 8.1. Схема расположения упрочнителей в композиционных
материалах:
а — волокнистых; б — слоистых; в — дисперсноупрочненных

упрочнителей содержат волокна, диаметр которых намного меньше размеров матрицы, а длина соответствует длине изделия. Слоистые КМ содержат пластины, длина и ширина которых соответствует размерам изделия. Дисперсноупрочненные КМ содержат частицы, значительно меньшие по размеру, чем изделие.
В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперсноупрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упрочненные непрерывными волокнами, ориентированными в определенных направлениях).
Волокна — наиболее часто используемый армирующий элемент — несут внешнюю нагрузку. Они должны обладать низкой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, химической стойкостью и технологичностью изготовления, минимальной растворимостью в матрице, отсутствием фазовых превращений, нетоксичностью.
Свойства волокон должны быть стабильны в условиях эксплуатации. В табл. 8.1 приведены свойства некоторых упрочняющих волокон.
Таблица 8.1
Механические свойства волокон
Тип волокон Диаметр d, мкм Плотность у, г/см3 а»,
МПа Е, ГПа Метод изготовления
В (борные) 100 2,6 3800 448 Осаждение из газовой фазы
104...146 2,76 2980 420 Осаждение из газовой фазы
100 3,30 4000 500 Осаждение из газовой фазы
УВ (ВМН-4) 6,0 1,71 2210 270 Карбонизация
У В (торнел-100) 9,4 1,95 3450 690 Карбонизация
(углеродные) 127 3,96 2410 470 Вытягивание из расплава
280 4,90 1540 450 Зонная плавка
12Х18Н10Т 80 7,80 2300 210 Волочение
ВМ (вольфрамовые) 120 19,30 1100 420 Волочение
МТ (молибденовые) 120 10,22 775 340 Волочение
УВ (графит) 0,8 1,80 2500 700 Графитизация
В качестве армирующего элемента используют углеродные, борные, стеклянные и органические волокна, волокна карбида кремния, борсика (борные волокна, покрытые слоем SiC) в виде нитей, жгутов, лент, а также высокопрочную стальную проволоку в виде сетки. Высокую удельную прочность имеют стекловолокна. Они способны длительное время работать при 200...300 °С.
В зависимости 6т вида армирующих волокон КМ делятся на стеклопластики (стекловолокно), металлопластики (металлическое волокно), боропластики (борные волокна), углепластики (углеродные волокна) и т.д.
В зависимости от материала матрицы подразделяют на металлические, полимерные или керамические. Для изготовления металлических матриц используют металлы с небольшой плотностью — алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, а также никель, служащий основным компонентом жаропрочных сплавов.
Роль матрицы заключается в придании формы изделию, защите волокна от окисления и повреждений, передаче усилия на волокна. Упрочнение алюминия, магния и титана и их сплавов высокопрочными или высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с высокими удельной прочностью и жесткостью И регулируемой анизотропией.
Под удельной прочностью понимают прочность материала, отнесенную к его плотности: ауд = ajу. Под удельной жесткостью понимают отношение модуля упругости материала к его плотности: £уд = Е/у. Характерная структура волокнистого упроч- нителя представлена на рис. 8.2. Из волокнистых КМ изготав-

Рис. 8.2. Микроструктура волокнистого упрочнителя
ливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначения, лопатки турбин, детали для авиации и космической техники.
Стекловолокниты с непрерывными волокнами, расположенными в одном направлении, используют для изготовления труб и различных профилей. Стекловолокниты, содержащие хаотично расположенные в плоскости короткие волокна, применяют в производстве корпусов лодок, автомобилей, при облицовке бытовых железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования. Стекловолокниты с перекрестным армированием (волокна расположены по различным направлениям) используют для изготовления плит, труб, сосудов высокого давления, топливных баков, пресс-форм, изоляторов для электродвигателей и трансформаторов и других изделий.
Углеволокниты (углепластики) по удельной прочности и жесткости превосходят стекловолокниты, сталь, алюминиевые и титановые сплавы, имеют низкий стабильный коэффициент трения, высокую износостойкость. Высокая электропроводность углепластиков используется при изготовлении электрообогре- вающих изделий. Углепластики, боропластики, бороволокниты и орговолокниты применяют в авиации, космонавтике, ядерной технике.
Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si3Ni4, А1203) и углеродными волокнами. КМ применяют для изготовления тяже- лонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб и т.д.
Свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей представлены в табл. 8.2.
В качестве полимерных матриц применяют отвержденные эпоксидные, полиамидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. КМ на основе полимеров отличаются от КМ на металлической основе хорошей технологичностью, низкой плотностью, а в ряде случаев более высокими удельной прочностью и жесткостью. Кроме того, КМ на неметаллической основе имеют высокую стойкость к коррозии, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными свойствами. Однако для большинства КМ с неметаллической матрицей характерны низкая прочность связи волокна с матрицей,
Таблица 8.2
Компоненты Объемная доля упрочни- теля Vt, % Диаметр упрочните- ля d, мкм Метод получения а„ МПа £,ГПа 5, % у, г/см3 т,°с
А1-В 30 170 Диффузионная сварка 900 180 0,7 2,67 20
Д20-12Х18Н9Т 30 120 Прокатка 700 — — 4,23 20
А1-ВНС9 40 120 Горячее прессование 400 — — 4,73 500
В95-2Х15Н5АМЗ 30 80 Сварка взрывом 1700 — — 4,23 20
А1-УВ 35 25 Пропитка 730 750 — 2,24 20
Al-SiC 40 100 Пропитка 4000 500 0,5 2,95 20
Mg-B 45 110 Диффузионная сварка 1300 220 0,5 2,20 20
Mg-Ta 40 100 Пропитка 199 91 15,7 — 20
Ti-B 50 110 Плазменное напыление 1240 180 — 3,43 20
Ti-B / SiC 50 106 Горячее прессование 1150 266 0,6 3,61 20
(Ti-Mg)-B 50 100 Горячее прессование 1320 — — 3,44 20
Cu-W 25 80 Пропитка 410 151 12,3 — 20
Ni-W 37 100 Горячее прессование 600 215 — 12,32 900
Ni-AIA 39 10 Горячее прессование 1350 230 — 6,40 20
Ni-УВ 50 25 Горячее прессование 105 240 — 5,30 1200
Механические свойства композиционных материалов
резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100...200 °С, плохая свариваемость.
Упрочнителями служат углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент.
В качестве керамических матриц используют силикатные (Si02), алюмосиликатные (Al203-Si02), алюмоборосиликатные (А1203—В203—Si02) материалы, тугоплавкие оксиды алюминия (А1203), циркония (Zr02), бериллия (ВеО), нитрид кремния (Si3N4), бориды титана (TiB2) и циркония (ZrB2), карбиды кремния (SiC) и титана (TiC). Композиционные материалы с керамической матрицей обладают высокими температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью при сжатии. Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (< 50 об. %) называются керметами. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молибдена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические волокна (керамические и углеродные). Использование металлической проволоки создает пластичный каркас, предохраняющий КМ от разрушения при растрескивании хрупкой керамической матрицы. Недостатком керамических КМ, армированных металлическими волокнами, является низкая жаростойкость. Высокой жаростойкостью обладают КМ с матрицей из тугоплавких оксидов (можно использовать при температуре до 1000 °С), боридов и нитридов (до 2000 °С), карбидов (свыше 2000 °С). При армировании керамических КМ волокнами карбида кремния достигается высокая прочность связи между ними и матрицей в сочетании со стойкостью к окислению при высоких температурах, что позволяет использовать их для изготовления тяжелонагружен- ных деталей (высокотемпературные подшипники, уплотнения, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.).
По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также направленную кристаллизацию. К твердофазным методам — прессование, прокатку, экструзию, ковку, сварку взрывом, волочение, диффузионную сварку, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие листы (фольги). При получении КМ осаждением — напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку или плазменное распыление используют в качестве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку — окончательной.
Получение композиционных материалов |Щ|Р[ жидкофазными методамиВыбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаимодействия компонентов, их химической и механической совместимости. Химическая совместимость — это способность компонентов в условиях эксплуатации не образовывать хрупких химических соединений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеСи или хрупкие химические соединения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких интерметаллидных соединений, а формируется пластичный переходный слой, то такой КМ обладает высокими эксплуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совместимостью по модулям упругости, коэффициентам термического расширения, пределам прочности и показателям пластичности.
Пропиткой специально укладываемых волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами получают изделия любой конфигурации без дополнительной механической обработки (рис. 8.3). Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.
Наиболее перспективный метод — это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Схема устройства для укладки волокон: I — непрерывные волокна; 2 — бункер для подачи пластмассы; 3 — формующий ролик; 4 — нагреваемая поверхность; 5 — направляющие пазы
12356

с полимерной матрицей:
1 — предварительная сушка волокон; 2 — ванна с термореактивной смолой; 3 — формующие фильеры; 4 — полимеризатор; 5,7 — печь; в — формующая фильера; 8 — охладитель; 9 — тянущее устройство; 10 — устройство для резки на мерные длины
Технология получения волокнистых полимерных КМ включает следующие операции:
предварительная сушка волокон для удаления гидратной влаги и активации поверхности;
пропитка волокон термореактивной смолой;
формование волокна с покрытием за счет протягивания через фильеры с одновременной полимеризацией покрытия;
термообработка волокна композита в печи;
формование окончательного диаметра протягиванием через фильеру;
охлаждение в охладителе;
резка на мерные длины.
Полученный волокнистый полимерный КМ является исходным сырьем для изготовления из него проката или штампованных изделий.
Использование дискретных (коротких) волокон позволяет изготавливать КМ во вращающейся форме, К волокнам для повышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразвуковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромагнитного поля.
Подучение композиционных материалов твердофазными методами
В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку (теплую или горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горячее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться также КМ, полученные литьем или методом осаждения — напыления.
Кроме волокон в качестве армирующего элемента используют также нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристаллизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (углеродные) структурой. Борные волокна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; углеродные — карбонизацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозных (вискозных; Гц-6) волокон. Керамические волокна (MgO, А1203, Zr02, ТЮ, SiC, Si3N4, В4С) получают из расплавов, осаждением из газовой фазы или методами порошковой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавливают механически, электрохимически или формованием из расплава с использованием фильер.
В зависимости от назначения и условий работы изделия выбирают компоненты КМ, объемную долю каждого из них, их расположение и размеры. Для двухкомпонентных КМ, армированных непрерывными волокнами, прочность КМ определяют по уравнению аддитивности
Окм =к,овГУ, +kma'm( 1-Vr),
где aBf — временное сопротивление волокна, МПа; а'т — приведенная прочность матрицы, МПа; Vf — объемная доля волокна, %; kf, km— коэффициенты, зависящие от условий работы волокна и матрицы. В этих коэффициентах учитывается разброс прочности волокон, их разориентация, пористость матрицы, наличие внутренних напряжений.
Применение в КМ дискретных (коротких) волокон требует создания условий, при которых волокна не вытягиваются из матрицы, а воспринимают нагрузку. Прочное сцепление волокна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна превышать критические значения. Критическую длину 1кр определяют из соотношения
_ов ,d КР " 2т '
где d, авГ — диаметр (мм) и временное сопротивление волокна (МПа); т — прочность на сдвиг между матрицей и волокном.
Прочность КМ с дискретными волокнами достигает 90 % прочности КМ с непрерывными волокнами. Использование высокопрочных волокон с низкой плотностью позволяет получить высокие удельную прочность и удельную жесткость. По удельной Прочности КМ превосходят лучшие литые и деформированные титановые и алюминиевые сплавы.
Получение эвтектических композиционных материаловЭвтектическими КМ называют материалы, полученные кристаллизацией из сплавов эвтектического состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокна или пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением расплава в зону охлаждения с постоянным температурным градиентом (метод Бриджмена). Эвтектические КМ получают, создавая плоский фронт кристаллизации. Температурный градиент составляет 50...70 °С/см, в усовершенствованных конструкциях — до 500 °С/см. Если объемная доля армирующей фазы менее 12 %, образуется волокнистая структура, свыше 32 % — пластинчатая. С ростом объемной доли упрочнителя прочность эвтектических КМ повышается.
Эвтектические КМ изготавливают на основе сплавов алюминия (Al—Al3Ni, Al—CuA12, Al—Be, Al—Si), никеля (Ni—NiBe, Ni—Cr, Ni—NiMo, Ni—W), кобальта (Co—CoAl, Co—NbC, Co—Co7N6, Co—Ni—Cr—Al—TaC) и т.д.
Высокопрочные эвтектические KM имеют совершенную структуру, термически стабильную вплоть до температур плавления эвтектики.
Эвтектические КМ применяют для изготовления высокопрочных электрических проводов и выключателей, лопаток, крепежа и камер сгорания газотурбинных двигателей, деталей конструкций самолетов и ракет, в электронике и энергетических установках космических аппаратов.Получение дисперсноупрочненных 13ЕЦ композиционных материаловДисперсноупрочненные КМ относятся к классу порошковых КМ. Упрочняющей фазой являются дисперсные частицы (оксиды, карбиды, нитриды) размером менее 0,1 мкм с объемной долей до 15 %. Среди дисперсноупрочненных КМ промышленное" применение нашли КМ на основе алюминия, упрочненные частицами А1203 (САП), и никеля, упрочненные частицами диоксидов тория (Th02) и гафния (НЮ2) (ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно). Методы получения дисперсноупрочненных КМ: механическое и химическое смешивание порошков, поверхностное или внутреннее окисление, механическое легирование.
Поверхностное окисление металла упрочнителя осуществляет при распылении жидкого металла в контролируемой окислительной атмосфере. Внутреннее окисление заключается в контролируемом окислении порошков низколегированных твердых растворов. Окисляется компонент, имеющий большее сродство к кислороду, при температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии кислорода. Средний размер упрочняющей фазы составляет 0,01...0,02 мкм.
Смешиванием получают порошковые смеси, содержащие матричные и дисперсные упрочняющие частицы, которые подвергают прессованию в металлических пресс-формах, изо- и гидростатическому прессованию или прокатке. Высокоплотные изделия получают спеканием при нагреве до (0,7...0,9)ГПЛ и выдержке в защитной атмосфере или вакууме. Возможно совмещение процесса прессования и спекания (горячее прессование), а также горячая экструзия и прокатка. Горячее прессование осуществляют при нагреве до (0,5...0,8)ГПЛ матричного материала. Горячая экструзия позволяет получить беспористую деталь при давлении 1000...1400 МПа. Горячую прокатку ведут с обжатием за проход 10...15 % при суммарном обжатии 40...60 %.
Дисперсноупрочненные КМ применяют для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.
Получение слоистых композиционных материалов
Слоистые материалы в виде листов, тру&, прутков, лент, заготовок изготавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьем, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, пайкой и склеиванием из исходных компонентов. Соединение компонентов по большой площади контакта требует при жидкофазном методе смачиваемости компонентов, при твердофазном методе — определенного давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определенного времени выдержки.
Для соединения компонентов необходимо очистить поверхности от загрязнений, оксидов, масел. Процессу соединения в твердой фазе сопутствует пластическая деформация, которая для большинства сплавов ведется в нагретом состоянии. Соединение компонентов при диффузионной сварке, основанное на процессе диффузии, осуществляется в вакууме в результате длительной выдержки при температуре (0,5...0,7)ГПЛ металла или сплава и незначительной пластической деформации.
Сварка взрывом слоистых КМ позволяет соединять любые материалы с высокой прочностью, в том числе без нагрева, без вакуума за счет высоких удельных давлений в условиях косого соударения свариваемых материалов и эффекта самоочистки свариваемых поверхностей (рис. 8.5, а, б). Установочные параметры h0, а, Н, параметры сварки у, FH и скорость детонации D будут рассмотрены в 20.8. Структура зоны соединения биметаллического инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 и стали 40Х представлена на рис. 8.5, в.
ав

Рис. 8.5. Схемы сварки взрывом (а, б) и микроструктура зоны соединения биметалла (сталь 40Х— Р6М5), полученного сваркой взрывом (в): 1 — нижняя плакируемая пластина; 2 — верхняя плакирующая пластина; 3 — ВВ (взрывчатое вещество); 4 — ЭД (электродетонатор); 5 — основание
Выбор компонентов слоистых КМ осуществляют, исходя из их совместимости (механической и химической), в условиях изготовления и эксплуатации. Слоистые КМ применяют для изготовления биметаллического инструмента, высокопрочных и коррозионно-стойких конструкционных материалов (например, в виде листов, панелей, биметаллических труб).
ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯж.
Производство металлических порошков
Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии.
Получение изделий методом порошковой металлургии включает следующие основные технологические операции:
производство порошков;
подготовка порошков — диспергирование (размол) и классификация (разделение) порошков по фракциям (размерам);
приготовление шихты — дозирование, введение активирующих и модифицирующих добавок, смешивание (при необходимости введение технологической связки);
грануляция (для труднопрессуемых порошковых материалов);
формование заготовок (изделий);
спекание сформованной заготовки (температурная обработка);
механическая обработка (при необходимости).
Для труднопрессуемых порошковых материалов формование и последующее спекание заменяются горячим прессованием.
Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства.
ш
Способы производства порошков подразделяют на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные. Механическое измельчение компактных материалов осуществляют путем дробления, размола или истирания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных, центробежных, шаровых, вибрационных, вращающихся и т.д.). К механическим способам относят также диспергирование (распыление) порошков из расплавов.
Распыление струи расплава осуществляют потоком воды или газа под действием центробежных сил.
Физико-химические методы, получения порошков связаны с изменением химического состава исходного материала в результате физико-химических превращений. Металлические порошки получают восстановлением металлов из оксидов, солей, ангидридов активным веществом (водородом, магнием, алюминием, кальцием, углеродом, оксидом углерода). Восстановление осуществляют в твердом состоянии, парогазовой фазе, из расплава, в плазме. Металлические порошки получают также электролизом водных растворов или расплавов, термической диссоциацией (разложением) карбонидов металлов, термодиффузионным насыщением, методом испарения — конденсации. Композиционные порошки получают механическим легированием в энергоемких размольных агрегатах — аттриторах, вибромельницах.
Поведение металлических порошков при формовании и спекании определяется свойствами порошков, их химическим и фазовым составом. Физические свойства порошков определяются размером, формой и состоянием поверхности частиц, их плотностью, микротвердостью, строением кристаллической решетки. Технологические свойства порошков определяются текучестью — способностью заполнять форму, насыпной плотностью — массой единицы объема свободно насыпанного порошка, прессуемо- стью — способностью уплотняться под действием нагрузки, реологическими свойствами, характеризуемыми прочностью сцепления частиц, спекаемостью — способностью образовывать прочное соединение между частицами в результате термической обработки (спекания).
Формование порошковФормование —это технологическая операция получения изделия или заготовки заданной формы, размеров и плотности обжатием сыпучих материалов (порошков). Уплотнение порошка осуществляют прессованием в металлических пресс-формах или эластичных оболочках, прокаткой, шликерным литьем суспензии и другими методами. Способ подготовки порошков к формованию выбирают исходя из технологических характеристик порошка, метода формования и последующей термообработки (спекания), требуемых свойств в условиях эксплуатации.
Для металлических порошков основными подготовительными операциями являются отжиг, просеивание по фракциям и смешивание. Отжиг проводят для повышения пластичности и прессуе- мости порошков в защитной среде при температуре (0,4...О,б)^ металла. Например, медный порошок отжигают в потоке восстановительного газа при 350...400 °С, а железный — окислительного при 650...750 °С. Порошки разделяют на фракции по величине частиц с использованием вибросит. Разделение производят также с помощью воздушных сепараторов и седиментации (разделения жидких смесей). Приготовление однородной по объему механической смеси осуществляют путем смешивания порошков в специальных смесителях. Для получения легированных частиц порошка проводят размол смеси порошков основы и Легирующих добавок в размольных агрегатах.
Прессование порошков в металлической пресс-форме под давлением сжатия приводит к уменьшению объема порошка в результате перераспределения частиц, заполнения пустот и пластической деформации. Прессование не сопровождается полным устранением пор. Плотность полученной детали-прессовки по объему неравномерна, что обусловлено неравномерностью давления, различием физико-механических свойств частиц (формы, размера, твердости, насыпной плотности), наличием внешнего трения частиц порошка о стенки пресс-формы, межчастичным трением, наличием бокового давления. На стенки пресс-формы передается значительно меньшее боковое давление, чем в направлении прессования. Это обусловлено трением между частицами, заклиниванием их, что затрудняет их перемещение в стороны. После снятия давления, а также при выпрессовке брикета из пресс-формы размеры прессовки увеличиваются (явление упругого последействия). Для повышения и более равномерного распределения плотности прессовки по высоте используют смазку стенок матрицы пресс-формы, что уменьшает коэффициент внешнего и межчастичного трения. Равномерность распределения плотности увеличивается при двустороннем прессовании верхним и нижним пуансонами (рис. 9.1) и всестороннем сжатии (прессование в эластичной или деформируемой оболочке).
Использование вибрации при прессовании повышает плотность прессовки. Импульсные методы формования применяют для труднопрессуемых порошков или если необходимо получить особые свойства материала.
■I

1
I
tРис. 9.1. Схема двустороннего прессования порошковых материалов: а — без нагрева; б — с нагревом
Формование порошка также осуществляют в гидро- и газо- статах (изостатическое), прокаткой, на гидродинамических машинах и с использованием взрывчатых веществ (импульсное), на вибрационных установках (вибрационное), продавливанием через отверстие в инструменте (экструзия или мундштучное прессование), заливкой в формы — шликерное литье, при котором в форму заливают суспензию, содержащую порошок и жидкую связку,и др.
Изостатическое формование осуществляют в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает не только равномерную плотность, но и устраняет анизотропию свойств (рис. 9.2).
Прокатку порошков применяют для изготовления заготовок из конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных, пористых (фильтрующих) материалов (рис. 9.3).

5
4
Рис. 9.2. Схема изостатического формования: 1 — рабочий цилиндр; 2 — пуансон; 3 — пресс-шайба; 4 — рабочая жидкость; 5 — матрица; в — уплотнитель; 7 — матрицедержатель; 8 — контейнер с материалом

а
-153924091440
1
б


Рис. 9.3. Схема прокатки с вертикальной (а) и горизонтальной шнековой (б) подачей порошка
Для получения изделий сложной формы используют шликер- ное литье. После заполнения формы жидкая составляющая шликера удаляется нагревом.
Спекание порошковых материаловВид термической обработки, позволяющий получить конечные свойства материала и изделия, называется спеканием. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия (заготовки)при температуре ниже точки плавления основного компонента. Для многокомпонентных систем различают твердофазное и жид- кофазное спекание.
Твердофазное спекание сопровождается возникновением и развитием связей между частицами, образованием и ростом контактов (шеек), закрытием сквозной пористости, укрупнением и сфероидизацией пор, уплотнением заготовки за счет усадки (рис. 9.4, а). В процессе спекания происходит массоперенос вещества через газовую фазу за счет поверхностной и объемной диффузии, вязкого течения и течения, вызванного внешними нагрузками (спекание под давлением). При спекании наблюдается также рекристаллизация (рост одних зерен за счет других той же фазы). Уплотнение при нагреве в основном происходит за счет объемной деформации частиц, осуществляемой путем объемной диффузии.
аб

Рис. 9.4. Образование межчастичного контакта в условиях твердофазного (а) и жидкофазного (б) спекания
Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твердую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению. Твердая фаза в зоне контакта может растворяться в жидкой, интенсифицируя процессы массопереноса (рис. 9.4, б). Различают системы с нерастворимыми компонентами, с ограниченной растворимостью и со значительной взаимной растворимостью компонентов. Жидкофазное спекание таких систем имеет особенности, связанные с преобладанием одной из стадий:
вязкое течение жидкости — перегруппировка частиц;
растворение — осаждение;
образование жесткого скелета.
Спекание проводят в среде защитного газа или вакууме.
Совмещение процесса прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании, которое производят при температуре (0,5...0,9)ТПЛ основного компонента. Высокая температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15...30 мин до нескольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрессуемых порошков с целью получения высоких физико-механических свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Цресс-форму, в которой осуществляют горячее прессование, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессовании тугоплавких соединений — из графита, прочность которого с увеличением температуры повышается.
Свойства и области применения порошковых материалов
Антифрикционные пористые материалы изготавливают на основе порошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твердой смазки (графит, свинец, дисульфид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими триботехническими свойствами, хорошей прирабаты- ваемостью, высокой теплопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке, обеспечивают низкий коэффициент трения.
К фрикционным относят материалы с высоким коэффициентом трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75 %) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе под давлением.
Электротехнические материалы подразделяются на электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксид- ные и металлокарбидные), магнитомягкие (железоникелевые сплавы, сплавы железа с кремнием и алюминием или с хромом и алюминием), магнитотвердые (сплавы на основе Fe—Al—Ni(Co), называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермаллой, альсифер), ферриты (Fe304 с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).
Аморфные Материалы, получаемые быстрым (со скоростью 105...106 °С/с) охлаждением расплава (Fe40N40P10BgO), являются новым классом магнитных материалов, из которых изготавливают магнитные экраны, трансформаторы и электродные приборы.
Спеченные конструкционные материалы изготавливают на основе конструкционной стали (углеродистой, медистой, кремнистой, молибденовой, хромомолибденовой), титановых и алюминиевых сплавов.
Повышение твердости обрабатываемых заготовок потребовало расширения диапазона используемых режущих материалов от твердых сплавов, минералокерамических материалов до искусственных алмазов и других сверхтвердых материалов, получаемых методами порошковой металлургии.
Твердые сплавы используют в режущих и контрольно-измерительных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицах и пуансонах при штамповке и прессовании. В машиностроении и приборостроении широко применяют армированные твердыми сплавами детали. Например, в текстильной промышленности применяют твердые сплавы для направляющих колец и других трущихся деталей; в порошковой металлургии твердые сплавы используют для размольных тел и прессового инструмента.
Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обработки резанием чугунов, закаленных и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет а-моди- фикация А1203 (электрокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамики с металлической связкой) составляет 3,96 г/см3, твердость — HRA до 92. Оксидокарбидная керамика имеет плотность 4,2...4,6 г/см3 и твердость HRA 92...94.
Эрозионно-стойкие и потеющие материалы обладают комплексом свойств, которые невозможно получить в сплавах. Они изготавливаются на основе тугоплавких металлов или углерода в виде композиций (например, путем пропитки вольфрамового или углеродного каркасов жидкой медью или серебром). Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500 °С. Во время работы медь (серебро) испаряется, что понижает тепловой поток и улучшает условия работы вольфрамового или углеродного каркасов.Техническая керамикаКерамика — многокомпонентные поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамические материалы отличаются от металлических и полимерных разнообразием свойств, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, возможностью создания экологически безопасных технологий получения, устойчивостью к радиационному воздействию, биологической совместимостью, возможностью регулировать свойства материала в широких пределах за счет изменения структуры.
Техническая керамика — перспективный материал для конструкций, работающих при 1200 °С и выше. Она используется для теплообменников, деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, для химического и металлургического оборудования, деталей бумагоделательных машин, уплотнителей' насосов, работающих в условиях абразивного изнашивания, и т.д.
9.5.
Конструкционная керамика — это материал на основе тугоплавких соединений, которые отличаются высокими температурой плавления, твердостью, модулем упругости, химически инертны, имеют большой диапазон электрических и тепловых свойств (от сверхпроводников до диэлектриков, от теплоизоля- торов до высокотеплоотводящих материалов), обладают специфическими свойствами (эмиссионными, оптическими, ядерными, каталитическими).
По составу керамику можно подразделить на оксидную (кислородную), состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов, и неоксидную (бескислородную) — карбидную, нит- ридную, боридную и др. Наиболее распространенными представителями первой группы являются керамические материалы на основе оксидов алюминия (А1203), циркония (Zr02), магния (MgO), титана (ТЮ), кремния (Si02), бериллия (ВеО); второй — карбидов и нитридов кремния (SiC, Si3N4), бора (В4С, BN), титана (TiC, TiN), алюминия (A1N) и др.
Особенностями керамики является отсутствие макропласти- ческой деформации при комнатных температурах и наличие квазипластической деформации при высоких температурах. Керамика имеет высокую стабильность кристаллической решетки, которая обусловлена наличием жестких направленных ковалентных связей. Это определяет низкую концентрацию и подвижность дефектов, способствует торможению диффузионных процессов, затрудняет диффузионно-вязкое течение, ответственное за массоперенос и уплотнение при твердофазном спекании.
Свойства керамических материалов определяются технологией их изготовления. Низкие технологические характеристики керамики требуют активации порошковых частиц, которые обеспечивают массоперенос при,спекании. Горячее прессование, реакционное и активированное спекание, формование в аппаратах высокого давления позволяют получить высокоплотную керамику.
Активированное спекание осуществляют введением активирующих добавок (А1203, Zr02, Y203, МgO, В4С, В, Сидр.).

