лекции материаловедение для электриков вгсха


Рекомендуемая литература.
Г.П.Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Гаврилюк и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Высшая школа, 2001.
Сильман Г.И. Материаловедение. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 336 с.
Арзамасов Материаловедение –
Онищенко В.И. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч 1 и 2. – Волгоград.: Изд. Волгогр. Гос. С.-х. акад – 2006. – 272 с.
Лахтин Ю.Н. Материаловедение. – М.: Машиностроение. 1990,-528 с.
Гуляев А.А. Металловедение. – М.: Металлургия,
Лекция 1
Предмет материаловедения. Взаимосвязь структуры и свойств материалов.
Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и др. видах воздействия. Научная основа получения материалов с заданными свойствами.
В технике вообще и в машиностроении в частности используют разные по своей химической природе материалы, но основными по ассортименту и объему производства являются металлические сплавы, среди которых объем сплавов на основе железа – сталей и чугунов на порядок больше, чем всех остальных сплавов.
Теоретические основы металловедения заложены в конце 19-го века российским ученым-металлургом Д.К.Черновым. Он открыл критические точки фазовых превращений стали (т. н. точки Чернова), установил влияние термической обработки стали на ее структуру и свойства, создал стройную теорию кристаллизации стального слитка.
Огромное значение для теории сплавов имело открытие Д.И.Менделеевым Периодического закона химических элементов. Большой вклад в развитие материаловедения внесли такие российские ученые как Аносов, отец и сын Бочвары , акад. Курнаков, акад. Байков, из зарубежных исследователей наиболее значительные открытия принадлежат Ле Шателье, Аустену, Мартенсу, Юм-Розери, Османду, Зейтцу, Котреллу и др.
Интенсивное развитие требует совершенствования традиционных и разработки принципиально новых материалов, среди них наиболее перспективны – керамика, пластмассы, порошковые сплавы, композиционные материалы.
Взаимосвязь структуры и свойств материалов
Свойства материала определяются его структурой, которая по степени локальности может быть разделена на следующие ступени:
- макроструктура, составляющие которой различаются невооруженным глазом или при небольших увеличениях до 50 крат. Примером макроструктуры является зеренное строение сплавов, структура первичной кристаллизации, состоящая из дендритных (древовидных кристаллов, строение излома и т.д.;
- микроструктура, характеризует фазовый состав; форму, распределение, объемное соотношение и дисперсность фазовых составляющих, различима она только при увеличениях оптического или электронного микроскопов от 50 до 30000 и более.
- кристаллическая структура – индивидуальна для каждой из твердых фаз и характеризует закономерность периодически повторяющегося расположения атомов, ионов или молекул в пространстве. Экспериментально может изучаться с помощью дифракции рентгеновских лучей.
Фазой называется однородная по химическому составу и свойствам часть сплава, отделенная от остальной части системы границей раздела, при переходе через которую состав и свойства резко меняются.
Основной характеристикой твердой фазы является индивидуальная, присущая только этой фазе кристаллическая структура.
Для описания кристаллической структуры используют математическую модель пространственную решетку, в узлах которой располагаются атомы или ионы данного вещества. Пространственную решетку можно воспроизвести с помощью элементарной ячейки – наименьшего повторяющегося объёма и основных векторов трансляций , направленных вдоль атомных рядов с наибольшей плотностью атомов. Длина вектора трансляции равна кратчайшему расстоянию между двумя одинаковыми атомами в этом ряду. Элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, ребра которого являются трансляциями, , а вершины - узлами решетки. Такие ячейки являются примитивными. В центре ячейки или в центре её граней тоже могут располагаться узлы, заполненные такими же атомами, что и в вершинах. В этом случае ячейки называются объёмно-, гране- или базоцентрированными. Транслируя (повторяя) элементарную ячейку по векторам бесконечное число раз можно воспроизвести всю бесконечную пространственную решетку. Элементарная ячейка является полномочным представителем своей решетки и, поэтому для описания кристаллической структуры достаточно изучить строение ячейки.
Y
X
Z



c0
a0
b0
Рис. 1. Кристаллогра-фическая система координат (сингония)
Все многообразие кристаллических структур охватывается семью трасляционными группами , – семью сингониями: триклинной, моноклинной, ромбической, ромбоэдрической, гексагональной, тетрагональной и кубической.
Каждая из сингоний характеризуется соотношением модулей элементарных трансляций a0, b0, c0 и углами между ними - , , , и может быть представлена в виде трехосной системы координах XYZ.
В кристаллической структуре в разных направлениях и в разных плоскостях атомы располагаются на разных расстояниях друг от друга, соответственно, различна энергия их взаимодействия, зависящая от расстояния между атомами и типа химической связи. Поэтому кристаллические тела обладают анизотропией свойств, т.е. свойства кристалла в разных направлениях и в разных плоскостях различны. Наибольшее значение для формирования свойств кристаллов имеют направления и плоскости кристаллической решетки с наибольшей ретикулярной (решетчатой) плотностью атомов. Чтобы однозначно определить положение таких плоскостей в пространстве решетки используют кристаллографическое индицирование относительно осей координат той сингонии, к которой принадлежит данная кристаллическая структура.
X
Z
b0
a0
c0
0
A
B
C
Y
D
Рис. 2. Определение ин-дексов направлений и плоскостей в кристалл-лической решетке
Символы направления [uvw] и плоскости (hkl) определяют их наклон к осям координат XYZ. У параллельных направлений и параллельных плоскостей символы одинаковы. Индексы направления [uvw] и индексы плоскости (hkl) представляют собой три взаимно простых, целых и малых числа. Индексы направления соответствуют координатам узла, лежащего на данном направлении, если оно проходит через начало координат. Например, направление 0А в примитивной кубической ячейке имеет индексы как у узла «А» – [111], напомню, что измерения по осям координат производятся в осевых отрезках a0, b0 и c0. Индексы плоскости соотносятся как величины обратные отрезкам, отсекаемым на осях координат плоскостью. Например, плоскость BCD имеет символ (112), т. к.
h : k : l = 1/0B : 1/0C : 1/0D = 1/1: 1/1: 1/(1/2) = 1 : 1 : 2.
В реальных кристаллах всегда присутствуют дефекты кристаллической структуры. Важнейшие дефекты, определяющие свойства кристаллических материалов – это вакансии, межузельные и примесные атомы, а также дислокации.
Вакансия представляет собой незаполненный (пустой) узел кристаллической решетки. Межузельный атом – лишний атом, расположенный в непредусмотренном кристаллической решеткой месте между узлами. Примесный атом располагается в узле решетки, но является атомом другого химического элемента. Вакансии определяют многие свойства твердых веществ, например, обеспечивают диффузионное перемещение атомов в кристаллической решетке – массоперенос, без которого невозможны нормальные фазовые превращения металлов и сплавов в твердом состоянии. Межузельные и узловые примесные атомы обеспечивают образование твердых растворов – основных фаз металлических сплавов. От концентрации и химической природы примесных атомов зависят свойства твердых растворов, в частности их упрочнение. Наибольшее упрочняющее действие оказывают атомы, расположенные в межузлиях, так они в наибольшей степени искажают кристаллическую решетку вокруг себя.
Дислокации относятся к линейным дефектам кристаллической решетки. Краевую дислокацию можно представить себе как лишнюю кристаллическую полуплоскость (экстраплоскость), обрывающуюся внутри кристалла. Аналогично обрывку страницы в книге. Край экстраплоскости, обычно, прямой является линией дислокации. Под действием приложенного напряжения линия дислокации может перемещаться в некоторой плоскости скольжения вплоть до выхода на поверхность кристалла, где образуется ступенька, высота которой равна межатомному расстоянию – этот процесс является элементарным актом пластической деформации. Макропластическая деформация представляет собой результат скольжения большого количества дислокаций. Торможение движения дислокаций какими-либо препятствиями, например, скоплением примесных атомов, неподвижными (закрепленными) дислокациями или границами зерен в поликристаллических материала, соответствует упрочнению материала, так как повышает сопротивление материала пластической деформации.X
Технические металлы и фазы сплавов на их основе наиболее часто кристаллизуются с образованием гексагональной (ГПУ), гранецентрированной кубической (ГЦК) или объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры с плотнейшей или плотной упаковкой атомов с координационным числом 12 или 8 и металлическим типом связи между атомами. При этом у многих элементарных веществ наблюдается аллотропия, т.е. существование нескольких кристаллических модификаций, стабильных в разных внешних условиях (температуре и давлении). Например, железо имеет две аллотропические модификации: -Fe с ОЦК структурой, стабильной ниже 910 С и в интервале 1399-1539 С, а также -Fe с ГЦК структурой, равновесной в интервале 910-1399 С.
Металлическая связь в кристаллах осуществляется электростатическим взаимодействием между положительно заряженными катионами, расположенными в узлах кристаллической решетки и свободными, обобществленными для всех катионов кристалла электронами, образующими электронный газ, в который погружена решетка.
Присутствие в металлических кристаллах свободных электронов определяет многие свойства металлов, в частности, хорошую электронную проводимость. Под действием разности потенциалов свободные электроны приходят в направленное движение, осуществляя электрический ток.
Свободные электроны определяют и хорошую теплопроводность металлов. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию электронов, которые, свободно перемещаясь в решетке и сталкиваясь с катионами, расположенными в узлах, передают им часть знергии, повышая энтальпию, т. е. теплоту.
Плотнейшая упаковка и высокая степень симметрии определяют пластичность металлов. У металлов с ГЦК и ОЦК структурой большое количество систем легкого скольжения, обеспечивающей благоприятную ориентацию хотя бы одной из них относительно деформирующей нагрузки. Вследствие высокой симметрии, выраженной в большом количестве симметрично равных направлений и плоскостей в которых атомы располагаются одинаково, анизотропия свойств у металлов и сплавов с кубической структурой проявляется слабо.
В состав металлических сплавов наряду с металлическими компонентами обычно входят и неметаллы, элементы с очень высоким потенциалом ионизации и высокой электроотрицательностью. Атомы таких элементов образуют кристаллические фазы с ковалентным или молекулярным типом связи. Ковалентные связи осуществляются общей для двух соседних взаимодействующих атомов парой валентных электронов. Каждый атом структуры может взаимодействовать с ограниченным числом соседей, в фазах металлических сплавов обычно с 4. Соответственно ковалентные кристаллы имеют рыхлую структуру со связями сильными, но строго направленными в сторону ближайших соседей, небольших по числу.
В этой связи ковалентные кристаллы имеют высокую твердость, например алмаз, развитую анизотропию свойств. Они являются полупроводниками, так как свободных электронов нет. Электронная или дырочная проводимость в ковалентных кристаллах обеспечивается усреднением электронной плотности атомов основного вещества и примесей.
В железоуглеродистых сплавах, например, фазой с преимущественно ковалентными связями является цементит химическое соединение Fe3C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью. С
Фазы и структурные составляющие металлических сплавов. Диаграммы состояния.
Основными техническими материалами являются металлические сплавы, состоящие из двух и более компонентов (металлов и неметаллов). Входящие в состав сплава компоненты, взаимодействуя между собой в, зависимости от своей химической природы, концентрации и внешних параметров системы (температуры) образуют различные фазы. Эти фазы в различных соотношениях и формах составляют микроструктуры сплава и определяют его свойства.
Фазы металлических систем можно разделить на граничные твердые растворы и промежуточные фазы или интерметаллидные соединения.
Граничные твердые растворы – гомогенные (однородные) фазы, которые имеют кристаллическую структуру такую же, как у основного вещества-растворителя. Атомы растворенного компонента могут статистически, то есть без какой-либо системы, замещать атомы растворителя в отдельных узлах его решетки. Такая фаза называется твердый раствор замещения.
Условия образования твердого раствора замещения:-близкие радиусы атомов; электроотрицательность и изоморфные структуры.
Чем полнее выполняются эти условия, тем шире область растворимости вплоть до неограниченной смешиваемости.
Некоторые растворы замещения при снижении температуры могут образовывать сверхструктуры – в которых примесные атомы занимают не произвольные, а строго определенные узлы в решетке растворителя. Такое упорядочение в кристаллической структуре изменяет свойства твердого раствора.
Если атомы растворенного элемента размещаются в междоузлиях, образуется твердый раствор внедрения. Образование такого типа твердого раствора возможно при малых размерах атомов примеси.
Так, например, по типу внедрения образуются твердые растворы неметаллов C, H, N, B, O в переходных металлах Fe, Mn, Ti, Mo, W, Ni, Cr.
Растворы внедрения имеют, как правило, ограниченную растворимость.
Лекция 2 (продолжение темы)
Компоненты с существенно разными электрохимическими свойствами и неизоморфными структурами склонны к образованию интерметаллидных или других химических соединений. Характерной отличительной чертой химического соединение является своя собственная кристаллическая структура, отличная от структуры каждого из его компонентов.
Компоненты могут входить в состав интерметаллидов в стехиометрических соотношениях, образуя дальтониды, или в нестехиометрических, давая бертоллиды. Бертоллиды могут рассматриваться как твердые растворы замещения на основе химического соединения, со стохастическим (произвольным) или упорядоченным замещением.
Структура и свойства интерметаллидов формируется, в основном, под действием геометрического фактора (соотношения атомных радиусов компонентов), предельной концентрации электронов, электрохимических свойств компонентов (разности электроотрицательности).
В зависимости от значимости каждого из этих факторов формируются основные интерметаллиды.
1. Под действием геометрического фактора образуются фазы Лавеса с плотнейшей упаковкой атомов в кристаллической структуре. Соотношение RA/RB = 1,06…1,38. Этим соединениям приписывается стехиометрия АВ2, хотя они являются бертоллидами и существуют в интервале концентраций.
2. Важнейшим фактором в формировании фаз Юм-Розери или электронных фаз является предельная электронная концентрация. Например, в системах Cu-Zn, Cu-Mg и сплавах меди с другими металлами по мере повышения концентрации второго металла повышается электронная концентрация, и при определенных предельных значениях электронной концентрации происходит изменение кристаллической структуры, т. е. одна фаза сменяется другой.
3. В формировании фаз Цинтля ведущую роль играет большая разница электроотрицательности компонентов. Эти фазы образуются активными металлами (ЩМ, ЩЗМ или РЗМ) и металлами II(B), III или IV группы, например Zn, Sn, а также Ag или Al. В фазах, образованных металлами и неметаллами с большой разницей электроотрицательности, химическая связь, наряду с металлической, имеет развитую ковалентную и даже ионную компоненты.4. В соединениях металлов и неметаллов при значительной разнице в размерах атомов и электроотрицательности образуются фазы внедрения. К этому типу интерметаллидов относятся карбиды, бориды, нитриды и т.п.
Фазовое состояние сплава при тех или иных внешних (температура) и внутренних (концентрационное соотношение компонентов) параметрах описывает равновесная диаграмма состояния.
Диаграммы состояния двойных металлических сплавов изображают в координатах концентрация – температура. Поле диаграммы разделено линиями фазового равновесия на области стабильного существования равновесных фаз. Линия ликвидуса отделяет область жидкого состояния системы, то есть выше линии ликвидуса располагаются на диаграмме только жидкие фазы. Начинается линия ликвидуса в точке плавления одного чистого компонента и заканчивается в точке плавления второго компонента.
Линия солидуса отделяет на диаграмме область твердого состояния системы. Ниже линии солидуса на диаграмме располагаются только твердые фазы. Эта линия тоже начинается и заканчивается в точках плавления чистых компонентов. Каждый из сплавов системы имеет свои температуры ликвидуса (TL) и свою температуру солидуса (TS), при которых начинается и заканчивается равновесное затвердевание (в обратном направлении плавление) этого сплава. Эти температуры лежат соответственно на линиях ликвидуса и солидуса.
Таким образом, линии ликвидуса и солидуса в точках плавления чистых компонентов касаются друг друга, соответственно равновесные плавление и кристаллизация чистых веществ протекают при постоянной температуре. Кристаллизация и плавление сплавов часто происходит в интервале температур ликвидуса и солидуса (TL-TS ). На диаграмме состояния между линиями ликвидуса и солидуса расположена область двухфазного жидко-твердого состояния.
Двухкомпонентные системы могут описываться различными типами диаграмм состояния, основные из них:
Диаграмма с образованием непрерывных твердых растворов;
Диаграмма с идеальной эвтектикой;
Диаграммы с ограниченными твердыми растворами с эвтектикой и с перитектикой
Диаграммы с образованием химического соединения, конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся.
Диаграммы систем, имеющих превращения в твердом состоянии.
Диаграмма с образованием непрерывного ряда твердых растворов
Основным методом построения диаграмм состояния является термографический анализ, который основан на изменении скорости охлаждения сплава при фазовом превращении, например, при кристаллизации, вследствие теплового эффекта этого превращения. При достижении температуры ликвидуса начинается выделение твердой фазы из жидкого раствора, и выделяется тепло кристаллизации, которое замедляет охлаждение. На термографической кривой образуется перегиб, точно отвечающий температуре ликвидуса сплава TL. Второй перегиб на кривой охлаждения фиксируется по окончании кристаллизации в точке солидуса TS.
I
I
ТLI
ТSI

а
б
cТ1ж
Т,С
ТАпл
ТВпл
А
В
В
а б
Рис. 3.Диаграмма состояния бинарного сплава с образованием непрерывных твердых растворов (а) и термографическая кривая охлаждения сплава I-I (б)
ж+
Т,С
ТLI
ТSI
, с
ж
ж


В любом сплаве системы, образующей непрерывный ряд твердых растворов, например, в сплаве I-I при охлаждении ниже температуры ликвидуса (TLI) из жидкого раствора будут выделяться кристаллы -твердого раствора. Равновесный состав твердого раствора при данной температуре показывает точка, лежащая на линии солидус, – нода солидуса. При температуре Т1 нода солидуса соответствует точке а. По мере увеличения количества твердой фазы состав жидкости будет изменяться в соответствии с ликвидусом. В процессе равновесной кристаллизации нода ликвидуса, показывающая состав жидкости, будет перемещаться по линии ликвидуса. Таким образом, при температуре Т1 состав жидкой фазы будет описываться точкой с. Положение равновесных нод позволяет узнать не только химический состав фаз, но и их объемное соотношение при данной температуре, используя правило равновесного рычага или правило фаз.
Если соединить равновесные ноды жидкой и твердой фаз прямой линией (конодой) ас, то линия I-I, соответствующая среднему составу сплава, поделит эту коноду на отрезки пропорциональные объемным долям равновесных фаз. То есть объемная доля жидкой фазы будет равна отношению длины отрезка аб, противолежащего ликвидусу, к длине всей коноды ас: , а доля кристаллов твердого раствора составит , при этом fL +fS=1.
Диаграмма с идеальной эвтектикой
В диаграммах с эвтектикой линии ликвидуса и солидуса касаются друг друга в точке С, то есть существует такой сплав, который кристаллизуется не в интервале температур, а при постоянной температуре Тэ.
Т,С
ТАпл
ТВпл
А
В
В
а б
Рис. 4. Диаграмма состояния бинарного сплава с идеальной эвтектикой (а) и кривая охлаждения сплава I-I (б)
ж
ж+АА+В
ж+ВС
Т,С
I
I
ж
ТIL
ТIS-TЭ
жАжСА+В
А+В

ТIL
ТIS-TЭ

Сплавы, расположенные слева от точки С, называются доэвтектическими, справа от неё располагаются заэвтектические сплавы, а точке С соответствует сплав эвтектического состава.
Рассмотрим кристаллизацию доэвтектического сплава I-I. При охлаждении сплава ниже температуры ликвидуса TLI из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы компонента А. Жидкость по мере увеличения количества твердой фазы обогащается компонентом В. Нода жидкой фазы в процессе кристаллизации перемещается по ликвидусу, приближаясь к точке С. При температуре эвтектического солидуса Тэ жидкая фаза имеет эвтектический состав точки С. Жидкая фаза эвтектического состава при эвтектической температуре претерпевает эвтектическое превращение, которое состоит в образовании одновременно кристаллов двух твердых фаз чистых компонентов А и В:
ж(С) А+В.
Превращение идет до полного исчезновения жидкой фазы и является нонвариантным.
В соответствии с правилом фаз Гиббса число степеней свободы равновесной системы равно разности между числом компонентов k и количеством фаз f плюс 1:
с = k – f + 1.
В приложении к системам сплавов под числом степеней свободы следует понимать количество внешних и внутренних переменных, которые могут быть изменены без изменения числа фаз.
В эвтектическом превращении принимают участие три фазы одна жидкая и две твердых, количество компонентов равно 2 (А и В), а значит число степеней свободы равно 0:
c= k – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.
Следовательно, эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре, а химический состав фаз остается неизменным, для жидкости он соответствует точке С.
В заэвтектических сплавах протекают аналогичные превращения, с той лишь разницей, что по достижении ликвидуса из жидкого раствора первоначально будет кристаллизоваться компонент В.
Жидкая фаза при этом будет обогащаться компонентом А, также приближаясь (по ликвидусу) к эвтектическому составу точки С и, когда достигнет его при температуре Тэ, произойдет эвтектическое превращение, точно такое же, как в доэвтектическом сплаве. При затвердевании сплава эвтектического состава (состава точки С) предварительного выделения кристаллов избыточных твердых фаз не происходит, сразу происходит эвтектическое превращение, начинаясь и заканчиваясь при одной температуре, поскольку у этого сплава ликвидус и солидус совпадают: TL = TS = Tэ.
ТВпл
В
В
Т,С
ТАпл
А
ж
ж+

ж+
С


E
F
Рис. 5. Диаграмма эвтектической системы с ограниченными твердыми растворами
Диаграммы с ограниченными твердыми растворами
с эвтектикой и с перитектикой
Следует отметить, что рассмотренная выше система с эвтектикой является идеальной, в том смысле, что образование фаз, состоящих из чистых компонентов, в многокомпонентном сплаве невозможно. В каждой фазе многокомпонентного сплава обязательно присутствуют все компоненты. Поэтому фазы, составляющие эвтектическую смесь, могут представлять собой твердые растворы и химические соединения. При этом твердые растворы могут иметь настолько ограниченную рас-творимость, что на диаграмме состояния область гомогенности такого раствора не обозначается из-за масштабных соображений. Превращения в такой системе аналогичны рассмотренным ранее в системе с идеальной эвтектикой. Эвтектическое превращение протекает при температуре Тэ во всех сплавах, фигуративные линии которых пересекают эвтектический солидус EСF, и состоит в одновременной кристаллизации -твердого раствора состава точки Е и -твердого раствора состава точки F из жидкости состава точки С:
ж(С) (E) + (F).
В результате эвтектической кристаллизации образуется смесь кристаллов - и -твердых растворов.
В некоторых системах протекает перитектическое превращение, которое состоит в том, что при температуре перитектического солидуса жидкая фаза состава точки N взаимодействует с ранее образовавшимися кристаллами -твердого раствора состава точки F и в результате образуется новая твердая фаза -твердый раствор состава точки J. а б
Рис. 6. Диаграмма перитектической системы с ограниченными твердыми растворами (а) и кривая охлаждения сплава I-I (б)
А
ТАпл
ж
ж+

ж+
J


ж
ТBпл
N
F
Т, C
В
I
I
ж
ж(N)+(F)(J)


, с
Т, C
TLI
TSI= TпI

Число степеней свободы системы при перитектическом превращении равно 0. Следовательно, перитектическое превращение тоже является нонвариантным, то есть оно протекает при постоянной температуре, и в нем могут участвовать фазы только определенного химического состава.
Перитектическое превращение протекает во всех сплавах системы, фигуративная прямая которых пересекает перитектический солидус NJF. Однако в сплавах, расположенных справа от точки J, например в сплаве I-I, после завершения перитектической реакции остается избыток -твердого раствора, который из-за снижения растворимости в нем компонента А при дальнейшем охлаждении может превращаться в -твердый раствор. В сплавах, расположенных слева от точки J, после завершения перитектического превращения остается жидкость, из которой при охлаждении кристаллизуется непосредственно -твердый раствор.
Диаграммы с образованием химического соединения
В системах металлических сплавов возможно образование химических соединений, одни из которых сохраняют свою кристаллическую структуру вплоть до полного расплавления сплава, то есть плавятся конгруэнтно. Такое химическое соединение AmBn плавится (кристаллизуется) при постоянной температуре и является наиболее тугоплавким по сравнению с близкими по составу сплавами.
а б
Рис.7. Диаграмма состояния системы с конгруэнтно плавящимся химическим соединением АmBn, образующим (а) и не образующим (б) твердые растворы
ТВпл
В
Т,С
ТАпл
А
ж
ж+
АmBn
С1
АmBn
E
В

ж
АmBn
ж+
С2
F
ж+АmBn
ж+АmBn
E1
F1
Т,С
ТАпл
А
ж
ж+
АmBn
С1
АmBn
E
ТВпл
В
В

ж
АmBn
ж+
С2
F
ж+АmBn
ж+АmBn
E1
F1

Химическое (интерметаллидное) соединение может иметь область гомогенности и существовать в интервале концентраций, образуя на своей основе твердые растворы, но встречаются химические соединения, которые могут существовать только при стехиометрическом соотношении компонентов
Рис. 8. Диаграмма состояния системы с нестойким, инконгруэтно плавящимся химическим соединением AmBn
А
ТАпл
ж+AmBn
ж+
J


ж
ТBпл
N
F
Т, C
В
AmBn
+AmBn
+AmBn
C
ж+
В
В системах металлических сплавов могут образовываться и нестойкие химические соединения, которые до плавления распадаются с образованием других фаз, а при затвердевании сплавов образуются из жидкой и другой твердой фаз путем перитектического превращения. Такие соединения называются инконгруэнтными.
В системах металлических сплавов протекают и твердофазные превращения, которые тоже отражают диаграммы состояния.
а б
Рис. 9.Диаграмма состояния системы сплавов с расслоением твердого раствора (а) и полиморфным превращением компонента А и твердого раствора на его основе (б)

ж
Т,С
ТАпл
ТВпл
А
В
В
ж+
1+2
В

ж
Т,С
ТАпл
ТВпл
А
В
ж+
+


Фазовые превращения в твердом состоянии могут быть вызваны расслоением твердых растворов, полиморфным превращением или протеканием нонвариантных реакций, например, эвтектоидной реакции. Эвтектоидное превращение аналогично эвтектическому, но протекает с участием только твердых фаз. А именно, одна твердая фаза фиксированного состава превращается в эвтектоидную смесь кристаллитов двух других твердых фаз, состав которых в течение превращения не изменяется.
ТВпл
В
В
Т,С
ТАпл
А
ж
+

+
S


H
Q

ж+
F
E
Рис. 10 Диаграмма состояния системы с эвтектоидным превращением: (S)(H)+(Q)

Диаграммы состояния реальных двухкомпонентных систем могут быть очень сложными и, как правило, являются комбинациями рассмотренных типов диаграмм.
A
B
C
%A
%C
%B
K
Рис.11 Схема концентрационного треугольника тройной системы
Большинство реальных технических сплавов являются многокомпонентными, и для полного фазового анализа должны быть интерпретированы не двойными, а хотя бы тройными диаграммами состояния.
А
В
D
С2С3
С1C
Рис.12. Схема тройной диаграммы состояния эвтектического типа
Тройные системы описываются объемными диаграммами состояния, которые представляют собой трехгранную призму, сверху ограниченную поверхностью ликвидуса. В основании призмы лежит равносторонний концентрационный треугольник, каждому углу которого соответствует 100% одного из трех компонентов A, B C. Стороны концентрационного треугольника показывают состав сплавов трех бинарных систем A-B, B-C A-C, а каждой точке, например точке К, внутри треугольника соответствует один из трехкомпонентных сплавов тройной системы A-B-C.
По вертикали изменяется температура. Боковые грани призмы представляют собой диаграммы состояния соответствующих бинарных систем. Для системы тройных сплавов линии ликвидуса и солидуса преобразованы в поверхности ликвидуса и солидуса. А, например, в тройной диаграмме эвтектического типа точки двухфазных эвтектик C1, C2 и С3 превращены в эвтектические линии C1С, C2С и С3С, которые сходятся в точке трехфазной эвтектики С.
В тройных диаграммах действуют все те же правила, что и в двойных: правило фаз Гиббса, правило отрезков и т.п.
Лекция 3.
Механические и специальные свойства материалов
Свойство – это качественная или количественная характеристика материала, определяющая общность или отличие его от других материалов и служащая основой выбора материала для использования его в конкретных условиях.
Выбор осуществляют, оценивая эксплуатационные, технологические и стоимостные свойства материала.
Эксплуатационные свойства определяют работоспособность изготовленных из этого материала деталей машин и приборов, их силовые и скоростные параметры, надежность и долговечность.
К основным эксплуатационным свойствам относятся:- механические свойства при обычных условиях испытаний; жаростойкость; коррозионная стойкость; жаропрочность; особые физические свойства (электрические, магнитные; теплофизические и т.п.).
Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформациям и разрушению под действием внешних механических нагрузок.
Характеристики механических свойств, измеренные при лабораторных испытаниях стандартных образцов, относятся только к материалу, но не учитывают влияния конструкции детали и машины в целом, а также условий эксплуатации. Тем не менее, именно эта группа показателей механических свойств используется для оценки материала и на стадии проектирования, и на стадии изготовления машины.
Кроме того, механические свойства материала зависят от скорости приложения нагрузки, температуры, напряженного состояния (например, могут различаться при растяжении и кручении) и пр.


О
В

в
т, 02
упр
Рис. 13. Схема диаграммы растяжения
Основные стандартные параметры, характеризующие механические свойства, определяют при испытаниях образцов на статическое растяжение (при медленном и плавном возрастании нагрузки). Механическое поведение материала при таком испытании описывает диаграмма растяжения, построенная в координатах -.
Здесь = P/F – внутренние напряжения, равные отношению приложенной нагрузки P к площади сечения образца F, нормального к этой нагрузке. = [кгс/м2] = 10[Н./м2] или [Па]. = l/l0 – относительная деформация, изменение рабочей длины образца l , отнесенное к исходной длине l0.
Вначале приложения нагрузки и роста внутренних напряжений образец, как всякое твердое тело, деформируется упруго. Упругая деформация растет пропорционально увеличению напряжений. В упругой области выполняется закон Гука: = Е. При снятии нагрузки и исчезновении вызванных ею напряжений упругая деформация тоже исчезает, образец возвращается к исходным размерам.
Коэффициент пропорциональности Е называется модулем нормальной упругости или модулем Юнга. Он является константой данного материала, характеризует его жесткость и силу межатомного взаимодействия. Модуль Юнга может быть найден как тангенс угла наклона упругого участка кривой деформации - Е = tg.
Другие характеристики, которые могут быть определены по кривой растяжения:
упр – предел упругости – максимальное напряжение, которое вызывает обратимые (упругие) деформации. Точно определить упр трудно из-за весьма малых упругих деформаций (упр0,2%).
т (02)– предел текучести, напряжение, при котором происходит отклонение от пропорциональной взаимосвязи - и начинает развиваться необратимая (пластическая) деформация. Физический предел текучести - т может быть определен для сплавов, у которых на диаграмме деформаций явно выражена площадка текучести. В противном случае определяют условный предел текучести - 02, напряжение, которое соответствует остаточной деформации ост=0,2%.
в – временное сопротивление разрушению или предел прочности, максимальное напряжение, которое может выдержать образец до разрушения.

в


Рис.14. Диаграмма деформации серого чугуна
Государственные стандарты на отливки и прокат качественной стали регламентируют следующие характеристики механических свойств, определяемых при статическом растяжении: Е, т(02), в, , . Здесь - относительное удлинение, [%], и - относительное сужение, [%] , которые характеризует пластичность материала.В некоторых сплавах пластическая деформация не развивается, а сразу за областью упругого деформирования наступает разрушение. Так, например, ведет себя серый чугун для отливок. Диаграмма его деформации имеет вид:
Поэтому механические свойства серого чугуна характеризуются пределом прочности (временным сопротивлением разрушению), в и модулем упругости: Е = tg.
Механические свойства чугуна в большой степени зависят от условий кристаллизации. В разных литейных цехах прочность отливок из чугунов одного состава может существенно различаться, и одинаковые свойства могут быть у чугунов с разным составом. Поэтому маркировка чугуна для отливок производится по его прочности.
Например, СЧ20 – серый чугун с пределом прочности 20кгс/мм2в25кгс/мм2, следующая марка СЧ25 регламентирует прочность в пределах от 25кгс/мм2 до 30кгс/мм2, при этом образцы для испытаний изготавливают из стержня 30 мм, отлитого в сырую песчано-глинистую форму, что обеспечивает фиксированную скорость охлаждения литой заготовки.
Еще более распространенным статическим испытанием является определение твердости.
Под твердостью следует понимать сопротивление материала вдавливанию другого твердого тела – индентора.
В зависимости от размеров, твердости и структурной однородности твердого тела применяют разные методы испытания. Эти методы различаются формой и материалом индентора, а также нагрузкой на индентор.
Наиболее распространены следующие методы:
- метод Бринелля, определение твердости металлов вдавливанием в испытуемый образец стального закаленного шарика. Твердость по Бринеллю указывается в единицах НВ (Hardness Brinell)., применяется для определения общей твердости металлом и сплавов, в том числе сплавов, структура которых состоит из фаз разной твердости, как, например, у серого чугуна;
- метод Роквелла определение твердости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемый образец алмазного конуса (шкалы А и С, соответствующие различным нагрузкам) или стального закаленного шарика (шкала В). Твердость указывается в единицах HR (Hardness Rockwell) с добавлением обозначения шкалы (HRA, HRB, HRC);
- метод Виккерса определение твердости металлов HV(Hardness Vickers), производится путем вдавливания в испытуемый образец алмазной пирамиды силой (нагрузкой) от нескольких гамм до 5 кг. Твердость по Виккерсу указывается в единицах –кгс/мм2 или МПа. Этот метод может применяться для определения твердости тонких упрочненных или, напротив, разупрочненных слоев, для испытания малых по сечению объектов и т.п.;
- метод определения микротвердости, Н позволяет измерить твердость отдельных фаз микроструктуры сплавов, так как микротвердомер снабжен микроскопом с увеличением до 500 (по крайней мере, на отечественных приборах).
Для определения твердости материалов в полевых условиях используют тарированные напильники или метод Шора, по которому твердость определяют с помощью склероскопа по высоте отскакивания легкого бойка с алмазным наконечником, падающего на поверхность испытываемого массивного тела с определенной высоты.
Большинство деталей машин в процессе работы подвергаются динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, возрастающим с очень высокой скоростью, например, ударам.
При динамическом нагружении материалы склонны к наиболее опасному хрупкому разрушению, вероятность такого разрушения усиливается в присутствии концентраторов напряжений, таких как надрезы.
Поэтому для определения механических свойств технических сплавов производят динамические испытания при ударном изгибе.
В результате этих испытаний определяют удельную энергию, затраченную на разрушение образца – ударную вязкость: KCU = К/S0 [МДж/м2], где К – энергия, затраченная на разрушение образца, а S0 – поперечное сечение образца, по которому он разрушен.
Для увеличения жесткости испытаний на образце со стороны, противоположной удару, делают надрез U-Б V-образной формы или наводят трещину, соответственно полученная в результате испытаний характеристика - ударная вязкость, обозначается KCU, KCV или KCT.
Испытания проводятся на машине, которая называется маятниковый копер. Образец – параллелепипед сечением 1010 мм, длиной 55 мм ( могут применяться стандартные образцы других размеров).
Рис.15. Температурная зависимость ударной вязкости
KCU
Тхр
ТС
Проводя испытания при пониженных температурах, определяют склонность материалов к охрупчиванию в условиях холода.
Строя по результатам испытаний сериальные кривые зависимости КСU-t, находят порог хладноломкости (критическую температуру хрупкости) tхр температуру, при которой ударная вязкость резко снижается, вследствие перехода материала в хрупкое состояние.
Для изготовления деталей машин, которые эксплуатируются в условиях низких температур, необходимо использовать материалы с низким порогом хладноломкости, чтобы исключить аварийные поломки из-за низкотемпературного охрупчивания.
Переход от вязкого разрушения к хрупкому сопровождается изменением вида излома.
Вязкий излом имеет матовый волокнистый вид, хрупкий характеризуется блестящим кристаллическим рельефом.
Поэтому иногда порог хладноломкости, t50 - определяют как температуру, при которой 50% площади излома имеет волокнистый (вязкий) рельеф, а 50 % кристаллический (хрупкий).
Многие детали машин: шестерни, валы, шатуны и пр., работают в условиях циклически меняющихся нагрузок. За время цикла напряжения в таких деталях меняются от min до max.
3
1
2
Рис.16. Схема усталостного излома
При таком режиме работы в материале накапливаются повреждения, и развивается усталостное разрушение при напряжениях ниже статического предела прочности вРазрушение от усталости сопровождается характерным видом излома.
очаг (фокус) излома – место зарождения усталостной трещины;
зона усталости – медленно, постепенно растущая усталостная трещина;
зона долома – сечение, разрушенное при однократном нагружении в последнем цикле.
Способность материала противостоять усталости называется выносливостью. О выносливости материала судят по пределу выносливости -1, который определяется по результатам циклических испытаний и с помощью усталостной кривой, построенной на базе определенного числа цикловN, обычно, Nк = 106.