Рис. 9.5. Псевдожидкая
фаза на поверхности излома нитрида титана
Высокие температуры горячего прессования способствуют перекристаллизации частиц нитридов и карбидов в присутствии жидкой фазы (рис. 9.5). Спекание керамики ускоряется, если одновременно частицы легируются, образуя твердые растворы (например, если легирование порошков осуществляется за счет термомеханической активации при длительном смешивании легирующих добавок и керамических порошков в размольных агрегатах).
С повышением дисперсности частиц толщина диффузионного слоя становится соизмерима с радиусом частиц, что приводит к активации спекания и объемной усадке. При легировании бором образуется твердый раствор замещения, возрастает количество дефектов решетки, что облегчает диффузию углерода в карбиде.
Высокие температуры спекания керамики (до 2000 °С) сопровождаются процессами рекристаллизации, что приводит к росту зерна и снижению уровня свойств материала.
Перспективной является предварительная активация керамических порошков взрывом, повышающая плотность дислокаций до 10и...1212 см"2 и усиливающая диффузионные процессы при последующем спекании, что позволяет снизить температуру спекания до 1600...1800 °С.
Для получения высокопрочной конструкционной керамики необходимы следующие условия:
размер частиц (дисперсность порошков) не более 1 мкм с удельной поверхностью частиц более 10 м2/г;
высокая степень чистоты порошков;
активация керамических частиц при спекании за счет введения добавок, формирующих жидкую фазу или твердые растворы;
совмещение процессов прессования и спекания (горячее прессование, прессование в аппаратах высокого давления, взрывное прессование).
Керамические порошки получают как традиционными методами — синтезом из простых веществ, карботермическим синтезом, так и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), плазмохимическим и растворным синтезом, диссоциацией сложных соединений и электролизом. Размер частиц порошков находится в пределах от 20 нм до 500 мкм. Форма частиц порошков губчатая, осколочная, округлая, ограненная, изометрическая, волокнистая. Порошки получают с кристаллической и аморфной структурами.
Получение порошков СВС-синтезом позволяет изготовить нитридные и карбонитридные порошки за счет выделения энергии при азотировании кремния, алюминия, титана (экзотермическая реакция). Композиционные порошки Si3N4-SiC получают при содержании в шихте до 50 % компонентов, образующих карбид кремния, так как синтез идет с поглощением энергии (эндотермическая реакция).
Оксидная керамика обладает высокой механической прочностью до температуры 800 °С, повышенной сопротивляемостью износу, удовлетворительной стойкостью против воздействия химических соединений, в частности кислот и щелочей, более высоким по сравнению с металлами коэффициентом трения, хорошим сопротивлением термоудару, примерно одинаковым со сталью модулем упругости, низкой теплопроводностью. Несмотря на сходство некоторых свойств, каждый из оксидов имеет свои особенности, которые определяют области применения и оказывают влияние на технологию производства.
Неоксидная (бескислородная) керамика обладает сочетанием высокой твердости и жаропрочности, термической и химической стойкости, теплопроводности и низкого коэффициента термического расширения, специфических полупроводниковых и диэлектрических свойств, невысокой плотности и стабильности физических свойств в широком диапазоне температур.
Карбидные материалы обладают совокупностью механических и физико-химических свойств, которые позволяют широко использовать их в технике. Особое место среди карбидных материалов занимают карбиДокремниевые керамики, как спеченные (SiC), так и реакционно-связанные (Si/SiC), обладающие низкой плотностью, высокими прочностью при повышенных температурах, твердостью и износостойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения (TKJIP), химической стойкостью к агрессивным средам, устойчивостью на воздухе при высоких температурах. Такое сочетание свойств карбидокрем- ниевых керамик обеспечивает им заметное улучшение удельных механических характеристик. Дальнейшее улучшение свойств SiC-керамик идет по пути их армирования, например, нитевидными кристаллами, волокнами и алмазными частицами (табл. 9.1). Низкие технологические свойства SiC-керамик (плохая прессуе- мость, спекание при температуре свыше 2000 °С) требуют применения технологий, в которых предусматривается активация поверхности порошка термомеханической обработкой или объемная активация взрывной обработкой, введение в шихту активирующих процесс спекания добавок (2...8 мае. %), в том числе активных наноструктурных порошков (до 2 мае. %). Технологические свойства повышаются, если карбидную керамику использовать как компонент композиционного материала (например, композит SiC—Si3N4).
Таблица 9.1
Свойства карбидных керамик и алмаза
Свойства SiC Si/SiC Алмаз
Плотность, г/см3 3,0 зд 3,5
Модуль упругости, ГПа 350 400 1100
Твердость, ГПа 25 30 100
Теплопроводность, Вт ■ м/К 80 150 500...2000
ТКЛР, 10~7К 4 4 1,5
Карбидная керамика используется в качестве материала матриц алмазосодержащих композиционных материалов инструментального назначения. Тугоплавкие композиционные материалы и изделия из них получают за счет химических реакций в объеме заготовки. Заготовки изготавливают из смеси порошков, которые формуются в изделие требуемой формы на ранних стадиях технологического процесса. Затем осуществляют химические реакции и получают конечное изделие с последующим преобразованием состава и структуры материала. Высокая твердость и износостойкость полученных материалов крайне затрудняют механическую обработку новых изделий. Она осуществляется алмазным инструментом или шлифованием. Наиболее перспективно шлифование торцом шлифовального круга, так как этот вид шлифования обеспечивает менее жесткие температурные условия обработки.
Композиционные материалы алмаз — карбид кремния (рис. 9.6) получают за счет химической реакции между кремнием и углеродом непосредственно в объеме заготовки. Процесс создания

Рис. 9.6. Структура композита алмаз — карбид кремния
материала ведут при атмосферном давлении, что обеспечивает получение изделий сложной формы и больших размеров с уникальными физико-механическими свойствами.
Сочетание высокой упругости, теплопроводности, твердости и износостойкости в композитах позволило эффективно применять их в качестве инструментальных и конструкционных машиностроительных материалов.jllflll Керамико-полимерные материалыРазвитие микроэлектроники и электротехники связано с решением проблемы отвода тепла от радиоэлектронной аппаратуры повышенной мощности и уменьшения потерь в нагревательных элементах электротехники. Проблема решается путем разработки и создания керамико-полимерных материалов с повышенными теплофизическими характеристиками, химической и радиационной стойкостью, достаточной удельной прочностью, низкой плотностью. Основными компонентами композиции являются керамические порошки оксидных, нитридных и карбидных соединений и полимерная связка. Наполнителем композиции могут служить также металлические порошки. Наибольший эффект получен при применении порошков нитрида алюминия, обработанных по специальной технологии, позволяющей получить оптимальное строение и размер частиц керамики (49...60 мкм) с минимальным объемным содержанием полимерной связки (до 20 %). В качестве полимерной связки нашел применение мономолекулярный силаксановый каучук, технология полимеризации которого относится к экологически чистым производствам. Полимеризация связующего компонента осуществляется при комнатной температуре в течение 30 мин.
Для повышения прочности керамико-полимерных композиционных материалов осуществляют модифицирование структуры полимера за счет введения нанодисперсных керамических час- тиц(2...3 мае. %) либо путем упрочнения полимерной матрицы стеклотканью или стекловолокнами. Теплофизические характеристики керамико-полимерного материала повышают за счет введения специальных наполнителей (керамических и металлических порошков, порошков искусственного алмаза или графита), которые изменяют химический состав и повышают физико-механические свойства материала.
Технология получения композиционного материала состоит из двух стадий: смешивания полимерной смолы, катализаторов, наполнителей, модификаторов и формования давлением с введением армирующих материалов. Смешивание осуществляют в специальных смесителях или непосредственно в процессе напыления смолы на упрочняющие волокна с использованием газовых аппаратов для напыления пластмассовых порошков. Формование пастообразной смеси (гелей) осуществляют в специальных матрицах, аналогично получению пластмасс.
Из керамико-полимерных композиционных материалов получают эластичные теплоотводящие диэлектрики и, добавляя в них углеродные волокна, изготавливают гибкие нагреватели, в которых эти волокна служат нагревательным элементом. Технические характеристики гибких нагревателей представлены в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Свойства теплоотводящих диэлектриков и гибких нагревателей
Свойства Значение
Диэлектриков: удельное объемное сопротивление, Ом • см 10й
теплопроводность, Вт/(м • К) 1...2
пробивное напряжение, не менее, кВ 3,0
тангенс угла диэлектрических потерь (при 1000 Гц) (4...4,5) • 1013
рабочая температура, °С -60...+260
Нагревателей: мощность нагревателя (1650 х 66 мм), U = 110 В, кВт 1.3
мощность нагревателя (2580 х 66 мм), U= 95 В, кВт 1,1
температура нагрева (номинальная), °С 300
электрическая прочность изоляции, кВ/мм 15
Гибкие нагреватели применяются в нагреваемых плитах прессов, а также для обогрева штампов, труб, емкостей, топливных насосов дизельных двигателей и др. Они представляют собой разборную или неразборную конструкцию, состоящую из углеродной тканой ленты с металлизированными контактами и ке- рамико-полимерной эластичной теплопроводящей изоляции.
Щ Наноструктурные материалыНаноструктурные материалы — перспективные новые материалы с нанофазными структурными составляющими, размер частиц, кристаллитов или фаз которых не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении, что позволяет сформировать в материале комплекс уникальных физико-механических характеристик. Соизмеримость геометрического размера наночастиц с характерными размерами физических величин (длиной свободного пробега электрона или фотона, размером электрического или магнитного домена, протяженностью дефектов кристаллической решетки типа дислокации) вызывает разнообразные размерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия и экстремальные условия образования частиц приводят к метастабиль- ному состоянию материалов. Это проявляется в существенном повышении прочностных характеристик наноструктурных материалов при сохранении ими высокой пластичности и низкого порога хладноломкости, полупроводниковом характере проводимости, супермагнетизме, увеличении температуры перехода в сверхпроводящее состояние, снижении температур фазовых превращений, изменении оптических характеристик и т.п.
Ресурсо-, энергосберегающие и высокоэкологичные порошковые технологии наиболее перспективны в производстве наномате- риалов. Исходным сырьем при этом являются ультрадисперсные порошки (с размером частиц не более 100 нм), а также более крупные порошки, полученные в условиях интенсивного измельчения. Операции порошковой технологии — прессование, спекание, горячее прессование и т.п. — обеспечивают получение образца (изделия) заданных формы и размеров с соответствующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций часто называют консолидацией (термин М.Ю. Балынина). Применительно к наноматериалам консолидация должна обеспечить практически полное уплотнение с сохранением наноструктуры материала (размер зерен не более 100 нм).
Наноматериалы подразделяют на консолидированные нано- материалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиома- териалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, нанопори- стые материалы, катализаторы. Это разделение условно, так как существуют гибридные металлополимерные или биополимерные нанокомпозиты, нанотрубчатые материалы.
К консолидированным наноматериалам относят компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые традиционными методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформацией, контролируемой кристаллизацией Из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий. Однако получение консолидированных наноматериалов может осуществляться и принципиально новым методом с помощью «квантовых загонов», формирующих квантовые точки самосборкой атомов в сканирующем туннельном микроскопе (рис. 9.7). Фигура (пирамида) образуется в течение нескольких секунд, как только число атомов германия превысит некоторое критическое значение и начнется их взаимодействие со спонтанным формированием пирамид (длина основания 10 нм, высота 1,5 нм).

Рис. 9.7. Квантовая точка, образованная самосборкой атомов германия на поверхности кремния
Нанозерна (нанокристаллиты) таких материалов находятся не в виде отдельных образований, а в консолидированном состоянии. Прочность межзеренных прослоек в консолидированных наноматериалах достаточно высока.
Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть как в изолированном, так и частично в консолидированном состоянии, образуя также гибридные (смешанные) материалы.
Фуллерены (углеродные нанотрубки, получаемые в продуктах электродугового испарения графита) и тубулярные наноструктуры представляют собой новую аллотропную форму углерода — кластеры С60 и С70. Нанопористые материалы характеризуются размером пор менее 100 нм.
Свойства наноматериалов, в том числе эксплуатационные характеристики, определяются их структурой. Основные типы структур неполимерных наноматериалов подразделяют на пластинчатые, столбчатые и равноосные. По химическому составу и распределению фаз можно выделить четыре типа структуры: однофазные, статистические многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела и матричные.
Методы получения порошков для изготовления наноматериалов разделяют на химические и физические. К физическим относятся испарение в вакууме, инертном или реакционном газе, высокоэнергетическое измельчение (рис. 9.8), детонационный или электрический взрыв.

Рис. 9.8. Схема установок для измельчения: а — аттритор (1 — корпус; 2 — шары; 3 — вращающаяся крыльчатка); б ■ вибрационная мельница (1 — двигатель; 2 — вибратор; 3— пружины; 4 ■ барабаны с шарами и измельчаемой шихтой)
В группу химических методов входят: синтез — плазмохими- ческий (вакуумное ионно-плазменное и магнетронное распыление (рис. 9.9), лазерный (рис. 9.10), термический, самораспространяющийся высокотемпературный, механохимический, электрохимический, термический, растворный, криохимический;


Рис. 9.9. Схема установки магнетронного распыления: 1 — катод-мишень; 2 — постоянный магнит; 3 — источник питания; 4 — анод; 5 — траектории движения электронов; 6 — зона (дорожка) распыления; 7 — силовые линии напряженности магнитного поля

Рис. 9.10. Схема установки лазерного синтеза ультрадисперсных порошков методом испарения во взвешенном состоянии: 1 — лазер; 2 — фокусирующая система; 3 — фокусирование пучка света; 4 — продукт синтеза; 5 — очиститель; 6 — реактор; 7 — исходное сырье; 8 — решетка; 9 — подача и контроль газа; 10 — газовый реагент для химической реакции;11 — бункер
термическое разложение конденсированных и газообразных продуктов.
Изготовление нанодисперсных порошков тугоплавких соединений лазерным синтезом отличается возможностью получения особо чистых порошков при очень малых их размерах (до нескольких нанометров) с относительно низкими затратами энергии, в то время как при плазменном методе синтеза возможно загрязнение окончательного продукта материалом электродов. Магнетронный метод получения ультрадисперсных порошков предусматривает синтез частиц в аморфной фазе с последующей кристаллизацией порошков в тугоплавкое соединение.
Разделение методов на физические и химические условно, так как при использовании физических методов происходят химические реакции (при испарении в среде реакционных газов), а многие химические методы основаны на физических явлениях (низкотемпературная плазма, лазерное излучение и др.). Химические методы, как правило, более универсальны и производительны, но управление размерами, составом и формой частиц легче осуществляется при использовании физических методов.
Ультрадисперсные искусственные алмазы являются примером наноматериалов, производство и применение которых освоено в промышленном масштабе. Сверхтвердые материалы изготавливают на основе алмазов с карбидной связкой.
Технология получения высокоплотной керамики повышенной прочности и композитов на ее основе включает:
производство (синтез) дисперсных высокочистых порошков;
подготовку порошков к формованию с созданием шихты (порошковой смеси) одним из методов или сочетанием методов:
активацией частиц размолом или взрывной обработкой;
термохимической очисткой поверхности;
введением технологических добавок (для случая предварительного холодного прессования);
введением активирующих спекание добавок;
смешиванием порошков (операции размола, введения добавок и смешивания могут осуществляться в одном агрегате);
формование порошков (горячее прессование, шликерное литье, прессование высоким давлением, инжекционное прессование и др.);
спекание в защитной атмосфере или вакууме;
5) отделочные операции (шлифование, алмазная обработка и т.д.).
Из промышленных методов формования применяют горячее прессование, инжекционное и изостатическое горячее прессование, гидродинамическое и взрывное прессование, термобарическое спекание, а также шликерное литье.
Область применения нанокерамики — изоляционные, ферро- электрические и полупроводниковые материалы, мягкие и твердые ферриты, светопроводящая и коррозионно-стойкая керамика, биологическое стекло, имплантанты, конструкционные жаропрочные и жаростойкие материалы для изготовления керамических деталей двигателей, теплообменников, газовых турбин, защитных покрытий, режущие материалы, шлифовальные круги и пасты.
Использование наноматериалов в промышленности, например в автомобилестроении, ставит перед нанотехнологией следующие задачи: усовершенствовать фильтры для очистки отходящих газов; разработать эффективные методы хранения и использования водорода, а также создать высокоэффективные системы преобразования энергии; усовершенствовать электронное и компьютерное оборудование; создать безызносные пары трения, синтезировать высокопрочные полимерные композиты. Их решение позволит создать высокоэкономичные и экологически чистые транспортные средства. Применение наноматериалов в машиностроении и инструментальной промышленности связано с созданием износостойкого режущего и бурового инструмента из сверхтвердых наноструктурных материалов на основе тугоплавких соединений и узлов трения в антифрикционных и фрикционных изделиях с высокими эксплуатационными свойствами. В электротехнике и электронике наноматериалы применяются в трансформаторных сердечниках, магнитных усилителях и импульсных источниках питания, а также в оборудовании для магнитной записи и воспроизведения.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫш„,.,.
Общее понятие о неметаллических ПЯД1 материалахНеметаллические материалы широко применяют в машиностроении, автомобилестроении, судостроении, авиации, строительстве и народном хозяйстве. Это обусловлено их высокими физико-механическими свойствами: удельной прочностью, эластичностью, химической и коррозионной стойкостью, теплостойкостью, изоляционными свойствами, которые сочетаются с высокой технологичностью при переработке.
Основу неметаллических материалов составляют синтетические полимерные материалы, пластические массы (пластмассы), композиционные материалы с полимерной матрицей, получаемые переработкой синтетических и природных полимеров с добавками наполнителей.
К неметаллическим материалам относят усы, волокна (керамические, углеродные, борные), каучук, резину, целлюлозу, клеи, лакокрасочные материалы, древесину, графит, стекло, техническую керамику и различного рода композиционные материалы на неметаллической основе.
Ш
Полимеры
-
Полимеры представляют собой высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Макромолекулы образуют цепи, состоящие из отдельных звеньев и простирающиеся в длину на расстояния, в тысячи раз большие их поперечных размеров. Прочность, тепло-, термо- и морозостойкость полимеров определяют температурные границы эксплуатации. Верхнюю границу характеризует потеря теплостойкости либо термостойкости, а нижнюю — хрупкость или морозостойкость. Полимерные материалы надежно эксплуатируются (без размягчения и хрупкого разрушения) в интервале между температурой стеклования и температурой хрупкости.
При получении композиционных материалов полимеры используются либо в чистом виде (в форме порошков, гранул, листов, пленок), либо в виде связующих. Полимерное связующее представляет собой двух- или многокомпонентную систему, состоящую из синтетической смолы (полимерной либо олигомерной составляющей) и отвердителей или инициаторов, катализаторов и ускорителей отвердения. Часто полимерные связующие содержат также пассивные или активные растворители (разбавители), пигменты и красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты (смазки, антипирены, антистатики, антимикробные агенты), вводимые с целью придания связующим и композиции необходимых технологических и эксплуатационных свойств.
От полимерной матрицы зависят тепло- и влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред, прочностные, диэлектрические и другие свойства полимерного композиционного материала (ПКМ). Поэтому полимерную матрицу для ПКМ выбирают исходя из условий эксплуатации изделия. Типом полимерной матрицы определяются также методы переработки ПКМ в изделия.10.2.1. Строение и классификация полимеровПо происхождению полимеры могут быть природными и синтетическими. Природными полимерами являются целлюлоза, крахмал, натуральный каучук, слюда. К синтетическим полимерам относятся синтезированные высокомолекулярные вещества, синтетические смолы, волокна, каучуки и т.д.
По характеру строения макромолекул полимерных цепей различают полимеры линейного, разветвленного и сетчатого (пространственного) строения. Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные или закрученные в спираль цепочки (рис. 10.1, а). Макромолекулы разветвленных полимеров имеют основную молекулярную цепь и побочные ответвления — боковые цепи (рис. 10.1, б). Макромолекулы линейных и разветвленных полимеров имеют слабые межмолекулярные связи, что обеспечивает полимеру эластичность и делает его способным размягчаться и плавиться при нагревании, а при охлаждениивновь затвердевать. Такие полимеры называют термопластичными. К ним относятся полиэтилен, полиамид, поливинилхло- рид и т.д.
У сетчатых полимеров, помимо межмолекулярных, имеются и химические связи между линейными цепями макромолекул (рис. 10.1, в). Наличие химических связей обусловливает потерю способности растворяться и плавиться при дальнейших нагревах выше характерных для данного полимера температур. Их относят к группе термореактивных полимеров. В процессе отвердения термореактивных полимеров происходит необратимый переход от линейной к сетчатой (пространственной) структуре. К ним относятся фенолформальдегидная смола, эпоксидная смола, политетрафторэтилен и др.
В зависимости от строения макромолекул различают собственно полимеры и сополимеры. У полимеров макромолекулы образованы из одинаковых по химическому строению мономеров, а у сополимеров — из разнородных.
Если главная цепь соединения образована только атомами углерода, то такой полимер называется карбоцепным. Примером карбоцепного полимера является натуральный каучук. В макромолекулах гетероцепных полимеров в состав главной цепи кроме углерода входят атомы других элементов, которые существенно изменяют свойства полимера. Например, атомы кислорода повышают гибкость цепи, фосфора и хлора — огнестойкость, серы — газонепроницаемость, атомы фтора придают полимеру высокую химическую стойкость. К гетероцепным полимерам относятся природные (кроме натурального каучука) и многие синтетические полимеры.
б
а
в

Рис. 10.1. Схемы строения макромолекул полимеров: а — линейных; б — разветвленных; в — сетчатых
По составу полимеры делят на органические, элементоорга- нические и неорганические. Большинство полимеров, в том числе смолы и каучуки, относятся к органическим соединениям. В состав главной цепи элементоорганического полимера входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и органические радикалы СН3, С6Н5, СН2. Радикалы придают полимеру прочность и пластичность, а неорганические атомы — повышенную теплостойкость. К элементоорганическим полимерам относятся кремнийорганические соединения. К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, асбест, керамика, слюда. В состав неорганических материалов входят оксиды кремния, алюминия, магния и других элементов. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, повышенной теплостойкостью и хрупкостью.
По фазовому состоянию полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические. В аморфных полимерах макромолекулы образуют структуры в виде пачек либо глобул, которые построены из свернутых в клубки цепей. К ним относятся эпоксидные смолы ЭД1-0, ЭД-14, полиамиды, полистирол и т.д. Аморфная структура термически нестабильна и обладает малой живучестью. Кристаллическую структуру могут образовывать полимеры со строго регулярным строением линейных цепей. Кристаллическим полимерам присущи более высокие температуры плавления, повышенные механические и химические свойства.
Обычно полимеры находятся в двухфазном состоянии: аморфном и кристаллическом одновременно. Содержание в полимере кристаллического вещества, выраженное в процентах, называется степенью его кристалличности.
Полярность полимеров определяется наличием диполей. В соответствии с этим признаком полимеры подразделяются на полярные и неполярные. Полярные полимеры имеют повышенную жесткость и теплостойкость, но низкую морозостойкость. Неполярные полимеры относятся к высокочастотным диэлектрикам.10.2.2. Свойства полимеров
Физико-механические свойства полимеров определяются структурой и физическим состоянием, которое в зависимости от температуры может быть стеклообразным, высокоэластическим, вязкотекучим (гель). Стеклообразные полимеры представляют собой твердые аморфные вещества, атомы в которых находятся в равновесии и макромолекулы не перемещаются. Перемещение макромолекул полимера не наблюдается и в высокоэластиче- с ком состоянии, одрако за счет подвижности отдельных звеньев молекулы приобретают способность изгибаться, что приводит при небольших нагрузках к значительным упругим и высокоэластическим деформациям. В вязкотекучем (гелеобразном) состоянии все макромолекулы подвижны и полимеры отличаются от жидкостей лишь большей Вязкостью.
Полимеры с линейной, разветвленной и редкосетчатой структурой (термопласты) могут находиться в стеклообразном и высокоэластическом состояниях, а с пространственной структурой (термоактивные) только в стеклообразном.
На рис. 10.2 представлены термомеханические кривые, которые графически отражают связь между деформацией, возникающей в полимере при заданном напряжении, и температурой его нагрева. Кривые характеризуют изменения механических и технологических свойств полимеров при различных температурах.

Рис. 10.2. Термомеханические кривые аморфного (1), кристаллического (2) и редкосетчатого (3) полимеров. Участки разложения: I — стеклообразного; II — высокоэластического; III —" вязкотекучего;
IV — химического
Полимеры или пластмассы на их основе используются в твердом состоянии при температурах ниже tc (температуры стеклования). При температуре ниже fxp (температуры охрупчивания) полимер переходит в хрупкое состояние. Формообразование изделий из полимеров или пластмасс проводят в температурной области вязкотекучего состояния. Кристаллические полимеры с аморфной составляющей до температуры плавления (кристаллизации) fB находятся в твердом состоянии, при tK кристаллическая составляющая полимера плавится и переходит в высокоэластическом состояние аналогично некристаллическим полимерам. Выше температуры fT (температуры начала вязкого течения) аморфные и кристаллические полимеры находятся в вязкотекучем (ге- леобразном) состоянии.

Рис. 10.3. Зависимость деформации е от напряжения а для кристаллического (1) и стеклообразного (2) полимеров. Участки деформаций: I — упругих; II — высокоэластической; III —,разрушения образца
е
Величина деформации полимеров зависит от температуры и скорости приложения нагрузки. Для аморфных полимеров
У редкосетчатых полимеров (типа резины) при повышении температуры вязкое течение не наблюдается. Верхней границей их высокоэластического состояния является температура tx (температура начала химического разложения). Полимеры при определенных температурах могут воспринимать значительные деформации. На рис. 10.3 представлены кривые напряжение — деформация для полимера в кристаллическом и стеклообразном состоянии. Зависимость а(е) для кристаллического полимера имеет вид ломаной кривой, на которой можно выделить три характерных участка. На участке I удлинение (деформация) прямо пропорционально напряжению. При достижении определенного усилия на образце образуется шейка, и деформация возрастает при постоянном напряжении (участок II). При этом наблюдается рост шейки по длине образца. После распространения шейки на всю длину образца процесс деформации завершается разрушением (участок III). Зависимость напряжение — деформация для стеклообразных полимеров имеет вид плавной кривой. Напряжение, которое вызывает высокоэластическую деформацию у стеклообразных полимеров, называют пределом вынужденной эластичности (свын. эл).
о,
характерно снижение прочности с увеличением температуры (при постоянной скорости деформации) и ростом скорости приложения нагрузки (при постоянной температуре) (рис. 10.4). Стеклообразные и кристаллические полимеры могут подвергаться ориентационному упрочнению, которое заключается в ориентации структуры полимера, находящегося в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии, при статическом растяжении и фиксации полученной структуры при температурах ниже fc. Полимеры с направленной структурой получают также направленной поли- меризацей.
аб

Рис. 10.4. Влияние температуры < и скорости приложения нагрузки W на характер кривых растяжения для аморфного полимера: а — f, < t2 < t3; б — Wt > W2 > Ws
Важной характеристикой полимеров является долговечность, под которой понимают период времени от момента приложения нагрузки до разрушения материала.
Долговечность полимеров и пластмасс понижается с ростом напряжения или температуры эксплуатации.
Полимеры обладают также способностью к релаксации механических напряжений. Вследствие специфики строения в полимерах под нагрузкой происходят структурные изменения, приводящие к постепенному снижению напряжений в материале. Время релаксации в зависимости от природы полимера и условий приложения нагрузки составляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет.

К недостаткам полимеров и пластмасс относится их склонность к старению. Под старением понимают самопроизвольное снижение свойств материалов в процессе хранения и эксплуатации.
Пластмассы и полимерные композиционные материалыПластмассами называют синтетические материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих и специальных наполнителей. Они способны формоваться при определенных температуре и давлении, в результате чего изделиям придается заданная форма.
Полимерными композиционными материалами (ПКМ) называются материалы с полимерной матрицей и армирующим волокнистым наполнителем. Они имеют низкую плотность, высокую удельную прочность и жесткость, стабильные свойства в широком интервале температур. Свойства ПКМ определяются свойствами компонентов, их соотношением, характером взаимодействия на границе матрица — армирующий элемент (наполнитель) и технологией изготовления.
Полимерные композиционные материалы различаются типом матрицы (органическая, неорганическая), перерабатываемостью (термопласт, термосет), типом усиливающих элементов (волокна, частицы), их ориентацией (изотропная, одноосно ориентированная) и непрерывностью. Механические свойства материала зависят от структуры и свойств межфазной границы. Сильное межфазное взаимодействие между матрицей и наполнителем создает высокую прочность материала. Фазы в композитах имеют микронные и субмикронные размеры. Для повышения свойств фазы-наполнителя уменьшают ее размеры, что снижает макроскопическую дефектность. Однако физические свойства композита не могут превосходить свойства чистых компонентов.
Физические, электронные и фотофизические свойства полимерных нанокомпозитов со средним размером фаз (наночастиц и кластеров) менее 100 нм определяются чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношением поверхности к объему) и значительно отличаются от свойств как блочного материала, так и индивидуальных атомов. Свойства конечного нанокомпозита зависят от природы взаимодействия между фазами и строения межфазных областей, объемная доля которых чрезвычайно велика.
Упрочняющими элементами нанокомпозитов являются на- ночастицы оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д. Они входят в состав нанокомпозитов на основе керамики и полимеров. Качество (уровень свойств) таких материалов определяется совместимостью компонентов.
Полимерные композиты многофункционального назначения формируют с введением связующих модификаторов, которые изменяют строение и свойства материала полимерной матрицы. При их создании используют нетрадиционные наполнители: жидкости, жидкокристаллические вещества и твердые ультрадисперсные соединения (керамику), обеспечивающие высокий комплекс свойств (электрических, магнитных, тепловых и др.), которые невозможно реализовать в обычных наполненных полимерах.
Получение нанокомпозитов возможно и по золь-гель технологии, когда исходными компонентами служат алкоголяты некоторых химических элементов и органические олигомеры. Введение керамики изменяет неорганическую трехмерную сетку. Золь-гель реакция не требует высокой температуры, что позволяет использовать органические соединения — активные олигомеры и готовые полимеры (полистирол, полиимид, полиамид, полибутадиен и полиметилметакрилат).
Слоистые нанокомпозиты создают на основе керамики и полимеров со слоистой неорганической структурой (монтмориллонит или вермикулит), которая встречается в глинах. Слой монтмориллонита толщиной 1 нм в ходе реакции ионного обмена насыщают мономерным предшественником с активной концевой группой (D-капролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или эпоксидной смолой), а затем проводят полимеризацию. Слоистые нанокомпозиты характеризуются высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью.
Нанокомпозиты с участием атомов и кластеров металлов и полупроводников имеют уникальные свойства, которые определяются свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов металла или полупроводника — от десяти до нескольких тысяч (размеры включений от 1 до 10 нм). Подобные наноматериалы отличаются по свойствам как от блочного материала, так и от индивидуального атома или молекулы, причем полупроводниковые особенно сильно, даже если размер частицы достигает сотен нанометров, что повышает температуру плавления материала.
ПКМ применяют в промышленности и электронике в качестве изоляторов. Однако уже созданы полимеры с электропроводимостью, большей проводимости железа. Промышленностью выпускаются «органические» батареи, в которых металлы заменены полимерами. Сплавы полимеров сочетают в себе механические и оптические свойства обычных полимеров с электрическими свойствами проводящих полимеров. Получены полимеры с внешней проводимостью за счет введения в них проводящих добавок (порошки, металлические волокна или сажа). Электропроводность обеспечивается переносом заряда через заряженные участки, рассеянные по исходной матрице. На основе полиацетилена создан полимер с внутренней проводимостью, в котором проводимость создается введением примесей химическим путем (легирование). Используемые примеси не являются проводниками. Полиацетилен, полученный путем химической полимеризации ацетилена, является полупроводником. Легированный полиацетилен обладает почти такой же проводимостью, как металлы (103 Ом4 • см"1). Теоретически такие полимеры смогут стать сверхпроводниками при комнатной температуре.
Появление таких проводящих и прозрачных сплавов явилось решением проблемы электростатической и электромагнитной защиты, создания невидимых для радаров покрытий в авиации и области радарной защиты.
Однако неустойчивость большинства полимеров-проводников на воздухе и в воде ограничивает их применение.10.3.1. Состав и классификация пластмассПластмассы разделяют на простые и сложные. Простые пластмассы представляют собой чистые полимеры, например полиэтилен, органические стекла и др. Сложные пластмассы состоят из связующего вещества, наполнителя, отвердителя, ингибитора, пластификатора, красителя и смазывающих добавок.
В качестве связующего вещества используют синтетические смолы и эфиры целлюлозы. По виду связующего все пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты отличаются высокой технологичностью и небольшой усадкой при формовке, обладают значительной эластичностью и не склонны к хрупкому разрушению. Реактопласты. хрупкие и дают большую усадку, поэтому использование в них наполнителя обязательно.
Наполнитель вводят с целью снижения стоимости и обеспечения заданных свойств материала, в первую очередь прочностных. К наиболее распространенным наполнителям относятся древесная или минеральная мука (порошковые наполнители), асбестовое, хлопчатобумажное или другое органическое волокно (волокниты). Полимеры с наполнителем стекловолокном называют стекловолокнитами, листами бумаги — гетинаксами, тканью — текстолитами.
Пластификатор повышает пластичность пластмасс. В качестве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и многоосновных кислот. Отвердители (инициаторы, активаторы) ускоряют, а ингибиторы замедляют переход термоактивных смол в неплавкое состояние или термопластичных — в твердое. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке и предупреждают прилипание изделия к формообразующей оснастке.
Термопласты делят на неполярные и полярные. К первым относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вторым — органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхло- рид, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др.
Полиэтилен в зависимости от способа полимеризации и достигаемой плотности подразделяют на полиэтилены низкого и высокого давления, отличающиеся степенью разветвления молекул (она выше у полиэтилена высокого давления), а также молекулярной массой и степенью кристалличности. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше его прочность, ударная вязкость, относительное удлинение и теплостойкость. Газопроницаемость полиэтилена высокого давления выше в 4...8 раз, а химическая стойкость ниже, чем у полиэтилена низкого давления. При нагреве на воздухе (290 °С) полиэтилен подвергается термодеструкции (разложению), под влиянием солнечной радиации — термостарению. Полиэтилен перерабатывается литьем под давлением, прессованием, сваривается и поддается механической обработке. Из него изготавливают кислотостойкие трубы, краны, пленки и различную арматуру. Обладает высокими диэлектрическими свойствами и служит в качестве защитных покрытий от коррозии.
Полипропилен обладает высокой стойкостью к многократным изгибам, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам. Является сырьем для получения эластичных и устойчивых к кислотам и щелочам волокон. Из пропилена литьем под давлением, экструзией, прессованием, сваркой, раздувом изготавливают пленки, трубы, детали холодильников, мотоциклов и автомобилей. Его недостатком является невысокая морозостойкость (до -20 °С).
Из полистирола литьем под давлением, экструзией, вакуум- и пневмоформированием получают нити, пленочные материалы, различные легко нагруженные фасонные изделия. Высокие диэлектрические свойства позволяют применять его в радиотехнике и электронике. Полистирол — хрупкий полимер, обладает высокой радиационной стойкостью, подвергается старению, разрушается кислотами, набухает в бензине и керосине. Его недостатками являются невысокая теплостойкость и склонность к трещинообразованию.
Фторопласт-4 — линейный полимер аморфно-кристаллического строения. Наиболее химически стоек из всех полимеров, обладает низким коэффициентом трения и свойствами самосмазки, относительно мягок, хрупок при низких температурах (-27 °С). Он перерабатывается спеканием предварительно спрессованных изделий. Подвергается закалке. При переработке степень кристалличности снижается до 45...85 % . Из фторопласта-4 изготавливают подшипники, уплотнительные элементы и химически стойкие детали: трубы, краны, вентили, мембраны и т.д.
Фторопласт-3 уступает по химической стойкости фторо- пласту-4, но превосходит другие полимеры. Он может работать при температурах не выше 70 °С. Его применяют для изготовления деталей насосов, счетчиков, клапанов, мембран и диафрагм.
Органическое стекло имеет аморфную структуру. Марки стекол определяются химическим составом и свойствами. А-стекла (высокощелочные) прозрачны, используются для производства емкостей и листового стекла. С-стекла (натрийборсиликатные) химически стойкие, их применяют в химической промышленности. Е-стекла (алюмоборсиликатные) идут на изготовление текстильного стекловолокна. S-стекла (магнийалюмосиликатные) высокопрочные, их применяют в самолетостроении и ракетостроении. L-стекла (свинцовые) применяют для радиационной защиты.
Из чистой поливинилхлоридной смолы со стабилизаторами получают винипласт — аморфный полимер. Для винипласта характерна повышенная жесткость и высокая механическая прочность. Этот материал хорошо обрабатывается, сваривается и склеивается; не поддерживает горение; химически стоек. Из винипласта изготавливают детали запорной арматуры, используемой в химической промышленности, и элементы крупных вентиляционных систем в помещениях с агрессивной средой. Кроме винипласта из поливинилхлорида получают поливинил- хлоридный пластикат, который в основном используется для изготовления бытовых изделий и в качестве заменителя кожи.
Полиамиды характеризуются высокой усталостной прочностью, сопротивлением к истиранию и ударным нагрузкам, низкой гигроскопичностью, стабильностью свойств при повышенных температурах. Перерабатываются литьем под давлением, экструзией, прессованием, поддаются механической обработке. К полиамидам относят капрон, нейлон, фенилон. Из полиамидов изготавливают делали узлов трения, втулки, подшипники, шестерни зубчатых передач. Капрон применяется в авиа- и судостроении. Капроновые волокна используются при изготовлении сетей, строп и т.д. Нейлон обладает более высокой теплостойкостью и износостойкостью по сравнению с капроном. Используется для производства синтетического волокна.
Свойства полиамидов стабильны до 300 °С. Они являются диэлектриками. Имеют стабильность при высоких температурах. Обладают низким коэффициентом трения. Перерабатываются литьем под давлением и прессованием.
Поликарбонат оптически прозрачен, обладает низкой гигроскопичностью, сохраняет прочность до 200 °С. Перерабатывается холодной штамповкой, прокаткой, сваркой, механической обработкой. Из него изготавливают подшипники, шестерни, медицинское оборудование, радиодетали.
Пластмассы с волокнистыми наполнителями —волокнистые композиционные материалы — обладают анизотропией механических свойств. Степень анизотропности определяется длиной волокон и распределением наполнителя. Различают следующие их виды: волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты. В качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы, а наполнителем являются очесы хлопка, волокна асбеста и стекловолокно. Волокнистые пластмассы отличаются повышенными теплостойкостью (до 280 °С) и ударной вязкостью (25...150 кДж/м2). Их применяют для изготовления фланцев, шкивов, втулок. Из стекловолокнитов изготавливают детали с резьбой и электромеханические силовые элементы.
Стеклонаполненные термопласты представляют собой армированные композиционные материалы, состоящие из расплавленного компаунда, коротких стекловолокон (а также углеграфи- товых, арамидных, асбестовых и других волокон) и наполнителей (слюда, тальк, стеклосферы, кремний, песок и т.д.). Подшипники скольжения, зубчатые колеса, панели приборов, детали транспортных средств из стеклонаполненных термопластов изготавливают экструзией и литьем под давлением.
Стеклопластики относят к ОКМ на основе термопластичных и термореактивных связующих, армированных стекловолокнами, стеклотканью, пряжей. Они обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, усталостной прочностью, особыми химическими, теплоизолирующими, электрическими свойствами. Детали из них изготавливают штамповкой, формовкой с нагревом, литьем под давлением. Широко применяются в различных отраслях промышленности и технике. Из них изготавливают армированные сэндвичевые конструкции в самолетостроении и судостроении.
Термореактивные пластмассы. В термореактивных пластмассах связующим веществом являются термореактивные смолы (феноло-формальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические), а также ненасыщенные полиэфирные и полибутановые смолы. Термореактивные пластмассы с учетом структурного состояния используемого наполнителя делят на порошковые, волокнистые и листовые.
В качестве наполнителей для порошковых пластмасс используют древесную муку, графит, кварц, слюду. Однородное распределение порошка в связующей массе обеспечивает высокую степень изотропности структуры и механических свойств пластмасс. Прочность и пластичность их невысокие: временное сопротивление 30 МПа, предел прочности при изгибе 60 МПа, ударная вязкость 4...6 кДж/м2. Пластмассы с минеральными наполнителями обладают химической стойкостью и повышенными электроизоляционными свойствами. Материалы на эпоксидной основе используются для «залечивания» отливок и восстановления изношенных деталей при изготовлении инструментальной и литейной оснастки.
К слоистым пластмассам относятся текстолит, гетинакс, асботекстолит, стеклотекстолит и древесно-слоистый пластик (ДСП). В текстолите наполнителем служит хлопчатобумажная ткань. Текстолиты хорошо гасят вибрации и не подвержены раскалыванию, являются отличным материалом для слабонагру- женных подшипников и зубчатых колес. В гетинаксе наполнителем служит бумага, и он используется в качестве электротехнического и декоративного (облицовочного) материала. Стеклотекстолита в зависимости от природы связующего обладают разнообразными свойствами. Древесно-слоистые пластики с наполнителем из листов древесного шпона имеют хорошие механические свойства и отличаются низким коэффициентом трения.
Феноло-формальдегидные смолы обеспечивают повышенную теплостойкость и электроизоляционные свойства, кремнийорга- нические смолы — повышенные морозостойкость и химическую стойкость, эпоксидные смолы — высокие механические свойства. Они служат связующим при изготовлении волокнистых реакто- пластов, например боропластиков (ПКМ, упрочненных борными волокнами), углепластиков (ПКМ, упрочненных арамидны- ми волокнами). Детали из полимерных композиционных материалов применяют в авиации, военной технике, судостроении, автомобилестроении.
Газонаполненные пластмассы. Легкие и сверхлегкие газонаполненные пластмассы представляют особый класс материалов, состоящих из твердой и газообразной фаз. Такая особенность строения материала обусловливает его высокие теплозвукоизо- ляционные характеристики. По структуре газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты.
Пенопласты имеют ячеистую структуру, в которой микрообъемы газообразного наполнителя изолированы друг от друга тонкой пленкой связующего. В поропластах формируется открытая пористая структура. Сотопласты изготавливают из гофрированных листов, которые склеиваются в виде сот.
Рабочие характеристики газонаполненных пластмасс (указаны нижние и верхние пределы): кажущаяся плотность 25...300 кг/м3; рабочая температура -60...300 °С; временное сопротивление 0,1...4,5 МПа; предел прочности при изгибе — 0,5...7,0 МПа; ударная вязкость — 0,2...1,9 кДж/м2.
Газонаполненные пластмассы используются для теплоизоляции холодильников, трубопроводов, кабин и салонов транспортных средств. Их применяют в строительстве, в радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
10.3.2. Технология получения изделии из пластмасс и полимерных композиционных материалов
В промышленности применяются следующие методы формообразования изделий из пластмасс: экструзия, прессование, литье под давлением, спекание, механическая обработка, сварка.
При экструзии расплав полимера непрерывно выдавливается через формообразующее отверстие в виде профиля определенного сечения. Методом экструзии получают профильные изделия: трубы, уголки, полосы, стержни. Выдавливание термореактивных материалов осуществляют в пресс-формах на горизонтальных гидравлических прессах (рис. 10.5), а термопластических — с использованием шнековых или червячных устройств — экс- трудеров (рис. 10.6), что обеспечивает непрерывное пластифицирование полимера. Пленки и полые трубчатые изделия получают в сочетании с раздуванием заготовок сжатым воздухом (рис. 10.7).
Прессованием наиболее часто изготавливают изделия из термореактивных пластмасс, причем различают прессование прямое (компрессионное), литьевое (трансферное), непрерывное профильное. На рис. 10.8 показана схема прямого прессования. При загруз-
11