maxк
-1


Рис.17. Кривая усталостных испытаний
N – циклическая долговечность – число циклов работы материала до образования усталостной трещины.
к- ограниченный (малоцикловый) предел усталости, напряжение которое может выдержать материал в течение Nк числа циклов нагружения;
-1 – физический предел усталости, напряжение, при котором материал может работать бесконечно долго.
Все эти виды испытаний на растяжение, твердость, ударную вязкость и усталостную прочность, стандартизированы и проводятся в соответствии с ГОСТами. ГОСТом на испытания оговариваются: места и способ отбора образцов, форма и размера их, характеристики испытательных машин, условия испытаний, измерения и расчет определяемых характеристик.
Результаты испытаний сравнивают с требованиями ГОСТов на продукцию.
Лекция 4. Формирование структур литых материалов. Литейные технологии
Т
Тпл
Т
G
Gv

Gтв
Рис.18. Температурные зависимости свободной энергии жидкой и твердой фаз
Расплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (затвердевания) Тпл . кристаллизуется, т.е. затвердевает с образованием кристаллической структуры.
Процесс кристаллизации вызван стремлением системы к минимуму свободной энергии. Термодинамический потенциал, характеризующий свободную энергию, при ТТпл у твердой фазы меньше, чем у жидкой. Для развития кристаллизации необходимо переохлаждение металла ниже температуры плавления Т.
Снижение свободной энергии системы при переохлаждении Т, равное Gv= Gж Gтв, является термодинамическим стимулом – движущей силой процесса кристаллизации. Чем сильнее переохлаждении и, следовательно, больше Gv, тем активнее идет процесс кристаллизации.
Т

Ме
Сплав
Т
Рис.19. Термографическая кривая кристаллизации чистого металла и сплава.
Кристаллизация сплава начинается ниже температуры ликвидусаТL.
При фазовом переходе жтв выделяется тепло кристаллизации, которое полностью или частично компенсирует теплоотвод при охлаждении. Соответственно, кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а образование твердых растворов у сплавов замедляет скорость снижения температуры, что отражается на кривой охлаждения в виде перегиба. Изменения наклона кривой охлаждения вледствие фазовых переходов являются основой термографического анализа кристаллизации.
Кристаллизация происходит путем образования в жидкости центров кристаллизации (зародышей) и дальнейшего роста тех зародышей, которые имеют размеры больше критических: Rкр= , где - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердая фаза, Тпл и Qпл − температура и теплота плавления, Т − переохлаждение. Более мелкие зародыши неустойчивы, они растворяются в жидкой фазе.
Критический размер зародыша обратно пропорционален переохлаждению Т, т.е. чем сильнее переохлаждение, тем более мелкие зародыши становятся способны к росту. Следовательно, при более глубоком переохлаждении жизнеспособных зародышей становится больше, из каждого образуется кристаллит или зерно. В результате затвердевший при большем переохлаждении сплав имеет мелкозернистую структуру, которая характеризуется лучшими механическими свойствами.
Самопроизвольное (гомогенное) образование зародыша происходит только в очень чистых однородных веществах. В расплавах реальных сплавов всегда присутствуют случайные мелкие твердые частицы, некоторые из них даже при сравнительно небольшом переохлаждении могут служить готовыми зародышами кристаллизации. Таким образом в технических сплавах обычно происходит гетерогенное зарождение. Гетерогенным зарождением можно управлять, специально вводя в расплав определенное вещество – модификатор, а сам процесс обработки модификатором жидкого расплава непосредственно перед кристаллизацией называется модифицированием. Результатом модифицирования является множественное зарождение способных к росту центров кристаллизации, а, следовательно, образуется мелкозернистая структура затвердевшего сплава.
Форма первичных кристаллов и строение слитка.
Строение дендритного кристалла.
Первичные кристаллы технических сплавов это кристаллы твердого раствора. Они имеют дендритную (древовидную) форму, обусловленную анизотропией скорости их роста. Зародившийся кристаллик начинает вытягиваться в направлениях с максимальной плотностью упаковки атомов. В результате вырастают ветви первого порядка, от которых ответвляются ветви второго порядка. Последние тоже разветвляются, давая ветви третьего и более высоких порядков. Ветви дендритных кристаллов с кубической структурой располагаются перпендикулярно друг другу.
4
1
2
3
Макроструктура слитка
Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом или пока жидкая фаза не достигнет эвтектического состава. Затем оставшаяся в междуветвиях жидкость также в виде твердого раствора затвердевает, достраивая разветвленный дендрит до полиэдрического кристаллита (зерна) или междендритная жидкость кристаллизуется в виде эвтектики.
Типичная зеренная структура слитка состоит из трех основных зон: 1- зона мелких (замороженных кристаллов образуется из-за сильного мгновенного переохлаждения залитого в изложницу металла и множественного зарождения центров кристаллизации;
Далее формируется 2 зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода, т.е. большая ось зерен направлена почти нормально к поверхности изложницы (формы), кристаллы растут к центру или тепловому узлу. Центральную часть слитка занимает 3 зона крупных равноосных кристаллов, которые растут в условиях ненаправленного теплоотвода и при малом переохлаждении.
Охлаждаясь, металл дает усадку, т.е. уменьшается в объёме, поэтому в зоне слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 4. Усадочная полость может быть сосредоточенной или образуется усадочная пористость (усадочная рыхлота).
Некоторые сплавы, например высокомарганцевая сталь, склонна к увеличению зоны столбчатых кристаллов вплоть до стыковки их в центре при полном вытеснении зоны 3. Такая структура слитка называется транскристаллитной. Транскристаллитная структура характеризуется высокой плотностью металла, но в зоне стыка встречных кристаллов собираются нерастворимые примеси, развивается усадочная рыхлота. Отливки (слитки) с транскристаллитной структурой могут растрескиваться в процессе последующей ковке или прокатке.
Формированием зеренной структуры слитка можно управлять, подавляя развитие зоны столбчатых кристаллов, например, снижая температуру разливки сплава, продувкой инертными газами, вибрационной обработкой, модифицированием. В принципе можно добиться получения слитка со структурой, состоящей из равноосных кристаллов.
Чтобы уменьшить поражение металла усадочными дефектами используют направленное затвердевание: в верхней части слитка устраивают прибыль, которая питает отливку жидким металлом. Прибыль затвердевает в последнюю очередь и в ней концентрируется усадочная раковина. Прибыльную часть слитка отрезают и пускают на переплав, а остальную неповрежденную часть металла используют по назначению.
Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных дефектов слитков является непрерывная разливка. При такой технологии жидкий металл из печи непрерывно поступает в специальное устройство – водоохлаждаемый кристаллизатор. Затвердевший металл непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллизатора и отрезается мерными кусками. Затвердевший металл имеет плотную мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.
Аналогично слитку формируется зеренная структура фасонных отливок. В отливках сложной формы усадочные дефекты могут развиваться в, так называемых тепловых узлах отливки, в местах с резким увеличением сечения. Для предотвращения усадочных дефектов в таких местах устанавливают питающие прибыли.
Основы литейной технологии
Литейная технология является наиболее экономичным и универсальным способом изготовления деталей сложной формы весом от нескольких грамм до сотен тонн. Фасонные отливки изготавливают путем заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изготавливаемой литой детали. Залитый в форму металл, затвердевая, приобретает заданную конфигурацию. В процессе охлаждения в форме и даже при освобождении из неё происходят вначале кристаллизация, а затем и твердофазные превращения металла, которые формируют структуру и свойства отливки
В зависимости от объема производства, геометрической сложности, размерной точности и других факторов применяют различные способы литья: в песчано-глинистые разовые формы, оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и пр. Однако технологическая схема почти любого из применяемых способов включает следующие основные позиции:
Изготовление литейной оснастки
Приготовление расплавленного металла
Изготовление литейной формы
Отливка
Подготовка формовочных материалов
Рис. 22. Общая технологическая схема литейной технологии

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, которая формирует отливку из залитого в нее расплава. Обычно литейная форма состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливают по литейным моделям в опоках. Для изготовления литейной формы используют литейную оснастку, состоящую из модельного комплекта и литейных опок. В модельный комплект входят модель отливки, модельные плиты, стержневые ящики, модели литниковой системы и др. приспособления. Литейная модель – имеет форму и размеры, близкие к параметрам получаемой отливки и служит для образования в форме рабочей полости, которую заливают металлом. Модели могут быть неразъёмными, разъёмными или с отъёмными частями. Отверстия, полости и другие сложные контуры в отливке образуют с помощью стержней соответствующей конфигурации. Стержни устанавливают в рабочей полости литейной формы на специальные выступы (стержневые знаки). Для подвода расплавленного металла в рабочую полость в форме устраивают литниковую систему, которая состоит из литниковой чаши, стояка и питателей. Литейная опока представляет собой рамочное приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы и заливке её металлом. Верхнюю и нижнюю опоки ориентируют друг относительно друга с помощью металлических штырей, чтобы точно совместить сформированные в них рабочие полости.
Стержневой ящик – это приспособление для изготовления стержней.
Исходным документом для разработки чертежа отливки с модельно-литейными указаниями служит чертеж детали. На чертеже отливки указаны разъем модели и формы, положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней и т.п.
Модели и стержневые ящики для единичного производства изготавливают из дерева; для массового производства – из чугуна, алюминиевых сплавов или из пластмассы.
Припуски на механическую обработку – это слой металла, удаляемый в процессе механической обработки отливки для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности детали.
Для свободного извлечения модели из формы без повреждения ее рабочей полости предусматривают формовочные уклоны и скругления внутренних углов (галтели).
Формовочные и стержневые смеси состоят из наполнителя и связующего. В качестве наполнителя используют песок. Связующие применяют разные: глину, жидкое стекло, масла, смолы и их композиции. Наибольшее распространение получили песчано-глинистые формовочные смеси.
Для придания формовочным и стержневым смесям необходимой прочности их уплотняют или отверждают сушкой, воздействием повышенной температуры, продувкой углекислого газа, а также возможно самопроизвольное отверждение в результате химических реакций, протекающих в смеси после её приготовления.
Формовочные смеси должны обладать огнеупорностью, иметь достаточную прочность, обладать минимальной взаимодействием с расплавленным и затвердевающим металлом, а также они должны иметь высокую газопроницаемость, пластичность и податливость.
Расплавление и доведение сплава до заданного химического состава производят в электропечах индукционных, дуговых или печах сопротивления, могут также использоваться печи с газопламенным обогревом. Для выплавки чугуна могут также использовать вагранки – шахтные печи, которые отапливаются теплом горения кокса. Кокс необходим и для науглероживания выплавляемого чугуна.
Для улучшения качества металл после выпуска из печи часто подвергают разного рода внепечной обработке, модифицированию, вакуумной экстракции, обработке синтетическими шлаками и пр., а затем заливают в формы.
Важным технологическим параметром является температура заливки. При высокой температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, обеспечивая хорошую заполняемость даже самых тонких сечений отливки, но сильно перегретый металл более газонасыщен, сильнее окисляется, увеличивается усадка. Оптимальной является температура заливки на 100…150° выше температуры ликвидуса сплава.
После завершения кристаллизации и охлаждения металла до заданной температуры отливки выбивают, разрушая формы на специальных установках, exp.выбивных решетках, а также удаляют стержни.
Затем следует операция обрубки, т.е. удаление с отливки прибылей, литниковой системы, выпоров, облоя по месту сопряжения полуформ. Обрубку производят газовой или механической резкой, давлением на прессах. Литники с чугунных отливок легко отбивают молотками. Места обрубки зачищают шлифовальными кругами, газопламенной обработкой и т.п.
И, наконец, выполняют очистку отливок – удаляют пригар и остатки формовочной смеси с поверхности.
Для повышения геометрической и размерной точности, улучшения качества поверхности отливок и для достижения других качественных и экономических показателей и применяют специальные способы литья.
Литье в оболочковые формы отличается высокой точностью размеров, требует весьма небольших припусков на механическую обработку. Расход формовочных материалов при такой технологии сокращается, что снижает себестоимость литья. Формы при таком способе литья, представляют собой тонкостенные оболочки, которые получают нанесением на подогретую модель формовочной смеси из песка и термореактивной смолы. После отверждения оболочка снимается с модели. Если форма состоит из нескольких частей, то вначале она собирается в целую, а затем дополняется литниковой системой, помещается в опоку, засыпается песком или дробью и наконец заливается металлом. Затвердевшая отливка освобождается путем разрушения формы.
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок сложной конфигурации с очень малой толщиной стенки 1-3 мм и весом от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Эта технология распространена, например, в художественном литье. Разовые модели изготавливают в пресс-формах, запрессовывая в них пастообразный модельный состав на основе парафина, стеарина или церезина. После затвердевания модель извлекают из пресс-формы и наносят на неё суспензию из пылевидного кварца и этилсиликата в несколько слоёв, обсыпая кварцевым песком и просушивая каждый слой. Затем модель удаляют из формы, выплавляя её в горячей воде. Последующие операции аналогичны технологии литья в оболочковые формы.
Литье в кокиль осуществляют заливкой расплавленного металла в металлические формы, которые и называются кокилем. Кристаллизация металла в кокиле происходит в условиях интенсивного теплоотвода и повышенной скорости охлаждения. Такие условия кристаллизации обеспечивают высокую плотность, размерную точность и хорошие механические свойства отливки. Технология кокильного литья высокопроизводительна, все операции её механизированы и автоматизированы. Она экономична при массовом и крупносерийном производстве. Для повышения стойкости кокилей применяют облицовку рабочей поверхности формовочной смесью с термореактивным связующим.
Литье под повышенным или низким давлением используют в массовом и крупносерийном производстве отливок с очень малой толщиной стенок (до 0,8 мм) и очень высокой точность размеров. Достигаемая точность размеров и высокое качество поверхности часто не требует последующей механической обработки. Литьё осуществляют заполнением пресс-формы расплавленным металлом под давлением 40-100МПа (при холодной камере прессования) или 10-30 МПа (при горячей камерой прессования). После затвердевания металла пресс-форму раскрывают и отливку извлекают. Технология применяется для отливок из относительно легкоплавких сплавов на основе Al, Mg, Zn.
Центробежное литье осуществляют во вращающиеся формы. Центробежные силы прижимают залитый металл к стенкам формы, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок, формирование внутренней полости трубных заготовок без применения стержней, экономию сплава из-за отсутствия литниковой системы. Центробежное литье позволяет получать двухслойные отливки, заливая сначала один сплав, а после его затвердевания другой.
Непрерывное литье осуществляется бесперебойной заливкой металла в водоохлаждаемый кристаллизатор. Внутренняя полость кристаллизатора имеет конфигурацию, которая формирует отливку. Затвердевшая часть отливки вытягивается из кристаллизатора специальным устройством и разрезается на мерные заготовки. Этим способом получают отливки разного профиля с параллельными образующими из чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов. Благодаря кристаллизации в условиях направленного теплоотвода непрерывно литые заготовки не имеют усадочных дефектов и неметаллических включений.
Лекция 5. Железоуглеродистые сплавы. Система железо - графит и железо - цементит.
Наибольшее распространение среди конструкционных материалов имеют сплавы железа с углеродом: стали и чугуны.
Конечно, промышленные стали и чугуны являются многокомпонентными сплавами и содержат кроме железа и углерода еще не один элемент в своем составе, но, именно, эти два компонента Fe и С являются основными структурообразующими элементами. Поэтому в первом приближении фазовый состав сталей и чугунов можно интерпретировать диаграммами состояния Fe-C или Fe-F3C.
Система железо-углерод тем уникальна, что она может быть описана двумя совершенно разными, автономно существующими диаграммами состояния:стабильной диаграммой Fe-C (железо - графит) и метастабильной диаграммой Fe-F3C (железо - цементит).
Хотя эти диаграммы описывают разные системы, их часто изображают нанесенными одна на другую, чтобы сравнить стабильное и метастабильное состояния. Пунктирные линии относятся к диаграмме стабильной системы, сплошные к метастабильной, в некоторых местах линии обеих систем совпадают.
Рассмотрим эти диаграммы, характеристики фаз, составляющих структуры железоуглеродистых сплавов и фазовые превращения, происходящие в системе при изменении температуры и концентрации компонентов.
А
В
С
С
D
F
Е
Е
S
S
P
G
N
J
H
Q
K
6
5
4
3
2
1
C, %
Fe
400
600
800
1000
1200
1400
1600
T, C
+ Fe3C
+ Fe3C
ж + Fe3C
ж +
ж


Fe3C
I
II
IV
V
VI
VII

Рис.23. Диаграммы состояния систем Fe-C и Fe-Fe3C

Точки пересечения линий фазовых равновесий представлены в таблице 1.
Таблица 1. Координаты характеристических точек диаграмм Fe-C и Fe-Fe3C
Точка A B C/C’ D/D’ E/E’ F/F’ H
T, С 1539 1499 1147/1153 1260/3000 1147/1153 1147/1153 1499
С, % мас 0 0,51 4,3/4,26 6,69/100 2,14/2,04 6,69/100 0,1
Точка J N G S/S’ P/P’ K/K’ Q
T, С 1499 1392 911 727/738 727/738 727/738 20
С, % мас 0,16 0 0 0,8/0,7 0,02 6,69/100 0,008
Некоторые из точек диаграмм до сих пор не имеют достаточно достоверных координат, например точка F. Координаты и других точек постоянно уточняются и даже открываются новые линии. Так, сравнительно недавно было получено экспериментальное подтверждение, предположения акад. А.А. Байкова о существовании области гомогенности цементита. Показано, что цементит представляет собой твердый раствор вычитания и может существовать при значительном по сравнению со стехиометрией дефиците углерода
Линии ликвидуса диаграммы Fe-C – ABCD и диаграммы Fe-Fe3C – ABC’D’ отделяют жидкофазное состояние от других состояний, а линии солидуса: AHJECFD (AHJE’C’F’D) – отделяют твердофазные состояния.
Характеристика фаз железоуглеродистых сплавов
Стабильная и метастабильная системы железоуглеродистых сплавов образованы компонентами железом и углеродом, которые имеют полиморфные модификации:
-- -Fe с ОЦК кристаллической решеткой, в кубической элементарной ячейке которой атомы располагаются по вершинам куба и в его геометрическом центре. Железо с ОЦК решеткой устойчиво в двух температурных интервалах до 911 С и в интервале 1392-1539 С, последнюю модификацию часто называют -Fe, подчеркивая высокотемпературную область её существования;
-- -Fe с ГЦК решеткой. Это тоже структура кубической сингонии, но в её элементарной ячейке центрирующие атомы расположены на каждой грани, а в объемном центре атом отсутствует. Железо с ГЦК решеткой существует в интервале температур 911-1392 С.
Углерод тоже может существовать в двух полиморфных модификациях. В последние годы обнаружены ещё две модификации углерода – карбин и фуллерен.
Графит с гексагональной слоистой структурой. Атомы внутри слоя связаны между собой сильными ковалентными и частично металлическими связями. Между слоями связь осуществляется самыми слабыми молекулярными силами, поэтому твердость графита очень низка, а температура плавления, т.е. температура полной деструкции графита как фазы и разрушения её кристаллической структуры, достаточно высока 3000 С. Графит в сплавах стабильной системы может присутствовать в фазовом составе в практически чистом виде;
Вторая модификация углерода – алмаз имеет кубическую гранецентрированную решетку с дополнительными атомами внутри элементарной ячейки. Атомы в решетке алмаза связаны прочными ковалентными связями, что и определяет высокую твердость этой модификации углерода. Хотя экспериментально в реальных железоуглеродистых сплавах алмаз не обнаружен, считается, что метастабильная система Fe-F3C является частью системы железо-алмаз.
Фазы и структурные составляющие
железоуглеродистых сплавов
При смешении железа и углерода образуются следующие фазы:
- жидкий и твердые растворы углерода в железе, а также такие твердые фазы как, химическое соединение карбид железа Fe3C и графит.
Возможно образование двух граничных твердых растворов углерода в полиморфных модификациях железа.
Твердый раствор углерода в -Fe представляет собой раствор внедрения, т.е. атомы углерода занимают некоторую часть октаэдрических пустот в ОЦК кристаллической решетке -Fe. Твердый раствор углерода в -железе называется феррит. Содержание углерода в низкотемпературном феррите весьма небольшое при 20С 0,02%, поэтому прочностные характеристики феррита невысоки: твердость – 80…100 НВ, в = 300МПа. Но феррит обладает достаточно высокой пластичностью = 40%, = 70%. В тоже время неравновесный пересыщенный -твердый раствор – мартенсит, получаемый закалкой высокотемпературной фазы, может содержать углерода до 2,14%, соответственно, твердость мартенсита много выше чем у феррита. В зависимости от содержания углерода твердость мартенсита может повышаться более 600 НВ.
Равновесный феррит может присутствовать в структуре железоуглеродистых сплавов при температурах ниже 911 С. Но выше 1392 С также возможно образование твердого раствора углерода в ОЦК железе Он называется - твердым раствором или высокотемпературным -ферритом.
Граничный -твердый раствор углерода в ГЦК железе тоже относится к твердым растворам внедрения, но параметр решетки у ГЦК железа больше чем у -Fe, больше и размеры октаэдрических пустот, в которых размещаются растворенные атомы углерода, соответственно, растворимость углерода в -Fe выше, до 2,14% масс. Твердый раствор углерода в -Fe называется аустенит. Аустенит пластичен, но прочнее феррита, его твердость 100-200НВ.
Кроме граничных твердых растворов в метастабильной системе Fe-F3C присутствует промежуточная фаза - карбид железа F3C, которая называется цементит. Кристаллическая решетка цементита ромбическая со сложной элементарной ячейкой на 15 атомов, связанных между собой преимущественно ковалентными связями, Поэтому твердость цементита очень высока от 1000-2000НВ. Направленность ковалентных связей предопределяет высокую хрупкость цементита. Содержание углерода в цементите может изменяться, но не превышает стехиометрической концентрации 6,69%, т.е. цементит может быть представлен как твердый раствор вычитания. В кристаллической решетке цементита позиции (узлы), которые должны быть заняты углеродом, могут быть вакантными, соответственно, концентрация углерода в цементите в этом случае будет меньше стехиометрической. Температуру плавления цементита определить трудно из-за его распада при нагреве. Используя лазерный нагрев удалость оценить Тпл цементита в 1260 С.
В обеих системах стабильной и метастабильной реализуются перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное нонвариантные превращения.
Перитектическое превращение происходит в сплавах с содержанием углерода от 0,1% до 0,51% при температуре 1499 С и состоит в том, что ранее образовавшиеся кристаллы -феррита состава точки Н взаимодействуют с жидкой фазой состава точки. В с образованием новой фазы - -твердого раствора.В соответствии с правилом фаз Гиббса перитектическое превращение относится к нонвариантным реакциям:
ж
жВ+ Н J
ж