43 2 1
Рис. 10.5. Схема пресс-формы для экструзии термореактивных
полимеров:
— зона приема материала; 2 — переходная зона; 3 — профилирующая зона; 4 — мундштук; 5 — зажимная гайка; 6 — фланец для крепления пресс-формы к неподвижной плите пресса; 7 — электрические обогреватели; 8 — матрица; 9 — нагреваемая обойма; 10 — охлаждаемая обойма;
— бункер-наполнитель; 12 — загрузочная полость; 13 — поршень пресса;
14 — фланец для крепления поршня к подвижной плите пресса

Рис. 10.6. Схема экструдера: 1 — шнек; 2 — загрузочное отверстие; 3 — цилиндр; 4 — водяной или паровой обогрев; 5 — воздушное охлаждение; 6 — дорн; 7 — головка цилиндра;
8 — мундштук

Сжатый воздух
Рис. 10.7. Схема изготовления пленки раздуванием трубы вверх: 1 — шнек; 2 — цилиндр экструдера; 3 и 4 — фильтрующие сетка и решетка; 5 — дорн; 6 — оформляющая головка; 7 — электрические нагреватели; 8 — охлаждающее устройство; & — направляющие ролики; 10 ■— захватывающие валики; 11 — барабан


Hill

Рис. 10.8. Схема изготовления изделий прессованием: а — загрузка шихты в пресс-форму; б — прессование; в — извлечение изделия; 1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — выталкиватель; 4 — пресс-материал;
5 — готовое изделие
ке в полость горячей нижней пресс-формы (матрицы) материал разогревается до вязкотекучего (гельного) состояния и под давлением верхней горячей формы (пуансона) принимает форму готового изделия. Изделие выдерживается в пресс-форме под давлением до полного отвердения термореактивного материала, после чего извлекается из формы. Листовой и пленочный термопластичный материал прессуется с помощью сжатого воздуха или вакуума.
2193290621665
Вакуум
Схемы пневмоформования и вакуум-формования показаны на рис. 10.9.
/ 2

воздух
Рис. 10.9. Схема пневматического (а) и вакуумного (б) прессования: 1 — матрица; 2 — изделие
Литье пластмасс под давлением характеризуется высокой производительностью, а получаемые изделия — высокой точностью и повышенной чистотой поверхности. Этот метод, которым обычно перерабатывают термопластичные материалы, основан на нагреве полимера до вязкотекучего состояния и последующемохлаждении расплава-под давлением в пресс-формах литейных машин (рис. 10.10). Технология позволяет получать детали массой от нескольких десятков граммов до 100 кг.

Рис. 10.10. Схема литья под давлением: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — дозатор; 4 — бункер-накопитель; 5 — электрообогреватель; 6 — гильза терморегулятора; 7 — сопло; 8 — кронштейн; 9 ж 14 — пружины; 10 — неподвижная плита для крепления пуансона; 11 — пуансон; 12 — толкатели; 13 — матрица; 15 — подвижная плита; 16 — траверса; 17 — упор
Методом спекания изготавливают изделия из термопластов с высокой температурой плавления и большой вязкостью расплава.
Для получения композитов используют технологию формования ручной кладкой с применением оборудования для напыления, в которое входят устройства для подачи смолы, катализатора, рубленого волокна и распылительные устройства с различными видами смешивания компонентов (наружным, внутренним и безвоздушным).
Напыление пластмассовых порошков осуществляют с использованием газопламенных горелок (рис. 10.11). Непрерывные производственные процессы предусматривают применение роботизированных автоматов для напыления (рис. 10.12). Изделия из волокнистых ПКМ изготавливают прямым и литьевым прессованием, литьем под давлением. Предварительная намотка волокон осуществляется на вращающуюся оправку с контролируемым углом и расположением армирующего материала.


Рис. 10.12. Трехкоординатный роботизированный автомат для напыления:
1 — привод продольного перемещения; 2 — форма; 3 — распылительное сопло; 4 — поворотная головка; 5 — подача стекловолокна; 6 — привод вертикального перемещения; 7 — привод поперечного перемещения; 8 — кабель; 9 — подача смолы; 10 — ленточные программоносители
Полиэфирные смолы и стекловолокна являются главными компонентами КМ. Для сосудов высокого давления в качестве связующего используют эпоксидные смолы. Производство профильных изделий из волокнистых пластиков аналогично экструзии термопластов. Этот процесс называется пултрузия и осуществляется на специальных машинах для изготовления труб и изделий сложного профиля.Ifflfl Резиновые материалыРезины представляют собой продукт вулканизации каучука в смеси с добавками и наполнителями. Под вулканизацией понимают процесс сшивки макромолекул каучука в пространственно-сетчатую структуру с целью получения высокоэластичного материала. Основой резины является каучук натуральный или синтетический. Подавляющее большинство резиновых материалов производится на основе синтетических каучуков (известно около 250 видов). Наибольшее практическое применение имеют каучуки бутадиеновые, бутадиенстирольные, бутадиеннитриль- ные, хлоропреновые, бутиловые, этиленпропиленовые, кремний- органические, полиуретановые и др.
Помимо каучуковой основы в состав вулканизируемой смеси входят следующие ингредиенты.
Вулканизирующие вещества (агенты). Для большинства каучуков вулканизирующим агентом номер один является сера, сшивающая макромолекулы каучука за счет образования поперечных связей между ними. При небольших добавках серы (массовая доля до 5 %) образуется редкосетчатый полимер, обладающий высокой эластичностью. По мере увеличения содержания серы твердость полимера возрастает и при массовой доле серы свыше 30 % образуется твердый материал — эбонит. Кроме серы в качестве вулканизирующих агентов могут использоваться селен, оксиды некоторых металлов и другие вещества.
Наполнители вводят для улучшения механических свойств (сажа, оксид цинка) и снижения стоимости (мел, барит, тальк) резины. Иногда в качестве наполнителей используются измельченные производственные отходы резины и старые резиновые изделия.
Антиоксиданты (противостарители) замедляют процесс старения резины в результате окисления. К ним относятся альдоль и неозон Д.
Мягчители (пластификаторы) составляют 8...30 % от массы каучуковой основы. Мягчителями служат вазелин, парафин, растительные масла, битумы и другие вещества.
Красители обеспечивают резине необходимую окраску, а в ряде случаев — замедляют старение резины под воздействием солнечного света.
Резиновые смеси перед вулканизацией подвергают специальной механической или термической обработке с целью их пластификации. Сам процесс вулканизации проводят при температуре 140...180 °С с использованием различного технологического оборудования. Например, трубки, стержни и профили получают экструзией исходной резиновой смеси и последующей вулканизацией «сырых» заготовок в котлах. Важнейшим параметром процесса вулканизации является его длительность. Наилучшие свойства резины обеспечиваются только при оптимальном времени вулканизации (рис. 10.13). При недовулканизации еще не достигается требуемая степень сшивки молекул, а при перевулканизации степень сшивки молекул снижается под влиянием процесса деструкции (разрыва молекул), носящего название реверсии вулканизации.
Напряжение, ,
< 1 11 » * ш » « w
J с"4
f
Si i / /
А / / ! у / 1 / / 1 Г / в\ Продолжительность вулканизации
Рис. 10.13. Стадии вулканизации резиновых примесей: I — подвулканизация; II — недовулканизация; III — оптимум (плато) вулканизации; IV — персвулканизация; А — смесь с быстрым схватыванием; В — смесь с замедленным схватыванием; С — смесь с реверсией вулканизации
Резины обладают уникальными эластическими свойствами. При нормальных температурах резины могут подвергаться большим упругим деформациям. Модуль упругости резин (1... 10 МПа) на несколько порядков ниже модуля упругости стали. Для резин свойственна релаксация напряжений при их механическом на- гружении. В зависимости от природы каучуковой основы резины обладают следующими механическими свойствами: временное сопротивление 1...50 МПа; относительное удлинение при разрыве 100...800 %; твердость по Шору 30...95. Механические свойства резин сильно зависят от температуры, повышение которой вызывает снижение их прочности и твердости.
Резины, поставляемые потребителю в вулканизированном состоянии, в соответствии с их назначением делят на две основные группы: резины общего назначения и резины специального назначения.
К резинам общего назначения относятся материалы на основе натурального, бутадиенового, изопренового, бутадиенстирольного, хлоропренового, бутилового каучуков. Из этих резин изготавливают шины, конвейерные ленты, приводные ремни, кабельную изоляцию и фасонные резинотехнические изделия. Изделия из резин общего назначения могут работать при температурах в интервале -35...150 °С, их отличает стойкость в воздухе, воде и слабых растворах кислот и щелочей.
К резинам специального назначения относятся теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, износостойкие, электропроводящие, магнитные, диэлектрические, стойкие к действию агрессивных сред и др.
Основой теплостойких резин являются этиленпропиленовые и полисилоксановые каучуки, которые обеспечивают возможность работы при температурах 150...200 °С, а в отдельных случаях даже при 350...400 °С.
Морозостойкие резины получают на основе каучуков с низкой температурой стеклования, преимущественно кремяийорга- нических, либо с обычной температурой стеклования, например бутадиеннитрильных, но со специальными пластификаторами. Рабочие температуры достигают -76 °С.
Маслобензостойкие резины на основе хлоропреновых, урета- новых, полисульфидных, бутадиеннитрильных и других каучуков могут работать в условиях длительного контакта с нефтепродуктами и растительными маслами.
На основе полиуретановых каучуков получают износостойкие резины, а на основе бутадиеннитрильных, кремнийорганиче- ских, хлоропреновых, акрилатных каучуков — резины, стойкие к действию агрессивных сред.
Электропроводящие и магнитные резины изготавливают путем введения электропроводящих и магнитных наполнителей в полярные бутадиеннитрильные каучуки.
10.5.
Основой диэлектрических резин являются кремнийорганиче- ские, этиленпропиленовые, изопреновые и некоторые другие каучуки. Помимо рассмотренных, существуют и другие виды специальных резин: пищевые, медицинские, вакуумные, огнестойкие, радиационно стойкие и т.д.Сотовые и панельные конструкцииСотовые и панельные конструкции являются видом продукции, использующей непропитанные и пропитанные крафт-бумаги, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, армированные пластики, арамидные бумаги, стеклопластики на основе тканей и связующих. Структура сотовых (сандвичевых) конструкций состоит из двух облицовочных пластин, толстой легкой сердцевины (заполнителя), разделенного несущими пластинами, и адгезионных слоев, связывающих элементы конструкции. Несущие и облицовочные материалы изготавливают в самолетостроении из алюминиевых, титановых сплавов и сталей, углепластиков или стеклопластиков. Заполнителями, придающими устойчивость конструкции, служат дерево, пенопласты, армированные пластики.
Сотовые структуры изготавливают процессом растяжения предварительно соединенных по исходным линиям пакетов, одновременно образующих ячеистую структуру, либо процессом рифления исходного материала (рис. 10.14, а, б). Схема плоской сотовой (сандвичевой) панели представлена на рис. 10.14, в.
Проектирование сотовой конструкции ведется на основе следующих критериев:
□ облицовочные и несущие пластины должны иметь достаточный модуль упругости и толщину, чтобы выдержать напряжения

Рис. 10.14. Схема изготовления наполнителей (а, б) и вид сотовой конструкции (в)
сжатия, растяжения, сдвига и избежать смятия (для особо нагруженных конструкций применяют облицовочные пластины из волокнистых композиционных материалов);
заполнитель должен выдерживать сдвиговую нагрузку;
размер ячеек должен обеспечить устойчивость несущих пластин.
Панельные конструкции могут изготавливаться из листового и сортового проката (уголки, швеллеры, трубы, профили, двутавры и т.п.) методами пайки элементов твердым припоем (на основе меди), диффузионной сваркой или сваркой взрывом. Полые панели сваркой взрывом изготавливают, размещая облицовочную пластину со сварочным зазором к несущим элементам. На облицовочной пластине располагают заряд взрывчатого вещества, который инициируют электродетонатором. Для сохранения свободной полости между элементами в полостях размещают технологический наполнитель из легкоплавкого материала (например, сплав ВУДа), который после сварки взрывом легко выплавляется при нагреве.
Сотовые и панельные конструкции применяют для изготовления несущих элементов и конструкций самолетов, ракет, вертолетов, подводных лодок, морских судов, космической техники, автомобилей, корпусов телевизоров, конструкций домостроения и т.д.
Лакокрасочные материалыЛакокрасочные материалы представляют собой композиции, состоящие из пленкообразующего вещества, растворителей, наполнителей, пигментов и других компонентов, которые после нанесения и сушки образуют на поверхности изделия твердое покрытие.
Лакокрасочные покрытия предназначены для защиты металлических поверхностей от коррозии, а неметаллических материалов (древесины, пластмасс и др.) от увлажнения и гниения, а также для придания им декоративного вида и специальных свойств (электроизоляционных, светоотражательных, теплоиз- лучательных и др.).
По составу лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, эмали, грунтовки и шпатлевки.
Лаками называются растворы природных или синтетических пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме пленкообразующего вещества, они содержат пластификаторы, стабилизаторы и другие функциональные добавки. После нанесения на поверхность тонким слоем и высыхания лаки образуют прозрачные покрытия.
Эмали представляют собой суспензии пленкообразующего вещества с пигментами, наполнителями и функциональными добавками. После нанесения на поверхность и высыхания они образуют непрозрачные покрытия.
Грунтовки являются основой, которую наносят на окрашиваемую поверхность с целью защиты ее от коррозии, создания хорошей сцепляемости с подложкой и последующими слоями лакокрасочного покрытия. Грунтовка содержит пленкообразующие вещества (смолы, масла, клеи и т.д.), пигменты, ускорители высыхания и различные добавки, определяющие ее антикоррозионные свойства.
Шпатлевки представляют собой композиции пастообразной консистенции, состоящие из пленкообразующего вещества, пигментов и наполнителей, причем последние составляют до 200 % от массы пленкообразующего. Шпатлевки применяются для выравнивания окрашиваемых поверхностей и исправления мелких дефектов.
Основой лакокрасочных материалов являются пленкообразующие вещества, способные образовывать тонкие прочные монолитные полимерные пленки. В качестве пленкообразующих применяют различные растительные масла, смолы, эфиры целлюлозы. Для получения лака их растворяют в соответствующих растворителях — летучих органических жидкостях. Так, например, феноло-формальдегидные смолы растворяют в спиртах, а высыхающие масла, битумы — в бензине, скипидаре, уайт-спирите и т.д. Растворителями служат органические жидкости, которые не вызывают химических превращений пленкообразующего и испаряются в процессе пленкообразования. Многие лакокрасочные материалы содержат смеси нескольких растворителей.
Пигменты придают эмалям цвет и укрывистость, т.е. способность перекрывать цвет подложки. В качестве пигментов используются главным образом неорганические оксиды Ti02, ZnO, Fe203 и т.д.; применяются также органические пигменты (например, голубой и зеленый фталоцианиновый).
Наполнители вводятся в состав эмалей для улучшения их малярно-технических свойств, повышения прочности, влаго-, свето-, термостойкости и др., а также с целью экономии пигментов. В качестве наполнителей используются неорганические дисперсные порошки: мел, тальк, синтетические продукты (А1г03).
Пластификаторы, улучшают технологические свойства лакокрасочного материала, расширяя область его высокоэластического состояния. Довольно часто для этих целей используют дибутилфталат (ДБФ).
Стабилизаторы замедляют окисление, деструкцию и другие процессы, ухудшающие физико-механические свойства покрытий.10.6.1. Виды лакокрасочных материалов
В зависимости от пленкообразующего вещества лакокрасочные материалы делятся на маслосодержащие, смоляные, эфиро- целлюлозные, канифольные и др.
К маслосодержащим относятся масляные (МА), масляно-би- тумные (БТ), масляно-глифталевые (ГФ), водоэмульсионные и другие материалы. В них пленкообразующими веществами являются растительные масла (льняное, тунговое, подсолнечное, ореховое), чаще всего совмещенные со смолами и битумами.
Масляные лакокрасочные покрытия не размягчаются при нагревании, не растворяются в воде, стойки к воздействию трансформаторного масла даже при нагревании, однако набухают в воде при длительном контакте с ней. Используются они в чистом виде в основном для пропитки тканей, лакобумаг и обмоток трансформаторов. Поскольку растительные масла — дорогое пищевое сырье, их заменяют на смеси масел с битумами и смолами.
В масляно-битумных покрытиях используют битум, который представляет собой смесь углеводородов различной консистенции (густоты). Они обладают высокой влагостойкостью, стойкостью к действию кислот, их теплостойкость составляет 130 °С. Однако такие покрытия не обладают маслостойкостью. Как правило, их применяют для электроизоляции, пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов, катушек, изготовления лакотканей, защитных покрытий.
Масляно-глифталевые (в лакокрасочной промышленности их называют глифталевыми) покрытия более теплостойки (до 155 °С), эластичны, стойки к тепловому старению и имеют более высокую адгезию, чем масляные. Их применяют для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов, склейки слюды малогабаритных статоров и якорей, изготовления защитных покрытий приборов и машин, работающих в помещении и на открытом воздухе в умеренном поясе и в тропиках.
Водоэмульсионные лаки и краски (аквалиты) представляют собой эмульсию из диспергированных в воде масляных и других лакокрасочных композиций. Их преимущество — исключение из состава огнеопасных и токсичных растворителей. Сушка ведется при повышенных температурах. Эти материалы применяются для окраски автомобилей, пропитки обмоток электрических машин и трансформаторов
К смоляным лакокрасочным материалам относятся полихлорвиниловые смолы (ПХВ), кремнийорганические лаки, ор- ганосиликатнЫе, эпоксидные, полиуретановые и др.
Полихлорвиниловые смолы негорючи, стойки к действию кислот и щелочей, хлору и аммиаку, однако имеют низкую адгезию к металлам, невысокие теплостойкость (до 80 °С) и электроизоляционные свойства, плохую растворимость. Применяют эти смолы для покраски приборов, работающих в условиях агрессивных сред и тропиков. В авиации для окраски алюминиевых и магниевых сплавов широко используют лаки КС-77, КС-76, эмали ХВ-1100, ХВ-110, ХС-710.
Кремнийорганические лаки длительно сохраняют свои свойства при температурах до 200 °С, наполненные диоксидом титана, оксидом сурьмы — до 260 °С, оксидом алюминия (пудрой) — до 550 °С; химически инертны, обладают очень высокой водо-, масло- и бензостойкостью, а также стойки к действию растворов солей. Они нашли применение в качестве электроизоляционных материалов для изделий с повышенной температурой эксплуатации (до 500 °С). Для улучшения адгезии кремнийорганические лаки модифицируют полиэфирами.
Эпоксидные лаки и эмали обладают высокой адгезией, малой пористостью, хорошей атмосферо-, влаго- и термостойкостью (от -60 до +200 °С), устойчивы к действию щелочей и кислот средней концентрации. Выпускаются обычно в виде двухком- понентных композиций: собственно лак (эмаль) и отвердитель, вводимый непосредственно перед употреблением (полиамины, фенолы и др.). Применяются эти материалы для электроизоляции проводов, окраски металлических поверхностей приборов и электроаппаратуры, эксплуатируемых в различных климатических условиях.
Полиуретановые лаки отличаются хорошей адгезией к металлам, высокой атмосферостойкостью. Благодаря хорошим электроизоляционным свойствам, водо- и теплостойкости они получили широкое применение для эмалирования проводов, пропитки хлопчатобумажной и стекловолокнистой изоляции.
Покрытия на основе акриловых смол (АК, АС) эластичны, стойки к ударным нагрузкам, обладают хорошей адгезией к металлам, сохраняют свои свойства при работе в условиях 98... 100%-ной влажности при температуре 55...60 °С.
К эфироцеллюлозным материалам относятся нитроцеллю- лозные и полиэфирные.
Нитроцеллюлозные лаки и эмали получили широкое применение благодаря быстрому высыханию, что способствует созданию поточных методов окрашивания массовых изделий с образованием пленки с хорошими диэлектрическими свойствами, высокими твердостью, бензо- и маслостойкостью и удовлетворительной атмосфероетойкостью. Недостатками покрытий являются пониженная адгезия, невысокая термостойкость и легкая воспламеняемость.
Полиэфирные лакокрасочные материалы имеют высокую твердость, хороший блеск, удовлетворительную стойкость к истиранию, но малоэластичны, нестойки к ударным нагрузкам, обладают низкой адгезией к металлам и применяются в основном для окраски древесины.
10.6.2. Основные характеристики лакокрасочных материаловОсновными характеристиками лакокрасочных материалов, определяющими технологические возможности их использования, являются вязкость, укрывистость, расход, время высыхания.
Вязкость характеризуется временем истечения 50 мл испытуемого материала через сопло вискозиметра при температуре 20 °С.
Под укрывистостью понимается способность лакокрасочного материала делать невидимым цвет покрываемой поверхности. Определяют укрывистость минимальным количеством материала, необходимым для того, чтобы на пластине под слоем покрытия не были заметны предварительно нанесенные белые и черные квадраты. Укрывистость выражается в г/м2.
Расход лакокрасочного материала при окраске выражается также в г/м2 и показывает массовое количество материала, необходимое для получения покрытия требуемой толщины с нужными физико-механическими свойствами.
При оценке времени высыхания различают время высыхания «от пыли» (до момента, когда покрытие перестает липнуть и к нему не приклеивается пыль) и время практического высыхания (до момента, когда покрытие достигает степени отверждения, при которой с деталью или поверхностью возможно производить дальнейшие технологические операции).
Основными физико-механическими характеристиками лакокрасочных покрытий являются адгезионная способность, толщина пленки, твердость, эластичность, термостойкость, бензо- и маслостойкость, атмосферостойкость покрытия.
Адгезионная способность — способность лакокрасочных материалов образовывать прочное сцепление отдельных слоев материала друг с другом, а нижнего слоя — и с подложкой.
Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого твердого тела. Твердость покрытия обеспечивает его целостность при механических воздействиях (ударе, царапании, давлении).
Эластичность — это способность материала испытывать значительные упругие деформации без разрушения.
Атмосферостойкость — способность покрытия противостоять действию атмосферных влияний (влаги, кислорода воздуха, солнечной радиации), а также промышленных газов и выбросов.
Под термостойкостью понимается способность покрытий сохранять свой внешний вид и не разрушаться под действием высоких и низких температур.
Бензо- и маслостойкость подразумевает способность покрытия противостоять разрушающему действию бензинов и масел.
10.6.3. Технология нанесения лакокрасочныхматериаловЛакокрасочное покрытие образуется в результате последовательного нанесения на предварительно подготовленную поверхность грунтовки, шпатлевки, а затем одного или нескольких слоев лакокрасочной пленки (рис. 10.15).
■1