S P + (Fe3C)K + Fe3C
T,C
, мин
1499
727
Рис.24. Схема термографической кривой охлаждения сплава I с перитектическим и эвтектоидным превращениями.
C = k – f + 1, или 2 – 3 + 1 = 0, т.е. перитектическое превращение идет при постоянной температуре и неизменном составе фаз.
Например: превращения в сплаве I с перитектикой
В сплавах V, VI и VII происходит эвтектическое превращение: при температуре 1147С в метастабильной и при 1154С в стабильной системе жидкость состава точки С или, соответственно, С’ превращается в эвтектическую смесь кристаллов двух твердых фаз – аустенита (-тв. раствора) и цементита (Fe3C). Такая смесь называется ледебурит. В стабильной системе из жидкости образуется аустенито-графитная эвтектика.
Эвтектическое превращение тоже идет при постоянной температуре и неизменном составе каждой фазы.
Железоуглеродистые сплавы, претерпевающие эвтектическое превращение называются чугунами. В бинарных системах Fe-Fe3C и Fe-C к чугунам относятся сплавы с содержанием углерода более 2,14 % (2,04%).
Сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % (2,04%), не претерпевающие эвтектического превращения называются сталями.
И в чугунах, и в сталях происходит нонвариантное твердофазное эвтектоидное превращение при 727(738) С. В метастабильной системе при эвтектоидном превращении -твердый раствор (аустенит) состава точки S распадается с образованием эвтектоидной смеси дисперсных кристаллов -твердого раствора (феррита) и цементита (Fe3C). Такая эвтектоидная смесь называется перлит. В стабильной системе аустенит состава точки S’ превращается в кристаллы феррита и графит, причем графит кристаллизуется на уже имеющихся включениях эвтектического графита, и графитсодержащая эвтектоидная смесь не образуется.
Железоуглеродистые сплавы.
Стали разделяют на доэвтектоидные, например сталь II, эвтектоидную сталь III и заэвтектоидные, например сталь IV.
Равновесная структура доэвтектоидной стали состоит из структурно свободного феррита, который выделился из аустенита до эвтектоидного превращения, и перлита. Структура эвтектоидной стали чисто перлитная, а заэвтектоидная сталь наряду с перлитом содержит избыточный цементит, который тоже выделился из аустенита прежде, чем началось эвтектоидное превращение. Предварительное выделение избыточных фаз феррита и цементита доводит аустенит до эвтектоидного состава - 0,7 (0,8) %С, который при температуре 727 (738)С способен превратиться в перлит.
Реально все фазовые превращения идут с переохлаждением ниже равновесной температуры. Образующаяся при этом квазиэвтектоидная смесь имеет разную дисперсность кристаллов феррита и цементита и может содержать углерода как больше, так и меньше равновесного. Дисперсность перлита повышается с увеличением степени переохлаждения.
Эвтектоидная феррито-цементитная смесь повышенной дисперсности называется сорбит, а эвтектоид еще большей дисперсности носит название – троостит. С увеличением степени дисперсности перлита повышается твердость и прочность железоуглеродистых сплавов. С увеличением в структуре доэвтектоидной стали доли феррита снижается как твердость, так и прочность материала. Появление в структуре заэвтектоидной стали цементита увеличивает её твердость, а прочность повышается только в том случае, если цементит имеет форму изолированных мелких включений. Особенно неблагоприятно расположение избыточного феррита или цементита в виде сетки по границам зерен перлита.
Чугуны кроме деления на доэвтектический, например чугун V; эвтектический чугун VI и заэвтектический, например чугун VII, подразделяются на белые чугуны с метастабильной аустенитно-цементитной эвтектикой (ледебуритом) и серые чугуны со стабильной аустенитно-графитной эвтектикой.
Широкое распространение в качестве конструкционного материала получил серый чугун для отливок. Большая часть деталей машин и различных конструкций изготовлена из литых заготовок серого чугуна. Для получения качественных отливок из серого чугуна необходимо чтобы кристаллизация из жидкой фазы происходила в стабильной системе с образованием аустенитно-графитной эвтектики, а эвтектоидное превращение протекало как метастабильное с образованием перлита. Такая схема превращений обеспечивает высокие прочностные свойства чугуна и хорошую обрабатываемость резанием литых заготовок. При образовании даже небольшого количества ледебурита (метастабильной эвтектики), так называемого отбела чугуна, отливки плохо или совсем не обрабатываются, изготовить из них детали становится невозможно, и они бракуются. Исправить отбел термической обработкой не всегда удается, в этом случае отбеленные отливки отправляют на переплав.
Промышленные железоуглеродистые сплавы являются многокомпонентными и кроме железа и углерода содержат другие элементы, которые влияют на температурно-концентрационные параметры фазовых превращений, структуру и свойства сплавов.
Серый чугун, например, содержит до 3%Si, который является сильным графитизирующим элементом, способным обеспечить формирование стабильной аустенитно-графитной эвтектики. Кроме кремния чугун содержит до 0,7% Mn. Марганец, напротив, повышает вероятность образования метастабильных структур, но наиболее полезным действием марганца в сером чугуне является его способность связывания вредной примеси – серы, которая попадает в чугун вместе с исходными шихтовыми материалами и коксом. Сера способна вызвать сильно развитый отбел в чугунных отливках.
Структура и свойства чугуна для отливок в значительной степени определяются не только составом, но и условиями превращений. Чугун одного и того же состава в зависимости от условий выплавки, внепечной обработки и других параметров литейной технологии может проявлять существенно разные свойства, и наоборот, разные по составу чугуны могут показывать одинаковые прочностные характеристики. Поэтому маркировка чугуна производится по пределу прочности при растяжении образцов, вырезанных из заготовок в виде стержней 30 мм, отлитых в сырую песчано-глинистую форму.
Так, например чугун марки СЧ 20 показал прочность при растяжении образцов не менее 20 кгс/мм2. Если при испытании образцов, полученных описанным способом, предел прочности составил более 25 кгс/мм2, чугуну присваивается марка СЧ 25, и т.д. Серый чугун марок СЧ содержит в своей структуре графит в виде разветвленных пластин, которые прогрессивно разупрочняют металлическую основу. Прочностные характеристики графита по сравнению с металлической основой чугуна ничтожны, и действие графитовых пластинок может быть приравнено к действию трещин. Поэтому серый чугун с пластинчатым графитом типа СЧ не может достигать прочности, сравнимой с прочностью стали, а также не проявляет пластичности.
Но если графитовые включения имеют шаровидную форму, так, например, в высокопрочном чугуне типа ВЧ, его поражающее действие ослабляется, существенно повышается прочность чугуна, и даже проявляется пластичность металлической основы. Маркировка высокопрочных чугунов производится буквами ВЧ и цифрами минимальной прочности в кгс/мм2 или [0,1МПа].
Промежуточная форма графита – вермикулярный графит в чугуне типа ЧВГ и компактный графит отжига в ковком чугуне типа КЧ, который маркируется кроме этих букв цифрами прочности в в тех же единицах и относительного удлинения в процентах.
Железоуглеродистые сплавы, в структуре которых отсутствует эвтектика, называются стали. Стали являются основным конструкционным материалом машиностроения. Заготовки для стальных деталей получают литьем или ковкой сортового проката.
Лекция 6. Основы термической обработки сталей и сплавов.
Стали, двухфазные алюминиевые бронзы, сплавы на основе титана претерпевают эвтектоидное превращение. Теоретической основой термической обработки таких сплавов являются следующие превращения при нагреве и охлаждении относительно критических точек:
- превращение при нагреве до температуры аустенитного состояния;
- фазовая перекристаллизация ;
- превращение аустенита при охлаждении;
- превращения при охлаждении закаленной стали.
Нижняя критическая точка А1 у всех сталей и чугунов лежит на линии PSK, верхняя критическая точка А3 располагается на линии GSE диаграммы состояния Fe-Fe3C.
Положение критических точек реальных сталей в зависимости от скорости изменения температуры может смещаться вверх при нагреве и вниз при охлаждении относительно их равновесных значений. Поэтому критические точки при нагреве стали обозначают Ас1 и Ас3, а при охлаждении Аr1 и Аr3.
Превращения в стали при нагреве
Таким образом при нагреве стали выше Ас1 происходит превращение обратное эвтектоидному:
ПА, или (+Fe3C).
В интервале температур Ас1 - Ас3 происходит постепенное превращение (растворение) избыточных фаз феррита или цементита в аустените:
ФеА или ЦА, т.е. или Fe3C и выше температуры Ас3 сталь находится в аустенитном состоянии.
V2
V1
T,C
, мин
727
ППА
А
Рис.25. Влияние скорости нагрева на кинетику превращения перлита в аустенит
Перегрев стали выше нормальной температуры объемной закалки допускается только при высокоскоростных способах нагрева, например, токами высокой частоты.
После завершения ПА превращения вновь образовав-шийся аустенит химически неоднороден. Он будет высокоуглеродистым там, где в исходном перлите была цементитная пластинка и низкоуглеродистым в том месте, где до превращения был феррит. Чтобы выровнять аустенит по составу необходимы перегрев и выдержка при температуре аустенитизации.
Поэтому если термообработка предусматривает аустенитизацию, то температура нагрева выбирается из расчета: Тн = Ас3 + 30…50 С.
Превращение ПА происходит путем зарождения зерен аустенита на границах зерен перлита. Затем зерна аустенита растут вначале за счет превращения ПА, а после завершения превращения идет укрупнение зерен путем собирательной рекристаллизации, т.е. зерна растут посредством поглощения более мелких зерен. Собирательная рекристаллизация и рост зерна аустенита идет тем интенсивнее, чем выше температура перегрева над критической точкой Ас3.
нмз
нкз
ТС
Ас3
Rз, мм
Рис.26. Влияние перегрева на рост зерна аустенита в наследственно крупно- и мелкозернистых сталях
Стали с крупнозернис-той структурой обладают низкими прочностными свойствами, поэтому значи-тельный рост зерна при нагреве нужно предотвра-щать.
Кроме регламентиро-вания температуры перегрева стали над Ас3 применяют специальное легирование, в результате которого получают наследственно мелкозернистые стали, у которых интенсивный рост зерна начинается при более высоких температурах перегрева, тогда как у наследственно крупнозернистых сталей рост зерна начинается при температуре чуть выше Ас3.
Различают следующие виды зерна аустенита:
-начальное зерно, образовавшееся при ПА и еще не претерпевшее рост. Размер его тем меньше, чем мельче зерна исходного перлита, на границах которого зарождается аустенит;
- наследственное зерно, под которым следует понимать склонность образовавшегося зерна к росту;
- действительное зерно – размер зерна аустенита, полученный в данном сплаве и в данных условиях перегрева.
Из мелкозернистого аустенита при последующем резком охлаждении или с умеренной скоростью в результате превращений АМ или АП получают мелкоигольчатый мартенсит или мелкозернистый перлит, обеспечивающие наилучший комплекс прочностных свойств. Иными словами, именно действительное зерно аустенита определяет свойства стали после термообработки, а начальное и наследственное зерно определяют условия получения мелкого действительного зерна.
Превращения аустенита при охлаждении
При охлаждении ниже критической точки Аr3 в интервале Аr3-Аr1 из аустенита начинают выделяться в доэвтектоидных сталях избыточный феррит, а в заэвтектоидных - избыточный цементит:
А Фе или А Ц, иными словами или Fe3C Fe3C .
При охлаждении ниже Аr1 происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит:
АП или + Fe3C.
Критические точки Аr3 и Аr1в значительно большей степени чувствительны к скорости охлаждения, чем критические точки при нагреве.
При малых переохлаждениях t1, t2 перлитное превращение идет с малой скоростью из-за малой термодинамической активации превращения, по мере увеличения переохлаждения превращение начинается раньше, поскольку устойчивость аустенита уменьшается, достигая минимальной при переохлаждении t3. При более глубоких переохлаждениях t4, t5 устойчивость аустенита против перлитного превращения вновь возрастает вследствие подавления диффузионных процессов при низкой температуре. Превращения аустенита при различных переохлаждениях в зависимости от времени описывают так называемые С-диаграммы или диаграммы изотермического превращения.
ТС
Ас1а1б1б2а2б3
а3
а4а5
б4б5
t5
t4
tmt2
t1
Мн
А
А
ПАП
Перлит, 15 HRC
Сорбит, 25 HRC
Троостит, 30 HRC
Вр.бейнит, 35HRC
Нж.бейнит, 45HRC
Мартенсит, 60HRC
Рис.27. Кинетика изотермического превращения переохлажденного аустенита и твердость его продуктов
Эти диаграммы строят эксперимен-тально для каждой марки стали. Первая С-образная линия соответствует началу превращения переох-лажденного аустени-та в перлит, вторая линия – завершению этого превращения.
Возрастание переохлаждения вплоть до температуры минимальной устойчивости аустенита tm увеличивает дисперсность продуктов перлитного превращения. Превращение аустенита при таких переохлаждениях образует перлит, сорбит или троостит, которые представляют собой эвтектоидные феррито-цементитные смеси возрастающей дисперсности и твердости.
При более глубоких переохлаждениях происходит промежуточное или бейнитное превращение аустенита, которое состоит в диффузионном перераспределении углерода (углерод выделяется из аустенита с образованием сверхмелких карбидов) и сдвиговой перестройке кристаллической структуры - Fe в -Fe (ГЦКОЦК).
с/а/
1,08
1,06
1,04
1,02
0,6
0,8
1,0
1,2
1,8
С, % масс.
1,4
1,6
0,4
0,2
Рис.28. Зависимость степени тетрагональности мартенсита от содержания в нем углерода.
Если удается переохладить аустенит ниже температуры Мн (см. рис 27), то происходит мартенситное сдвиговое превращение без предварительной диффузионного выделения углерода. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -Fe – мартенсит.
Эта фаза имеет тетрагональую объемноцентрированную кристалл-лическую структуру (ОЦТ), причем степень тетрагональности (отноше-ние параметров решетки с/а) возрастает с увеличением содер-жания углерода в мартенсите.
Рис.30. Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали.
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Аост, %
80
60
40
20
С, % масс.
Мн
Мк
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
С, %масс
Т, С
600
400
200
0
-200
Рис.29. Влияние содержания углерода в аустените на температуры начала Мм и конца Мк мартенситного превращения в стали
Мартенситное превращение происходит в интервале температур Мн-Мк. Температуры начала и конца мартенситного превращения снижаются по мере возрастания содержания углерода в аустените. В заэвтектоидных сталях точка Мк может перейти в область отрицательных температур, тогда после охлаждения до комнатной температуры в структуре закаленной стали останется некоторое количество непревращенного остаточного аустенита, Аост. Естественно, чем больше углерода растворено в аустените, тем больше его останется в стали после закалки. Присутствие в структуре закаленной стали снижает ее твердость.
Превращения при отпуске закаленной стали
После закалки сталь имеет структуру тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Свежезакаленное состояние стали характеризуется крайней нестабильностью структуры и свойств, высокими остаточными напряжениями и хрупкостью. Стальные изделия после закалки использовать в эксплуатации нельзя, более того они могут повреждаться даже от воздействий, получаемых при транспортировке и хранении. Поэтому все закаленные изделия подвергают отпуску.
Сод-е С в мартенсите
Кол-во Аост
Напряжения II рода
Размер частиц карбидов
100
200
300
400
600
500
Тотп,С
Рис.31. Влияние температуры отпуска на структуру и остаточные напряжения в закаленной стали.
Отпуск – это термическая обработка закаленных сплавов (главным образом стали), которая заключается в нагреве ниже нижней критической точки Ас1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска — снятие остаточных напряжений и получить оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.
Докритический интервал температур 20-600С, можно разделить на четыре интервала, в которых происходят основные процессы, определяющие результаты отпуска, а именно:
- выделение углерода из пересыщенного -твердого раствора и снижение тетрагональности мартенсита активно протекает в I температурном интервале до 150 С, затем менее интенсивно идет во II и III интервалах вплоть до 400 С;
-превращение остаточного аустенита в мартенсит происходит во II интервале температур (150-250 С);
- снижение внутрикристаллических напряжений, напряжений II рода начинается сразу, но наиболее интенсивно протекает в III интервале от 250 до 400 С;
- образование карбидных частиц начинается в III интервале при температуре выше 300 С, а интенсивная их коагуляция (рост) - в IV интервале при температурах 500-600 С.
Игольчатый характер структуры при отпуске сохраняется до высоких температур отпуска, у некоторых сталей вплоть до 550 С.
Изменение свойств стали при термической обработке
Закаленная сталь, имеет структуру тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита и характеризуется высокой твердостью, зависящей от содержания углерода.
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
С, %масс
HRC
60
50
40
30
HRCcт
1,4
1,6
Hмарт
Рис.32. Влияние содуржания углерода на твердость закаленной стали и микротвердость мартенсита.
Твердость закаленных сталей с увеличением содержания углерода до 0,8% растет, дальнейшее увеличение содержания углерода в стали ведет к уменьшению твердости закаленных структур в связи с прогрессирующим увеличением количества остаточного аустенита, но микротвердость собственно мартенсита продолжает повышаться и в высокоуглеродистых сталях.
Кроме твердости работоспособность стальных изделий зависит и от способности к микропластическому деформированию стали, часто говорят вязкости стали.
Обычно стали, обработанные на высокую твердость обладают низкой пластичностью, но и при одинаковой твердости, вязкость стали может существенно различаться в зависимости от структуры.
Чем грубее структура, т.е. крупнее иглы мартенсита и зернистость структуры, тем более хрупким будет разрушение, снижаются пластические характеристики и, особенно, ударная вязкость стали.
Наилучший комплекс механических свойств обеспечивает мелкоигольчатый мартенсит, который может получиться только при закалке мелкозернистого аустенита.
Отпуск заключительная операция термообработки, которая придает изделию окончательные свойства. Прочностные и пластические свойства в зависимости от температуры отпуска изменяются следующим образом.
Рис.33. Влияние температуры отпуска на свойства закаленной стали
в
НВ