Рис. 10.15. Лакокрасочные покрытия: 1 — слои лакокрасочного покрытия; 2 — шпатлевка; 3 — грунтовки; 4 — покрываемая поверхность
Для обеспечения качества наносимого покрытия необходима тщательная подготовка поверхности изделия, включающая ее выравнивание, очистку от ржавчины, старой краски и заусенцев, обезжиривание и фосфатирование с целью повышения адгезии покрытия.
Для обеспечения надежной защиты окрашиваемой поверхности покрытие должно быть сплошным, толщиной не менее 100... 150 мкм. С увеличением толщины покрытия повышаются защитные свойства, но возрастают внутренние напряжения, снижается адгезия, увеличивается усадка. Поэтому при необходимости получения более толстого покрытия наносят несколько слоев. Для придания покрытию универсальных свойств могут использоваться слои различного состава.
Нанесение лакокрасочных материалов может осуществляться кистью, распылением, окунанием, обливанием и другими методами в зависимости от геометрических размеров поверхности, ее формы и состояния, состава лакокрасочного материала и требований, предъявляемых к внешнему виду изделия.
Метод нанесения лакокрасочных материалов кистью или валиком наиболее прост, не требует специального оборудования, но малопроизводителен и неудобен при окраске быстросохнущими эмалями. Применяется в основном для окраски пористых поверхностей (деревянных, тканевых и т.д.), отдельных участков поверхности, внутренних поверхностей, труднодоступных при других методах окраски, и различных пазов.
Нанесение лакокрасочных покрытий распылением в 5. ..10 раз повышает производительность процесса по сравнению с нанесением кистью или валиком, позволяет использовать материалы как на масляной основе, так и на быстролетучих растворителях (нитролаки, нитроэмали).
Метод окунания применяют при нанесении покрытия на небольшие, хорошо обтекаемые детали в серийном производстве. Окраска производится на специальных конвейерах, где детали крепятся на кронштейнах и поочередно опускаются в ванну с лакокрасочным материалом, затем выдерживаются для стока избытка краски и отправляются на сушку.
Окраска обливанием применяется для крупногабаритных поверхностей с хорошей обтекаемостью. При этом детали перемещаются по конвейеру, а обливание производится из специальных гидрофорсунок.
Сушку лакокрасочных покрытий производят с подогревом или без него (в зависимости от типа пленкообразующего). Сушка без подогрева (естественная) используется дли нитроэмалей и протекает в течение 0,5...2 ч путем испарения растворителя при температуре не ниже 12 °С и относительной влажности воздуха не выше 70 % в хорошо вентилируемом помещении. Горячую сушку применяют для масляных и смоляных лакокрасочных материалов. Температуру сушки определяют исходя из природы используемых пленкообразующих и пигментов. Она может составлять от 40 °С для эфироцеллюлозных лаков до 200 °С для черных масляных лаков.ПЯД Склеивающие материалыКлеи представляют собой коллоидные растворы органических или неорганических соединений, способные при затвердевании образовывать прочные клеевые соединения, которые обладают хорошей адгезией, когезионной прочностью, достаточной эластичностью и долговечностью. Они применяются для получения неразъемных соединений как однородных, так и различных по природе материалов без ослабления их сечения.
Преимуществами склеивания являются: сохранение исходных свойств склеиваемых материалов, герметичность клеевого шва, равномерное распределение нагрузок по площади клеевого шва, экономичность технологии. К недостаткам склеивания относят пониженную по сравнению с другими способами соединения прочность и теплостойкость, необходимость изменения конструкции деталей для оптимального размещения клеевых швов.
В состав клеев входят следующие компоненты: пленкообразующее вещество, которое определяет адгезионные, когезионные и основные механические свойства клеевого соединения, растворители, пластификаторы, отвердители и катализаторы, наполнители. В качестве пленкообразующих материалов наибольшее применение получили синтетические полимеры и каучуки.
Классифицировать клеи можно по разным признакам: пленкообразующему веществу, назначению, теплостойкости,- химической стойкости, условиям отверждения, агрегатному состоянию и т.д. В основном используется классификация по первому из перечисленных признаков: на смоляные, резиновые и неорганические.
Смоляные клеи бывают термореактивными и термопластичными. Термореактивные клеи при нагревании или в присутствии специальных отвердителей образуют тугоплавкое клеевое соединение, причем данный процесс необратим. Термопластичные клеи под действием тепла теряют когезию, приобретая пластическую консистенцию, а при Охлаждении вновь застывают. Данный процесс является обратимым.
Термореактивные клеи обладают высокими прочностными свойствами и теплостойкостью, обычно являются основой конструкционных клеев. Термопластичные клеи используют, как правило, для склеивания неметаллических материалов и приклеивания их к металлам в изделиях несилового назначения. Типы клеев и области их применения приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1 Характеристики и области применения некоторых конструкционных клеев
Тип клея Марка клея Предел прочности при сдвиге, МПа Термостойкость, °С Склеиваемые материалы
Феноло-формаль- дегидный В31-Ф9 13...15 45...100 Оргстекло между собой и с тканями, пористые материалы
Феноло-каучуко- вый ВК-3, ВК-13М ВК-32-200, ВК-13 14...25 200 200 300 Металлы, стеклопластики
Феноло-поливи- нил ацетатный БФ-2
БФ-4,
ВС-1ат,
ВС-350,
БФР-2 17...18 80 200 300 кр. 350 Металлы, стеклопластики, древопластики и другие материалы
Феноло-кремний- органический ВК-8
ВК-15
ВК-18
ВК-18М
ВК-20 12...17 100 1200 кр. 200 900 кр. 700 Стали, титан, графит и др. Металлы и неметаллические материалы
Эпоксидный К-153, Л-4 10...30 60 Металлы, стеклопластики, неметаллические материалы
ВК-32-ЭМ 60 Стальные, алюминиевые и титановые сплавы, стеклопластики, полимеры
ВК-1 150 Металлы и стеклопластики
Эпоксид П иПР 100 Металлы и неметаллические материалы
Окончание табл. 10.1
Тип клея Марка клея Предел прочности при сдвиге, МПа Термостойкость, °С Склеиваемые материалы
Эпоксидный ВК-9 ЭПЦ-1 10...30 125 150 Стали, алюминиевые сплавы, неметаллические материалы
Асбоцемент, стали,
неметаллические
материалы
Эпоксиднополи- уретановый ВК-16 10...15 250 Металлы, стеклопластики, неметаллические материалы
Эпоксиднокрем- нийорганический ТКМ-75 18...20 300 500 Металлы и стеклопластики
Полиуретановый ПУ-2 ВК-11 11. ..20 60 Металлы, неметаллические материалы; декоративно-отделочные ткани, поролон с деревом и алюминиевыми сплавами
Кремнийоргани- ческий ВКТ-2 ВКТ-3 10...17 200 300...400 Стекловолокнистые материалы со сталями
Полиэфирный ТМ-60 — 100 Полиэтиленовые пленки
Перхлорвинило- вый ХВК-2а — 60 Хлопчатобумажные ткани с древесиной
Полиамидный СП-6 15...30 300...375 Коррозийно-стойкие стали, титановые сплавы, композиты
Полибензимида- зольный ПБИ-1К 350...540 Коррозийно-стойкие стали, титановые сплавы, композиты
Примечание, кр. — кратковременный.
Резиновые клеи, основу которых составляют каучуки, отличаются высокой эластичностью и применяются для склеивания резины или приклеивания резины к металлам. Они представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях.
Неорганические клеи — это клеи на основе клеящих веществ (связок) неорганической природы. К ним относят керамические (основа — оксиды магния, алюминия, кремния, щелочных металлов), силикатные (калиевое или натриевое жидкое стекло), металлические (жидкий металл).
По форме выпуска клеи бывают однокомпонентными, поступающими к потребителю в готовом виде, и многокомпонентными, приготавливаемыми непосредственно перед применением из поставляемых ингредиентов в соответствующих количествах с учетом срока жизнеспособности клея.
Клей характеризуется концентрацией, вязкостью, жизнеспособностью, адгезией (после склеивания).
Вязкость клея является важнейшим технологическим параметром. Для обеспечения вязкости клеи наносят в виде растворов, эмульсий, расплавов. Используют водные растворы и эмульсии, растворы на основе мономеров, жидкие полимеры с низкой молекулярной массой (олигомеры). После нанесения клея на поверхность склеивания требуется открытая выдержка для удаления растворителя. Полное удаление растворителя означает схватывание (затвердевание) клея, часть растворителя нужно оставить, чтобы обеспечить формирование клеевого шва. Неполное удаление растворителя понижает прочность шва, является причиной появления пор. Этот недостаток ограничивает применение клеев-растворов, особенно с органическими растворителями, огнеопасными, часто токсичными и экологически вредными.
Жизнеспособность клея — время с момента смешивания компонентов клея до начала желатинизации, когда клей невозможно наносить.
Адгезию клея оценивают по сопротивлению равномерному отрЫву или срезу образцов. Прочность адгезии должна быть не меньше прочности когезии, т.е. собственной прочности материала клея. Разрушение клеевых швов, как правило, носит смешанный характер.
Для обеспечения требуемых свойств используют многокомпонентные клеевые композиции, в состав которых входят: связующее, носитель, катализаторы, отвердители, ускорители, ингибиторы, замедлители и различные модифицирующие добавки. Связующее — основа клея, которая определяет свойства клеевого соединения. Носителем клея выступает растворитель, пленка, бумага, различные ткани. Растворитель придает клею необходимую вязкость для нанесения слоя однородной толщины. Катализаторы и отвердители обеспечивают отверждение клея, при этом катализаторы в реакцию не вступают, а отвердители реагируют со связующим и обеспечивают образование сетчатой структуры. В термопластичном клее присутствие катализатора и от- вердителя не требуется.
Ингибиторы и замедлители используют для предотвращения нежелательного отверждения при хранении клея, увеличивая тем самым его срок годности (хранения) — время, в течение которого клей сохраняет пригодность для применения. При превышении срока хранения изменяется способность клея отверждаться, его вязкостные и другие свойства, что отрицательно сказывается на прочности клеевого шва. Ускорители смешивают с клеем перед его употреблением, нейтрализуя тем самым действие ингибиторов и замедлителей.
Разнообразные модифицирующие добавки — наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие — вводят для улучшения технологических свойств, уменьшения остаточных напряжений и снижения хрупкости клеевого шва.
Прочность клеевого соединения определяется химической природой и структурой клеящего вещества (адгезива) и склеиваемого материала, состоянием склеиваемых поверхностей, условиями его формирования и рядом других факторов.
Различают адгезионное и когезионное разрушение клеевого соединения. Под адгезией понимается способность клеевой прослойки прилипать и прочно удерживаться на поверхности склеиваемого материала, под когезией — собственная объемная прочность клеевого слоя. Соответственно, под адгезионным разрушением понимают разрушение клеевого соединения по границе «склеиваемый материал — адгезив», а под когезионНым — разрушение по объему клеевой прослойки или склеиваемого материала.
Для хорошего адгезионного взаимодействия требуется обеспечить контакт подложки и клея на молекулярном уровне. Для этого нужно, чтобы клей был жидким и смачивал подложку, а на поверхности склеивания не было загрязнений (оксидов, пленок смазочных материалов и др.).
Технологический процесс склеивания изделий включает подготовку поверхностей под склеивание, нанесение клея, сжатие склеиваемых изделий, отверждение клея, контроль качества клеевого соединения.
Подготовку поверхностей под склеивание производят механическими и химическими методами. К механическим методам относится зачистка склеиваемых поверхностей посредством абразивного инструмента или пескоструйной обработки, после чего производится обезжиривание склеиваемых поверхностей бензином, ацетоном или другим растворителем. Из химических методов применяют травление, оксидирование и др.
Технология нанесения зависит от консистенции клеевого состава (жидкие, пастообразные, твердые). Жидкие клеи наносят кистью, валиком или распылением. При необходимости наносится несколько слоев клея, но обязательно после просушки каждого из них перед нанесением следующего. Пастообразные клеи наносят под давлением шпателем, роликом и другими способами. Порошкообразные клеи наносят в электрическом поле аналогично порошковым лакокрасочным материалам.
Сжатие склеиваемых изделий является необходимой и ответственной операцией, так как оно обеспечивает требуемый контакт склеиваемых поверхностей, способствует удалению из зоны склейки пузырьков воздуха и растворителя, обеспечивает растекание клея. Обычно давление сжатия составляет 0,05...2,00 МПа. После приложения давления детали нагревают до температуры отверждения клея и выдерживают определенное время. Клеи холодного отверждения могут отверждаться с помощью отвер- дителей без дополнительного нагрева.
В машиностроении склеивание применяют для соединения металлических деталей, деталей из пластмасс, а также при ремонте машин; в самолетостроении склеивают обшивку самолета с элементами каркаса крыла; в автомобилях приклеивают обивку салона, панели, металл склеивают со стеклом и пластмассами при креплении ветровых стекол, сборке фар и сигнальных фонарей. Клеевые швы, испытывающие значительные статические и динамические нагрузки, получают горячим отверждением термореактивных клеев. Типичными примерами являются склеивание вала и шестерни, тормозных накладок с подложками, режущих вставок из твердых сплавов или быстрорежущих сталей с корпусами из конструкционных сталей. Анаэробные клеи, не требующие очистки поверхности склеивания от масляных пленок и смазочно-охлаждакнцих жидкостей и отличающиеся быстротой отверждения, применяют при сборочных операциях, для фиксации резьбовых соединений, приклеивания порошковых изделий, которые из-за пористости невозможно обезжирить.
ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ШЕТНЫХ МЕТАЛЛОВМеталлургия черных металлов
Раздел
II
Металлургия цветных металлов
LIМЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВт.


Производство чугунаСплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % углерода, называют чугунами. Их получают путем восстановления железа из оксидов, содержащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в доменных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей переработки различают чугуны передельные (примерно 80 % от всего выпуска), предназначенные для переработки в сталь, и литейные, поступающие на машиностроительные заводы и используемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок.
Общая схема взаимосвязи металлургического и машиностроительного производств, их связи с народным хозяйством показана на рис. 11.1. После добычи руду и коксующийся уголь 1 направляют на подготовку и переработку, которая для кокса сводится к нагреванию в коксовых батареях 2, а для руды — к ее измельчению, обогащению и окускованию 3. Подготовленные таким образом исходные материалы поступают в доменную печь 4, где и происходит восстановление железа из оксидов и его насыщение углеродом и другими примесями. В случае выплавки передельного чугуна последний направляется в сталеплавильные печи 5, в которых из него получают сталь. Сталь разливается в слитки 6, из которых после прокатки 7 получают заготовки для обработки резанием на станках 8 или готовый продукт (рельсы, балки, листы, трубы). Литейный чугун в виде чушек переплавляется в плавильных агрегатах 9 литейных цехов машиностроительных заводов. Из этого чугуна получают литые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках и в виде готовых деталей подается на сборку и используется в народном хозяйстве. В свою очередь, машиностроительное производство и народное хозяйство поставляют отходы металлообработки (стружку) и лом черных металлов заводам по производству стали, завершая таким образом круговорот металла.

Рис. 11.1. Связь металлургического и машиностроительного производства
11.1.1. Исходные материалы для доменного производства и их подготовка к плавке
Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.
Железная руда состоит из железосодержащих минералов и пустой породы, в состав которой входят оксиды кремния SiOz (кремнезем), алюминия А1г03 (глинозем), кальция СаО и магния MgO. Качество руды определяется многими критериями, но прежде всего содержанием в ней железа, легкостью восстановления железа из оксидов, составом пустой породы и концентрацией вредных примесей, таких как фосфор, мышьяк и др. Для производства чугуна используют следующие руды. Магнитный железняк (магнетит) представляет собой смесь двух оксидов железа (FeO и Fe2Og) и содержит до 70 % железа. Его название связано с наличием в нем магнитного оксида FeO.
Руда имеет темный цвет, прочная и плотная; после измельчения легко обогащается методом магнитной сепарации.
Красный железняк (гематит) содержит до 60 % железа в виде оксида Fe203. Он менее плотен, чем магнетит, легко измельчается и восстанавливается.
Бурый железняк (гетит) представляет собой водный оксид железа Fe203 • Н20 и содержит до 50 % железа. Это относительно рыхлая, легко восстанавливаемая порода.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит до 40 % железа в виде карбоната FeC03.
Флюсы — это специально вводимые в доменную печь материалы, снижающие температуру плавления пустой породы и ош- лаковывающие золу кокса. Различают основные и кислые флюсы. К основным относятся известняк СаС03 и доломит СаС03 • MgC03, дающие при разложении оксиды щелочной группы СаО и MgO, к кислым — кремнезем Si02 (кислотный оксид).
Выбор флюса зависит от состава пустой породы. Если она имеет песчано-глинистый характер (смесь Si02 и А1203), то в качестве флюсов применяют известняк или доломит, а если в ней превалируют известковые породы, то флюсом служит песок, что в практике встречается довольно редко.
Основным видом топлива в доменном производстве служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь, которые подают вместе с воздухом, необходимым для горения топлива. Кокс получают путем нагрева особых сортов коксующихся углей до 1000...1200 °С без доступа воздуха в коксовых батареях. Перед коксованием уголь измельчается в дробилках до частиц размером 2...3 мм и обогащается. В процессе выдержки при высоких температурах в течение 15...20 ч происходит удаление летучих веществ и спекание угля в пористую массу, которую выгружают из батарей на транспортеры и гасят водой или инертным газом. Для доменного процесса используются куски кокса размером 25...200 мм и пористостью около 50 %. С ростом пористости растет поверхность контакта топлива с кислородом, в результате чего активизируются процессы горения и повышается температура в рабочем пространстве печи. Кокс должен содержать не менее 80 % углерода и возможно меньшее количество серы (2 %), золы (12 %), влаги (5 %) и летучих веществ (1...2 %).
Огнеупоры служат для сооружения рабочего пространства доменных и других плавильных печей. Они должны обладать термостойкостью, механической прочностью и химической стойкостью по отношению к шлакам. По химическому составу огнеупоры разделяют на кислые, состоящие из кварцитов (динас), основные (доломит, магнезит) и нейтральные (шамот, углеро- досодержащие огнеупоры). Они поставляются в виде кирпичей, фасонных блоков и крошки. Состав применяемого огнеупора оказывает определяющее влияние на тип флюса, вводимого при плавке. Так, например, для кислого огнеупора использовать в качестве флюса известняк следует крайне осторожно, так как избыток щелочного оксида в шлаке приведет к быстрому разрушению кислотного оксида огнеупорной кладки. Наибольшее распространение нашли так называемые шамотные огнеупорные материалы, обладающие слабокислыми свойствами и состоящие из смеси кремнезема и глинозема.11.1.2. Доменная печь
Прошедшие предварительную подготовку руды вместе с коксом, расход которого составляет около 50 % от массы выплавляемого чугуна, подаются в доменную печь. Доменные печи относятся к разряду шахтных печей и работают по принципу противотока. Шихта (руда, кокс и, если необходимо, известь) подается сверху и по мере плавления руды и выгорания кокса опускается вниз. Воздух, наоборот, вдувается в нижнюю часть печи и перемещается вверх, навстречу шихте. Полезный объем печей обычно не превышает 2000 м3 при высоте примерно 30 м; выплавляется в них до 2000 т чугуна в сутки. Отдельные печи имеют объем свыше 5000 м3.
Схема доменной печи показана на рис. 11.2, а. Шихта 1 подается в загрузочное устройство 2, оборудованное двумя приемными камерами и запирающими конусами. Попеременное открывание конусов исключает прорыв доменных газов в атмосферу. Под загрузочным устройством располагается колошник 3, из которого печные газы по трубам удаляются из печи. Шахта 4 печи футеруется (выкладывается) огнеупорным шамотным кирпичом 5. Толщина кладки превышает 1 м. Ниже шахты находятся распар 6, заплечики 7 и горн 8. В верхней части горна, заполненного коксом, находятся 16...20 водоохлаждаемых медных

Рис. 11.2. Конструкция доменной печи: а — схема доменной печи; <5 — воздухонагреватель
фурм 12, по которым из фурменного пояса 13 в доменную печь под давлением 300 кПа подается нагретый до 900...1200 °С воздух, зачастую обогащенный кислородом. В нижней части горна находятся шлаковая 9 и чугунная 11 летки, через которые с интервалом 2...3 ч выпускается жидкий шлак и чугун, скапливающиеся на лещади 10.
Каждая доменная печь работает в паре с тремя воздухонагревателями (рис. 11.2, б). Очищенные печные газы, содержащие около 30 % оксида углерода, смешиваются с воздухом и, сгорая в камере 14, футерованной огнеупорным кирпичом 15, при температуре около 1300 °С проходят через насадку 16, выложенную из кирпича, отдавая ей свою теплоту, после чего через боров 17 удаляются в атмосферу.
Пока два из трех нагревателей работают в режиме разогрева насадки, в третьем осуществляется нагрев воздуха, подаваемого в доменную печь. Направление перемещения воздуха в это время обратное указанному стрелками. После снижения температуры нагрева воздуха ниже установленного предела (обычно 900 °С) происходит автоматическое переключение работы воздухонагревателя с режима охлаждения насадки в режим ее разогрева.
Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, отличаются сложностью. В ней одновременно происходит горение топлива, разложение карбонатов, удаление влаги, восстановление оксидов, образование шлака, науглероживание железа и т.д.
Общее представление о распределении температуры по высоте печи и химических процессах, протекающих на различных уровнях, можно получить из схемы, представленной на рис. 11.3. В верхней части горна происходит горение кокса и разложение воды влажного воздуха, в результате чего образуется восстановительная атмосфера, состоящая из СО и Н2. Способностью восстанавливать металл из оксидов обладает и Ств — твердый углерод кокса или сажистый углерод, образующийся из СО в результате обратимого характера реакции С02 + С = 2СО.
В верхней части шахты происходит разложение карбонатов (известняка), и если в качестве металлосодержащего компонента используется руда, а не агломерат, идет процесс неполного восстановления железа (до FeO) и марганца (до МпО). Окончательное восстановление железа, марганца и кремния осуществляется на уровне заплечиков и в верхней части горна в основном за счет реакций с углеродом. Здесь же образуется и шлак, состоящий из оксидов кальция, кремния, алюминия и в некоторой степени железа и марганца. Науглероживается железо за счет контакта с коксом и путем растворения свободного углерода, полученного в ходе реакций разложения СО.
Так как кокс является наиболее дорогой и дефицитной составляющей шихты, разработан ряд мер по снижению его рас-
аб

Рис. 11.3. Реакции доменного процесса: а — реакции процессов, протекающих в доменной печи; б — схема распределения температур по высоте печи
хода. В основном эти меры предполагают использование более дешевого топлива (газа, мазута), повышение температуры вдуваемого воздуха и обогащение его кислородом. Следует отметить, что выплавка высококремнистых и высокомарганцовистых чугунов и ферросплавов требует интенсивного ведения доменного процесса, что, в свою очередь, приводит к повышенному расходу кокса.
Продуктами доменного производства являются: □ передельные чугуны, содержащие 3,6...4,5 % углерода и 0,5...1,3 % кремния;
литейные чугуны, отличающиеся более высоким содержанием кремния (0,8...3,6 %);
ферромарганец (75...85 % марганца);
ферросилиций (19...92 % кремния).
Кроме того, ценными побочными продуктами являются доменные шлаки и газ.
Одним из главных показателей работы доменных печей принято считать коэффициент использования полезного объема. Он получается делением полезного объема доменной печи (м3) на суточный выпуск чугуна (т) и для передовых предприятий составляет 0,5...0,6.11.1.3. Внедоменное получение железа
Широкое распространение доменного способа производства чугуна связано с его высокой производительностью, сравнительной простотой и доступностью. Тем не менее он обладает существенными недостатками, главными из которых являются большой расход дорогого кокса и высокое содержание в чугуне вредных примесей (серы и фосфора), которые затрудняют производство высококачественных сталей из доменного передельного чугуна. Наличие этих недостатков породило множество проектов по прямому восстановлению железа из руд. Например, способ Хеганеса предусматривает нагрев до 1220 °С обогащенной руды с карбюризатором и известняком в специальных керамических тиглях И выдержку в течение 20 ч. Способ Охи- лата и Ламина предполагает выдержку руды в ретортах при 1100 °С в течение 20 ч в газовой восстановительной атмосфере, получаемой конверсией природного газа. В соответствии с Н-про- цессом восстановление железа водородом идет в кипящем слое при температуре 500 °С. Однако все эти методы являются полукустарными и скорее могут быть использованы для производства железных порошков, чем рассматриваться в качестве конкурентов доменному процессу.
Наиболее перспективным методом прямого восстановления железа из руд может рассматриваться процесс, схема которого приведена на рис. 11.4. По аналогии с доменным процессом, в начале происходит измельчение руды 1, ее обогащение 2 и окускование методом окатывания 3. Сырые окатыши подаются в трубчатую печь 4 с восстановительной атмосферой, полученной

конверсией природного газа. В результате восстановления и спекания руды получают металлизованные окатыши, содержащие свыше 95 % железа. Они являются высококачественным сырьем для производства стали в электропечах 5, из которой на установках непрерывной разливки стали 6 получают слитки.
Рассмотренный технологический процесс по производительности может составить конкуренцию доменному, но выгодно отличается от него низким содержанием в стали вредных примесей (серы и фосфора).ЩЩЩ Производство сталиСталь — это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Кроме того, в ней содержатся постоянные примеси (Мп, Si, S, Р) и в ряде случаев легирующие элементы (Ni, Cr, V, Мо, W и др.). Сырьем для производства стали является передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, лом и ферросплавы (см. рис. 11.1). Если сравнить содержание основных примесей в чугуне и стали, можно сделать вывод, что сталь отличается от чугуна только их количеством: в чугуне содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора выше, чем в стали. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении части этих примесей с помощью окислительных процессов. Механизм этого окисления не зависит от типа сталеплавильной печи. Наиболее часто для этой цели используют мартеновский, кислородно-конвертерный и электродуговой способы.11.2.1. Печи для плавки стали
Схемы наиболее распространенных печей, применяемых для производства стали, приведены на рис» 11.5.
Мартеновская печь (рис. 11.5, а) была изобретена в середине XIX в. и с тех пор ее конструкция не претерпела принципиальных изменений. Она отапливается газом или мазутом. Кладка 1 выполняется из динасового (кислый процесс) или магнезитового (основной процесс) кирпича, а рабочая поверхность 2 набивается из крошки соответствующего кирпичу состава. Сверху ванна закрывается сводом 3. Загрузка шихтовых материалов и материалов, добавляемых по ходу плавки, осуществляется через окна 4 с помощью мульд и загрузочной машины. Шихта выравнивается на подине; после ее расплавления образуется слой металла 5, а сверху — слой шлака 6. Мазут подается через форсунку 7 и сгорает в струе нагретого до 1100...1200 °С в регенераторе 8 воздуха. Температура факела достигает 1800 °С. Отходящие из печи газы используются для нагрева насадки второго регенератора из шамотного кирпича. Клапан 9 позволяет периодически менять направление газового потока в печи и поочередно нагревать левый и правый регенераторы. В случае, когда в качестве топлива используется газ, печь оборудуется двумя дополнительными регенераторами для подогрева газа.
В качестве металлозавалки можно использовать лом и передельный чугун (чугунно-рудный процесс). Во всех случаях в состав шихты вводят руду и известняк. Руда облегчает процесс выгорания примесей, а известняк — их связывание и перевод в шлак.

Современные мартеновские печи имеют емкость свыше 500 т при глубине ванны более 1 м. При загрузке печи руду и известняк укладывают на подину, а сверху размещают крупные куски лома и чушку. При применении жидкого чугуна его заливают сверху твердой завалки через окно 4 с помощью вставляемого стального желоба, футерованного изнутри огнеупором.
Процесс плавки длится 8...10 ч, после чего сталь выпускается через боковую летку в разливочные ковши. На время плавки летка забивается огнеупорной массой, которая разрушается перед выдачей стали.
Мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одинакового состава, но они малопроизводительны и в них нельзя получать высоколегированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения ферросплавов. Последнее связано с невысоким перегревом расплава стали.
Кислородно-конвертерный способ выплавки стали 11.5, б) считается более прогрессивным, так как он обеспечивает высокий перегрев расплава, а продолжительность цикла не превышает 1 ч. Конвертеры имеют грушевидную форму и футеруются изнутри магнезитовым кирпичом 10. В современных конвертерах за один цикл выплавляется свыше 350 т стали.
Шихта для этого способа состоит из стального и чугунного лома (до 20 %), известняка (до 10 %) и жидкого передельного чугуна. Шихта загружается через горловину 13, для чего конвертер поворачивается вокруг опорных цапф 15. При загрузке конвертера твердую составляющую шихты (лом, известняк и руду) загружают на дно, после чего заливают жидкий передельный чугун и поворачивают конвертер в вертикальное положение. Через горловину вводят водоохлаждаемую медную фурму 14 и начинают подачу кислорода. Давление кислорода меняется по ходу плавки в пределах 0,9...1,5 МПа, а расстояние от фурмы до поверхности расплава 16 составляет 0,6...1,4 м в зависимости от характера образующегося шлака и скорости выгорания примесей. Сталь выливается через отверстие 12 съемной насадки Л.
Благодаря высокой температуре стали в конце процесса выплавки после раскисления можно вводить ферросплавы, что позволяет получать легированные стали.
Конвертерное производство характеризуется высокой производительностью, не требует топлива, так как разогрев идет за счет экзотермических реакций горения кремния, марганца и углерода и позволяет перерабатывать лом и получать легированные стали. Но оно привязано к доменному цеху, не обеспечивает стабильного состава стали от плавки к плавке и отличается от других способов выплавки стали высокими потерями метала на угар.
Электродуговые печи (рис. 11.5, в) обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения (инструментальных, нержавеющих, жаропрочных и т.д.).
Электродуговая печь состоит из подины, выложенной огнеупорным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной массой 18. Сверху располагается свод печи 20 с отверстиями для ввода графитовых электродов 21. Это печи с так называемой зависимой дугой, т.е. дуга 22 горит не между электродами, а между электродами и металлом. В зоне горения дуги температура достигает 7000 °С, что обеспечивает проплавление шихты под электродами в виде колодцев, в которые скатываются остатки твердой шихты из удаленных от электродов зон. Шихта 24 может быть твердой или смешанной (скрап и жидкий чугун). Для загрузки шихты удаляют свод или выкатывают подину. Необходимые по ходу плавки добавки вводят через окно 23, а готовую сталь сливают по футерованному желобу 19, для чего вся печь наклоняется в сторону металлической летки.
Емкость электродуговых печей достигает 400 т. В них получается качественный, хорошо раскисленный металл с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Переход на электроплавку сдерживается лишь высокой стоимостью электроэнергии и сложностью системы питания печи электричеством.
На машиностроительных заводах широкое применение для выплавки стали находят канальные и тигельные индукционные печи. Схема тигельной печи показана на рис. 11.5, г. Как правило, печь футеруют кварцевым песком с добавкой борной кислоты в качестве связующего 25. От водоохлаждаемого индуктора 28 футеровка отделена слоем асбеста 26. Разогрев и плавление ши^- ты 27 осуществляются за счет токов Фуко, возникающих в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплавленного металла шлак имеет низкую температуру и высокую вязкость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи такого типа применяются для расплавления твердой шихты, а не для переработки чугуна в сталь.
11.2.2. Физико-химические процессы передела чугуна в стальНезависимо от типа печи характер процессов, сопутствующих переделу чугуна в сталь, остается неизменным. В первом приближении можно выделить два периода плавки. Первый период называют окислительным. Так как сталь отличается по химическому составу от чугуна только уровнем содержания примесей (С, Si, Мп), то основной задачей первого периода является возможно быстрое выжигание (окисление) этих примесей. Параллельно решаются и другие, второстепенные задачи, такие как снижение содержания растворенных газов, фосфора и неметаллических включений. На рис. 11.6 схематически показаны основные способы ведения первого периода плавки и сопутствующие ему реакции.
Как видно из схемы, окисление примесей можно вести за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака, образующегося к концу расплавления шихты, за счет добавки руды в шлак и путем вдувания кислорода непосредственно в чугун под слой шлака. Примеси чугуна (С, Si и Мп) окисляются за счет реакции с FeO, образующимся в результате окисления шихты при плавке или вводимым в шихту в виде руды. После расплавления шихты и образования шлака FeO распределяется в Некоторой пропорции между шлаком и металлом. Находящийся в шлаке FeO доокисляется на границе шлак — печные газы до Fe203, который растворяется в шлаке, и на границе шлак — металл снова восстанавливается до FeO. При этом шесть молекул FeO, вступившие в реакцию в начале цикла, дают восемь молекул в его конце. В результате многократного повторения циклов шлак пересыщается FeO и происходит переход FeO из шлака в расплав чугуна, где он взаимодействует с кремнием, углеродом и марганцем (соответствующие реакции приведены на схеме). Оксиды Кремния, марганца, железа и кальция, сплавляясь вместе, переходят в шлак. Оксид углерода в виде пузырьков поднимается на поверхность ванны, облегчая всплывание продуктов
Чугун С = 3,5% Si =2,5% Mn = 1,0 %
C+FeO = Fe+CO Si+2FeO = Si02+2Fe Mn+FeO = MnO+Fe _ _ _ 2MnO+SiOz= ]ЩпО)28Ю2 2Ca0+Si02= l(Ca0)2SiO2
P205+3Fe0 о (FeO)3P2Os (Fe0)3P205+4Ca0 (CaO)4P2Os+3FeO Основная футеровка
Шлак
14662151432560
Диффузия кислорода через шлак
Введение руды в шлак
4
14725652548255
Вдувание кислорода в расплав
Рис. 11.6. Физико-химические процессы производства стали
I (окислительный) период плавки
|02
6Fe0+02 = 2Fe304+/ \2Fe,0.+2Fe = 8FeO/
II (восстановительный) период плавки
2892425377825
FeO+C = Fe+CO 2FeO+Si = Si02+2Fe 2FeO+Mn = Mn02+2Fe
29171901493520
Шлак ! FeS+CaO <-» CaS+FeOj Основная футеровка
Осадочное раскисление
Si + Мп + С
Диффузионное 2CaO+SiOz= ^Vo^slo;"' раскисление „2 i '
Сталь С = 0,35% Si = 0,25% Мп = 0,5 %
y2Mn0+Si02=!(Mn0)2Si02i
окисления и попутно удаляя растворенные в металле газы.
Окисление примесей за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака протекает медленно, что удлиняет процесс плавки и снижает производительность печей. Стремясь ускорить насыщение шлака FeO, в него добавляют руду, что существенно ускоряет процесс окисления примесей. В этом случае скорость окисления определяется скоростью диффузионного перехода FeO из шлака в металл. Для еще большего ускорения передела чугуна в сталь кислород вдувают непосредственно в расплав чугуна, в результате чего FeO, необходимый для окисления примесей чугуна, образуется в самом расплаве.
Футеровка печи, в которой выплавляют сталь, может быть кислой и основной. В последнем случае в шлаке содержится болыпоё количество СаО и FeO одновременно, что создает условия для удаления фосфора (соответствующие реакции приведены на схеме).
К концу первого периода расплав по химическому составу является сталью, но содержит избыток FeO, что снижает свойства стали. В связи с этим проводят второй (восстановительный) период плавки. Проводить его можно двумя способами: диффузионным и осадочным раскислением.
Возможны два способа диффузионного раскисления. По первому способу при переходе ко второму периоду удаляют образовавшийся шлак и наводят новый из извести, песка и плавикового шпата. По второму способу шлак не снимают, а прямо в него забрасывают раскислители: ферросилиций, ферромарганец и электродный бой (кокс). В шлаке идут реакции восстановления железа из FeO, что приводит к нарушению равновесия в распределении этой примеси между шлаком и металлом и обусловливает ее диффузионный переход из металла в шлак. Процесс диффузионного раскисления протекает медленно, но обеспечивает высокое качество стали, так как продукты реакций раскисления, протекающих в шлаке, растворяются в нем.
Осадочное раскисление требует удаления окисленного шлака и введения в расплав раскислителей. Процесс раскисления протекает быстро, но продукты реакций раскисления (МпО и SiOa) частично остаются в металле.
Если плавка ведется в печи с основной футеровкой, то во втором периоде создаются условия для снижения содержания серы. Реакция между FeS и СаО обратима, и для ее завершения необходимо удалить из расплава один из продуктов реакции (FeO), что и наблюдается во втором периоде. Окончательное раскисление металла после доводки по химическому составу осуществляется добавкой алюминия и, в отдельных случаях, редкоземельных элементов.
Следует отметить, что одним из раскислитеЛей стали является углерод, реакция которого с FeO обеспечивает «кипение» ванны, т.е. выделение пузырьков СО. Разливку стали могут осуществлять на различных стадиях завершенности раскисления. Если процесс «кипения» закончился, то получают слитки спокойной стали. В противном случае сталь может быть полуспокойной и кипящей.
Плавка в печах с кислой футеровкой обычно применяется в литейных цехах при производстве стальных отливок. Кислый шлак содержит до 60 % Si02, который способен в больших количествах растворять оксид железа, образуя (Fe0)2Si02. Для высвобождения FeO и создания его избытка в шлаке в ходе первого (окислительного) периода плавки в печь небольшими порциями забрасывают известняк или руду. Во втором периоде для раскисления металла снимают окислительный шлак и наводят новый из смеси песка и измельченного шамота. Оксид железа переходит из стали в шлак, в результате чего происходит самораскисление металла. Таким образом, плавка в печи с кислой футеровкой позволяет экономить раскислители и обеспечивает более низкое содержание неметаллических включений в стали. Однако следует иметь в виду, что в печи с кислой футеровкой затруднено удаление серы и фосфора, так как в ней невозможно создать высокоосновный шлак. Поэтому к содержанию этих примесей в исходной шихте предъявляют повышенные требования.11.2.3. Разливка стали и получение слиткаПосле завершения плавки жидкую сталь выливают в ковши и подают на разливку в изложницы или на установки непрерывной разливки стали (УНРС). Схемы разливки приведены на рис. 11.7.
Для разливки чаще всего используют стопорные ковши, сварной массивный кожух 1 которых выкладывается огнеупорным шамотным кирпичом 2. Специальный стопор 3, представляющий собой штангу с нанизанными на нее цилиндрами из
— в изложницу сверху; б
а
-1543050256540
1 с

2382520299085
Вода
Рис. 11.7. Схемы разливки стали: — в изложницу сифоном; в — на установке непрерывной разливки стали
шамота, закрывает отверстие в днище ковша. С помощью рычажной системы 4 стопор можно поднимать вверх, открывая отверстие и давая возможность жидкой стали 5 заполнять литую чугунную изложницу 7. Насадка 6 из теплоизоляционного материала позволяет замедлить охлаждение верхней части слитка, что обеспечивает благоприятные условия питания слитка в процессе его затвердевания и увеличивает его плотность. Глуходон- ные изложницы применяются, как правило, для крупных слитков массой 10...100 т.
Меньшие по массе слитки получают, используя сифонную схему заполнения изложниц. В этом случае сталь из стопорного ковша поступает в выполненную из керамики литниковую систему 8, обеспечивающую спокойное заполнение изложницы сталью и способствующую задержанию шлака на пути к изложнице. Сифонный метод разливки позволяет одновременно через один стояк заливать несколько изложниц.
В ходе затвердевания слитка в его верхней части образуется усадочная раковина, размер которой меньше, если изложница заливается сверху. Тем не менее сифонная разливка предпочтительнее, так как в этом случае поверхность слитка чище, а в металле реже встречаются неметаллические шлаковые включения.
Наиболее прогрессивной считается разливка стали на УНРС. В этом случае сталь из стопорного ковша через промежуточное разливочное устройство 9, обеспечивающее равномерность подачи расплава, поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 10. Проходя через него, сталь частично затвердевает, образуя корку на поверхности, которая граничит со стенками кристаллизатора, и опускается в зону вторичного охлаждения, где опорные ролики 11, повторяющие конфигурацию слитка, опрыскиваются водой из системы орошения 12. Ниже опорных располагаются тянущие ролики 13, обеспечивающие равномерность удаления из кристаллизатора слитка 14. Ацетиленокислородные резаки 15 позволяют разрезать непрерывно подаваемый слиток на мерные части, которые поступают на прокатку.
Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин, более однородны по химическому составу, однако на их поверхности часто образуются трещины, связанные с перепадом температур по сечению и большими усилиями вытяжки слитка из кристаллизатора.
Слитки, получаемые в изложницах, отличаются неравномерностью структуры и состава по сечению. Строение слитка спокойной стали, разрезанного вдоль вертикальной оси, показано на рис. 11.8.
Поверхностный слой мелких произвольно ориентированных кристаллов 1 образуется в момент контакта расплавленного металла с холодной стенкой изложницы. Из большого количества мелких кристаллов возможности для роста сохраняют только те, продольные оси которых совпадают с направлением теплоотвода, т.е. направлены перпендикулярно стенкам изложниц. Так зарождается и развивается в ходе кристаллизации слой столбчатых кристаллов 2. По мере их роста в расплаве перед фронтом кристаллизации скапливаются примеси, снижающие равновесную температуру кристаллизации, и в момент, когда эта температура становится значительно ниже реально существующей, в расплаве зарождаются кристаллы, не связанные с зоной столбчатых кристаллов. Они свободно растут во всех направлениях, образуя зону равноосных кристаллов 3.
Изменяя скорость охлаждения и вводя специальные добавки — модификаторы, можно в широких пределах менять соотношение между протяженностью зон.
Так как плотность стали в твердом состоянии выше, чем в жидком, по мере продвижения фронта кристаллизации к центру слитка уровень расплава медленно понижается, образуя усадочную раковину 4, которая удаляется вместе с прибыльной частью перед прокаткой слитка.
11.2.4. Рафинирование стали
Рис. 11.8. Строение слитка
Присутствующие в стали неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды) и газы (водород и азот) резко снижают ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Б связи с этим разработано большое количество способов очистки стали, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятсяметоды, которые предусматривают рафинирующую обработку стали после ее выпуска из печи перед разливкой. Это обработка расплавленной стали синтетическими шлаками и многочисленные способы обработки вакуумом. Ко второй группе относятся методы, предполагающие повторный переплав стали после ее затвердевания в изложницах. Широко применяются электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно- дуговой переплавы и их сочетания.
На рис. 11.9 схематически представлены наиболее часто встречающиеся способы рафинирования стали.
Для обработки синтетическим шлаком (рис. 11.9, а) смесь, состоящая из 45 % СаО, 40 % А1203, 10 % MgO и 5 % CaF2 и содержащая менее 3 % Si02 и 0,5 % FeO, расплавляется в отдельной электродуговой печи и в виде жидкого шлака 3 заливается в ковш 2 для обработки. Сталь из стопорного ковша 1 пропускается через слой шлака. Тонкие струи или отдельные капли, проходя через шлак, очищаются от сульфидов и растворенных газов. При этом содержание серы снижается на 50...70 %, а число неметаллических включений — в 1,5 раза, в результате чего резко возрастают прочностные характеристики стали, особенно ударная вязкость.
Суть данного способа очистки заключается в том, что любая примесь всегда в некоторой пропорции распределяется между шлаком и металлом. Чистый синтетический шлак быстро растворяет примеси, а дробление струи увеличивает поверхность контакта, облегчая переход примесей и включений из металла в шлак,
Вакуумную дегазацию (рис. 11.9, б) целесообразно сочетать с раскислением. Образующиеся при этом пузырьки СО и Н2, всплывая на поверхность, захватывают неметаллические включения и переводят их в шлак. Простейший способ вакуумирова- ния заключается в выдержке ковша 4 с расплавом в течение 12...15 мин под давлением 0,05...0,1 МПа в автоклаве 5, герметически закрытом крышкой 6.
Электрошлаковый переплав (рис. 11.9, в) считается наиболее эффективным методом рафинирования, так как после него содержание серы снижается до 0,005 %, а количество оксидов и сульфидов уменьшается вдвое. Для начала процесса на медный поддон 7 устанавливают расходуемый электрод 9 и водоохлаж- даемую изложницу 8. В зазор между ними засыпается флюс, содер-

Рис. 11.9. Способы рафинирования стали: обработка синтетическим шлаком; б — вакуумная дегазация; в — электрошлаковый переплав
г — вакуумно-дуговой переплав
88900
45 % СаО 40 % А1203 10 % MgO 5 % CaF„

жащий А1203, СаО и CaF2. При включении тока между поддоном и электродом загорается электрическая дуга, которая расплавляет флюс.
Расплав флюса гасит дугу, и процесс автоматически переходит в электрошлаковый, при котором тепло выделяется за счет электросопротивления шлака. Электрод из обычной стали расплавляется в шлаке и капли 11, проходя через слой шлака 10, очищаются от примесей и скапливаются под шлаком в виде ванночки 12, питающей растущий вверх слиток 13.
Вакуумно-дуговой переплав (рис. 11.9, г) внешне похож на электрошлаковый, но расплавленный металл не проходит через слой шлака; между ванночкой расплавленной стали и расходуемым электродом постоянно горит электрическая дуга 15. Очистка, в основном от газов и частично от неметаллических включений, происходит под воздействием вакуума в камере 14 ив результате направленной кристаллизации слитка 13 снизу вверх.
Производство медиВ земной коре содержится около 0,01 % меди. Обычно это сульфидные руды, состоящие из смеси CuS, Cu2S и FeS. Среднее содержание меди в рудах менее 3 %, пустая порода состоит из песка, глины и известняка. В связи с низким содержанием меди руды подвергаются обогащению.
Извлечение меди из руд производится двумя способами: пи- рометаллургическим и гидрометаллургическим. Первый чаще применяется для сульфидных, а второй — для оксидных руд.
Общая схема пиро металлургического способа получения меди приведена на рис. 12.1. Как следует из схемы, перед обогащением руда измельчается. Наиболее приемлемым методом обогащения медных руд считается флотация. Смесь измельченной руды с водой, называемая пульпой 2, загружается в чаны 1 и продувается сжатым воздухом. Пузырьки воздуха 3 адсорбируют на своей поверхности несмачиваемые водой частицы руды 4, содержащие соединения металлов, и поднимают их на поверхность, образуя пену. Пустая порода смачивается водой и в виде шлама 5 оседает на дне чанов.
Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой спекается в обжиговых печах. Чаще других используется обжиг в кипящем слое, при котором концентрат 6 загружается на решетку 7, через которую снизу из топки 8 подается горячий воздух 9. При температуре свыше 600 °С происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком.
12.1;
12
МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВОгарок плавят в отражательных печах, куда он засыпается из бункеров 10. Печные газы 11 плавят огарок, перегревают расплав до 1600 °С и обеспечивают дальнейшее окисление FeS с образованием FeO и S02. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак 12, ниже которого располагаются более тяжелые сульфиды меди и железа, так называемый медный штейн 13.
NJ 00
-1356360113030
10

Руда ■ 3 % Си
а
~ 20 % | ~ 30 % Fe ~ 50 % S
-2526665539750
Огарок
Техническая медь ~ 99,5 % Си
ж
Электротехническая медь
Штейн
Рис. 12.1. Схема пирометаллургического способа получения меди: а — измельчение руды; б — обогащение флотацией; в — обжиг руды; г — плавка огарка; д — конвертирование штейна; е — огневое рафинирование; ж — электролитическое рафинирование
~ 25 % Си ~ 30 % Fe ~ 45 % S
1661160826135
(Fe0)2Si02
~ 35 % Cu ~ 30 % Fe ~ 35 % S
16 I Воздух
2FeS + 302 = 2FeO + 2S02 2FeO + Si02 = (Fe0)2Si02
2Cu2S + 302 = 2Cu20 + 2S02 Cu2S + 2Cu20 = 6Cu + S02
~ 99,99 % Си
2FeS + 302 = 2FeO + 2S02 2FeO + Si02 = (FeO)2SiQ2 A
Конвертирование штейна, содержащего около 35 % меди, 40 % железа в виде сульфидов и некоторое количество Si02, осуществляют в горизонтальных конвертерах, футерованных изнутри магнезитовым кирпичом 14. Опорно-приводные ролики 25 позволяют поворачивать конвертер для заливки штейна и выдачи черновой меди через горловину 17,. Продувку воздухам осуществляют через фурмы 16. Процесс превращения штейна в черновую медь разделяется на два периода. В первом периоде происходит окончательное окисление FeS и связывание FeO пустой породой (Si02). В ходе второго периода Cu2S окисляется кислородом воздуха и S02 удаляется через горловину. Реакция первого периода идет с выделением тепла, разогревая ванну свыше 1300 °С. В ходе второго периода температура расплава снижается, так как реакцйи этого периода идут с поглощением тепла.
Черновая медь содержит примеси неметаллических включений и около 2 % примесей железа, цинка, никеля, свинца и др. Слитки черновой меди нуждаются в рафинировании, которое осуществляется огневым или электролитическим способом. При огневом рафинировании слитки расплавляют в пламенных печах и расплав окисляют продувкой воздухом через стальные трубы. Так как большинство примесей (Si, Мп, Zn, Fe, Si и др.) имеют более высокое сродство к кислороду, чем медь, они окисляются и переходят в шлак, который удаляют в конце периода окисления примесей. Продувка расплава меди природным газом во втором периоде способствует ее раскислению и удалению неметаллических включений. Окончательное раскисление меди осуществляют древесным углем и добавкой фосфористой меди.
12.2.
Электролитическое рафинирование основано на анодном растворении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной кислоты 18. Катионы меди из раствора поступают на катод и там разряжаются. Процесс идет в течение нескольких дней. Примеси выпадают в осадок 19, а медь после переплава и разливки подается на прокатку.
Производство алюминияАлюминий относится к наиболее распространенным в земной коре металлам. Он встречается в виде смеси оксидов алюминия, кремния и железа. В порядке уменьшения содержанияглинозема (А1203) и увеличения содержания силиката различают бокситы, нефелины, алуниты, каолины.
Технологический процесс производства алюминия разбивается на три этапа: извлечение глинозема из руд, его электролиз с целью получения алюминия и рафинирование. Предложено много различных методов извлечения глинозема из руд, но для самой богатой руды (боксита), содержащей до 50 % А1203 и 10 % Si02, чаще других применяют мокрый щелочной метод.
Общая схема технологического процесса производства алюминия приведена на рис. 12.2. Бокситы прокаливают в проходных трубчатых печах и измельчают в мельницах, после чего загружают в автоклав для выщелачивания при температуре около 200 °С и давлении до 3 МПа. При этом протекает реакция образования растворимого в воде алюмината натрия:
А1203 + ЗН20 + 2NaOH = Na20Al203 + 4Н20.
Параллельно идет процесс образования нерастворимого в воде NazO • А1203 ■ 2Si02 • 2Н20. Чем выше содержание Si02 в боксите, тем больше необратимые потери А1203 и NaOH. Пульпа после фильтрации сливается в отстойник и охлаждается, в результате чего гидрооксид алюминия выпадает в осадок:
Na20 • А1203 + 4Н20 = 2NaOH + 2А1(ОН)3!.
Воду отделяют от А1(ОН)3 фильтрованием, после чего гидрооксид обезвоживают нагреванием в печах и образующийся глинозем подают в электролизные ванны. Алюминий получают электролизом глинозема в расплавленном криолите Na3AlF6. Сварные стальные ванны футеруют изнутри угольными блоками 1, а у стенок — шамотным кирпичом. Стальные катодные шины 4 вмонтированы в футеровку, благодаря чему угольный слой футеровки является катодом. Анодами 5 служат самообжигающиеся угольные электроды, которые по мере обгорания снизу наращиваются сверху анодной массой, отвердевающей в результате коксования. Температура электролита 2 порядка 950 °С. Глинозем, расходуемый в ходе электролиза, загружается в ванну сверху, для чего твердая корка электролита периодически проламывается. При этом происходит удаление С02 в атмосферу.
Растворенный в электролите глинозем диссоциирует на ионы (А1203 = 2А13+ + ЗО2). На поверхности катода ионы алюминия

(=1000 °с
вг
t = 200 °СNaOH + Н20
Р = 3 МПа
50Al203+30Fe203 10Si02+10H20
Н„0
Рис. 12.2. Технологический процесс получения алюминия: а — прокалка руды; б — измельчение руды; в — выщелачивание; г — охлаждение раствора; д — осаждение гидрооксида; е — обезвоживание глинозема; ж — электролизная ванна; з — электрическое рафинирование;
и — рафинирование хлором
восстанавливаются до металла (2А13+ + бе = 2А1), который собирается на дне ванны 3, откуда периодически удаляется через металлическую летку. Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде 5 и, взаимодействуя с ним, образуют С02.
Алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен примесями кремния, железа, неметаллическими включениями и газами, в основном водородом, и нуждается в рафинировании. Для очистки от газов и неметаллических включений расплав алюминия продувают хлором. Пузырьки хлора и А1С13 (парообразного при температуре жидкого алюминия) растворяют водород и адсорбируют на своей поверхности включения, вынося их в верхние слои расплава и атмосферу. Более чистый алюминий можно получить повторным электролизом через расплав хлористых и фтористых солей 6, подобранных таким образом, чтобы их плотность была выше 2,7 г/см3. В рафинируемый алюминий для увеличения плотности добавляют медь 7. При этом анодом 8 является угольная ванна, а катодом 9 — угольный электрод. В расплавленном электролите алюминий подвергается анодному растворению и электролизу, скапливаясь в верхней части ванны. В ходе электролиза он очищается не только от неметаллических включений, растворяющихся в электролите, но и от металлических примесей.mm Производство магнияМагний относится к числу широко распространенных металлов. Его содержание в земной коре превышает 2,3 %. Встречается он в виде следующих минералов:
магнезита — природного карбоната магния (MgC03), содержащего 28,8 % магния;
доломита — двойного карбоната магния и кальция (MgC03 • СаС03), содержащего 13,2 % магния;
карналлита — двойного хлорида магния и калия (MgCl2 • КС1 • 6Н20), содержащего 8,8 % магния;
бишофита — шеетиводного хлорида магния (MgCl2 • 6Н20), растворенного в морской воде.
Независимо от вида исходного сырья процесс получения магния можно разбить на три периода: подготовку сырья, получение из него магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и электролитическим способами. Последний способ применяется наиболее часто.
Общая схема технологического процесса производства магния из карналлита приведена на рис. 12.3. Карналлит обезвоживают и плавят в печах, после чего подают на электролиз, который протекает при температуре выше 700 °С, поддерживаемой пропусканием электрического тока (U = 6...7 В, I = 30 ООО...70 ООО А). Электролизер представляет собой сварную стальную ванну, футерованную внутри огнеупорным кирпичом 1. В расплав карналлита 3 опускают стальные катоды 4, облицованные с внутренней стороны огнеупором. Графитовый анод 5 устанавливается между двумя катодами и сверху закрывается хлороуловителем 6. Выделяющийся на аноде хлор в виде пузырьков 7 всплывает, собираясь в хлороуловителе, из которого он удаляется через отверстие 8.
Ионы магния разряжаются на катоде (Mg2+ + 2е- Mg). Плотность электролита поддерживают выше плотности магния 2, вследствие чего последний всплывает на поверхность, откуда периодически удаляется с помощью вакуумных ковшей и насосов. При этом применяются определенные меры предосторожности, исключающие контакт расплавленного магния с кислородом воздуха (чтобы избежать возгорания).
Дальнейшую очистку магния можно осуществлять возгонкой, используя сравнительно низкую температуру его кипения, или за счет повторного плавления смеси магниевых чушек и специально подобранного флюса 9, растворяющего неметаллические включения чернового магния.
Если в качестве исходного сырья применяют магнезит или доломит, то процесс подготовки руды включает ее обжиг при 900 °С с целью разложения карбонатов, после чего полученный оксид магния смешивают с углем и нагревают в атмосфере хлора. Образующийся в ходе реакции хлорид магния используют для получения магния в электролизерах:
MgO + С + С12 = MgCl2 + СО.
Процесс получения бишофита из морской воды и его переработку с целью производства магния применяют редко, так как он связан со значительными затратами энергии и большой трудоемкостью.

Рис. 12.3. Схема производства магния: а - обезвоживание карналлита; б - электролиз; в — рафинирование возгонкой; г - рафинирование переплавом
Производство титанаТитан относится к числу широко распространенных в природе металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Но из-за трудности восстановления из оксидов он до сих пор не нашел такого широкого применения в технике, как, например, алюминий или железо. Известны две основные разновидности титановых руд: рутил ТЮ2 и ильменит FeO • Ti02.
Технологический процесс получения титана из ильменита представлен на рис. 12.4. В первом приближении он может быть разбит на следующие этапы: обогащение руды и получение двуокиси титана, получение четыреххлористого титана, восстановление титана и получение губки и, наконец, переплавка титановой губки в слитки.
Обогащение титана можно производить как магнитной сепарацией, так и флотацией. Смесь концентрата с углем загружают в отражательные или индукционные печи и нагревают до температуры плавления чугуна. В результате восстановления железа из оксида и его науглероживания углем на подине печи образуется расплав чугуна, а сверху — слой белого титанового шлака, содержащего 90 % ТЮ2. Порошок ТЮ2 смешивают с углем и после добавки каменноугольной смолы в качестве связующего брикетируют. Брикеты прокаливают при 800 °С и загружают в хлораторы, где они при такой же температуре подвергаются хлорированию. В его ходе идет реакция образования четыреххлористого титана:
ТЮ2+ 2С12+ С = TiCl4 + С02.
Четыреххлористый титан представляет собой бурую жидкость с температурой кипения 136 °С. Вместе с ним образуются хлористые соединения элементов, входящих в состав руды в виде примесей (Fe, V, Si). Для разделения хлоридов используется принцип ректификации, для чего пары смеси хлоридов пропускают через систему термостатов, в которых поддерживается температура более низкая, чем температура кипения соответствующего хлорида.
Восстановление титана из TiCl4 осуществляется магнийтер- мическим или натрийтермическим методами. На рис. 12.4, г
2019300
„ вакуумному насосу
Рис. 12.4. Технологический процесс получения титана: а — получение титанового шлака; б — брикетирование; в — получение TiCl4; г — получение титановой губки; д — рафинирование губки; е — брикетирование губки; ж — электродуговой переплав
Ильменит Обогащение Концентрат >-
- 40 % ТЮ2 - 60 % ТЮ2 гх
- 40 % FeO показана сущность наиболее часто используемого магнийтер- мического метода. В герметически закрываемых ретортах (реакторах) расплавляют чушки магния и при температуре свыше 900 °С к нему добавляют жидкий ТЮ14. В результате реакции
TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 + Q
образуется MgCl2, который периодически сливают из реактора, и хлопья титана, осаждающиеся в виде пористой массы (губки) на стенках реактора. Губку, содержащую до 60 % титана и в виде примесей MgCl2, и магний рафинируют при 900...950 °С отгонкой магния и MgCl2 в водоохлаждаемые кристаллизаторы с помощью вакуума, после чего ее размалывают, брикетируют и переплавляют в слитки в вакуумных электрических дуговых печах с расходуемым электродом. Чтобы исключить загрязнение титана материалом тигля, плавку ведут в водоохлаждаемой медной изложнице. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом из прессованной титановой губки и жидкой ванной металла. По мере оплавления электрод опускается вниз. Качество металла улучшается, если переплавка производится дважды.
Готовые слитки титана поступают на прокатку или на производство титановых сплавов.
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВОИзготовление отливок в разовых песчаных формах
Плавка сплавов
Раздел

Специальные способы литья

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В РАЗОВЫХ ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХш ::: i: ,imi—г.-и,,,,, | мг,„„„,
Обшее понятие о литейной технологииСущность процесса получения отливок заключается в том, что расплавленный металл определенного состава заливается в литейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью приближения воспроизводит конфигурацию и размеры будущей детали. В ходе дальнейшего охлаждения металл затвердевает, сохраняя приданную ему форму. Из всех известных способов формообразования (ковка, обработка резанием, сварка, порошковая металлургия и т.д.) литейная технология наиболе эффективна, так как позволяет получать изделия необходимой конфигурации непосредственно из расплава при сравнительно небольших затратах энергии, материалов и труда.
Эффективность литейной технологии объясняется ее универсальностью, позволяющей получать изделия из сплавов практически любого состава массой от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время объем выпуска фасонных отливок в мире превышает 70 млн т. Литейная технология может быть реализована различными и весьма многообразными способами, но доминирующей пока остается технология получения отливок в разовой песчаной форме.
Процесс изготовления отливок в разовых песчаных формахОсновой для разработки технологического процесса изготовления отливки (литой заготовки) служит чертеж детали. Технолог-конструктор выбирает разъем модели и формы исходя из конструктивных особенностей детали, затем определяет припуски на механическую обработку, учитывая специфику существующего на заводе технологического процесса производства отливок,после чего определяет литейные уклоны и рассчитывает литниковую систему. Таким образом получают чертеж отливки, который служит основой для разработки чертежей модели и стержневых ящиков, по которым изготавливается так называемый модельный комплект (рис. 13.1). Для изготовления формы и стержня кроме модельного комплекта нужна формовочная и стержневая смеси. Их изготавливают из соответствующих компонентов в смесителях.
б

''—г

"43
Е--Э
Q-.-ai

Рис. 13.1. Модельный комплект: а — эскиз детали; б — модель; в — стержневой ящик; г — отливка
Общая схема последовательности операций по изготовлению отливки показана на рис. 13.2. На модельную плиту устанавливают модель и опоку, после чего слоями засыпают и уплотняют формовочную смесь. После завершения набивки опоку поворачивают, извлекают из нее модель и получают полуформу. Таким же образом изготавливают и вторую половинку формы. Стержневой ящик используют для получения стержня, образующего внутреннюю полость отливки. Как правило, после извлечения из стержневого ящика стержни подвергают сушке, а формы подаются на сборку сырыми. На следующем этапе форму собирают, для чего в нижнюю полуформу устанавливают стержень и закрывают верхней полуформой. Затем в зазор между стержнем и формой через литниковую систему заливают расплавленный металл, который плавят одновременно с изготовлением формы. Залитая форма выдерживается некоторое время, чтобы дать возможность металлу закристаллизоваться и охладиться до заданной температуры, после чего происходит выбивка отливки

; гп—h д.
Рис. 13.2. Последовательность операций изготовления отливки: о — изготовление модельного комплекта; б — приготовление смесей; в — изготовление формы; г — изготовление стержня; д — сборка и заливка формы; е — выплавка сплава; ж — выбивка формы; з — удаление стержня; и — обрубка литников; к — очистка
из формы. Затем из отливки выбивают стержень, обрубают литники и очищают отливки от пригоревшего к поверхности песка. Теперь рассмотрим каждый из этих этапов более подробно.
Формовочные и стержневые смеси и их приготовлениеДля изготовления форм и стержней используют специально приготовленные из формовочных материалов смеси. Основными исходными материалами являются песок и глина, но кроме них используют связующие вещества и добавки. Кроме исходных материалов для приготовления формовочных смесей широко используют оборотные (бывшие в употреблении) смеси.
13.3.
Качество отливок непосредственно связано со свойствами смесей. Существует большое количество различных критериев оценки качества смесей, но основными считают прочность,газопроницаемость, противопригарность, пластичность и податливость.
Различают два способа оценки прочности смесей: на сжатие — для сырых форм и на растяжение — для сухих форм и стержней. В обоих случаях по оговоренной стандартом технологии приготавливают образцы и испытывают их на лабораторных установках. Предел прочности на сжатие составляет 1...10 Па для сырых смесей и после сушки повышается на порядок, что связано с упрочнением пленки связующих веществ, обволакивающих песчинки. Прочность смесей зависит от содержания влаги, количества и типа связующего вещества, степени уплотнения и, в меньшей степени, от зерновой структуры песка, качества перемешивания и т.д. При низкой прочности смесей формы и стержни не выдерживают динамического удара струи заливаемого в форму металла или статического давления столба расплавленного металла, в результате чего происходит их разрушение, что в итоге приводит к появлению брака в отливках.
Газопроницаемость характеризует способность смеси пропускать через толщу формы или стержня образующиеся в них газы. При низкой газопроницаемости газы, образующиеся при испарении влаги или в результате выгорания связующих материалов, поступают в заливаемый металл, вызывают его вскипание и образование в отливках газовых раковин. Газопроницаемость зависит от влажности смеси, размеров и однородности зерен песка, степени уплотнения и содержания глины. Она определяется путем измерения времени прохождения стандартного объема воздуха через образец, условия изготовления которого регламентированы стандартом.
Противопригарность — это способность смеси не оплавляться, не спекаться под воздействием расплавленного металла и не образовывать с его оксидами химические соединения, которые способствуют образованию на поверхности отливок (пригара) — трудноудаляемого металлокерамического слоя. Для борьбы с пригаром стараются создать в полости формы восстановительную атмосферу, добавляя в состав смесей мазут или каменноугольную пыль. Чтобы исключить механическое проникновение расплава в поры смеси, поверхность стержней окрашивают, а рабочую полость припыливают огнеупорными припылами.
Пластичность необходима смеси для обеспечения четкого отпечатка модели в форме. При высокой пластичности смесь в процессе уплотнения перемещается не только в направлении приложения силы, но и перпендикулярно ему, что обеспечивает заполнение углов формы. На пластичность влияет количество влаги и глины, а также зерновая структура песка.
Податливость — способность смеси сокращаться в объеме под действием сжимающих усилий отливки при ее усадке в процессе охлаждения. Низкая податливость приводит к возникновению напряжений в отливке и даже появлению в ней трещин. Податливость связана с потерей смесью прочности при прогреве от отливки, а также с ее пористостью, зерновой структурой и наличием специально вводимых добавок (древесных опилок).
Основа любой смеси — пески, глины и связующие добавки. Формовочные пески делят на классы в зависимости от содержания в них глинистой составляющей и примесей, а также на группы — в зависимости от размера основной фракции. Основной составляющей песка является кремнезем Si02, но в виде примесей он может содержать каолин, слюду, полевой шпат, оксиды железа, магнезит и т.д. Для приготовления огнеупорных облицовочных смесей и стержневых красок используют шамот, оли- винит, цирконовый концентрат и другие материалы.
Формовочные глины служат минеральным связующим в формовочных смесях. Их классифицируют по минералогическому составу, прочности, огнеупорности и пластичности. По минералогическому составу глины подразделяют на каолиновые (A1Z03 ■ 2Si02 • 2Н20), бентонитовые (А1203 ■ 4Si02 ■ Н20 • 2Н20) и полиминеральные. Бентонитовые глины обладают более высокой способностью к набуханию и более высокой прочностью по сравнению с другими. Как связующий материал глина обладает рядом недостатков. Высокая прочность смеси может быть получена только в том случае, когда она содержит большое количество глины, а это снижает газопроницаемость,и способствует образованию пригара на поверхности отливок. В связи с этим содержание глины в смесях ограничивается, а для обеспечения требуемых свойств в них вводят специальные связующие добавки.
Эти добавки делят на три класса. К классу А относят органические связующие, нерастворимые и несмачиваемые водой, к классу Б — органические связующие, растворимые или смачиваемые водой, и к классу В — неорганические связующие, растворимые водой в незатвердевшем состоянии (жидкое стекло). Основной характеристикой связующих является их удельная прочность при растяжении сухого образца, т.е. прочность в расчете на 1 % связующего. Широкое распространение в качестве связующих находят синтетические смолы, смолосодержащие продукты (пеки) и их смеси с органическими водными материалами, а также коллоидные растворы органических веществ (сульфидная патока, декстрин).
Особенно перспективно введение в состав смесей синтетических смол, способных к отвердеванию в холодной или нагреваемой оснастке. Для холоднотвердеющих смесей широко применяются смолы на карбомидофурановой (БС-40), карбомидоформальде- гидной (КФ-Ж), фенолформальдегидной (ОФ-1) и фенолфурано- вой (ФФ-1Ф) основе, которые растворяются в фуриловом спирте и отвердевают в стержневых ящиках при добавке 0,7... 1,0 % ортофосфорной кислоты. Содержание смолы в смеси обычно не превышает 2 %.
Горячетвердеющие смеси не нуждаются в катализаторе, но требуют применения нагреваемой оснастки. Типичным представителем термореактивной смолы является пульвербакелит, который в виде пудры или раствора вводится в состав стержневой смеси в количестве 3...5 %.
Состав формовочных смесей определяется маркой литейного сплава, массой отливки, спрсобом изготовления форм, массовостью производства и другими факторами. Смеси бывают едиными (в массовом производстве), облицовочными и наполнительными (в мелкосерийном производстве крупных отливок). Облицовочной смесью высокого качества обкладывают модель, а все остальное пространство опоки заполняют низкокачественной наполнительной смесью, изготовленной из оборотной смеси и не содержащей в качестве крепителя других связующих, кроме глины. Типичный состав единой смеси для сырых форм: свежий песок — 5... 15 %, каменноугольная пыль — 0,5...1,5 %, глина — 8... 19 %, связующие добавки типа сульфидно-спиртовой барды — 0,5 %, остальное -— бывшая в употреблении оборотная смесь. Естественно, облицовочная смесь содержит больше свежего песка, угольной пыли и специальных добавок.
К стержневым смесям предъявляют более высокие требования, чем к формовочным, так как во время заливки форм и охлаждения металла стержни со всех сторон окружены расплавом и испытывают высокие статические, динамические и термические нагрузки. Стержни разделяют на классы в зависимости от сложности конфигурации, наличия тонких сечений и количества стержневых знаков. Для каждого из классов разработаны типовые смеси, для которых строго оговорены количество свежего песка, наличие оборотной смеси, тип и количество связующего, содержание глины, использование специальных добавок (опилок, солей, асбестовой крошки и др.).
Круговорот смеси в литейном цехе и оборудование, применяемое для подготовки исходных компонентов, представлены на схеме, приведенной на рис. 13.3. После выбивки залитых форм на выбивной решетке 1 оборотная смесь для разрушения комьев пропускается между валками 2 и подается на магнитный сепаратор 3, где из нее извлекают куски металла, попавшие в смесь при выбивке форм. Затем смесь просеивается на полигональных ситах 4 и подается в бункеры 5, установленные над смесителем 6. Наиболее часто для перемешивания компонентов смеси применяются бегуны с вертикальными или горизонтальными (маятникового типа) катками. На схеме показаны бегуны с вертикальными катками. Свежий песок со склада сушится в барабанных сушилах 7, просеивается на ситах 8 и засыпается в бункеры 5, откуда через дозирующее устройство периодически засыпается в смеситель. Глина перемешивается с водой в лопастных смесителях 9 и в виде эмульсии через насос 10 подается по мере надобности в смеситель 6. Готовая формовочная смесь выдерживается в бункерах-отстойниках 11 с целью усреднения влаги, после чего разрыхляется в аэраторах 12 и по транспортерам подается в бункеры 13, установленные над формовочными машинами. Залитые формы подаются на выбивную решетку 1, и круговорот смеси повторяется.
Следует отметить, что для стержневых смесей схема подготовки исходных материалов проще, так как в их состав не входит оборотная смесь. Для их приготовления используют свежий сухой песок и крепители, которые перемешивают в смесителях. Для холоднотвердеющих смесей катализаторы (ортофосфорную кислоту) вводят в смесь непосредственно перед заполнением стержневого ящика, для чего ее дополнительно перемешивают с катализатором в лопастных или шнековых смесителях.
В мелкосерийном производстве крупных отливок широко применяются жидкие самотвердеющие смеси различных составов. В состав наиболее ходовой смеси входит 5 % белого ферро-
-5352415635
СГЗ3
Рис. 13.3. Круговорот смеси
Песок
ю
Склад
хромового шлака, 5 % жидкого стекла, 0,5 % пенообразователя (ДС-РАС, контакт Петрова), 0,1 % стабилизатора пены (асидол, мылонафт), 1,5 % воды и сухой песок. Отвердение смеси происходит благодаря взаимодействию (Ca0)2Si02, входящего в белый шлак, с жидким стеклом (раствор Na20 • mSi02). Поверхностно- активный пенообразователь вводят для образования пузырьков пены, которые снижают коэффициент трения между зернами песка и способствуют его легкому перемещению, т.е. обеспечивают жидкоподвижность смеси, вследствие чего она легко заполняет стержневые ящики и не требует уплотнения.ИЗИ Изготовление форм вручнуюВ литейном производстве свыше 20 % отливок получают в формах, изготовленных вручную. Этот метод предусматривает уплотнение формовочной смеси пневматическими трамбовками в опоках, почве (в полу литейного цеха), кессонах — ямах, выложенных кирпичом. При этом могут быть использованы разъемные и неразъемные модели, шаблоны, скелетные модели и образцы деталей.
Последовательность операций изготовления формы по двухсторонней разъемной модели методом ручной формовки показана на рис. 13.4. Модельную плиту 2 с моделями низа 3 и верха 4 устанавливают на одну из опок 1, после чего накрывают второй опокой 5. Модель низа припыливают разделительным слоем 6, в качестве которого может использоваться каменноугольная пыль, молотый кварцевый песок, тальк. Иногда ее опрыскивают через пульверизатор керосином или разведенным мазутом. Затем в верхнюю опоку слоями засыпается и утрамбовывается пневматическими или ручными трамбовками 8 формовочная смесь 7. Верхний слой смеси срезают до верхнего уровня опоки и с помощью средств механизации поворачивают всю систему в сборе на 180°. На штырь шлакоуловителя устанавливают стояк с литниковой чашей 9, припыливают модель и заполняют опоку верха, уплотняя формовочную смесь слоями. Затем поднимают полуформу верха, удаляют из опоки низа модель с модельной плитой, а из опоки верха — элементы модели литниковой системы. При необходимости отделывают полуформы, исправляя в них дефекты, и приступают
д I- 1 А Ц f
и С zH li' '
-18713450