100
200
300
400
600
500
Тотп,С
т
т
в
НВ



в
т
в
НВ

По мере повышения температуры отпуска до 550-600 С возрастают значения пластических характеристик и , а параметры прочностных свойств, в,т и НВ, снижаются.
Ударная вязкость KCU у закаленной стали очень низкая и остается невысокой при отпуске до 400С, при более высоких температурах отпуска ударная вязкость растет.
В некоторых сталях, легированных Cr, Mn, Si, Ni, при отпуске возможно развитие отпускной хрупкости в двух интервалах температур: 300С - (I рода) и 500С (II рода). При высоких скоростях охлаждения второй интервал отпускной хрупкости не проявляется.
Выбор температуры отпуска диктуется условиями работы детали.
Если деталь работает в условиях изнашивания, противостоять которому может высокая твердость поверхности, назначается низкий отпуск при температурах 150-200 С;
Средний отпуск при 300С применяют для упругих элементов механизмов – пружин, рессор и т.п., поскольку в этом температурном интервале закаленные структуры приобретают структуру сорбита, обладающего высоким пределом упругости упр.
Высокий отпуск 500-600С в сочетании с предварительной закалкой называется улучшением. Структура улучшенной стали – мелкозернистый перлит. Свойства характеризуются наилучшим сочетанием прочности и пластичности. Улучшение стали применяется для большинства ответственных и тяжелонагруженных деталей.
Поверхностное упрочнение стальных изделий
Если наряду с работой в условиях сложного напряженного состояния, деталь подвергается интенсивному износу, применяют поверхностное упрочнение: используют поверхностную закалку, чаще всего с нагрева ТВЧ, или применяют химико-термическую обработку. В результате такой обработки изделия имеют высокую твердость поверхности, а основное сечение при этом обладает хорошими пластическими свойствами и ударной вязкостью.
Поверхностный нагрев под закалку токами высокой частоты (ТВЧ) производится в индукторе, повторяющем внешние контуры детали. Электрические параметры процесса и время нагрева позволяет строго регламентировать необходимую толщину слоя, нагреваемого до температуры закалки. После достижения заданной температуры, генератор ТВЧ отключают и производят закалочное, чаще всего спреерное, охлаждение, струями воды, подаваемой под давлением через отверстия в спреере, совмещенном с индуктором. Поверхностные слои, нагретые до температуры выше Ас3+70…100С закаливаются на мартенситную структуру, а сердцевинные области, не подвергавшиеся нагреву имеют исходную структуру, полученную в результате предварительной нормализации или улучшения
Химико-термическая обработка состоит в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделия неметаллами (С, N, Si, B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) при повышенной температуре в активной газовой или жидкой среде и последующей термической обработке изделия.
Наибольшее применение имеют такие виды ХТО, как: цементация, нитроцементация, азотирование. Производится также насыщение бором - борирование, кремнием - силицирование, алюминием - алитирование, хромом - хромирование.
Цементация насыщение поверхностных слоев изделий из низкоуглеродистой стали углеродом, чаще всего из газовой атмосферы, содержащей большое количество окиси углерода СО и углеводородов. Процесс насыщения протекает при температуре 950-980С в течение нескольких часов. Оптимальная толщина науглероженного слоя для большинства деталей составляет 0,7-1,2 мм, содержание углерода на поверхности 0,8%. После науглероживания изделия подвергают закалке с объемного повторного нагрева. В результате цементации и закалки поверхностные науглероженные слои приобретают высокую твердость и износостойкость, а малоуглеродистая сердцевина обеспечивает достаточную надежность детали в эксплуатации, поскольку она сохраняет высокую пластичность и ударную вязкость.
Лучших эксплуатационных характеристик удается достичь при одновременном насыщении поверхности углеродом и азотом. Процесс называется нитроцементацией и во многом подобен цементации. Температура насыщения несколько ниже 850…870 С, активная атмосфера дополнительно содержит аммиак. Закалка производится непосредственно после завершения диффузионного насыщения, используя нагрев этого этапа.
Кроме повышения износостойкости и усталостной прочности некоторые виды ХТО повышают окалиностойекость, теплостойкость, сопротивление коррозии и воздействию агрессивных сред (борирование, силицирование, алитирование и хромирование).
Лекция 7.
Практические вопросы термической обработки стали
Закалка стали состоит в нагреве до температуры аустенитизации, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью не менее критической скорости закалки.
Температуру нагрева под закалку выбирают в соответствии с критическими точками данной марки стали. Для нелегированных сталей температуру нагрева можно в первом приближении определить по диаграмме состояния Fe-Fe3C.
ТС
G
S
E
P
% C
А
А+Фе
А+ЦРис.34. Интервал температур нагрева под закалку сталей
Для доэвтектоидных сталей оптимальная температура закалоч-ного нагрева равна tз=: Ас3 + 30…50. Таким образом, сталь должна быть полностью аустенитизирована. Если при нагреве в структуре стали останется некоторое количество феррита, то в результате закалки получится структура мартенсит и феррит. Присутствие феррита в структуре закаленной стали снижает её твердость и является дефектом термической обработки, который называется недогрев.
Для заэвтектоидной стали, напротив, оптимальным является нагрев под закалку в межкритическом интервале температур Ас3- Ас1, а именно: tз= Ас1+ 30…50. Для высокоуглеродистых сталей выполняют, так называемую, неполную закалку, в результате которой стараются получить структуру мартенсита с глобулярными включениями цементита. Такая структура соответствует принципу Шарпи и обладает высокой износостойкостью. Полная аустенитизация сталей с высоким содержанием углерода снижает твердость и износостойкость закаленных изделий вследствие роста действительного зерна аустенита и образования крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита.
Время нагрева под закалку включает продолжительность собственно прогрева изделия до заданной температуры, а также изотермическую выдержку для выравнивания состава аустенита по всему сечению металла: з=н+в.
Время нагрева (н) зависит от нагревательной способности среды, от размеров и формы деталей, от способа укладки деталей в печи. Время выдержки (в) определяется скоростью фазовых превращений, степенью перегрева и дисперсностью исходной структуры. Для крупных деталей нв.
В технической литературе существует множество справочных данных для назначения времени нагрева, приблизительно этот технологический параметр можно рассчитать по формуле:
,
где D – характеристический размер (минимальный размер максимального сечения), например для пластины это толщина сечения, мм;
К1 – коэффициент нагревающей среды: для газа он равен 2, для расплава солей – 1, для расплава металла – 0,5;
К2 – коэффициент формы детали: для шара он равен 1, для цилиндра – 2, для параллелепипеда – 2,5; для пластины – 4;
К3 – коэффициент равномерности нагрева: в случае всестороннего нагрева он равен 1, для одностороннего – 4.
Приведенные значения этих эмпирических коэффициентов справедливы для расчета времени нагрева до температур 800…900 С. Время прогрева детали до более высоких температур будет меньше расчетного, а до более низких температур прогрев будет идти медленнее.
Атмосфера нагревательной печи может взаимодействовать с материалом деталей, вызывая, во-первых, обезуглероживание её поверхностных слоев по реакции: [С] + О2 СО2, во-вторых окисление стали: 2[Fe] + O2 2[FeO].
Интенсивность окисления и обезуглероживания усиливается с повышением температуры, увеличением времени нагрева и окислительной способности печной атмосферы, а также она зависит от состава стали.
Для безокислительного (светлого) нагрева применяют контролируемые печные атмосферы, газовую смесь для которых приготавливают в специальных устройствах или непосредственно на входе в печное пространство.
Для безокислительного нагрева применяют также нагрев в расплавленных солях и металлах. Составы некоторых соляных ванн для нагрева под разные виды термической обработки приведены в таблице 2.
Таблица 2. Составы и характеристики соляных ванн для термической обработки сталей и сплавов.
Состав соляной ванны Температура плавления соляной смеси, tпл, С Рабочая температура соляной ванны, СОбласть применения
BaCl2 900 1000-1300 Нагрев под закалку быстро-режущих и нержавеющих сталей
78% BaCl2 + 22%NaCl 640 750-900 Нагрев под закалку угле-родистых и низколегирован-ных сталей
NaNO3 310 400-550 Отпуск, охлаждение при ступенчатой закалке
50%NaNO3 + 50%KNO3 220 300-400 , мин
Т,С
А1А3
Мн
А
АФе
АПРис. 35. С-кривая превращения аустенита и оптимальная кривая закалочного охлаждения стали
Охлаждение при закалке сталей производят в различных закалочных средах с разной охлаждающей способностью. Правильно выбранная закалочная среда, с одной стороны, должна обеспечить на заданном расстоянии от поверхности скорость охлаждения не менее критической скорости закалки для данной марки стали. С другой стороны, в интервале температур затрудненной пластической деформации, где термические и фазовые напряжения не могут релаксировать и возникает опасность закалочных трещин, интенсивность охлаждения должна снижаться. Таким образом, оптимальная кривая охлаждения должна выглядеть следующим образом:
Вокруг нагретой детали при погружении её в закалочную жидкость образуется паровой слой, начинается стадия пленочного кипения жидкости. Паровая рубашка затрудняет теплоотвод от поверхности детали и снижает интенсивность её охлаждения. По мере снижения температуры детали характер кипения окружающей её закалочной жидкости сменяется жидкости на пузырчатое кипение. Паровая рубашка вокруг детали разрывается, у её поверхности происходит активное перемешивание жидкости, и как следствие, интенсивность охлаждения резко увеличивается. Когда температура детали снижается ниже точки кипения жидкости, наступает следующий этап конвективного теплоотвода, характеризующийся малой интенсивностью охлаждения. Закалочные среды характеризуются разной интенсивностью охлаждения, и пузырьковое кипение у них развивается в разных температурных интервалах. Характеристики основных закалочных сред приведены в таблице.
Таблица 3. Характеристики закалочных сред
Закалочная среда Температурный интервал пузырькового кипения, СОтносительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипения
Вода, 20 С400-100 1
Горячая вода, 80 С250-100 0,2
1%-й водный раствор NaCl 500-100 1,5
10 %-й водный раствор NaCl 600-100 3,0
Минеральное масло, 20…200С500-250 0,3
Из данных, приведенных в таблице, видно, что достаточно высокая охлаждающая способность воды может быть в несколько раз увеличена путем растворения в ней соли или также значительно снижена при подогреве. При этом подсаливание воды значительно расширяет температурный интервал пузырькового кипения в сторону повышенных температур, обеспечивая критическую скорость закалки для большинства сталей. Но нижняя температурная граница этой интенсивной стадии кипения и в чистой, и в соленой, и даже в подогретой воде не поднимается выше 100С, что вызывает опасность образования закалочных трещин, особенно в деталях сложной геометрии из легированных сталей с высоким содержанием углерода.
Для закалки таких изделий используют минеральное масло, которое имеет оптимальный интервал пузырькового кипения и обеспечивает скорость охлаждения выше критической, не вызывая коробления деталей и образования трещин.
Для обеспечения качественной закалки деталей сложной формы используют различные способы, различающиеся схемами охлаждения, рис. 36.
t, C
, мин
Мн
Ас3
1
2
3
4
Рис. 36. Схемы охлаждения при различных способах закалки стали
1- закалка в одной охлаждающей среде (для деталей сечением 2…5 мм из углеродистых сталей – вода; при меньшем сечении и для деталей из легированных сталей – масло);
2 – прерывистая закалка поочередно в двух средах, например до температуры 300…350С охлаж-дение в воде, затем - в масле. Такой способ закалки снижает уровень закалочных напряжений и опасность трещинообразования;
3- ступенчатая закалка, при которой деталь помещают в соляную ванну с температурой на 30…50С, где она быстро охлаждается до температуры ванны во всех точках своего сечения, затем охлаждение в любой среде с низкой интенсивностью теплоотвода, например, на воздухе, во время которого происходит мартенситное превращение переохлажденного аустенита;
4 – изотермическая закалка, нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой 250…350С, где выдерживается до полного превращения аустенита в верхний или нижний бейнит. Твердость стали после изотермической закалки на бейнит несколько ниже, чем у стали с мартенситной структурой, выше ударная вязкость, что повышает эксплуатационные свойства изделия.
Лекция 8. Конструкционные и специальные стали и сплавы
Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин или механизмов и строительных конструкций. Они могут быть углеродистыми или легированными.
Углеродистые стали кроме железа и углерода содержат ряд технологических и вредных примесей.
Технологические примеси (Si до 0,37%, Mn до 0,8%, небольшие добавки Al) вводятся в сталь в процессе плавки с целью раскисления и удаления вредных примесей.
Вредные, но неизбежные примеси (S и P) попадают в сталь из сырьевых материалов. Сера в сплавах железа образует легкоплавкую эвтектику по границам зерен (Тэ=988 С). При нагреве под ковку или штамповку (ТОМД1000С) сернистая эвтектика оплавляется и при последующем механическом воздействии ОМД в металле образуются надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость стали. Аналогично влияние фосфора.
В зависимости от содержания S и P углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества (0,050%S, 0,040%Р) и качественные стали (0,040%S, 0,035%Р).
Для неответственных или малонагруженных деталей и конструкций используют углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества), которые могут поставляться с регламентируемым составом или с регламентируемыми свойствами, Маркировка сталей общего назначения Ст.1, Ст 2 и т.д. Кроме того, стали этого класса при плавке могут подвергаться не полному раскислению. В зависимости от степени раскисления в обозначении марки стали введены буквы: кп – кипящие (малораскисленные), пс – полуспокойные и сп –спокойные (раскисленные полностью).
Качественные углеродистые стали маркируются цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента в доэвтектоидных сталях и в десятых долях процента в эвтектоидных и заэвтектоидных, последние в начале марочного обозначения имеют букву У.
Например, сталь 20 содержит 0,20 %С, а сталь У10 – 1,0%С.
Углеродистые стали обычно объемной закалке не подвергают из-за низкой прокаливаемости.
Для изготовления ответственных и тяжелонагруженных деталей машин и конструкций, которые необходимо подвергать упрочнению термической обработкой для достижения требуемой конструкционной прочности, применяют легированные стали.
Легированные стали, помимо обычных примесей содержат т. н. легирующие элементы (напр.,— Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.), введенные в состав сплавов для придания им определенных физических, химических или механических свойств, чаще всего с целью увеличения прокаливаемости и измельчения зерна.
Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.
Н- никель Б – ниобий Г – марганец
Х – хром М – молибден Ю - алюминий
Т - титан Ц – цирконий В - вольфрам
Р – бор С – кремний К – кобальт
Д - медь П – фосфор Ф - ванадий
Ч - РЗМ А: в середине марки – азот; в начале – автоматная сталь; в конце – высокочественная (S и P 0,03%)
Маркировка легированных сталей обычно производится по химическому составу. На первом месте цифрами указано содержание углерода в сотых или десятых долях процента, аналогично маркировке качественных углеро-дистых сталей. Затем буквами зашифровы-ваются легирующие элементы, концентра-ция которых указана цифрами в % после соответствующей буквы
Специальные стали могут маркироваться с отклонениями от стандартного обозначения.
По назначению среди легированных сталей можно выделить следующие группы:
Цементуемые стали. Имеют низкое содержание углерода – 0,07%...0,25% и обычно комплексное легирование, цели которого:
-предотвратить рост зерна аустенита при длительных высокотемпературных (840-980С) нагревах на этапе диффузионного насыщения поверхности углеродом или углеродом и азотом (Mo, Ti, Nb, РЗМ);
- обеспечить сквозную прокаливаемость (Cr, Si, Mn, Ni, B) при последующей закалке.
Для изделий простой конфигурации, не испытывающих высоких напряжений используют нелегированные или малолегированные стали: 10, 20, 15Х; - для тяжелонагруженных деталей, испытывающих ударные нагрузки, работающих в условиях низких температур: 18ХГТ, 20ХГНР, 20ХН3А, 25ХГНМФР.
Улучшаемые стали. Среднеуглеродистые (0,3-0,4%С) и среднелегированные (3-5% л.э. в сумме) стали. Легирование направлено на обеспечение сквозной прокаливаемости, т.к. улучшение – это объемная закалка, которая должна обеспечить получение мартенситной структуры во всем сечении детали, и высокий отпуск 550-600 С. Кроме того легирующий комплекс часто содержит около 0,1% элементов, измельчающих зерна (V, Zr, Ti, Nb).
Свойства сталей в термоулучшенном состоянии близки, поэтому при выборе марки стали исходят из необходимой прокаливаемости.
Для деталей большого сечения выбирают комплексно легированные стали. Во избежание развития отпускной хрупкости для деталей большого сечения применяют стали, легированные молибденом, например 40 ХНМ, 30ХМ.
Для деталей, работающих в условиях Севера используют стали, содержащие никель, значительно повышающий ударную вязкость и хладноломкость стали, например сталь 40ХГНР.
Строительная и арматурная стали. Для строительных конструкций, мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и других конструкций, в которых обычно применяют сварные соединения, содержание углерода ограничивается 0,22…0,25%. Используются углеродистые стали обыкновенного качества, например Ст3, или низколегированные, например, 17ГС, 17ГСБ, 08Г2СФБ (Т50= -70С).
Для армирования железобетонных конструкций используют пластины и прутки из стали марок Ст3, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т в термообработанном или необработанном состоянии.
Пружинные стали. При работе пружин и рессор наиболее важными являются упругие свойства стали, поэтому необходимо получить высокий предел текучести т. Высокие значения т обеспечивает закалка с последующим средним отпуском 300-400С.
Наибольшее распространение получили кремнистые и кремниймарганцовистые марки пружинных сталей с содержанием углерода 0,5-0,7%, например, 55С2, 60СГ, 60С2ХА.
Шарикоподшипниковая сталь. Элементы подшипников качения должны иметь высокую твердость, которая обеспечивается закалкой стали, с повышенным содержанием углерода (1,0-1,1%).
Заэвтектоидная сталь подвергается неполной закалке из межкритического интервала температур от температуры Ас1+30…50С и после закалки имеет структуру мартенсит с включениями избыточных карбидов. Низкий отпуск при 150-160С практически не изменяет структуру и твердость стали, твердость 62HRC.
Для достижения сквозной прокаливаемости и дополнительного повышения твердости за счет легирования карбидов шарикоподшипниковую сталь легируют хромом в количестве 1,0-1,5%.
Поскольку эта сталь весьма специального назначения – преимущественно для подшипников качения, в маркировке это отражено буквой Ш, содержание углерода не отражено, а концентрация основного легирующего элемента хрома указано в десятых долях процента после буквы Х.
Наиболее распространены марки шарикоподшипниковой стали ШХ15, ШХ15ГС.
Для подшипников, работающих в агрессивных средах используют сталь Х18, состава 1% С, 18%Cr, ост. Fe и примеси, после закалки от 1050С в масле, обработки холодом при -70С и низкого отпуска150-160С, при твердости 60-61 HRC.
Для подшипников, работающих при повышенных температурах (400-500С) используют сталь типа быстрорежущей, например Р9, но с пониженным содержанием вольфрама, чтобы избежать карбидной неоднородности.
Лекция 9.
Специальные стали и сплавы.
Инструментальная сталь. Инструменты можно условно разделить на измерительные, штамповые и режущие, условия работы этих групп инструментов существенно разнятся, соответственно и требования к материалам для них разные.
Материалы для режущих инструментов должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.
Чем интенсивнее режимы резания, т.е. чем выше скорость и усилия резания, чем выше прочность и вязкость обрабатываемого металла, тем сильнее разогревается режущая кромка инструмента. Работоспособность инструмента в этих условиях будет зависеть от теплостойкости инструментальной стали, т.е. от её способности не снижать твердость под действием повышенных температур.
Теплостойкость углеродистых и низколегированных сталей, например, У10А, У13А не более 200С.
Поэтому углеродистые инструментальные стали заэвтектоидного состава применяют для изготовления:
- измерительного инструмента, для которого важно сохранять неизменные размеры и сопротивляться износу при комнатной температуре;
-небольших штампов холодной высадки или вытяжки, работающих при невысоких нагрузках;
- для мелких инструментов с режущей частью, не превышающей глубину прокаливаемости нелегированной стали. Это могут быть метчики, развертки, напильники, пилы и пр.
Если требуется термическое упрочнение на большую глубину применяют низколегированные Cr, Mn, Si, W стали (не более 5% легирующих элементов в сумме). В состоянии закалки и низкого отпуска со структурой мартенсит и мелкие, равномерно распределенные карбиды, низколегированные стали хорошо сопротивляются деформациям и растрескиванию, но имеют низкую теплостойкость не выше 200-280С и не могут использоваться при интенсивных режимах резания или для изготовления штампов горячей обработки давлением.
Быстрорежущие стали. Быстрорежущие стали относятся к высоколегированным сталям с содержанием углерода также более 1%. Они имеют более высокую теплостойкость и сохраняют твердость до 560-640 С.
В марочном обозначении быстрорежущих сталей присутствует буква Р на первом месте., затем указано процентное содержание основного легирующего элемента – вольфрама. Содержание ванадия до 2% и хрома до 4% в марке не отображается. Дополнительное легирование Mo, Co, V2% обозначается в марке буквами М, К и Ф с соответствующими их процентному содержанию цифрами, например,Р18, Р9Ф5, Р10К5Ф5, Р6М5.
В литом и отожженном состоянии структура быстрорежущих сталей содержит карбидную эвтектику, которую устраняют дроблением карбидов при горячей деформации.
Общее количество карбидов в структуре составляет 22-28 объемных %. По фазовому составу карбиды представлены: Fe3W3C(Me6C), где Ме - V Cr; (FeCr)23C6; VC(MeC) Me6C.
В состав карбидов входит до 80-95%W+V и до 50%Cr, остальная часть легирующих элементов растворена в -твердом растворе.
Термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали включает закалку от 1270-1290 С и трехкратный отпуск при 550-570С, иногда между закалкой и отпуском выполняют обработку холодом при −80С для превращения остаточного аустенита.
После термообработки структура быстрорежущей стали представляет собой мартенсит и равномерно распределенные мелкие карбиды, твердость 63-65HRC.
Порошковые твердые сплавы. Порошковые твердые сплавы состоят из высокотвердых тугоплавких карбидов W, Ti, Ta, соединенных металлической связкой из Со.
Изготавливают твердосплавные инструменты методами порошковой металлургии. Вначале получают порошки карбидов и Со, затем смешивают их в заданной пропорции. Смесь порошков уплотняют в пресс-форме, получая заготовку необходимой конфигурации. Затем прессовку нагревают при 1400-1550 С, кобальт плавится и растворяет часть карбидов.
Полученный спеченный материал состоит на 80-85% из карбидных частиц. Его твердость достигает 74-76 HRC, а теплостойкость повышается до 800-1000С.
Получаемые таким способом твердые сплавы принято делить на следующие группы:
- вольфрамовые сплавы, содержащие только карбиды вольфрама, например, ВК3(WC-97%; Co- 3%) 89,5 HRC, ВК10 - 87 HRC;
-титановольфрамовые сплавы, в состав которых входят карбиды вольфрама и карбиды титана, например, Т30К4 (WC-60%, TiC-30%< Co-4%) - 92 HRC;
-титанотанталовольфрамовые сплавы, карбидная фаза которых состоит из карбидов W, Ti и Ta, например, ТТ7К12 с твердостью 90,5 HRC.
Сверхтвердые материалы. Инструменты для чистовой обработки изготавливают из сверхтвердых материалов, таких, например, как алмаз.
Алмаз имеет твердость 10000 HV, что в 6 раз превышает твердость карбида вольфрама (1700 HV). Для изготовления инструмента широко применяются синтетические алмазы - борт, баллас и карбонадо поликристаллического строения. Эти разновидности алмазов относительно недороги, менее хрупкие и более теплостойкие, чем монокристаллы.
Алмаз теплостоек до температуры 800С, при более высоких температурах он графитизируется. Из-за высокой адгезии к железоуглеродистым сплавам алмазный инструмент ограниченно используется при точении стали и чугуна, но широко применяется для обработки цветных металлов и сплавов, керамики и пластмассы.
Для чистовой обработки труднообрабатываемых сплавов на основе железа применяют такие материалы на основе поликристаллического нитрида бора BN с кубической структурой (боразона), как эльбор, эльбор-Р. По твердости (9000 HV) эти материалы приближаются к алмазу, а теплостойкость их достигает 1200С. По отношению к железу нитрид бора химически инертен.
Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы.
Жаростойкость (окалиностойкость) это способность металлических сплавов противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной газовой среды при высоких температурах (550С). Жаростойкие сплавы способны работать при повышенных температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.
Для повышения окалиностойкости сталь легируют хромом, алюминием, кремнием, никелем. Если рабочая температура составляет 900С, то содержание хрома в стали должно быть не менее 10%, для работы при температуре 1100С необходимы стали с содержанием хрома 20%. Структура жаростойких сталей должна быть однофазной ферритной (хромистые стали) или аустенитной (хромо-никелевые).
Марки жаростойких сталей и сплавов:
прокат – 12Х17 (tраб=900С), 12Х18Н9Т (tраб=850С), 12Х25Н16Г7АР (tраб=1100С), ХН45Ю (tраб=1400С), ХН78Т (tраб=1150С);
для литья – 15Х25ТЛ (tраб=1050С), 15Х25Н19С2Л (tраб=1150С).
Жаропрочность это способность конструкционных материалов (главным образом, металлических сплавов) выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью.
Предельное напряжение, при котором может работать деталь из жаропрочной стали при повышенной температуре, в значительной степени зависит от времени приложения нагрузки, и поэтому называется длительной прочностью, 100. Индекс здесь обозначает время приложения нагрузки в часах.
При повышенных рабочих температурах - 1 10 100 300, tраб=20С, то 1 = 10 = 100 = 300.
Увеличение с течением времени деформации при повышенной температуре и постоянном напряжении называется ползучестью. Скорость ползучести интенсивно возрастает при температуре выше температуры рекристаллизации tрекр.= аTпл (коэффициент а зависит от чистоты металла, так для чистых металлов а0,2; для металлов технической чистоты - а0,4, для твердых растворов – а0,7…0,8). Поэтому рабочая температура жаростойких сталей и сплавов должна быть ниже tрекр. Например:
Al и его сплавы Fe Motпл , С 657 и ниже 1539 2600
tраб,С 250 700 1200-
1400.
Но некоторые металлы и их сплавы могут работать только при более низкой температуре, например медь имеет относительно высокую температуру плавления tпл = 1083С, но рабочая температура для меди и её сплавов низкая, не более 250С.
Сопротивление ползучести жаропрочных сталей и сплавов характеризуется пределом ползучести пл – напряжением, которое вызывает при рабочей температуре развитие деформации с заданной скоростью, например 1% за 300 ч.
До температуры 300С явления ползучести в сплавах на основе железа не проявляются, и поэтому для работы при таких температурах могут быть использованы нелегированные стали. Повышение рабочей температуры до 350…500 С требует применения малолегированных сталей перлитного и ферритного класса.
При рабочих температурах 500…600С используют легированные стали аустенитного класса. Повышение рабочих температур до 650…900С диктует необходимость применения сплавов на никелевой или кобальтовой основе, а при более высоких температурах под нагрузкой могут работать только сплавы на основе Mo, Cr и других тугоплавких металлов.
В разных отраслях техники рабочие температуры могут значительно различаться:- котлостроение – tраб= 350…550С;-турбостроение - tраб= 500…650С;- газовые турбины и ракетная техника tраб= 650С.
Для работы под нагрузкой при повышенных температурах используют следующие стали и сплавы:
- котельные стали с малым содержанием углерода (0,08…0,19%) могут быть перлитного класса, например 12МХ, мартенситного класса (Х5БФ) или мартенситно-ферритного (15Х11МФ).
- сильхромы – жаропрочные и жаростойкие стали, содержащие 5-15%Cr и 1-3%Si, марки Х10С2М, Х13Н17С2 (для клапанов выпуска, элементов теплообменников);
-аустенитные жаропрочные стали марок Х18Н9Т, 1Х25Н16Г7АР(ЭИ835) и дисперсионнотвердеющие стали 0Х14Н28В3Т3Ю (для клапанов двигателей и лопаток турбин, работающих при температурах 600-700С.
-никелевые и кобальтовые сплавы (для лопаток газовых турбин и реактивных двигателей), например сплав марки ХН77ТЮ(ЭИ437А); нимоник 90, сплав на основе Ni, легированный Cr – 18-21%, Ti – 3% с 1000=340МПа при tраб=700С; витталиум или ЛКУ – сплав на основе Со, легированный также Cr – 25-30%, Mo - 4-6% и Ni, tраб=950-1000С.
Лекция 10
Коррозионностойкие (нержавеющие) и кислотостойкие стали и сплавы
Углеродистые и низколегированные стали под действием воды, воздуха и других сред могут подвергаться поверхностному разрушению – коррозии. В результате коррозии ежегодно теряется около 10% общего количества выплавляемых черных металлов. Ущерб от коррозии может быть уменьшен применением коррозионностойких материалов.
Наибольшей коррозионной стойкостью обладают однофазные ферритные (мартенситные) и аустенитные стали.
Основной легирующий элемент ферритных (мартенситных) сталей хром может присутствовать в количестве 13, 17 или 28%. Содержание углерода составляет 0,08…0,15% в сталях ферритного и до 0,45% в мартенситного классов. Стали типа Х13 имеют бытовое назначение, в технике они могут использоваться для изготовления лопаток газовых турбин. Стали типа 2Х17 обладают более высокой коррозионной стойкостью, могут использоваться и как жаростойкие до 900С. Сталь типа 15Х28 способна сопротивляться воздействию внешней среды до температуры 1050…1150С и применяется для изготовления деталей нагревательных печей (муфелей, реторт, чехлов термопар). При длительной работе в области температур 700С в этих сталях возможно образование интерметаллидной -фазы, вызывающей повышенную хрупкость материала. Избежать образования -фазы и охрупчивания стали позволяет снижение содержания углерода 0,005%.
Аутенитные нержавеющие стали являются хромоникелевыми и содержат 18%Cr и 9…12%Ni, кроме того, используются Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-Mn или Cr-Ni-Mo-Cu легирующие комплексы. Наиболее широко известны марки 12Х18Н9Т (тип 18-9); 08Х18Н10Т(тип18-10); 10Х14Г14Н4Т(тип Cr-Ni-Mn).
Содержание углерода в аустенитных нержавеющих сталях не должнл превышать 0,12%. Присутствие углерода может вызывать образование карбидов хрома по границам зерен, что вызывает развитие межкристаллитной коррозии из-за обеднения приграничных зон хромом. Так, например лист аустенитной нержавеющей стали, пораженный межкристаллитной коррозией легко разрушается и может быть превращен в порошок (рассыпаться на отдельные зерна). Для предотвращения развития межкристаллитной коррозии в сталь вводят более сильные карбидообразователи, чем хром, например титан, ниобий, которые связывают углерод в карбиды.
Для повышения стойкости сталей в агрессивных средах (в серной, соляной, фосфористой и других кислотах, а также в их смесях) при нормальной и повышенной температурах их легируют повышенными количествами никеля, молибдена и меди. Если кроме кислотостойкости требуется повышенная прочность, используют сплавы систем Cr-Ni-Mo-Cu-Ti-Al, в которых могут образовываться дисперсные упрочняющие интерметаллиды, например Ni3(Ti, Ai).
Более высокой кислотоустойчиваостью обладают специальные сплавы, например, хастеллой (80%Ni + 20% Mo), а также тугоплавкие металлы молибден, ниобий, тантал.
Износостойкие стали и сплавы
Механизм износа разнообразен и зависит от условий изнашивания, но в общем виде он заключается в удалении ( вырывании) частиц металла с поверхности под действием внешних сил трения.
К износостойким сталям относятся графитизированные стали, содержащие 1,3…1,75% С и 1,0% Si. В состоянии литья такая сталь имеет структуру перлит + цементит. В результате графитизирующего отжига (820…840 С, 5ч и медленное охлаждение с печью до 600С, затем на воздухе) цементит графитизируется, образуя точечные включения графита. Такая сталь имеет прочность в=850МПа и хорошую износостойкость благодаря смазывающему действию графита. В термообработанном состоянии графитизированная сталь может использоваться для изготовления штампов холодной высадки, калибров, траков, других деталей, работающих на износ.
В качестве износостойкой используют также марганцовистую сталь Г13, 110Г13Л, широко известную как сталь Гатфильда. Содержание углерода в стали этого типа 1,1…1,2%, содержание марганца 13%, соотношение Mn/C10. Однофазное аустенитное состояние сталь приобретает в результате закалки от 1050…1100С в воду. Несмотря на невысокую твердость 180…220НВ сталь Гатфильда обладает высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания с высокими удельными давлениями, с ударными нагрузками вследствие развития наклепа в поверхностных нагруженных слоях.
Марганцовистую сталь типа Г13 используют для изготовления черпаков экскаваторов, звеньев гусениц, трамвайных крестовин, деталей камнедробилок и др.
Для повышения сопротивления износу часто используют наплавки изнашиваемых поверхностей порошковой смесью карбидов W2C+WC или специальными сплавами: сормайтом, а также сталинитом.
Наплавка сормайтом состава 3,0%С, 30%Cr, 5%Ni, 3%Si, остальное Fe имеет твердость 50HRC. У менее легированной и содержащей меньшее количество углерода сормайтовой наплавки 1,7%С, 15%Cr, 2%Ni, 2%Si, остальное Fe твердость (40HRC), а следовательно и износостойкость меньше.
Наплавка сталинитом состава 1,0%С, 20%Cr, 15%Mn, 3%Si, остальное Fe имеет структуру аустенит + карбиды, а твердость 65HRC.
Лекция 11
Титан и его сплавы
Титан существует в двух модификациях: ниже 883°C устойчива гексагональная -модификация, плотность 4,505 кг/дм3; выше 883°C устойчива -модификация с кубической объемно-центрированной решеткой и плотностью (при 900°C) 4,32кг/дм3. Температура плавления 1671°C.
Титан пластичен, сваривается в инертной атмосфере. При обычной температуре он покрывается защитной пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек. имеет высокую удельную прочность.
Большая часть производимого Ti используется для изготовления сплавов с алюминием, ванадием, молибденом, марганцем, хромом и другими металлами, коррозионно-стойких покрытий.Промышленные сплавы титана классифицируют по структуре, полученной при охлаждении на воздухе.
Титановые -сплавы (со структурой - твердого раствора) менее пластичны, чем однофазные - сплавы, но более прочны.
Например, механические свойства -сплава ВТ4 (4%Al):
в=800…900 МПа, т = 700…800 МПа, = 15-20%, KCU = 35…65 Дж/м2.
Двухфазные (+)-сплавы титана с алюминием получают введением элементов (V, Mo, Nb, Sn, Fe, Cr, Mn), которые стабилизируют -твердый раствор. Двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, чем однофазные, хорошо куются, штампуются и поддаются термической обработке.
Например механические свойства двухфазного сплава ВТ6 (6%Al, 5% V):
в=1000МПа, т=900 МПа, = 8…13%, модуль нормальной упругости Е = 1150000 МПа, коэффициент Пуассона =0,3, плотность =4,5 г/см3.
Титановые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу для устранения наклепа, а также для измельчения зерна, возможно проведение закалки с последующим старением. Хотя упрочняющий эффект от этой термообработки значительно слабее, чем у сталей и алюминиевых сплавов. Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают цементации или азотированию. Твердость поверхности можно повысить при этом до 1000…1200 HV.
Интересны сплавы титана на основе интерметаллидов.
Например, по жаропрочности сплавы на основе интерметаллидов Ti3Al и TiAl превосходят все жаропрочные стали и приближаются к сплавам на основе никеля.
Сплавы на основе интерметаллида TiNi обладают особым свойством -эффектом памяти формы. Они способны в процессе обратного мартенситного превращения устранять пластическую деформацию, полученную в мартенситном состоянии, т.е. восстанавливать исходную форму, которую деталь имела до деформирования
Это свойство может быть использовано, например:
- в космической технике или медицине для изготовления самораскрывающихся устройств;
- для дистанционного ремонта или монтажа в нефтяных и газовых скважинах и других труднодоступных местах;
- в перспективе можно представить сверхлегкий кузовной ремонт автомобилей после аварий – достаточно нагреть кузов и он приобретет первозданную форму.
Медь и её сплавы.
Кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, плотность 8,92 г/см3, температура плавления 1083,4°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10-3 Ом·м)
Большое значение имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк, Zn), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами — оловом, алюминием, бериллием, свинцом, кадмием и другими, кроме цинка и никеля) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антифрикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием и медь с никелем) применяют для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота
Латуни являются деформируемыми сплавами. Находят применение однофазные -латуни и двухфазные (+)-латуни. Рднофазные латуни имеют структуру -твердого раствора цинка в меди, а в структуре двухфазных латуней кроме -твердого раствора присутствует интерметаллид CuZn.
Однофазные латуни Л62, Л68 (Cu61%) поставляют в виде тонких листов, лент, полос, из которых детали получают штамповкой. Их свойства: в=300МПа, =40%. Латунь Л80 (томпак) имеет цвет золота и используется для ювелирных изделий и бижутерии.
Двухфазные латуни содержат 55…61% меди, например Л59. Они поставляются в прутках, и детали из них изготавливают резанием. Свойства (+)-латуней: в=350МПа, =20%.
Производят также специальные латуни:
-автоматная латунь ЛС59 содержит до 2%Pb и хорошо обрабатывается резанием;
- морская латунь хорошо сопротивляется коррозии в морской воде вследствие дополнительной добавки олова.
Бронзы – литейные сплавы Cu с Sn, Al, Be, Pb, Cd, Cr; соответственно бронзы называются оловянистой, алюминиевой, бериллиевой и т. д.). Бронзы обладают очень маленькой литейной усадкой 1%, тогда как у латуни и чугуна усадка 1,5%, а у стали 2%. Поэтому бронзу применяют для изготовления отливок сложной формы, например в художественном литье. Из-за высокой химической стойкости из бронзы изготавливают детали паровой и водяной арматуры. Хорошие антифрикционные свойства бронзы позволяют использовать её как подшипниковый сплав.
Алюминий и его сплавы
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, , высокой удельной прочностью, в/, и удельной жесткостью, Е/. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов еще выше, чем у чистого алюминия. Сплавы на основе алюминия отличаются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами: высокими тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основные легирующие элементы алюминиевых сплавов - Cu, Mg, Si .
Дуралюмины – сплавы алюминия с медью (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si) являются деформируемыми сплавами. Изделия из дуралюмина подвергают термической обработке: закалке и старению образовавшегося твердого раствора естественному (при комнатной температуре или искусственному (при190С). В процессе старения из твердого раствора выделяются сверхмелкие частицы интерметаллида, и прочность сплава резко возрастает. В закаленном состоянии дуралюмины имеют весьма низкую прочность, но отличаются высокой пластичностью. Дуралюмины широко применяются в авиации. Из сплава Д1, например изготавливают лопатки воздушных винтов, из сплава Д16 – шпангоуты, тяги управления, Д18 – лучший заклепочный материал.
Высокопрочные сплавы Al принадлежат к системе Al-Zn-Mg-Cu, имеют добавки Mn, Cr. и маркируются буквой В, Они характеризуются прочностью в=600….700 МПа и близким к этому уровню значением предела текучести.
Литейные сплавы системы Al-Si с различными добавками- силумины (85-90% Al, 10-14% Si, 0,1% Na) обладают хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, низкой склонностью к образованию горячих трещин. Для диспергирования эвтектики и повышения прочностных свойств силумины модифицируют хлоридом или фторидом Na. В результате такой обработки расплава возрастают одновременно и прочность и пластичность сплава. Например, модифицированный сплав АК-12 имеет следующие характеристики: в=180МПа, =6%. Термической обработкой (закалкой и старением) можно увеличить прочность, например у сплава АК-9 до в=260 МПа.
Некоторые сплавы алюминия, содержащие Cu, Mg< Fe, Ti, Ni, например АК-2 и АК-4, в термообработанном состоянии (закалка + старение) обладают высокой жаропрочностью и работают при температурах 200-300 и даже 350С. Из таких сплавов изготавливают поршни и головки цилиндров двигателей.
В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении.
Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовливают различную бижутерию.
Антифрикционные сплавы
Антифрикционные сплавы предназначены для заливки подшипников скольжения и должны иметь низкий коэффициент трения, быть достаточно пластичными и обеспечивать малую скорость изнашивания сопряженной детали — обычно стального или чугунного вала.
Для обеспечения антифрикционных свойств материал должен обладать высокой теплопроводностью, хорошей смачиваемостью смазочным материалом, способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла и хорошей прирабатываемостью.
Металлические материалы для подшипников скольжения по своей структуре подразделяются на две группы: сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями и сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первой группы относятся баббиты (основа Sn или Pb), а также бронзы и латуни. Мягкая матрица в них предотвращает развитие усиления трения и обеспечивает хорошую прирабатываемость, а твердые включения в опоре, по которой скользит вал, способствуют высокой износостойкости.
По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, используемые для этих целей, но уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (до 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова оловянные баббиты используют для подшипников ответственного назначения — в дизелях, паровых турбинах и в подшипниках других особо нагруженных машин. Сплавы типа Б16 используют для подшипников средней нагруженности, а дешевые свинцово-кальциевые баббиты типа БК2 используют для менее ответственных подшипников.
Особое место среди антифрикционных бронз занимают оловянные (БрО10Ф1, БрО10Ц2) и оловянно-цинково-свинцовые (Бр05Ц5С5, БрО6Ц6С3) бронзы. Эти материалы применяют для монолитных подшипников скольжения в турбинах, электродвигателях, компрессорах, работающих при высоких давлениях и средних скоростях скольжения.
Латуни используются в качестве заменителей дорогостоящих бронз, однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам.
К сплавам второй группы относятся свинцовая бронза БрС30 (наплавка на стальную ленту), алюминиевые сплавы с оловом АО9-2 (монометаллические вкладыши). Эти сплавы имеют высокую теплопроводность, что позволяет применять их при больших скоростях скольжения. К сплавам этой группы относятся также и антифрикационные серые чугуны (АСЧ-1, АСЧ-3). Роль мягкой составляющей в чугунах играет графит.
В авиационной и автомобильной промышленности получили распространение композиционные подшипниковые вкладыши: многослойные, самосмазывающиеся, металлофторопластовые и др.
Многослойные подшипниковые вкладыши состоят из стального основания (250 мкм); слоя свинцовой бронзы БРС30; тонкого (до 10 мкм) слоя никеля или латуни; тонкого (до 25 мкм) слоя свинцово-оловянного сплава. Стальная подкладка обеспечивает прочность и жесткость вкладыша, а верхний мягкий слой — его прирабатываемость. После изнашивания верхнего слоя рабочим слоем становится свинцовая бронза. Такие подшипниковые вкладыши используют в двигателестроении в качестве вкладышей коренных и шатунных шеек коленчатого вала.
Самосмазывающиеся подшипниковые вкладыши получают методами порошковой металлургии из следующих комбинаций материалов: железо—графит; железо —медь—графит; бронза—графит. Графит вводят в количестве 1... 4 %. После спекания в материале сохраняется 15...35 % пор, которые заполняются маслом. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочное масло, т.е. коэффициент трения дополнительно снижается, когда масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения поры раскрываются и смазки поступает больше (автоматическое регулирование подачи смазки). Подшипники работают при скоростях в системе до 3 м/с, используются в труднодоступных для смазки агрегатах.
Биметаллы
Биметалл — материал, состоящий из двух прочно соединенных слоев разнородных сплавов. Соединение может достигаться разными технологическими способами, например совместной прокаткой, многослойным литьем, наплавкой или сваркой взрывом. В многослойном материале слоев больше двух. Биметаллы, как и многослойные материалы, позволяют не только уменьшить расход дефицитных и дорогостоящих цветных сплавов, но и получить материалы с новыми, уникальными свойствами. Например, при изготовлении по такому принципу отвалов плугов получают трехслойный износостойкий материал «сталь 60—сталь 15—сталь 60», позволяющий резко повысить износостойкость отвала.
Также для изготовления деталей машин для подготовки и внесения в почву удобрений и химической защиты растений используют трехслойную коррозионно-стойкую сталь «08Х18Н10Т - сталь 10 (или 08) — 08Х18Н10Т»;
Для подшипников скольжения и вкладышей коренных и шатунных шеек коленчатых валов в комбайновых двигателях применяют биметаллические трубы и полосы Сталь 10 (08) − БрОФ6,5-0,4
Сплавы на основе никеля
Никелевые сплавы применяются в основном как жаропрочные и коррозионностойкие материалы.
Чистый никель имеет низкий предел длительной прочности ( = 40 МПа), поэтому применяются сплавы на его основе − нимоники. Повышение жаропрочных свойств достигается путем комплексного легирования Mo, W, Co, Cr, Al, Ti, Nb, Ta, C, B, Zr и РЗМ. Молибден, вольфрам, кобальт и хром упрочняют твердый раствор с никелем, алюминий, титан, ниобий и тантал наряду с упрочнением твердого раствора образуют интерметаллидные фазы, а углерод, бор, цирконий, добавленные в небольших количествах, сегрегируют на границах зерен и упрочняют их. Церий и другие редкоземельные металлы рафинируют никель и его сплавы от примесей.
В качестве термической обработки для никелевых сплавов применяют закалку и старение. Так, например, для жаропрочный сплава ХН77ТЮР (20 % Сг; 77 % Ni; 2,5 % Ti; 0,7 % Al; 0,01 % В) tзак=1080 °С, охлаждение на воздухе, затем старение в течение 16 ч при 750 °С. После такой термообработки сплав приобретает следующие свойства: предел длительной прочности = 850 МПа и предел ползучести = 300 МПа.
Никелевые сплавы используют для изготовления дисков и лопаток газовых турбин, газопроводов, работающие при температурах от 750 до 1100ºС.
Тугоплавкие металлы и их сплавы
К тугоплавким металлам с температурой плавления выше чем у железа относят ниобий (tпл=2 500 °С), молибден (tпл=2 620 °С), тантал (tпл=3 014 °С), вольфрам (tпл=3 420°С) и др. Кристаллическая решетка у этих металлов объемно-центрированная кубическая (ОЦК).
Свойства тугоплавких металлов зависят от способа получения металлов и их чистоты. Вольфрам и молибден охрупчиваются уже при незначительном содержании примесей, особенно кислорода. Ниобий и тантал более пластичны и технологичны, они имеют низкие температуры перехода в хрупкое состояние.
Общим недостатком тугоплавких металлов является низкая жаростойкость, при повышенной температуре они подвержены интенсивному окислению. Поэтому на их поверхность наносят защитные покрытия, а также применяют для работы в вакууме или в защитной атмосфере.
Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяются на две группы:
- сплавы со структурой твердого раствора;
- сплавы, упрочняемые закалкой и старением.
Сплавы первой группы легируют Ni, Nb, Mo, W, Ta и др. Упрочняющей термической обработке эти сплавы не подвергают. Сплавы второй группы содержат повышенное содержание углерода и карбидообразующих элементов и упрочняются в процессе старения после закалки за счет выделения карбидов внутри зерен.
Рабочие температуры при длительной работе сплавов на основе ниобия, молибдена, тантала и вольфрама составляют порядка 1300, 1400, 2000 и 2200 ºС соответственно, при кратковременной эксплуатации допускаются значительно более высокие рабочие температуры
Лекция 14.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация веществ по электрическим свойствам в соответствии с зонной теорией
Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.
Электроны атомов каждого вещества в газообразном состоянии (когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, и их взаимодействием можно пренебречь) могут находиться только в определенных энергетических состояниях (занимать определенные уровни энергии).
Соотношение энергетических уровней изолированного атома (1,2) и атома в твердом теле (3,5)
Энергия
1
2
3
4
5

1 — нормальный энергетический уровень атома; 2 — уровни возбужденного состояния атома; 3 — свободная зона; 4 — запрещенная зона; 5 — заполненная электронами зона
В конденсированном состоянии (жидком, а тем более в твердом) под действием соседних атомов электронные уровни (заполненные и незаполненные электронами) расщепляются, образуя полосу — зону энергетических уровней.
Если в зоне не все энергетические уровни заняты электронами, то электроны могут, повышая свою энергию за счет энергии внешних воздействий, переходить на более высокие свободные уровни. Такие электроны, находящиеся внутри частично заполненной энергетической зоны, называются свободными электронами в твердом теле. Если к кристаллу приложено электрическое поле, изменению энергии свободных электронов соответствует направленное перемещение их в пространстве, т.е. свободные электроны обусловливают протекание электрического тока.
Энергетические зоны, образованные совокупностью энергетических уровней, называют зонами разрешенных значений энергии или разрешенными зонами. Разрешенные зоны обычно отделены друг от друга запрещенными зонами, т.е. промежутками значений энергии, которыми электрон в данном кристалле обладать не может.
Электрический ток в твердых телах может быть обусловлен свободными электронами, перемещающимися в в разрешенной зоне, расположенной над валентной - в зоне проводимости.
В соответствии с видом энергетических диаграмм электротехнические материалы можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники.
Энергетические зоны в изоляторе (а), полупроводнике (б) и металле (в)
Запрещенная зона
Энергия
Wg
Wg
Зона проводимости
Валентная зона
Валентная зона
Валентная зона
Зона проводимости
Зона проводимости
а
б
в