-17799052670175
Рис. 13.4. Технология изготовления форм вручную: установка опок; б — нанесение разделительного покрытия; в — набивка полуформы низа; г — набивка полуформы верха; д — удаление модели; е — сборка формы
к сборке формы. В процессе сборки в полуформу низа устанавливают отдельно изготовленный и высушенный стержень 10, после чего ее закрывают полуформой верха, скрепляют опоки (или форму нагружают грузом) и заливают расплавленным металлом. После затвердевания металла и охлаждения отливки до определенной для каждого сплава температуры форма разрушается, отливка подается на обрубку и очистку, а опоки — на повторный цикл формовки.Машинная формовкаМашины позволяют механизировать операции уплотнения формовочной смеси, удаления модели из формы, а для опок низа — поворот полуформы. Механизация процесса формовки улучшает качество и равномерность уплотнения смеси, точность размеров отливки, повышает производительность и облегчает условия труда. Машинная формовка предполагает раздельное изготовление полуформ на разных машинах и их сборку на промежуточном конвейере или плацу. Иногда в массовом производстве мелких и средних отливок применяют безопочную формовку. Вернее, формовка осуществляется в опоках, которые удаляются после сборки форм.
По методу уплотнения формовочной смеси различают следующие типы формовочных машин: прессовые, встряхивающие, пескометы, пескодувные, пескострельные, импульсные, вакуумные, специальные и комбинированные (пескодувно-прессовые, гравитационно-прессовые и др.). Выбор типа машины определяется размерами и конфигурацией отливки, серийностью производства и традиционными особенностями сложившегося на заводе технологического процесса. В целом же считается, что прессовый, пескодувный и пескострельный типы машин применяются для мелких отливок, хотя прессование под высоким давлением может быть использовано для средних и даже крупных форм. Встряхивающие машины и импульсная формовка обычно применяются для средних по размеру форм. Крупные формы набивают пескометом.
Прессовые машины бывают нескольких разновидностей. Наиболее часто применяют машины с верхним и нижним прессованием, а также прессование эластичной диафрагмой и многоплунжерной головкой (рис. 13.5). Кроме того, на этом рисунке для верхнего и нижнего прессования приведено распределение плотности смеси (р) по высоте опоки Н после уплотнения.
При верхнем прессовании модель 2 с модельной плитой 1 монтируют на рабочем столе и припыливают или обрызгивают, после чего устанавливают опоку 4 и наполнительную рамку 6. В опоку засыпают дозированную порцию формовочной смеси 3 и накатывают прессующую колодку 5, затем в цилиндр 7 подается сжатый воздух. Поршень 8 перемещается вверх, в результате чего прессующая колодка входит в наполнительную рамку и уплотняет смесь.
При нижнем прессовании вместо прессующей колодки 5 используется модельная плита 1, а наполнительная рамка 6 устанавливается ниже опоки, и в процессе уплотнения модель вдавливается в формовочную смесь. Анализ кривых распределения плотности по высоте показывает, что оно более благоприятно при нижнем прессовании. Тем не менее этот способ применяется реже в связи с трудностями его технического выполнения и необходимостью тщательного дозирования засыпаемой в опоку смеси.
Прессование эластичной диафрагмой 10 не улучшает распределения плотности по высоте опок, но обеспечивает ее равномерность независимо от перепада высот контура модели. Сама диафрагма устанавливается в накатываемом на опоку колпаке 9.
Еще большей равномерности плотности по площади опоки можно добиться, применяя прессование многоплунжерной головкой. Прессующие колодки 11 имеют индивидуальный привод от гидравлических цилиндров 12, соединенных с единой системой подачи рабочей жидкости от нагнетающего насоса.
Эскиз формовочной прессовой машины модели 4821 приведен на рис. 13.6, а ее внешний вид на рис. 13.7. Управление машиной осуществляется с пульта 1. Для изготовления полуформы опока устанавливается на рабочем столе 2, где расположена модель, и заполняется формовочной смесью, после чего механизм разравнивания формовочной смеси 3 перераспределяет ее по площади опоки и с помощью цилиндра 7 траверса 5 с многоплунжерной головкой 4 перемещается в положение над опокой. Рабочая жидкость от гидростанции 6 подается в рабочий цилиндр, и опока со смесью поднимается вверх. Плунжеры головки давят на смесь, уплотняя ее.

Рис. 13.5. Уплотнение преосованием: а — верхнее прессование; б — нижнее прессование; в — уплотнение диафрагмой; г — уплотнение многоплунжерной головкой; I — статическое положение подвижных частей перед началом рабочего хода; II — положение
в конце рабочего хода


Рис. 13.7. Внешний вид машины модели 4821
Эскиз многоплунжерной головки приведен на рис. 13.8. В корпусе 4 головки установлены цилиндры с пружинами 2 и 1. По мере сжатия пружины 1 возрастает давление на формовочную смесь, передаваемое через плунжеры 5 и колодки 6, в связи с чем обеспечивается равномерное распределение плотности смеси по площади опоки. Рабочая жидкость в головку подается от гидростанции по трубам через приемное устройство 3.
Прессовый метод очень часто применяют в комбинации с другими способами уплотнения (например, пескодувно-прессовый, гравитационно-прессовый, вибропрессовый и т. д.).
Встряхивающие машины применяются для изготовления средних по размеру отливок, имеющих большой перепад высот относительно плоскости разъема формы. При встряхивании наиболее сильно уплотняются нижние слои смеси, непосредственно прилегающие к модельной плите. По мере удаления от плиты степень уплотнения снижается и верхние слои остаются рыхлыми. Для их уплотнения встряхивание сочетают с последующей


Рис. 13.8. Многоплунжерная головка
подпрессовкой или при встряхивании укладывают на формовочную смесь массивную металлическую плиту. Последний вариант обычно применяется для нижних полуформ.
На схеме уплотнения встряхиванием с подпрессовкой (рис. 13.9) модель 1 с модельной плитой размещается на рабочем столе машины. На стол устанавливают опоку 4 с наполнительной рамкой 3 и после опрыскивания керосином засыпают формовочную смесь 2. Для уплотнения смеси через канал 9 в цилиндр встряхивающего механизма подается сжатый воздух, под действием которого поршень 5 поднимается вверх, в результате чего в какой-то момент каналы 6и8 совмещаются, давление в цилиндре падает, и поршень 5 вместе с полуформой опускается вниз.
В момент удара поршня о фланец цилиндра 10 происходит резкая остановка, и верхние слои смеси уплотняют расположенные под ними. После 15...40 ударов осуществляютподпрессовку. Для этого прекращают подачу воздуха через канал 9 и включают его подачу через канал 11. Поршень прессового механизма 7
\////////////Л
\////////////Л

20453350

•10 •11
УУ//////УУ//М
У////////////Л


Рис. 13.9. Уплотнение форм встряхиванием: а — начало втягивания; б — верхнее положение механизма встряхивания; в — подпрессовка; г — протяжка модели

(он же цилиндр встряхивающего) поднимается вверх, в результате чего поворотная или накатываемая плита 12 уплотняет верхние слои формы. После подпрессовки полуформа фиксируется в верхнем положении, а модель уходит вниз, освобождая полуформу для выполнения операции сборки.
Пескометы применяются преимущественно для набивки крупных опок и стержневых ящиков и по конструктивному выполнению могут быть стационарными, к которым по конвейеру подаются опоки, установленные на модельные плиты, и передвижными, которые сами перемещаются вдоль установленных в ряд опок. В обоих случаях основной частью пескомета является головка 1 (рис. 13.10), которая с помощью шарнирных соединений может перемещаться во всех направлениях. Через окно 2 в головку по транспортеру подается формовочная смесь. Быстро- вращающийся ротор с лопаткой 3 бросает через выходное отверстие смесь, заполняя ею опоку 4. Кинетическая энергия падающей смеси гасится находящейся в опоке смесью, производя ее уплотнение. Степень уплотнения невысокая и в ряде случаев требует доуплотнения пневматической трамбовкой, но она равномерна по высоте опоки.
1 2

Рис. 13.10. Схема пескометной набивки
Уплотнение на пескодувных машинах редко применяется для изготовления форм, оно характерно для изготовления стержней и будет рассмотрено ниже.
Импульсная формовка появилась сравнительно недавно и считается одним из самых прогрессивных направлений развития литейного производства. Сущность метода заключается в том, что в течение 0,01 с над опокой, заполненной формовочной смесью, создается давление до 1,5 МПа. Динамический удар приводит песок в подвижное состояние, в результате чего степень уплотнения смеси выше, а плотность равномернее распределяется по периметру и высоте оцоки. Давление над смесью можно создавать, используя сжатый воздух, накопленный в ресивере, или воспламеняя смесь воздуха с газом. Схема импульсной формовки, при которой используется энергия сжатого воздуха, приведена на рис. 13.11.
1 Б 2

Рис. 13.11. Схема импульсной формовки
Воздух из ресивера поступает в полость А, расположенную под кожухом 2 головки машины. Внутри находится клапан 3, с помощью пружины 1 закрывающий отверстие, которое соединяет полости А и В. После установки под головкой заполненной формовочной смесью опоки 6 с наполнительной рамкой 5 головка плотно прижимается рассекателем 4 к наполнительной рамке и поворотом крана 9 воздух подается в полость Б. Клапан 3 поднимается вверх, и воздух из полости А поступает в полость В и далее через рассекатель, выравнивающий давление по площади опоки, — в наполнительную рамку, оказывая динамическое давление на смесь. В модельной плите 7 и в опоках устанавливают венты 8 (пробки с тонкими щелевыми отверстиями, задерживающими смесь, но не препятствующими выходу воздуха). После уплотнения полуформы и удаления наполнительной рамки излишек смеси срезается специальным приспособлением.
Вакуумная формовка (рис. 13.12) также относится к разряду прогрессивных технологических процессов. Изготовление форм основано на формообразовании и придании им необходимой прочности за счет разности давлений с внешней стороны формы и внутри, между частицами цеска. Модель 3 вентами соединяется с вакуумируемой полостью внутри модельной плиты 4, что облегчает ее покрытие пленкой 2, подогреваемой нагревателем 1 до термопластичного состояния. На покрытую пленкой модель 5 устанавливают опоку 7, также оборудованную вакуумируемой камерой, которая связана вентами с внутренней полостью опоки, после чего в нее засыпают просеянный песок 6. Не снимая вакуума, опоку закрывают пленкой 8 и после снятия вакуума в полости модельной плиты извлекают модель. Таким же образом изготовляют полуформу низа, после чего в нее, если это необходимо, устанавливают стержень и собирают форму. Не снимая вакуума, форму заливают расплавленным металлом и подают на выбивку, которая сводится к снятию вакуума, в результате чего отливки вместе с песком выпадают из опок. Остатки пленки механически удаляют с лада опок, и цикл формовки повторяется снова. Песок используется многократно.
Вакуумная формовка выгодно отличается от обычной: отпадает необходимость в связующих материалах и выбивных устройствах; отсутствует износ моделей, так как пленка защищает ее от абразивного воздействия песка; повышается качество отливок, в частности устраняется брак по газовым раковинам; облегчается борьба с запыленностью в литейном цехе, так как ваку- умирование удаляет из песка пылевидную фракцию.


13.6.
Изготовление стержнейСуществует большое многообразие методов изготовления стержней: с помощью ручной набивки стержневых ящиков, на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах, с помощью пескометов и на установках, использующих жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). В массовом производстве отливок средних размеров наиболее часто используют пескодувный и пескострельный способы, а стержни для крупных отливок мелкосерийного производства изготавливают с помощью пескометов, ручной набивкой ящиков и на установках, использующих ЖСС. Вручную изготавливают и мелкие, ажурные стержни, так как машинное изготовление не всегда обеспечивает требуемую плотность и ее равномерность в различных зонах стержня.

'ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖл
5 wXwffi
На рис. 13.13 приведена схема изготовления цельного стержня в ящике, состоящем из двух половин. В половину 2 стержневого ящика, смазанного керосином, засыпают стержневую смесь 3 и укладывают арматуру 2 или сварной металлический каркас, если стержень имеет сложную конфигурацию. Каркас не должен препятствовать вентиляции стержня и усадке отливки, поэтому в зависимости от размеров стержней устанавливается минимальное удаление каркаса от их поверхности. После уплотнения смеси металлической линейкой удаляют ее избыток и производят сбор-
Щ

Рис. 13.13. Изготовление стержней вручную: а — набивка половинок стержневого ящика; б — сборка ящика; в — удаление половины ящика; г — укладка сушильной плиты; д — удаление второй половины ящика
<JJ N)

Рис. 13.14. Машинное изготовление стержней: а, б — на пескодувной машине; в — на пескострельной машине
ку. Душником 4 накалывают канал, облегчающий выход газов из стержня в его знаковую часть при заливке формы. Затем удаляют верхнюю половину ящика и вместо нее-укладывают сушильную плиту 5, повторяющую форму поверхности половины стержня. Всю систему поворачивают на 180° и удаляют вторую половину ящика, после чего он направляется на следующий цикл процесса изготовления стержня, а сырой стержень вместе с плитой — в сушило.
В ряде случаев считается целесообразным изготовлять отдельно две половины стержня, и после сушки на плоских сушильных плитах их склеивают и шпаклюют по плоскости разъема.
В цехах крупносерийного и массового производства доминируют пескодувный и пескострельный способы. Пескодувные машины могут иметь различное конструктивное оформление, но наиболее часто встречаются такие, устройство которых приведено на рис. 13.14, а, б. Машина имеет пескодувную головку 1 со щелевыми отверстиями в донной плите. С помощью пневматического цилиндра 7 головка может перемещаться вправо по рольгангу 8. Вместе с ней перемещается шибер 6, препятствующий выпадению смеси 3 из бункера 4. Когда головка расположена под бункером, включавЬт вибратор 5, и стержневая смесь перетекает в головку. Стержнев'ой ящик 9 с отверстиями в верхней половине, совпадающими с отверстиями пескодувной плиты, устанавливают на рабочем столе с воздушной подушкой 10.
Заполненную смесью головку перемещают в левое положение и в воздушную подушку под столом подают сжатый воздух, устраняя зазоры между ящиком и плитой, а также головкой и крышкой головки 2. Открывая клапан в крышке головки, обеспечивают подачу сжатого воздуха в головку. Воздух давит на смесь, фильтруется через нее и вместе с песком устремляется в стержневой ящик. Воздух выходит через венты, занимающие до 50 % поверхности ящика. После прекращения подачи воздуха в подушку и головку стержневой ящик снимают со стола, разбирают, стержень перекладывают на плиту и повторяют рабочий цикл. Очень часто ящики делают обогреваемыми газом или электричеством, совмещая процессы изготовления и сушки или отвердевания.
Пескострельная машина (рис. 13.14, в) по принципу работы напоминает пескодувную, но обеспечивает более высокую подвижность стержневой смеси при заполнении ею полости ящика, вследствие чего в ящик практически не поступает воздух и отпадает необходимость в установке большого количества вент.
Смесь из бункера 11 через шибер 12 попадает в рабочий резервуар 13, из которого под действием сжатого воздуха заполняет стержневой ящик 15, установленный на рабочем столе 16. Надувная плита 14 имеет не только отверстие, соединяющее полости резервуара и ящика, но й отверстие, через которое воздух из ящика выходит в атмосферу. Сжатый воздух из резервуара 17 через отверстие большого размера, закрываемое быстродействующим клапаном 18, поступает в рабочий резервуар с двойными стенками. Отверстия во внутренней стенке служат рассекателем воздуха. Под давлением воздуха смесь отделяется от стенок и легко перемещается в ящик.ДШ Сушка стержней и формСушка стержней и форм повышает прочность смеси, уменьшает ее газотворность и повышает газопроницаемость, но ее применение удлиняет технологический процесс, требует дополнительного оборудования, производственных площадей, трудозатрат и энергии. В связи с этим она в основном применяется для стержней, работающих в более тяжелых условиях, чем формы. Формы не подвергают сушке, только для очень ответственных отливок осуществляют поверхностную подсушку рабочей полости формы переносными многопостовыми газовыми горелками или пропускают формы через проходные конвейерные сушила.
Для сушки стержней применяют камерные печи периодического действия, но в условиях массового производства более удобны вертикальные (двух- и четырехходовые) и горизонтальные конвейерные сушила. В процессе сушки стержни медленно нагревают до 100 °С, после чего температуру повышают до уровня, определяемого типом крепйтеля, и снижают до 50...70 °С. Медленный нагрев и Охлаждение необходимы во избежание растрескивания стержней. Для органических связующих нагрев ведут до 180...240 °С, песчано-смоляных — до 200...280, песчано-гли- нистых — до 300. ..350 °С. Чем больше масса стержня и сложнее его конфигурация, тем медленнее ведут нагрев и больше времени выдерживают стержень при максимальной температуре.
При использовании химически твердеющих смесей душка стержней не требуется, так же как и при их производстве по горячим ящикам. Следует отметить, что отвердевание смеси в стержневых ящиках (холодное или горячее) способствует резкому повышению размерной точности отливок и считается перспективным процессом, особенно для цехов крупносерийного производства.ИШ Сборка и заливка формСборку формы начинают с установки нижней полуформы на ровную площадку литейного плаца (мелкосерийное производство крупных отливок) или тележку заливочного конвейера (крупносерийное производство). Затем из полости полуформы сжатым воздухом выдувают сор и пыль и устанавливают в нее стержни. Если знаковые Части стержней не обеспечивают устойчивости стержня в форме, его устанавливают на металлические жеребейки. Правильность установки и постоянство зазора между стержнем и формой контролируют шаблонами и щупами, которые входят в состав модельного комплекта. Если это необходимо по технологическому процессу, одновременно со стержнем устанавливают внутренние холодильники и фильтрующую сетку. После этого нижнюю полуформу накрывают верхней, используя стационарные или съемные штыри, обеспечивающие точность совмещения полуформ.
Для предотвращения подъема верхней полуформы под действием давления металла при заливке ее скрепляют с нижней с помощью скоб или болтовых соединений. В массовом производстве вместо скоб для мелких и средних форм применяют автоматическую нагрузку грузами.
Схема организации работ по изготовлению полуформ, сборке, заливке и йыбивке форм на конвейере для крупносерийного производства приведена на рис. 13.15. Пустые опоки подают тележками 2 литейного конвейера 1 и сталкивают на ленточный транспортер 3, откуда их с помощью пневматических подъемников и монорельсов 4 снимают и устанавливают на формовочные машины верха 5 и низа 6. Нижняя полуформа устанавливается на промежуточный сборочный конвейер 7, в нее укладывают стержни, которые заблаговременно запасены на стеллаже 8,и закрывают полуформой верха, которую подают по монорельсу 4. Собранную форму сталкивают на одну из тележек 2 конвейера, подающего формы на заливочную площадку 9. В торцевой части конвейера расположен стенд с раздаточным ковшом 11, via которого металл заливают в разливочные ковши, подаваемые по монорельсу 10 на заливочную площадку. Залитые из разливочного ковша формы проходят через тоннель, облегчающий улавливание и удаление выделяющихся из формы газов, и поступают на выбивную решетку 12, где из них удаляют отливки и формовочную смесь, после чего опоки поступают на следующий цикл изготовления и заливки форм.
99377594615
4 5 6
I 1/8
7
! \

6Рис. 13.15. Схема организации работ на литейном конвейере
Заливка форм может осуществляться различными методами: под низким (регулируемым) и высоким давлением, под действием центробежных сил, вакуумным всасыванием, но наиболее часто она осуществляется под действием силы тяжести за счет разности уровней металла в заливочной чаше и в полости формы.
8851902630170
Металл в формы поступает из ковшей или с помощью зали- вочно-дозирующих устройств. Литейные ковши представляют собой емкости, сварной металлический кожух которых изнутри футерован огнеупорным материалом. Различают ковши поворотные и стопорные (рис. 13.16, б). В свою очередь Поворотные ковши бывают чайниковыми (рис. 13.16, а) и барабанными (рис. 13.16, в). Чайниковые и стопорные ковши чаще применяются для разливки стали, так как они в большей мере препятствуют попаданию шлака в форму. Чугун имеет более низкую температуру разливки, вследствие чего шлак на его поверхности более вязкий, что уменьшаетвероятность его попадания в форму. Поэтому для разливки чугуна обычно применяют барабанные ковши.
Чайниковый ковш оборудован перегородкой или керамической трубкой 1, задерживающей шлак при наклоне ковша в процессе заливки. Из стопорного ковша металл вытекает через отверстие в днище, которое закрывается стопором 2. Подъем и опускание стопора (штанги с керамическими бусами) осуществляется с помощью системы рычагов 3.

Рис. 13.16. Типы литейных ковшей: а — чайниковый; б — стопорный; в — барабанный
Заливочно-дозирующие устройства одновременно выполняют функции заливки и дозирования порции заливаемого расплава. По принципу действия их подразделяют на электромеханические, пневматические, электромагнитные и комбинированные.
Выбивка форм и стержней из отливок
После затвердевания отливку выдерживают в форме до установленной для каждого вида сплава температуры, после чего форму выбивают. Обычно стремятся к ранней выбивке, чтобы сократить технологический цикл, но при этом возникает опасность образования трещин, связанных с низкой прочностью металла при высоких температурах или с ускоренным охлаждением отливок на воздухе после выбивки. Обычно стальные отливки охлаждаются до 500...700 °С, чугунные — до 400...500, бронзовые — до 300...500 и алюминиевые — до 200...300 °С.
Выбивку форм осуществляют на механических, чаще всего эксцентриковых или инерционных выбивных, решетках; выдавливанием; крупные формы иногда выбивают в гидравлических камерах (рис. 13.17). Для выбивки форму 1 помещают на решетке 2, установленной на опорных пружинах 4 и оборудованной быстровращающимся валом 3 с неуравновешенной массой (эксцентриком). Вибрация решетки передается форме, смесь разрушается и через решетку просыпается на транспортер 5, с помощью которого перемещается в систему регенерации оборотной смеси. Выбивка форм сопровождается выделением большого количества газов, тепла, пыли и сильным шумовым эффектом. Поэтому решетки оборудуются пылегазоулавливащими и звукоизоляционными системами. Проблему борьбы с шумом удачно решает выдавливание смеси вместе с отливкой на решетку и далее на транспортер с помощью гидравлических цилиндров 6, но этот метод применяется только для опок, не имеющих крестовин.

7-4
7777
/>7777777777У
Рис. 13.17. Выбивка форм и стержней: а — на выбивных решетках; б — выдавливанием; в — в гидравлических камерах; г — на вибрационных машинах; д — в электрогидравлической установке

Комплексное решение многих проблем может быть достигнуто выбивкой в гидравлических камерах, где струя воды 7 толщиной 5...20 мм под давлением 5... 10 МПа размывает формовочную смесь. Этот метод хорошо вписывается в схему мокрой регенерации оборотной смеси и, кроме того, в нем одновременно сочетаются выбивка форм, удаление стержней из отливок и очистка поверхности от пригара. Для выбивки форм используют герметичные камеры, в которые формы закатывают на тележках 8.
В технологических процессах производства отливок в разовых формах стремятся исключить операцию выбивки стержней, для чего применяют легко выгорающие крепители, а стержни стараются делать полыми и тонкостенными. В этом случае удаление песка из отливки происходит одновременно с ее выбивкой из формы. Если же выбивка стержней необходима, то ее осуществляют на пневматических вибрационных машинах, в гидравлических камерах и электрогидравлических установках.
При выбивке на вибрационной машине отливка 10 зажимается между пружинным упором стойки 9 и упором вибратора 11, перемещаемого по направляющим станины с помощью пневматического цилиндра 12. Под действием вибрации стержень разрушается и песок вытекает через технологические отверстия в отливке.
13.10.
В электрогидравлической установке стержень разрушается ударной волной, возникающей при высоковольтном электрическом разряде между двумя электродами или между электродом 13 и отливкой 10, помещенной в камеру с водой 14. Электрод с помощью тележки перемещается вдоль поверхности, одновременно с выбивкой стержня производя очистку от пригара.Обрубка и очистка отливокОбрубка отливки заключается в отделении от нее литников, выпоров, прибылей и заливов по разъему формы и в местах сопряжения стержневых знаков с формой. Основными факторами, определяющими выбор способа обрубки, является вязкость сплава, из которого изготовлена отливка, масса отливки и серийность производства.
Для отличающихся хрупкостью серого и 6enozq чугунов удаление литников не представляет трудности и производится ударом по литнику молотком. В отдельных случаях могут быть использованы пневматические зубила и для массового производства — отламывание на прессах.
Для стальных отливок молоток, зубило и пресс могут применяться, если масса отливок невелика. Для крупных отливок чаще используют ацетиленокислородную резку. В условиях массового производства отрезку прибылей и, реже, литников могут производить на токарных станках, работающих с поперечной подачей.
Большинство цветных сплавов отличается вязкостью, что исключает применение ударов из-за возможного коробления отливок. В этом случае широко используются ленточные пилы, хотя обрубку можно производить на токарных станках и прессах.
Очистка отливок заключается в удалении пригара и улучшении чистоты поверхности. Принципиальные схемы основных методов очистки и зачистки заливов по знаковым частям и разъему формы показаны на рис. 13.18. Очистку можно производить галтовкой, дробеметной, дробеструйной, вибрационной и электрохимической обработкой, а зачистку — абразивными кругами и электроконтактным методом. Выбор оборудования для очистки в основном зависит от размеров отливок и серийности производства.
Очистку галтовкой применяют для средних отливок, для чего в барабан, футерованный внутри броневыми листами 1, загружают отливки 2 и звездочки из белого чугуна и с помощью опорно-приводных роликов 3 барабан приводят во вращение. Перекатываясь, отливки трутся друг о друга и о звездочки и очищаются от пригара. В массовом производстве применяют барабаны непрерывного действия (проходные), в серийном — периодического действия.
Для очистки средних и крупных отливок из черных сплавов широко применяют дробеметные барабаны и камеры. В дробе- метные барабаны отливки 2 загружают через окно загрузки-выгрузки 7 на пластинчатый транспортер 6. При движении транспортера отливки перекатываются, подставляя различные поверхности под струю стальной или чугунной дроби 5, подаваемой дробеметной головкой 4. Дробь вместе с песком 8 собирается в воронке днища и после отделения от песка на магнитном сепараторе по-

Рис. 13.18. Очистка и зачистка отливок: а — в галтовочных барабанах; б — в дробеметных камерах; в — дробеструйная; г,— на виброустановках; д i— электрохимическая; е — абразивными кругами; ж — электроконтактная
дается в оборотную систему. Для крупных отливок массой свыше 50 кг вместо барабанов применяют камеры, куда отливки подаются подвешенными на крючьях и в которых по ходу движения расположены дробеметные головки.
При дробеструйной очистке дробь на отливки 2, установленные на поворотом столе 15, подается струей воздуха или воды. Этот метод менее эффективен по сравнению с предыдущим.
Для мелких отливок, полученных, как правило, методом литья по выплавляемым моделям, применяют вибрационную, химическую и электрохимическую очистки. В первом случае отливки 2 загружают в ящики 10 вместе с абразивом (кОрундом) 9 и с помощью механического вибратора 11 подвергают вибрации. Метод эффективен для сглаживания случайных выступов небольших размеров на наружных поверхностях. Для удаления пригара из внутренних и труднодоступных полостей отливки 2 погружают в расплав каустической соды 12, перегретый до 400...500 °С, и иногда подключают электрический ток плотностью до 0,05 А/м2. Очистка осуществляется за счет растворения Si02 пригара в щелочи и образования силикатов. Эффективность очистки возрастает, если полярность тока меняется.
Зачистка отливок применяется в массовом производстве и, как правило, используется в качестве одной из операций совместно с другими операциями очистки, например дробеметной. Она выполняется абразивными кругами 13, между которыми пропускается установленная на приспособлении отливка 2.
При электроконтактной зачистке вместо абразивного круга используется стальной диск 14. В ходе обработки происходит оплавление заусениц, заливов и выступов.и их удаление в виде искр.
Термическая обработка, контроль качества и окраска отливок
Отливки, не прошедшие термическую обработку, „имеют крупнозернистую структуру и низкие прочностные свойства. Кроме того, в связи с неравномерностью охлаждения различных зон и затрудненностью усадки в них сохраняются внутренние напряжения. Структура и свойства отливок могут быть существенно улучшены термической обработкой. Вид обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) определяется природой и составом сплава, размерами и конфигурацией отливки, а также техническими условиями.
Контроль качества проводят на всех этапах технологического процесса, при этом проверяют:
качество исходных материалов (шихты, песков, глин, связующих, ферросплавов);
качество и износ литейной оснастки (моделей, ящиков, штырей и втулок, опок, сушильных плит и т.д.);
техническое состояние оборудования (формовочных и стержневых машин, транспортеров, бегунов, печей, контрольных приборов и датчиков);
качество и химический состав жидкого металла и готовых отливок.
Бракованной называют такую отливку, которая имеет хотя бы один недопустимый по техническим условиям дефект. Стандарт классифицирует дефекты по следующим группам. К первой группе (рис. 13.19, а) относятся дефекты размеров формы и массы, такие как недоливы 1 и 2, перекосы 3 и 4, коробление, подутлости. Ко второй группе (рис. 13.19, б) относят пригар 5, нечеткий отпечаток б, ужимины 7 и заливы 8. Третья группа (рис. 13.19, в) включает дефекты тела отливки: усадочные раковины 9,10, усадочную пористость 11, газовую пористость 12. К четвертой группе (рис. 13.19, г) относятся шлаковые включения 13, 14, 15.
Кроме того, отливки могут браковаться в связи с несоответствием микроструктуры, химического состава, физико-механических свойств.
Разработано большое количество различных методов испытаний для выявления скрытых дефектов. Кроме обычного тщательного визуального исследования применяют испытания на герметичность, рентгеноскопию и гамма-дефектоскопию, испытания

13
14
15
Рис. 13.19. Виды брака: а — несоответствие по геометрии; б— дефекты поверхности; в — несплошности в теле отливки; г — включения
ультразвуком, люминесцентную, магнитную и цветовую дефектоскопию.
После выявления дефектов ставится вопрос о возможности исправления брака. Устранение брака не должно сказываться на эксплуатационных характеристиках деталей. В каждом конкретном случае выбирается наиболее эффективный способ устранения брака, если это признается целесообразным по экономическим соображениям. Наиболее часто дефекты устраняют правкой (коробление), заваркой (поверхностные трещины, газовые и усадочные раковины) и пропиткой (пористость отливок). Небольшие поверхностные дефекты заделываются пастами на основе жидкого стекла или эпоксидной смолы с наполнителями (металлический порошок, молотый кварцевый песок).
После контроля качества и исправления дефектов отливки окрашивают. Способ нанесения краски зависит от серийности производства и размеров отливок. Мелкие отливки окунают в краску в сварных корзинах, а крупные подвешивают на крючья подвесного монорельсового конвейера и подают в камеры для окраски и последующей сушки.
ПЛАВКА СПЛАВОВЛитейные свойства сплавовИз схемы последовательности операций изготовления отливок в разовых формах (см. рис. 13.2) следует, что параллельно с изготовлением формы идет плавка металла и после сборки формы расплавленный металл заливают в нее.
Известно множество литейных сплавов на основе железа, алюминия, магния, меди, титана, цинка и др. Каждый из сплавов характеризуется комплексом прочностных, эксплуатационных, физических и технологических свойств. Так как из этих сплавов получают отливки, они должны обладать комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих получение качественной отливки. К таким свойствам — их называют литейными — относятся жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин, трещин, склонность к газонасыщению и ликвации.
Жидкотекучесть — это способность металла заполнять литейную форму и воспроизводить очертания ее внутренней полости. Существует несколько методов оценки жидкотекучести, но наиболее распространено устройство в виде длинного тонкого канала, обычно свернутого в спираль, по длине заполнения которого судят об уровне жидкотекучести. При низкой жидкотекучести расплава возможен брак отливок по недоливам и спаям.
14,1.На жидкотекучесть оказывают влияние свойства формы и расплава. С ростом коэффициента теплопроводности, содержания влаги и теплоемкости смеси жидкотекучесть сплава падает, так же как и при росте коэффициента теплопроводности сплава, поверхностного натяжения на границе расплав — воздух и ширины температурного интервала кристаллизации сплава. Несмотря на обилие факторов, влияющих на жидкотекучесть, в реальных условиях производства манипулировать ими сложно, так как в цехе существует сложившийся технологический процесс получения отливки, а ее материал задан конструктором. Основным фактором, с помощью которого удается регулировать жидкотекучесть,является температура перегрева расплава. С ростом перегрева резко повышается жидкотекучесть. Поэтому тонкостенные ажурные отливки с развитой сложной поверхностью отливают первыми горячими порциями расплава сразу после его выдачи в ковш из печи, а толстостенные отливки получают из остывшего в ковше металла.
Различают три вида усадки металла: в жидком состоянии, в процессе кристаллизации и в ходе остывания металла от температур кристаллизации. Наиболее безобиден первый вид усадки, который легко компенсируется снижением уровня расплайа в заливочной чаше или в стояке.
Усадка в процессе кристаллизации приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках. Она связана с разницей плотностей металлов в твердом и жидком состоянии. Если кристаллизация металла протекает в узком интервале температур, что способствует так называемому направленному затвердению, при котором сравнительно гладкий фронт кристаллизации продвигается от поверхности к термическому центру отливки, увеличение плотности металла при переходе из жидкого состояния в твердое приводит к снижению уровня расплава и образованию в верхней центральной части отливки концентрированной усадочной раковины. При широком температурном интервале кристаллизации (объемное затвердевание) концентрированной усадочной раковины не образуется, зато появляется большое количество пор, рассеянных по всему объему отливки. Для устранения урадочных дефектов над массивными частями отливки устанавливают прибыли, толщина которых больше толщины питаемого ими узла, в результате чего усадочная раковина выводится в прибыль и удаляется вместе с ней после охлаждения отливки.
Схема установки прибыли 2 над отливкой 1 приведена на рис. 14.1. Прибыли бывают открытыми, когда их верхний уровень совпадает с верхним уровнем опоки, и закрытыми, когда он ниже. Предпочтительна сферическая форма прибылей. С целью повышения их эффективности прибыли утепляют путем установки вставок 6 из сухой стержневой смеси. Условия питания отливок в процессе ее затвердевания более благоприятны, если образующая в прибыли раковина 3 соединяется с атмосферой. С этой целью в прибыль заформовывают высушенные стерженьки 4

Рис. 14.1. Отливка с прибылью
из стержневой смеси, а иногда устанавливают газотворные патроны 5, которые, разлагаясь под действием расплавленного металла, создают в раковине избыточное давление.
Основным фактором, определяющим объем усадочной раковины или суммарный объем пор, является разность плотностей в жидком и твердом состоянии. Для разных сплавов она различна, что и определяет их различную склонность к образованию усадочных раковин. Известно, что стади, ковкие и высокопрочные чугуны, сплавы меди,, сплавы на основе алюминия (кроме Al—Si) склонны к образованию раковин и пористости, в то время как серые чугуны и силумины, наоборот, дают плотные отливки и не требуют установки прибылей.
Неравномерная усадка отливки в процессе ее остывания от температур кристаллизации приводит к возникновению в ней напряжений, а иногда и трещин. Различные сплавы характеризуются различными коэффициентами линейной усадки, что и определяет их склонность к образованию трещин.
Кроме термических напряжений в отливке, связанных с неравномерностью охлаждения отдельных ее частей, могут возникать механические (усадочные) напряжения, обусловленные торможением усадки формой или стержнем, и фазовые, связанные с неодновременным протеканием фазовых превращений в сплаве. Необходимо отметить, что термические напряжения могут быть вызваны тем, что поверхностные слои отливок охлаждаются быстрее центральных зон, в результате чего в них возникнут растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях — сжимающие.
Рассмотрим механизм образования напряжений за счет неравномерности охлаждения различных частей отливки на базе изучения условий охлаждения массивной части отливки 2 и ребра 1 (рис. 14.2, а). На рис. 14.2, б показаны кривые охлажения этих частей отливки, здесь tKp — критическая температура перехода из пластического состояния в упругое. Выше этой температуры напряжений не может возникнуть, так как пластическая деформация снимает их. На участке 1-2 (рис. 14.2, в; 1Н — начальная, 1к — конечная длина отливки) изменение длины частей отливки идет по закону, определяемому скоростью охлаждения ребра. В это время массивная часть пластична и напряжения снимаются за счет ее пластической деформации. Правее точки 2 металл обеих частей находится в упругом состоянии, но температура массивной-части выше. Если бы ребро было отделено от отливки, то его усадка протекала бы по кривой 2-Зи а усадка массивной части — по кривой 2-32. Но так как обе эти части связаны между собой, то у них общая длина, определяемая точкой 3. В результате тонкая часть сжимается на величину , а массивная — растягивается на величину т.е. после нерав-

Рис. 14.2. Механизм образования напряжений: а — внешний вид отливки; б — кривые охлаждения частей отливки; в — изменения длины частей отливки
Ч Ч'Т
Ж
номерного охлаждения в тонкой части возникают сжимающие, а в массивной части растягивающие напряжения. Если их величина превысит предел прочности металла, то в отливке возникнут трещины.
Разрушение металла (образование трещин) под действием внутренних напряжений происходит в различные периоды кристаллизации и охлаждения отливки, в связи с чем различают кристаллизационные, горячие и холодные трещины.
Помимо усадочных процессов и жесткости форм существенное влияние на склонность к образованию трещин оказывают состав сплава и особенно наличие примесей, образующих легкоплавкие эвтектики. Например, увеличение содержания в стали серы и фосфора повышает опасность возникновения горячих и холодных трещин.
Так как основной причиной образования напряжений является неравномерность охлаждения различных частей отливки, то главным средством борьбы с напряжениями, короблением и трещинообразованием считается выравнивание скоростей охлаждения путем утепления тонких сечений (установкой сухих стержней) и захолаживакия внутренними или наружными холодильниками массивных частей.
Склонность к газонасыщению присуща большинству сплавов. Газы (водород, азот, кислород, метан и оксиды углерода) наиболее часто встречаются в металле. Оксиды углерода СО и С02 присутствуют в виде отдельных пузырей, появившихся как следствие незавершенности процесса раскисления сплава. Кислород и основная масса азота находятся в связанном состоянии в виде оксидов и нитридов и на качество отливки существенного влияния не оказывают. Наиболее вредным газом считается водород, который в атомарном состоянии хорошо растворяется в жидких сплавах. По мере снижения температуры расплава в форме растворимость водорода снижается, и он в виде пузырьков выделяется из расплава и скапливается перед фронтом кристаллизации. Если прибыль затвердевает позже питаемого ею узла, то пузырьки газа вытесняются в прибыль. В противном случае образуются подкорковые газовые пузыри, вскрываемые при механической обработке.
Для предотвращения насыщения расплава водородом исходная шихта должна быть сухой, плавку необходимо вести форсированно, защищая металл толстым слоем шлака, нейтральными атмосферами (аргон, гелий) и вакуумом. Для удаления газов из металла после плавки применяют продувку инертным газом и обработку вакуумом.
Газовые раковины в отливке могут появиться и в связи с неудовлетворительным качеством форм и стержней. Высокая га- зотворная способность смеси, высокая влажность и плотная набивка форм, а также их низкая газопроницаемость приводят к прорыву образующихся газов и паров в расплав и образованию поверхностных газовых включений.
Ликвация — это химическая неоднородность по сечению отливки, возникающая в процессе ее затвердевания. Различают внутрикристаллическую и зональную ликвации. Внутрикри- сталлическая неоднородность является следствием кристаллизации, в результате которой центральная часть кристаллов содержит меньше растворенного в расплаве элемента, чем наружная. Эта неоднородность легко устраняется термической обработкой (высокотемпературным отжигом). Зональная ликвация характерна для сплавов, дающих при затвердевании гладкий фронт кристаллизации. В этом случае легкоплавкие примеси, газовые и неметаллические включения оттесняются фронтом в термический центр отливки. Основным средством борьбы с этим видом неоднородности считается вывод ликвата в прибыль.SIM Отливки из серого чугунаЧугун является самым распространенным сплавом в литейном производстве. Достаточно отметить, что около 80 % общего мирового выпуска в 75 млн т отливок приходится на долю чугуна. Область его применения обширна и продолжает расширяться в связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, чугуна с вермикулярным графитом и новых марок высоколегированных чугунов специального назначения.
Чугун — многокомпонентный сплав железа с углеродом, кремнием и другими элементами, характеризуемый наличием в структуре эвтектики. Серый чугун имеет серый излом. Его структура состоит из металлической основы (феррита, перлита или их смеси) и свободного графита, имеющего форму изогнутых или завихренных пластин. При этом количество связанного углерода не превышает 0,8 %, а остальной присутствует в виде графита.
На характер формирования структуры чугуна оказывают влияние многие факторы, но прежде всего это содержание постоянных элементов (С, Si, Мп, S, Р), наличие легирующих элементов, скорость охлаждения отливки, а также состояние расплава перед его заливкой в форму, которое зависит от перегрева расплава, его рафинирования и модифицирования. Под модифицированием понимают введение в расплав небольших количеств добавок, которые, не меняя состав чугуна, оказывают влияние на зарождение и рост структурных составляющих, а следовательно, конечную структуру отливки.
Так как основными факторами, определяющими структуру чугуна, являются химический состав и скорость охлаждения, разработаны структурные диаграммы, связывающие структуру чугуна в отливке с содержанием в нем основных компонентов (С, Si) и толщиной t отливки (рис. 14.3). Углерод и кремний одинаково влияют на устойчивость цементита Fe3C. С ростом содержания этих компонентов он становится неустойчивым и распадается с образованием графита или не образуется вообще, и тогда графит кристаллизуется непосредственно из расплава в ходе эвтектического превращения. Поэтому при низком содержании углерода И кремния (зона I на рис. 14.3, а) весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Такой чугун имеет светлый излом и называется белым. Его структура состоит из ледебурита и перлита. По мере увеличения содержания углерода и кремния (зона II) устойчивость цементита снижается. В первую очередь это касается цементита, образующегося при эвтектическом распаде расплава при температуре свыше 1100 °С, когда диффузионные процессы происходят быстро. В зоне II структура металлической основы состоит из перлита, в котором располагаются образовавшиеся в ходе эвтектического превращения розетки пластинчатого графита. В зоне III основу структуры составляют феррит и розетки пластинчатого графита.
Зоны Па и 116 являются переходными от зоны I к зоне II и от зоны II к зоне III, вследствие чего здесь присутствует смешанная структура. Так, например, в зоне На наряду с участками пер- литно-графитной структуры присутствуют участки ледебурита.
структуры различных зон; в
768350165735
С, %
C+Si, %
в
Рис. 14.3. Структурные диаграммы: а — влияние содержания углерода и кремния на структуру чугуна; б —
t, мм
II
п+г —г—
20 30 40 50
влияние толщины отливки на структуру чугуна
Существенное влияние на структуру чугуна оказывает и скорость охлаждения (толщина) отливок (рис. 14.3, в). Установлено, что при образовании А-Г эвтектики пластинки графита врастают в расплав, а кристаллизация аустенита несколько отстает от роста графита. В расплаве на фронте кристаллизации А-Г розеток происходит диффузионное перераспределение углерода. Если оно не успевает произойти, то распад жидкости протекает с образованием ледебурита. По мере утолщения отливки скорость охлаждения замедляется, что создает предпосылкидля исчезновения вначале цементита ледеОурита (зона II), а затем и цементита перлита (зона III).
На рис. 14.3, б показаны схематические изображения структур различных зон, а на рис. 14.4 приведены фотографии реальных структур белого, перлитного серого, ферритно-перлитного серого и ферритного серого чугунов.
На структуру чугуна существенное влияние оказывает состояние расплава перед заливкой в форму. Установлено, что зарождение графита при эвтектическом превращении происходит на подложках, которыми являются находящиеся в расплаве в виде взвеси неметаллические включения (сульфиды, оксиды, нитриды). Перегрев расплава до высоких температур и его выдержка в расплавленном состоянии приводят к растворению и всплыванию неметаллических включений, что затрудняет

Рис. 14.4. Структуры чугунов: а — белого; б — перлитного серого; в — ферритно-перлитного серого; г —
ферритного серого
процесс зарождения графита и приводит к образованию в структуре ледебурита. С целью устранения этого явления производят модифицирование расплава перед разливкой, для чего в него вводят ферросилиций, содержащий небольшие количества алюминия, кальция, церия, бария и стронция. Эти элементы, взаимодействуя с примесями чугуна (серой и кислородом), образуют неметаллические включения, «замутняющие» расплав и облегчающие процесс зарождения графита. Модифицирование устраняет или резко снижает количество ледебурита в структуре чугуна.
В соответствии с ГОСТ 1412-79 серый чугун обозначается буквами СЧ и дальше цифрами указывается гарантируемое временное сопротивление при испытании на разрыв в кгс/мм2 (СЧ15, СЧ20...СЧ35, СЧ40). Как следует из приведенных значений, прочность серого чугуна невысока, но он имеет хорошие литейные свойства: хорошую жидкотекучесть, небольшую объемную и линейную усадку, что позволяет получить отливки без прибылей с низкой вероятностью образования трещин. Серый чугун не склонен к газонасыщению и ликвации. В связи с этим он нашел широкое применение при производстве сложных корпусных деталей, не испытывающих при работе бблыпих нагрузок.
В настоящее время до 90 % всего чугуна выплавляется в вагранках, которые представляют собой шахтные печи непрерывного действия, работающие по принципу противотока. На рис. 14.5, а приведена схема вагранки. Цилиндрический кожух печи 3 опирается на подовую плиту 10 и колонны 11. Внутри вагранка футеруется шамотным кирпичом 6 до уровня загрузочного окна 4, через которое в нее загружается топливо (литейный кокс), металлическая завалка (чушковый чугун, лом, литники, бракованные детали, отходы производства и ферросплавы) и флюсы (известняк). Расход кокса достигает 20 %, а известняка — 3 %. Воздух, необходимый для горения кокса, поступает под давлением (0,5... 1) • 104 Па через фурменный пояс 8 и фурмы 7. Расплавленный чугун собирается на лещади 12 и периодически выпускается через металлическую летку 13. Шлак сливают через шлаковую летку 9. Пространство между лещадью и фурмами называют горном 14, а от горна до загрузочного окна — шахтой 5. Над шахтой располагается труба, по которой газы вместе с пылью попадают в искрогаситель 2, где они омываются водой через форсунки 1 с целью смачивания и осаждения пыли.
Перед началом плавки горн и шахта на высоту около 1 м над уровнем фурм загружаются коксом холостой колоши. Кокс поджигают и сверху забрасывают слоями шихту (кокс рабочей колоши, металлозавалку, известняк).

а — вагранка; б — канальная индукционная печь
Вагранки имеют высокий КПД (до 46 %) и обеспечивают низкую стоимость чугуна. Основным недостатком этих печей является нестабильность состава и температуры, что особенно заметно при неритмичном отборе металла. С целью устранения этого недостатка на современных предприятиях применяют плавку в электродуговых и индукционных печах или дуплекс-процесс вагранка — канальная индукционная печь, которая используется как в качестве миксера, так и с целью подогрева выплавленного в вагранке чугуна.
Канальная индукционная печь (рис. 14.5, б) работает по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка находится в режиме короткого замыкания. Железный сердечник 18, первичная обмотка 20 и кольцо вторичной обмотки 19 зафор- мовывают в набивную кварцитную футеровку 16, внутренняя полость 17 которой служит плавильным пространством. Расплавленный металл сливают через отверстие 21, наклоняя печь с помощью поворотного механизма. Заливку жидкого чугуна и дозагрузку твердой шихты ведут через отверстие в крышке 15. При включении тока вторичная обмотка расплавляется, перегретый металл перемещается по кольцевому каналу, отдавая часть своей теплоты расположенной выше шихте.
Отливки из ковкого чугунаКовкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в ходе которого происходят разложение цементита и образование компактного графита. Технологический процесс получения отливок из ковкого чугуна разбивается на две стадии. В ходе первой получают отливки из белого чугуна, в которых весь углерод находится в связанном состоянии (Fe3C). На второй стадии отливки отжигают, разлагая цементит, в результате чего повышаются механические свойства чугуна и особенно его пластичность. Различают ферритный (КЧ 35) и перлитный (КЧ60) чугуны. Группа цифр (35, 50, 60, 80) маркировки обозначает гарантируемое временное сопротивление в кгс/мм2. Перлитный ковкий чугун отличается высокой прочностью и износостойкостью, но его пластичность низкая и обрабатываемость резанием плохая.
В связи с тем что отливки должны после кристаллизации иметь структуру белого чугуна, содержание углерода и кремния в чугуне должно быть низким, а толщина отливок — небольшой (см. зону I на рис. 14.3). Обычно содержание углерода составляет 2,2...3,0 %, а кремния 0,8...1,4 %, причем высокому содержанию углерода должно соответствовать низкое содержание кремния.
Для отжига белого чугуна на ковкий отливки загружают на платформы или вагонетки с гидравлическим приводом и поднимают в печи колпакового типа. При получении ферритного ковкого чугуна процесс отжига разбивается на две стадии. Структура исходного белого чугуна, схематическое изображение которой показано на рис. 14.6, содержит два типа цементита: крупные пластины цементита ледебурита и мелкие пластины цементита перлита. Для распада каждого из них требуются выдержки при различных температурах. Нагрев до точки 1 приводит к превра- щёнию перлита в аустенит. Выдержка между точками 1 и 2 при температуре 980...1050 °С необходима для распада цементита ледебурита и образования вместо него компактных включений графита. Если после выдержки отливки извлечь на воздух или охладить вместе с печью, то аустенит металлической основы превратится в перлит различной степени дисперсности. В том случае, если отливки выдерживать при температуре 700 °С или медленно охладить их в интервале 730...680 °С, создадутся условия для распада цементита перлита и металлическая основа будет ферритной. Реальные структуры белого, ферритного ковкого и перлитного ковкого чугунов приведены на рис. 14.4, а и 14.7.
При производстве ковкого чугуна широко применяется его модифицирование тысячными долями процента алюминия, висмута, бора и, реже, титана и теллура, обеспечивающее резкое увеличение числа включений графита, что сокращает продолжи

тся 0т,ч
б
Рис. 14.6. Режимы отжига белого чугуна: а — ферритного; б — перлитного

Рис. 14.7. Структуры ковкого чугуна: a — ферритный; б — перлитный
тельность отжига и снижает опасность появления пластинчатого графита пои первичной кристаллизации.
В з*висимосги от цвета излома различают черносердечный и белосердечный ковкие чугуны. Последний получается в том случае, когда отжиг вецут в окислительной среде при максимально высоких температурах. В процессе отжига происходит обезуь переживание отливок, что особенно заметно в поверхностных слоях. Такой чугун отличается более высокими механическими свойствами, но его производство экономически невыгодно, так как увеличение продолжительности цикла отжига до 100... 110 ч приводит к большему расходу электроэнергии.
Литейные свойства белого чугуна, предназначенного для получения ковкого, хуже, чем у серого. Он имеет больший коэффициент линейной усадки (2 %), "то требует установки прибылей и увеличивает опасность грещин и короблений, и больше склонен к ликвации и газонасыщению.
В связи с высокими механическими свойствами ковкий чугун применяют для изготовления тонкостенных отливок сельскохозяйственных машин и автомобилей, арматуры, фитингов и других деталей, не испытывающих ударных нагрузок.
80010190500
~ А».Графит
\ Феррит^
2091690190500
* л» + Ш
Для плавки ковкого чугуна применяется дуплекс-процесс вагранка — электродуговая печь. Модифицирование чугуна осуществляется при переливе из электропечи в разливочный ковш.
Высокопрочный чугун и чугун с вермикулярным графитом
высокопрочный чугун в литом состоянии получают путем введения в расплав низкосернистого серого чугуна таких элементов (сфероидизаторов графита), как магний, церий, иттрий, кальций и др. Исходное содержание серы не должно превышать 0,02 %, так как в противном случае увеличивается расход модификатора и затрудняется получение стабильной по сечению отливки структуры.
Маркировка высокопрочного чугуна аналогична маркировке ковкого. Например, ВЧ45 обозначает высокопрочный чугун с гарантированным временным сопротивлением 450 МПа.
Чугуны марок Ви50 и ВЧ60 имеют преобладающе перлитную металлическую основу, а ВЧ38 и ВЧ42 — ферритную. Перлитная основа получается в литом состоянии, а для получения ферритной необходим графитизирующий отжиг, при котором разлагается эвтектоидный цементит. Структуры высокопрочного чугуна приведены на рис. 14.8.
аб

Рис. 14.8. Структуры высокопрочного чугуна: а — ферритного; б — ферритно-перлитного
Основная трудность при производстве высокопрочного чугуна заключается в снижении содержания серы в расплаве перед модифицированием и во введении в расплав магния, который является основным модификатором. Для получения расплава с низким содержанием серы тщательно подбирают исходнуюшихту, плавку ведут в печах с основной футеровкой или удаляют серу обработкой шлаковыми смесями. Трудность во введении магния заключается в низкой температуре его кипения (1107 °С), высокой упругости паров и химической активности, что приводит к выбросам металла из ковша и пироэффекту. Разработано большое количество методов обработки расплава чугуна модификаторами; схемы основных из них представлены на рис. 14.9.

Рис. 14.9. Методы получения высокопрочного чугуна: а — в ковше; б — в автоклаве; в — в герметизированном ковше; г — внутриформенным модифицированием

Для модификаторов с низким содержанием магния типа Ni-Mg и Fe-Ce-Mg проблем не возникает, так как они практически не дают пироэффекта и их можно вводить непосредственно под струю при переливе чугуна из печи 1 в ковш 2. Для обработки расплава чистым магнием применяют автоклавы или герметизированные ковши. В первом случае навески магния закрепляются в графитовом колокольчике 4, который с помощью пневматического привода 3 может вводиться в ковш с расплавом чугуна 5, помещенный с помощью тележки 7 в автоклав 6. Избыточноедавление порядка 0,5 МПа исключает бурное кипение магния и выброс металла из ковша.
Эта же цель достигается и при использовании герметизированного поворотного ковша. Магний 9 укладывают в специальной камере, закрываемой плотной крышкой 8, после чего в ковш 11 заливают расплав чугуна и горловину закрывают крышкой 10, оборудованной надежным креплением к корпусу ковша. После поворота ковша в вертикальное положение начинается прогрев, испарение магния и его усвоение расплавом. Перед заливкой чугуна крышку с горловины удаляют.
Весьма перспективным считается внутриформенное модифицирование, при котором кальциево-магниевая лигатура на основе ферросилиция в измельченном состоянии засыпается в реакционную камеру 13 литниковой системы. Металл, проходя из стояка 12 в шлакоуловитель 14 и далее в полость формы 15, растворяет модификатор.
Магний и особенно церий стабилизируют цементит. Поэтому содержание углерода и кремния в высокопрочном чугуне поддерживают на верхнем пределе (до 3,8 и 3 % соответственно). Кроме того, после модифицирования с целью сфероидизации графита расплав дополнительно модифицируют ферросилицием для устранения или уменьшения отбела.
Литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, чем у ковкого, но для него характерно появление в изломе массивных частей отливки так называемых «черных пятен» — продуктов взаимодействия магния с серой и кислородом, смешанных с графитом.
Основная область применения высокопрочного чугуна — вы- соконагруженные ответственные детали сельскохозяйственной техники, коленчатые валы двигателей, металлургическое оборудование. Плавят высокопрочный чугун в электродуговых и индукционных печах с основной футеровкой, хотя в отдельных случаях используют и вагранку, футеруя ее магнезитом.
Чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом, сочетая хорошие литейные свойства с высокой прочностью, ударной вязкостью и теплопроводностью. Этот материал считается хорошим заменителем чугуна для деталей дизелей, испытывающих термоциклические нагрузки, таких как блоки и головки цилиндров.
По структуре чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) является недомодифицированным высокопрочным чугуном. Форма графита в нем не столь совершенна, наряду со сферическими включениями графита встречаются пластинчатые. Вся трудность в производстве этого чугуна заключается в узком интервале стабильности эффекта модифицирования. Колебания по содержанию магния приводят к образованию или чисто сферической формы графита, или пластинчатой. Задачу решают двумя способами. В первом случае используют более слабые сфероиди- заторы графита (Се и Са), а во втором — модифицируют расплав до гарантированного получения шаровидного графита и добавляют деглобуляризаторы (Ti, Al, Sb).
14.5.
Плавка чугуна с вермикулярным графитом аналогична плавке высокопрочного чугуна.Отливки из стали и цветных сплавовЛитейные стали относятся к многокомпонентным железоуглеродистым сплавам, содержание углерода в которых ограничивается 2 %. Однако большинство сталей содержит десятые доли процента углерода. В качестве примесей они содержат марганец, кремний, серу, фосфор и другие элементы.
Стальные отливки классифицируют по составу, структуре, назначению и способу выплавки стали. Виды классификации и соответствующие марки сталей были рассмотрены в разделе I. Печи и технология выплавки стали были рассмотрены в разделе II. Здесь же будут кратко рассмотрены маркировка литейных углеродистых сталей и их литейные свойства.
Нелегированные литейные стали в зависимости от содержания углерода делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеугле- родистые(0,3...0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). Углерод является основным элементом, определяющим механические и литейные свойстаа стали, поэтому его содержание в сотых долях процента указывается в марке стали (20JI, 45JI, 65JI). Всего существует девять марок.
По мере увеличения содержания углерода (с 0,2 до 0,5 %) монотонно от 400 до 600 МПа возрастает 0„ и с 25 до 5 % уменьшается относительное удлинение.
Литейные свойства сталей низкие. Они имеют линейную усадку 2,5 %, объемную — 7,5 %, вследствие чего при изготовлении отливок из сталей необходима установка прибылей, а сами отливки склонны к короблению и трещинообразованию. Жидкотекучесть сталей низкая, и, кроме того, они склоны к образованию на поверхности отливок оксидных пленок, что усложняет борьбу с пригаром и способствует образованию шлаковых включений. Стали склонны к газонасыщению, что обусловливает появление газовых раковин в отливках. Литейные свойства улучшаются по мере роста содержания углерода.
Сплавы на основе алюминия, магния, меди и титана были рассмотрены в разделе I, где приведены не только маркировка сплавов, но и их свойства, в том числе и литейные. Поэтому ниже будут рассмотрены только особенности плавки этих сплавов и печи, применяемые для плавки.
Плавку медных сплавов ведут в индукционных (тигельных и канальных), пламенных отражательных и электродуговых печах с независимой дугой. Футеруют печи шамотом или кварцем. Устройство и принцип работы индукционных и пламенных печей рассмотрены выше, а схема электродуговой печи с независимой дугой приведена на рис. 14.10, а.
Стальной кожух барабанного типа 3 футеруется внутри огнеупорным кирпичом 1. Через загрузочное окно (на схеме не показано) шихта загружается под расположенные горизонтально вдоль по продольной оси печи угольные электроды 2. Электрическая дуга 6 горит между электродами, и теплота, отражаясь от футеровки, нагревает и плавит шихту 4. Для удобства загрузки

Рис. 14.10. Печи для плавки цветных металлов: а — электродуговая с независимой дугой; б — электрическая отражательная сопротивления
шихты и выдачи металла печь устанавливается на роликах 5, что облегчает ее поворот вокруг продольной оси. Печи с независимой дугой удобны для плавки медных сплавов, содержащих легкоис- паряющиеся металлы (например, цинк в латунях).
При плавке медных сплавов на воздухе происходит окисление примесей с более высоким сродством к кислороду, чем у меди (Al, Be, Zn), в результате чего затрудняется получение стабильного по составу сплава и возможно появление плен и шлаковых включений из оксидов примесных металлов. Медные сплавы, кроме латуней, интенсивно поглощают водород, следствием чего является газовая пористость в отливках. Особенно часто это наблюдается в кремнистых и алюминиевых бронзах.
Для защиты от окисления плавку ведут под покровом древесного угля или флюсов на основе фторидов, стекла и соды. Окончательное раскисление осуществляют с помощью 0,1...0,15 % фосфора, который вводят в виде фосфористой меди. Продувка инертными газами, вакуумирование и обработка флюсами снижают содержание газо'в и способствуют удалению включений.
Введение 0,1. ..0,2 % тугоплавких элементов, таких как титан, молибден, ванадий, цирконий, бор, оказывает модифицирующий эффект и заметно измельчает зерно, а добавки церия нейтрализуют вредное влияние висмута, сурьмы и свинца на механические свойства сплавов.
Сплавы на основе алюминия также можно плавить в тигельных индукционных печах, пламенных отражательных и тигельных, но наиболее качественный расплав получается в электрических отражательных печах сопротивления (рис. 14.10, б). Футеровка 7 в этих печах выполняется из шамотного кирпича или графитовой массы. В своде печи закрепляют блоки из шамота, в которые укладывают электрические нагреватели сопротивления 8. Загрузка печи ведется через окно 9. При этом шихта для подогрева и удаления влаги укладывается на откосы 10, после чего сталкивается в ванну расплавленного металла 11. Плавка в отражательных печах способствует отстаиванию расплава, в ходе которого облегчается всплывание и флюсование неметаллических включений, преимущественно А1203.
Алюминиевые сплавы растворяют в расплавленном состоянии большое количество водорода. Для защиты от насыщения водородом их плавку ведут под слоем флюсов, представляющих собой смесь хлоридов натрия и калия. Для алюминиево-магние- вых сплавов защита создается из смеси карналлита и фторидов кальция и магния. Если по каким-то причинам применение флюсов нежелательно, успешной защиты можно добиться введением до 0,06 % бериллия, который образует на поверхности расплава труднопроницаемую для газов пленку оксида.
Так как полностью исключить насыщение алюминиевых сплавов водородом в процессе плавки не удается, расплав подвергают рафинированию, включающему продувку инертными (гелий, аргон) и активными (хлор) газами или обработку флюсами и выдержку в вакууме.
Эффективным способом очистки от неметаллических включений и плен является фильтрование расплава через сетчатые, зернистые или пористые фильтры.
Алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения первичной структуры и размера хрупких включений (например, кремния), входящих в состав эвтектик. Для измельчения структуры в расплав вводят тугоплавкие металлы (Ti, В, V), которые образуют тугоплавкие интерметалл иды, облегчающие зарождение твердых растворов на базе алюминия. Для измельчения включений кремния в эвтектике силуминов широко применяется модифицирование натрием, который вводится в чистом виде или в виде смеси хлористого и фтористого натрия.
Плавка магниевых сплавов сопряжена с трудностями, вызванными их легкой окисляемостью. Рыхлая пленка оксидов, образующаяся на поверхности расплава, не предохраняет его от дальнейшего окисления. Не исключается и возможность воспламенения расплава и даже мелкой шихты при ее нагреве в печи. Расплавленный магний не только интенсивно окисляется, но и взаимодействует с азотом и поглощает в больших количествах водород. Образующиеся неметаллические включения трудно удаляются из расплава, способствуя образованию микропористости в отливках и снижению механических свойств.
Плавку магниевых сплавов ведут в среде защитных газов или под слоем флюса. Состав флюса выбирается в зависимости от марки сплава, но обычно это смесь солей (MgCl2, КС1, ВаС12, CaFe2, СаС12), иногда с добавкой MgO.
Известны три способа плавки магниевых сплавов: в стационарных тиглях, выемных тиглях и дуплекс-процессом индукционная печь — тигель. Тигли изготавливают из стали, так как магний не взаимодействует с железом. После расплавления шихты расплав доводят по химическому составу, рафинируют свежим флюсом, модифицируют мелом, мрамором или магнезитом и отстаивают для удаления из расплава замешанного флюса и неметаллических включений, после чего приступают к разливг ке. Очень часто расплав очищают фильтрованием или устанавливают в литниковой системе фильтрующие элементы.
Плавка титана и его сплавов также сопряжена с большими трудностями, так как при высоких температурах он активно взаимодействует с азотом и кислородом и, кроме того, со всеми огнеупорными материалами. Поэтому для выплавки титановых сплавов применяют вакуумные гарнисажные дуговые печи с расходуемым электродом. Разливка титановых сплавов осуществляется в массивные медные или тонкостенные водоохлаждаемые формы. Иногда для этой цели используется плотный графит или оболочковые формы из смеси высокоогнеупорных нейтральных оксидов и графитового порошка. Связующим является фенол- формальдегидная смола.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ——

Обшее понятие о специальных способах литьяЭти способы отличаются от литья в разовые песчаные формы по одному или нескольким признакам: конструкции формы, ее материалу, использованию внешних сил при заполнении формы и затвердевании в ней отливок. Одни из них основаны на применении постоянных форм, другие — разовых. При этом заполнение форм и затвердевание отливок в них может происходить под действием сил тяжести, центробежных сил, вакуума, избыточного давления, создаваемого воздухом или поршнем.
Классификация известных специальных способов литья (далеко не полная) приведена на рис. 15.1.
Необходимо отметить условность приведенной классификации. Так, например, литье под низким давлением можно рассматривать и как самостоятельный способ литья, и как разновидность литья поД давлением с регулированием газового давления по ходу заполнения формы. Или другой пример: в разовых песчаных формах для выравнивания скоростей охлаждения различных зон отливки используют холодильники. По мере увеличения площади поверхности отливки, образуемой холодильником, разовая форма трансформируется в постоянную с песчаной вставкой для утепления тонких сечений. С другой стороны, облицованные металлические формы по мере роста толщины покрытия трансформируются в разовые с опорным слоем.
1-5.1.
Технологические особенности, преимущества и недостатки специальных методов литья определяют область применения каждого из них. Общим для них является то, что все они относятся к прогрессивным материало-, энерго- и трудосберегающим технологическим процессам, позволяющим получать отливки с конфигурацией, размерами и чистотой поверхности более высокими, чем в случае применения разовых форм. Экономичность применения этих методов растет с увеличением числа отливок в партии, т.е. с переходом от мелкосерийного к массовому производству.
В разовые формы
В постоянные формы
В окрашенные формы
Кокильное
По выплавляемым моделям
В облицованные формы
Вакуумным всасыванием
По газифицируемым моделям
С регулируемым зазором
Выжиманием


Компрессорное
Жидкая прокатка
Намораживанием
Под давлением
Непрерывное
По выжигаемым моделям
В оболочковые формы
В керамические формы

Центробежное
Электрошлаковое
С горизонтальной камерой прессования
С вертикальной камерой прессования
Под низким давлением
Вертикальные —

Горизонтальные

1
С горячей камерой прессования
С холодной камерой прессования

Рис. 15.1. Классификация специальных способов литья
Литье в постоянные формыК методам литья в постоянные формы можно отнести кокильное литье, литье под давлением, центробежное, непрерывное литье, литье вакуумным воасыванием, выжиманием, методом жидкой прокатки, намораживанием, электрошлаковое литье. Особенностью данных методов литья является многократное использование форм, как правило, металлических.15.2.1. Кокильное литьеКокиль представляет собой металлическую литейную форму из чугуна, стали или, реже, цветных сплавов, в полость которой расплав подается под действием силы тяжести. В отличие от разовой песчано-глинистой формы металлическая используется многократно. При изготовлении полых отливок из черных сплавов используют разовые стержни, для цветных сплавов возможно применение металлических стержней, которые извлекают из отливки после образования прочной корки твердого металла на ее поверхности. Производство отливок в кокилях имеет свои технологические особенности.
Первой из них является окраска рабочей поверхности и литниковых каналов формы специальными красками, которые снижают перепад температур по сечению формы, предохраняют ее от термических ударов, размывающего действия струи заливаемого расплава и, следовательно, увеличивают срок ее службы.
Вторая особенность технологического процесса заключается в том, что для создания идентичных условий затвердевания от- ливой в течение всей смены кокиль перед употреблением подогревают до определенной температуры. При заливке чугуна это уменьшает опасность появления «отбела» (структуры ледебурита) в поверхностных слоях отливки.
Третья особенность — неподатливость и негазопроницаемость формы, что требует увеличить уклоны на поверхностях отливки, перпендикулярных плоскости разъема формы, применять раннюю выбивку отливок и устанавливать венты или изготавливать каналы по разъему формы для удаления воздуха из карманов.
Интенсивный теплообмен между затвердевающей отливкой и формой (четвертая особенность) обеспечивает плотную мелкозернистую структуру в отливках, что во всех случаях желательно для цветных сплавов, но не всегда полезно для черных. Быстрое затвердевание стальных отливок затрудняет удаление газов, скапливающихся перед фронтом кристаллизации, что приводит к их захвату твердой коркой и образованию в ней поверхностной газовой пористости. Быстрое затвердевание чугунных отливок обусловливает «отбел» и аномальные формы графита в поверхностном слое.
Трудоемкость изготовления отливок в кокилях меньше, чем при литье в разовые формы, качество поверхности и точность размеров выше, припуски на обработку меньше, а условия труда лучше. Масса отливок не лимитирована (от 0,5 кг до 15 т). В кокилях можно получить такие массивные отливки, как прокатные валки, шаботы молотов, станины прокатных станов, изложницы и т.д.
Стойкость кокилей зависит от материала самого кокиля, типа заливаемого металла, массы получаемых отливок, толщины покрытия на рабочей поверхности и колеблется от нескольких наливов (при заливке стальных слитков в изложницу) до десятков тысяч (при производстве мелких алюминиевых отливок в стальной кокиль).
По конструкции, которая определяется типом отливки, кокили бывают вытряхными и разъемными (рис. 15.2). Разъемный кокиль состоит из двух частей 1. По плоскости разъема в нем выф- резеровывают литниковые каналы 4 и вентиляционные канавки 2. Стержни 3, как правило, изготавливают из песчано-масляной или песчано-смоляной смеси. На наружной стороне кокилей мо-

Рис. 15.2. Конструкции кокилей: а — разъемного; б — вытряхного
гут отливаться ребра, увеличивающие теплоотдачу в атмосферу, или изготавливаются полости 5 для жидкостного охлаждения. Литниковая система вытряхных кокилей выполняется внутри центровых стержней или делается дождевой, для чего сверху на кокиль 8 устанавливают заливочную чашу 6, одновременно облегчающую центрирование стержня 7. Поворот кокиля с целью удаления отливки осуществляется механически или вручную. Ось поворота совпадает с осями опорных цапф 9.
Разновидностью кокильного литья является литье в облицованный кокиль, или двухслойную форму. При этом сам кокиль изготавливают из стали или чугуна отливкой в разовую форму. Его рабочая полость, с небольшой степенью точности повторяющая конфигурацию отливки, облицовывается слоем плакированной песчаной смеси, отвердевающей при нагреве. Рабочий процесс изготовления двухслойной формы приведен на рис. 15.3. Раскрытая форма, состоящая из двух полуформ 1, и неподвижные центровые стержни 2 показаны на виде сверху. Форма предназначена для отливки полых цилиндров или втулок. После ввода модели 3 форма закрывается, и в зазоры между стержнями, моделью и полуформами задувается горячетвердеющая смесь. Так как кокиль и стержни предварительно нагревают до 250 °С, смесь отвердевает за несколько минут и после раскрытия формы

Рис. 15.3. Схема литья в облицованный кокиль: а — раскрытая форма; б — ввод модели; в — сборка формы и задув смеси; г — раскрытие формы; д — извлечение модели; е — сборка и заливка формы
и удаления модели на рабочей поверхности формы и стержней остается корочка. Металл, залитый в собранную форму, контактирует с корочкой из песчаной смеси. Меняя толщину корочки в различных местах полости формы, можно управлять скоростями охлаждения различных зон отливки. Долговечность облицованных форм выше, чем окрашенных, и, что особенно важно, при заливке в них чугуна удается избежать «отбела» в углах и тонких сечениях отливок.
Фотография блока отливок гильз двигателя внутреннего сгорания вместе с литниковой системой, полученного в четырех- позиционном облицованном кокиле, приведена на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Блок отливок гильз
Устранить «отбел» за счет самоотжига удается и при литье в кокиль с регулируемым зазором. От обычного такой кокиль отличается тем, что он выполняется секционным и каждая из секций может быть отодвинута от отливки на некоторое рас- стояние^
Если отдаление кокиля от отливки, следствием чего является резкое замедление скорости охлаждения, происходит сразу после образования корочки затвердеваюшего металла на поверхности отливки, то корочка разогревается теплом внутренних слоев. Это приводит к разложению цементита, образовавшегося в поверхностных слоях чугунных отливок.
15.2.2. Литье пол давлением
Разновидности литья под давлением были показаны на рис. 15.1, а схемы машин приведены на рис. 15.5. Из этих схем следует, что давление на расплавленный металл при заполнении им металлической формы 1 может передаваться от поршня или за счет сжатого воздуха. В свою очередь, поршневые машины могут иметь горизонтальную 2 или вертикальную 7 камеру прессования.
Компрессорные машины всегда имеют горячую камеру прессования и их условно можно разделить на машины собственно компрессорные и машины с регулируемым или низким давлением.
3
7 1

Рис. 15.5. Схемы машин для литья под давлением: а — с горизонтальной камерой прессования; б — с горячей вертикальной камерой; в — с холодной вертикальной камерой; г — компрессорная; д — под низким давлением
При работе на машинах с горизонтальной камерой прессования в начале цикла поршень 3 находится в крайнем правом положении и не препятствует заливке расплавленного металла в камеру 2. Металлическая форма 1 делается разъемной, она

4

собирается перед началом прессования. Стержень также металлический. При перемещении поршня влево металл запрессовывается в полость 4. Давление снимается только после завершения затвердевания, после чего стержень извлекают и раскрывают форму.
На машинах с горячей вертикальной камерой прессования в момент, когда прессующий поршень 6 находится в крайнем верхнем положении, камера прессования 7 соединяется с полостью обогреваемого тигля 5, что позволяет расплаву затекать в нее. При движении поршня вниз расплав под давлением через канал и мундштук 8 поступает в форму 1. После затвердевания металла в форме поршень перемещается вверх в исходное положение, а форма разбирается для извлечения отливки.
Компрессорные машины работают на сжатом воздухе (см. рис. 15.5, г и <Э). Расплавленный металл находится в обогреваемом тигле 9, откуда он под постоянным или возрастающим (регулируемым) давлением через металлопровод 10 подается в разъёмную металлическую форму. Низкие величины давления в начале процесса обеспечивают спокойное поступление расплава в пресс- форму, а рост давления в процессе затвердевания исключает образование усадочной пористости в отливках.
Прй заполнении пресс-формы сплав подается за 0,05...0,5 с со скоростью свыше 100 м/с. Только часть газа, находящегося в форме, удаляется из нее, а остальная образует воздушно-металлическую эмульсию, обусловливающую газовую пористость и низкие механические свойства отливок. Для ее ликвидации полости пресс-форм вакуумируют или заполняют кислородом, вытесняя азот воздуха и препятствуя образованию газовых пузырьков.
Рабочий цикл машины с холодной вертикальной камерой прессования подробно представлен на рис. 15.6. Металлическая форма (пресс-форма) состоит из подвижной 4 и неподвижной 3 половинок. Она проектируется таким образом, чтобы при усадке отливка фиксировалась на выступах подвижной половинки, в которой установлены выталкиватели 5 и рассекатель 6, воспринимающий удар струи жидкого металла. Через канал 7 рабочая полость пресс-формы соединяется с камерой прессования 1. Когда прессующий поршень 2 находится в верхнем положении, запирающий поршень 8 перекрывает канал 7 и препятствует затеканию расплава в форму. При движении поршня 2 вниз запирающий поршень опускается в гнездо и не препятствует поступлению металла в форму. После затвердевания металла подвижная полуформа отходит вправо, вследствие чего выталкиватели упираются в упоры 9 и снимают отливки 10 с выступающих частей полуформы. В то же время запирающий поршень, отрезав пресс-остаток 11 от литника, поднимает его до верхнего уровня камеры прессования, облегчая удаление с целью утилизации.
Литье под давлением применяется для изготовления отливок из сплавов на основе алюминия, магния и цинка и лишь в отдельных случаях применяется для сплавов железа. Отливки, полученные литьем под давлением, отличаются высокой чистотой поверхности и точностью. Трудоемкость изготовления от-

вертикальной камерой прессования: а — заливка расплава; б — прессование; в — удаление отливок
ливок снижается более чем в 10 раз, а объем их механической обработки — в 5...8 раз, но при этом трудоемкость изготовления самих форм возрастает в несколько раз. Срок службы форм составляет сотни тысяч заполнений для цинковых и магниевых сплавов и десятки тысяч для алюминиевых и медных.15.2.3. Центробежное литьеПри центробежном литье заполнение формы жидким металлом, его затвердевание и дальнейшее остывание до температуры удаления отливки из формы происходят в условиях воздействия центробежных сил. Эти силы возникают вследствие вращения формы вокруг вертикальной, горизонтальной или наклонной оси. При этом внутренняя поверхность отливки формируется без контакта с формой, и ее называют свободной поверхностью. Естественно, что при этом способе литья в подавляющем числе случаев отпадает необходимость в стержнях для образования внутренних поверхностей.
При центробежном литье обычно используют металлические формы, которые предварительно подогревают до 250...350 °С, после чего на рабочую поверхность наносят огнеупорное покрытие. Применение покрытий повышает стойкость форм, снижает скорость охлаждения отливок, что весьма важно для борьбы с от- белом в чугунных отливках, и уменьшает вероятность образования спаев и трещин. В качестве покрытий используют краски или облицовки из сыпучих материалов. Иногда в их состав вводят горячетвердеющие связующие, легирующие или модифицирующие добавки, направленно изменяющие структуру поверхностных слоев отливки.
Скорость вращения формы оказывает большое влияние на процесс кристаллизации и охлаждения отливки, а также на формирование в ней специфических дефектов — спаев, трещин, ликвации. Существуют различные формулы для расчета частоты вращения изложницы п (об/мин), но для литья на машинах с горизонтальной осью вращения наиболее часто используют формулу
_ 5520 л/рг '
где р — плотность сплава отливки, г/см3; >внутренний радиус отливки, см.
Центробежное литье обеспечивает получение плотных отливок с дисперсной структурой и облегчает выход на свободную поверхность шлаковых и газовых включений. В процессе остывания расплава в нем зарождаются и растут кристаллы твердой фазы. Так как плотность металла в твердом состоянии выше, чем в жидком, образовавшиеся кристаллы под действием центробежных сил перемещаются на внешнюю поверхность отливки, выжимая шлак и легкоплавкий ликват на внутреннюю поверхность. Перемешивание расплава препятствует направленному росту кристаллов, способствуя образованию мелкой плотной структуры в отливке.
Вместе с тем центробежные силы оказывают и отрицательное влияние на формирование качественной отливки. Они приводят к химической неоднородности при производстве отливок из высоколегированных сплавов. В чугунных отливках наблюдается ликвация углерода, серы и фосфора и велика вероятность «отбела» в связи с тем, что центробежные силы препятствуют усадке отливки и образованию зазора между ней и формой, в результате чего теплоотвод от отливки ускоряется.
Для производства отливок типа коротких втулок и колец подшипников, у которых отношение длины к диаметру меньше трех, обычно применяют машины с вертикальной осью вращения (рйс. 15.7, а). Расплав из ковша 1 заливается с помощью наклонного желоба или непосредственно через отверстие в крышке 2 в изложницу 3, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Так как помимо центробежных сил на жидкий металл оказывают влияние силы гравитации, внутренняя поверхность получается искривленной, а отливка разностенной.
Для отливок типа чугунных труб диаметром 200...300 мм и длиной до 6000 мм, а также для гильз двигателей широко применяются машины с горизонтальной осью вращения (рис. 15.7, б). Расплав поступает по подвижному желобу 6 в изложницу 5. Торцевой раструб отливки формируется вставкой 4 или разовым стержнем. Для опоры и привода изложницы используют ролики 7.
В отдельных случаях применяют центробежную заливку разовых форм 8, для чего их закрепляют на специальных платформах (рис. 15.7, в). Применение разовых форм сопряжено
Puc. 15.7. Центробежное литье: a — вертикальная ось вращения формы; б — горизонтальная ось вращения; в — литье в разовые формы
с опасностью их раздутия под действием центробежных сил, возникающих при заливке металла, и увеличения пригара на поверхности отливок.
15,2.4. Непрерывное литьеНепрерывное литье — это способ получения протяженных отливок постоянного поперечного сечения путем непрерывной подачи расплава в форму и вытягивания из нее затвердевшей части отливки. В зависимости от направления вытягивания различают вертикальное и горизонтальное непрерывное литье. Вертикальное литье обычно применяется для получения слитков и труб. Схема его рассмотрена ранее для слитков (см. рис. 11.7, в). При производстве труб в кристаллизатор устанавливают водо- охлаждаемый стержень, который формирует внутреннюю поверхность трубы.

25806401527810
A L t L ц t t L
// / J / / / / / f / </777.
48387010160
Схема горизонтального литья приведена на рис. 15.8. Кристаллизатор 2, установленный в металлоприемник 1, изготавливается из меди, графита и, реже, стали. Он имеет внутреннюю полость, профиль которой соответствует поперечному сечению отливки. На выходной части кристаллизатора устанавливается рубашка водяного охлаждения 3. Слиток 6 вытягивается из кристаллизатора тянущими роликами 5 и разделяется на мерные куски с помощью пилы 7 или ломателей. Центральная часть слитка после его выхода из кристаллизатора остается жидкой, поэтому чтобы ускорить затвердевание и исключить прорыв расплава через оболочку твердого металла, устанавливается души- рующее устройство 4 для охлаждения водой.

t
Рис. 15.8. Непрерывное горизонтальное литье
Высокий градиент температур по сечению отливки в процессе ее затвердевания и подача расплава из металлоприемника в зону кристаллизации создают предпосылки для получения плотных отливок.
Непрерывным литьем получают заготовки постоянного сечения в виде круга, полосы или более сложного профиля, как, например, направляющие станин металлорежущих станков. Недостатком этого метода литья является ограниченность номенклатуры отливок, связанная с невозможностью получения сложных по форме заготовок.15.2.5. Литье вакуумным всасыванием
Этим методом получают отливки типа втулок, колец, заготовок зубчатых колес, гильз и т.д. Схема процесса приведена на рис. 15.9. На поверхности расплава, находящегося в металлопри- емнике 3, помещают плоское кольцо из огнеупорного материала 2, на которое сверху опускается металлическая водоохлаждаемая

форма — кристаллизатор 1. Внутри формы насосом создается разрежение, и расплавленный металл 4 втягивается в форму. Снимая разрежение в форме, можно удалять из нее расплав и получать полые отливки. За счет направленной кристаллизации от поверхности к центру и подпитки затвердевающей отливки из метал- лоприемника удается получить плотную отливку без усадочных дефектов и газовой пористости.
Особенностью этого процесса является высокий выход годного металла, так как отсутствует необходимость в литниковой системе и прибылях.15.2.6. Литье выжиманием
Литье выжиманием применяют для получения тонкостенных панельных отливок толщиной 2...5 мм с большими габаритными размерами (до 2500 мм) в основном из алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Различают установки с угловым и плоскопа- раллЬлънъ^м перемещением подвижной полуформы. В установках с угловым перемещением полуформы (рис. 15.10) перед началом цикла подвижная полуформа 2 отводится оТ неподвижной 1 и в металлоприемник 3 заливают расплавленный металл. Боковые щеки 4 препятствуют вытеканию расплава через торцы установки и служат направляющими при повороте подвижной полуформы. Сближение полуформ приводит к подъему расплава вверх с одновременным образованием корочки твердого металла на стенках полуформ. Скорость поворота рассчитана таким образом, чтобы в момент фиксации подвижной полуформы в положении, определяемом толщиной отливки, происходило схватывание корочек.
Несмотря на небольшую толщину отливок, направленная снизу вверх кристаллизация обеспечивает их высокую плотность.15.2.7. Литье методом жидкой прокаткиЭтот метод совмещает литье с прокаткой. Он широко применяется для изготовления лент и листов из чугуна, алюминия, свинца и других металлов.

Рис. 15.10. Литье выжиманием
1
Схема данного процесса приведена на рис. 15.11. Жидкий расплав заливают в металлоприемник 1, плотно прилегающий

Рис. 15.11. Литье методом жидкой прокатки

к вращающимся навстречу друг другу водоохлаждаемым валкам 2 и 4. Корочки, образующиеся в месте контакта расплава с валками, захватываются в зев между ними и сдавливаются. При этом осуществляется калибрование листа 3 по толщине.15.2.8. Литье намораживаниемИзвестно несколько методов литья намораживанием. При одном из них на поверхность расплавленного металла помещают плиту из огнеупорного материала, в которой вырезано отверстие с профилем, соответствующим наружному профилю будущего литого изделия. Внутрь отверстия одускается затравка, к которой приваривается расплавленный металл.
Если вытягивать затравку со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации металла, из отверстия плиты извлекается заготовка соответствующего профиля. Таким способом можно получить ленты и трубы с внутренними и наружными ребрами. Способ малопроизводителен, но прост в осуществлении и обеспечивает высокий выход годного металла.
Для получения полых втулок или маслот методом намораживания расплав через литниковую систему подается в водоохлаж-
Другая схема предполагает намораживание металла на внутренних или наружных стенках кристаллизатора (рис. 15.12). Водоохлаждаемый кристаллизатор 1 опускают в расплав 3 и выдерживают в нем в течение определенного времени. Изменяя выдержку, можно регулировать толщину отливки 2. После извлечения кристаллизатора из расплава отливка снимается с него.

Рис. 15.12. Литье намораживанием

даемый кристаллизатор, закрытый сверху стержнем со штырями для удаления отливки из кристаллизатора. После намораживания металла и образования втулки с требуемой толщиной стенки стержень со штырями вместе с отливкой быстро извлекается из кристаллизатора, который закрывается новым стержнем. Параллельно идет доливка расплавленного металла в кристаллизатор через сифонную литниковую систему.15.2.9. Электрошлаковое литьеЭлектрошлаковое литье — способ получения отливок в водо- охлаждаемой металлической форме путем приготовления жидкого металла непосредственно в ее полости методом электрошлакового переплава расходуемого электрода. Общая схема электрошлакового литья аналогична схеме электрошлакового переплава (см. рис. 11.9, в) и отличается лишь тем, что кристаллизатор повторяет наружную конфигурацию получаемой отливки.
Для начала процесса в форму-кристаллизатор заливают расплавленный шлак и в него погружают нижние концы расходуемых электродов того же состава, что и будущая отливка. Через систему форма — шлак — электрод пропускают ток напряжением 45...60 В и силой около 20 А на 1 мм диаметра электрода. В литейной форме одновременно происходит расплавление металла и его рафинирование.
Этот способ обеспечивает получение плотных, однородных по составу отливок с низким содержанием газов и неметаллических примесей. При электрошлаковом литье получаются отливки массой до 300 т, такие как прокатные валки, бандажи цементных печей, коленчатые валы судовых двигателей, детали тепловых и атомных электростанций и т.д.Специальные методы литья в разовые формы
К этим методам относятся литье в оболочковые формы, по выплавляемым, газифицируемым и выжигаемым моделям и в керамические формы. Литье в керамические формы занимает промежуточное положение между литьем в разовые и литьем в постоянные формы, так как в ряде случаев эти формы выдерживают несколько наливов.15.3.1. Литье в оболочковые формыПри литье в оболочковые формы, полуформы и стержни изготавливают в виде оболочек толщиной 6...10 мм. В качестве связующего используются горячетвердеющие смолы с высокой удельной прочностью. Технология литья этим способом включает операции приготовления плакированной песчано-смоляной смеси, получения по модельной оснастке оболочковых полуформ, сборки форм и их заливки. В качестве связующего обычно используется пульвербакелит — смесь фенолоформальдегидной смолы и 8 % уротропина. Пульвербакелит относится к термореактивным смолам, нагрев которых свыше 200...250 °С приводит к их полимеризации и необратимому затвердеванию.
Плакированную смесь приготавливают горячим и холодным способом. В первом случае мелкозернистый песок нагревают до 150 °С и смешивают в бегунах со смолой. Последняя» расплавляясь, обволакивает (плакирует) песок тонкой пленкой. После охлаждения до 60 °С в смесь добавляют уротропин, который придает смоле способность к термическому твердению. При холодном плакировании пульвербакелит растворяют в спирте иди ацетоне и перемешивают с холодным песком.
Процесс изготовления полуформ, их сборка и заливка показаны на рис. 15.13. Разъемная модель 1 вместе с модельной плитой 2 нагреваются в печи до 200...250 °С и устанавливаются на поворотный бункер 3 со смесью песка и пульвербакелита 4. Затем бункер поворачивается на 180° и выдерживается в течение 15...25 с в таком положении. За это время прогревается слой смеси толщиной 6... 10 мм и после поворота бункера в исходное йоложение на модели остается слой песка 5, скрепленный расплавленной смолой. Модельную плиту вместе с моделью и полутвердой оболочкой помещают в печь, где она при температуре 300...350 °С необратимо затвердевает в течение 50...60 с. С помощью выталкивателей корочку снимают с модели, в нее устанавливают оболочковый или обычный стержень 6, скрепляют струбцинами или склеивают со второй оболочковой полуфор-
У////1М?
ш
У////,

Рис. 15.13. Литье в оболочковые формы: а — деталь; 6 — нагревание модели; в — "установка модели на ящике со смесью; г — выдержка смеси на модели; д — удаление непрогретой смеси; е — удаление корковой полуформы; ж — сборка и заливка формы
мой. Собранную форму устанавливают в опоки 7 и в зазор между формой и опокой засыпают песок или чугунную дробь 8. Применение опорного слоя позволяет увеличить жесткость формы, что особенно важно при изготовлении крупных отливок.
Оболочковые стержни изготавливают аналогичным способом. При этом предусматривается нагрев стержневой оснастки газом или с помощью электрических нагревателей. Смесь в ящики может засыпаться или подаваться с помощью пескостредьных машин.
ш
В связи с тем что отвердение смеси происходит на модели, а для приготовления смеси используют мелкий песок, литье в оболочковые формы повышает точность отливок и снижает шероховатость их поверхности. Этим методом получают отливки массой до 300 кг, имеющие тонкие ребра (цилиндры мотоциклов) или повышенные требования по размерной точности (коленчатые валы). При этом в 9... 10 раз уменьшается расход формовочной смеси и облегчается ее регенерация термическойобработкой. К недостаткам метода следует отнести высокую токсичность выделяющихся при горении смолы газов и возможность поверхностного насыщения углеродом отливок из низкоуглеродистых и нержавеющих сталей.15.3.2. Литье по выплавляемым моделямПри литье по выплавляемым моделям форма представляет собой неразъемную керамическую огнеупорную оболочку, которая формируется вокруг разовой неразъемной выплавляемой из оболочки модели. Технология литья по выплавляемым моделям включает следующие операции:
изготовление разовой модели и модели литниково-питаю- щей системы;
сборку моделей в единый блок;
приготовление суспензии из связующего и пылевидного наполнителя;
нанесение на блок моделей огнеупорного покрытия, выплавку модели из оболочки;
упрочнение оболочки прокаливанием и ее засыпку песком;
заливку в оболочку металла;
отделение отливок от стояка и их очистку.
Модели изготавливают из модельной композиции, состоящей из парафина, стеарина и воска. Температура размягчения композиции выше 30 °С, температура плавления — около 50 °С.
На рис. 15.14 показана последовательность операций для изготовления постоянных магнитов методом литья по выплавляемым моделям. Блок из четырех моделей и объединяющей их втулки изготавливают путем запрессовки пастообразной композиции 3 с помощью шприца 2 в алюминиевую пресс-форму 1. После затвердевания модельной композиции блок 4 извлекают из пресс-формы и собирают, нанизывая на металлический стержень 5. При этом втулки образуют литниково-питающую систему.
Для получения оболочковой формы 6 собранные блоки моделей окунают в огнеупорную суспензию и обсыпают песком. Основными компонентами суспензии являются гидролизованный раствор этил силиката и тугоплавкий наполнитель (молотый кварцевый песок, цирконовый концентрат и др.). При высушивании огнеупорной суспензии образуется гель кремниевой кислоты, который

Рис. 15.14. Литье по выплавляемым моделям: а — деталь; б — изготовление блока моделей; в — сборка блоков; г — нанесение покрытия; д — заливка форм
связывает частицы наполнителя. Процесс нанесения покрытия повторяют несколько раз, в результате чего на поверхности блока моделей образуется оболочка толщиной в несколько миллиметров.
После сушки последнего слоя покрытия модельную композицию выплавляют в горячей воде, а оболочковую форму 6 устанавливают в опоке 7 и обсыпают песком 8. Перед заливкой форму прокаливают при температуре 800... 1100 °С.
После охлаждения отливки извлекают из формы и подают на вибрационные установки с целью удаления огнеупорного покрытия с наружных поверхностей отливок и их отделения от стояка. Из внутренних полостей керамика выщелачивается в расплавах щелочей при 500 °С. Отсутствие разъема формы обеспечивает высокую размерную точность отливок, а мелкозернистое огнеупорное покрытие керамической оболочки — высокую чистоту поверхности. Заливка в горячую форму позволяет получать отливки массой от нескольких граммов до десятков килограммов с толщиной стенки от 0,5 до 5 мм.
Литье по выплавляемым моделям широко применяется для производства мелких сложных отливок в приборо-, автомобиле- и тракторостроении. Этим способом получают отливки из труднообрабатываемых сплавов (лопатки турбин, колеса насосов, постоянные магниты и др.).
Себестоимость полученного литья в 3...10 раз выше, чем отливок, полученных в песчано-глинистые формы, но высокое качество и минимальная механическая обработка обеспечивают его рентабельность в массовом и крупносерийном производстве.15.3.3. Литье по газифицируемым моделямЛитье по газифицируемым моделям по многим параметрам напоминает литье по выплавляемым моделям и характеризуется тем, что модель, изготовленную из вспенивающихся полимеров (полистирола), не извлекают перед заливкой металла из формы. Расплавленный металл заливается непосредственно на модель, выжигая (газифицируя) еей высвобождая полость для отливки. Схема технологического процесса получения отливок этим методом приведена на рис. 15.15.
На первом этапе технологического процесса гранулы полистирола 1 (размером 0,2...4 мм) загружают на поддоны 2 и в закрытых емкостях 3 нагревают паром до температуры 80 °С. В результате нагрева размер гранул увеличивается до 1...15 мм. После сортировки подвспененные гранулы воздухом задувают в разъемные алюминиевые пресс-формы 4, которые устанавливают в автоклавы 5 и под давлением 0,2 МПа нагревают до температуры более 100 °С. В результате такой обработки полистирол вспенивается и спекается, образуя модели. Модели 6 извлекают из пресс-формы и после сушки и склеивания покрывают огнеупорной обмазкой, состоящей из этилсиликата и наполнителя — молотого кварцевого песка. Иногда на первый слой покрытия наносят второй, после чего приступают к формовке. Опоки 7 выполняют в виде двух стенок с зазором между ними. При этом внутренняя стенка имеет отверстия для выхода газов, образующихся при заливке формы. Формовку осуществляют засыпкой сухого песка 8, уплотнение которого достигается вибрацией опоки.

Рис. 15.15. Литье по газифицируемым моделям: а — подвспенивание гранул полистиро