У диэлектриков запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.
У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого свободные электроны в металле могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля и приходить в направленное движение под действием разницы потенциалов.
Полупроводники обладают более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.
При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (при нуле Кельвина) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.
В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «электронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое, «эстафетное», движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем под воздействием электрического поля дырка будет перемещаться в направлении поля, как эквивалентный положительный заряд.
Энергию, необходимую для перехода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например свет, поток электронов и ядерных частиц, электрические и магнитные поля, механические воздействия и т. д.
Электрические свойства вещества не являются непременной особенностью составляющих его атомов, они определяются условиями взаимодействия атомов вещества в твердом теле. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком или полупроводником, а в виде графита обладает большой проводимостью. В ГЦК кристаллической структуре алмаза все валентные электроны у каждого из атомов углерода не свободны, они задействованы в ковалентных связях. Свободные электроны или «дырки» в алмазе могут появиться при введении некоторых примесей, тогда алмаз проявляет полупроводниковые свойства.
У графита слоистая гексагональная кристаллическая структура, между слоями действуют молекулярные силы химической связи, в слоях атомы связаны парными и одинарными ковалентными связями.

Парные связи ввиду своей нестойкости частично преобразуются в одинарные, а освободившиеся валентные электроны могут стать свободными, обеспечивающими электропроводность графита.
Вещества, в кристаллической структуре которых преобладают металлические связи, предполагающие наличие свободных электронов, являются проводниками.
Проводниковые материалы
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.
Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м.
Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.
Металлы и сплавы высокого электросопротивления, применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.п.Особый интерес представляют собой материалы, обладающие нулевым и чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах — сверхпроводники и криопроводники.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало фото- и ударной ионизации, то газ стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.
Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода с ионной проводимостью, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей.
Материалы высокой проводимости
Проводниковые материалы, кроме высокой электрической проводимости, должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности, как по прочности, так и по электрической проводимости.
Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe, Ag, Pt, Au и др. Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим для достижения максимальной электрической проводимости такие металлы используют в технически чистом виде и в отожженном состоянии.
Медь используют в виде проката различного сортамента: проволоки различных диаметров, шин, полос и прутков. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изделий, нагартованную, т.е. упрочненную холодной пластической деформацией, медь - для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин. Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используют латуни и бронзы с Cd и Be. Они при некоторой потере электрической проводимости обеспечивают более высокие прочность и износостойкость, чем у меди.
Алюминий - серебристо-белый блестящий металл с низким удельным сопротивлением. Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью и может быть прокатан на тонкие листы и фольги, например, конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. В виде проволоки технически чистый алюминий используют в производстве кабелей и токонесущих проводов. Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе и потому значительно дешевле. Кроме того алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки А12Оз.
Для токонесущих проводов воздушных линий электропередач с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы повышенной механической прочности типа альдрей (0,3-0,5 % Mg, 0,4-0,7 % Si, 0,2-0,3 % Fe и Al - остальное).
Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередач, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой.
Платина - белый металл, весьма стойкий к химическим реагентам, в том числе и к кислороду, с низким электросопротивлением, =0,098 мкОм·м Платину применяют для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600°С, а также для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах.
Золото - блестящий металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью. Золото используют как контактный материал в электронной технике, для покрытий внутренних поверхностей волноводов и резонаторов СВЧ.
Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты.
В качестве твердых неметаллических проводниковых материалов используют материалы на основе углерода (электротехнические угольные изделия, сокращенно - электроугольные изделия). Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.
Для некоторых устройств и аппаратов требуются проводниковые материалы, которые могли бы достаточно надежно работать при температурах 1500-2000 и даже до 3000 ºС и даже выше. Такие материалы необходимы, например, для нагревательных элементов высокотемпературных электрических печей, электродов магнитогидродинамических (МГД) генераторов. В МГД-генераторах условия работы проводниковых материалов еще более усложняются из-за соприкосновения материала с плазмой. Надежных и экономичных материалов, способных длительно противостоять таким температурам, да еще в присутствии агрессивных паров калия, пока не создано. В настоящее время используют электроды из расплавленной платины, заключенной в керамический кожух. Но они при очень высокой стоимости обладают низкой стойкостью.
Лекция 15
Сплавы с высоким электросопротивлением
Сплавы для нагревательных элементов печей
Сплавы для электронагревательных элементов печей являются жаростойкими проводниковыми материалами на основе никеля, хрома, железа и некоторых других компонентов. Жаростойкость этих сплавов, то есть неокисляемость при высоких температурах (1000-1200°С), обусловлена образованием на их поверхности окисной пленки большой плотности, исключающей доступ кислорода к сплаву. Основой жаростойких окисных пленок является окись хрома Сг2О3 и закись никеля NiO, которые не испаряются с поверхности сплава при высоких температурах. Жаростойкие проводниковые материалы на основе никеля, хрома и алюминия называются соответственно нихромами, фехралями и хромалями. Все они представляют собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой, поэтому эти сплавы обладают большим удельным сопротивлением, малыми значениями температурного коэффициента, сопротивления и высокой окалиностойкостью. Кроме того, во многих случаях требуется технологичность сплавов − возможность изготовления из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой.
Сплавы маркируются по буквенно-цифровой системе: хром - X, никель - Н, алюминий - А и титан - Т. Цифры, стоящие за буквой, указывают на среднее содержание данного металла в сплаве. Например, в нихроме марки Х20Н80 содержится 20 % хрома, и 80 % никеля (по массе).
На сплавы высокого омического сопротивления распространяется ГОСТ 12766.1-77...12766.5-77, на сплавы с заданным электрическим сопротивлением - ГОСТ 10994-74.
К сплавам высокого омического сопротивления относятся: Х13Ю4 (12-15,0 % Сг, 3,5-5,5 % А1) - для изготовления нагревательных элементов бытовых приборов и реостатов; ОХ23Ю5 (21,5-24,5 % О, 4,5-5,5 % А1) −для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов, реостатов и спиралей свечей накаливания; Х20Н80 - для промышленных и лабораторных печей, микропроволоки для малогабаритных элементов электрических сопротивлений, проволоки и ленты для реостатов.
Сплавы для реостатов и точных приборов
При использовании сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления, требуются также стабильность значения во времени, малый температурный коэффициент электросопротивления и малый коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью Перечисленными свойствами обладают сплавы меди с никелем, известные под названиями «манганин» и «константан».
Манганин - сплав меди, никеля и марганца светло-оранжевого цвета с температурой плавления 960°С.
Манганин, широко применяемый для изготовления образцовых резисторов, имеет температурный коэффициент электросопротивления весьма малый (310-4 1/ºС), коэффициент термоЭДС в паре с медью — всего лишь 1 мкВ/°С.
Для стабилизации электрических характеристик манганиновых изделий их подвергают тепловой обработке в вакууме при 400 °С и последующей длительной выдержке при комнатной температуре. В результате такой обработки повышается однородность сплава и стабилизируются его свойства. Наибольшая допустимая температура для изделий из стабилизированных сортов манганина - 200°С, из дестабилизированных - 60-80°С. При повышении этих температур в манганиновых изделиях происходит необратимое изменение свойств. Из манганина изготовляют мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0,02-6 мм и ленты толщиной до 0,08 мм и шириной до 270 мм. Кроме того, применяют манганиновые обмоточные провода с эмалевой изоляцией, с изоляцией из натурального шелка, а также изолированные эмалью и одним слоем натурального шелка.
Манганиновые изделия применяют при производстве резисторов и потенциометров высокого класса.
Константан - сплав меди, никеля и марганца серебристо-желтого цвета с температурой плавления 1260°С.
Сплав константан отличается от манганина меньшим содержанием марганца (1—2 % Мп) и постоянством удельного электрического сопротивления с изменением его температуры.
Из константана изготовляют мягкие и твердые изделия: проволоку диаметром 0,03—5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм. Изолированная константановая проволока в паре с медной применяется для изготовления термопар и в качестве тензометрического сплава.Константановые изделия (проволока, ленты) могут использоваться при температурах не выше 450°С.
На сплавы для реостатов и точных приборов распространяется ГОСТ 10994-74.
К сплавам с заданным электрическим сопротивлением относятся: Х20Н80ВИ (20-23 % Сг, 1,5 % Fe, Ni - основа) - для ответственных деталей внутри вакуумных приборов, соединителей в изделиях электронной техники и микропроволоки для резисторов неответственного назначения; манганин МНМцЗ-12 (82-85 % Си, 2,5-3,5 % Ni, 11,5-13,5 % Мп) - для изготовления датчиков, которыми измеряют высокие гидростатические давления образцовых сопротивлений, добавочных сопротивлений и шунтов электроизмерительных приборов высокой точности; константан МНМц40-1,5 (56-59 % Си, 39-41 % Ni, 1-2 % Мп) - для изготовления реостатов и др.
Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (56 % Си, 44 % Ni), алюмель (95 % Ni, остальное - Al, Si и Mg), хромель (90 % Ni, 10 % Сг), платинородий (90 % Pt, 10 % Rh). Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий−платина до 1600°С; медь−константан и медь−копель до 350°С; железо−константан, железо−копель и хромель−копель до 600°С; хромель−алюмель до 900-1000°С. Наибольшую термоЭДС при данной разности температур развивает термопара хромель−копель. Наиболее высокой точностью, стабильностью и воспроизводимостью обладают платино−платинородиевые термопары, несмотря на малую удельную термоЭДС.
Сверхпроводники и криопроводники
Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники. Наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости было названо сверхпроводимостью. Температуру Тс, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, — сверхпроводниками.
Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры выше значения Тс сверхпроводимость исчезает, аналогично действие сильных магнитных полей и электрического тока большой силы (критическое значение поля и тока).
Чистые сверхпроводниковые металлы, называемые сверхпроводниками I рода отличаются от сверхпроводниковых сплавов и химических соединений (сверхпроводников II рода), в частности тем, что переход из нормального в сверхпроводящее состояние у них происходит скачком, тогда как у сверхпроводников II рода это происходит постепенно.
В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов химических соединений различных элементов. Так например, Nb имеет самую высокую критическую температуру перехода - 9,17 К (-263,83°С), NbTi (Tc=9,5…10,5 K), Nb3Sn (Tc=18,1…18,5 K), NbN (Tc=14,5…17,8 K).
Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22-26 % Ti, 63-68 % Nb, 8,5-11,5 % Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 К (-263,3°С). Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поездов на магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).
В то же время многие металлы, даже такие, как серебро, медь, золото, платина и др., обладающие весьма малыми значениями при нормальной температуре, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось, хотя достигнуто весьма значительное приближение а абсолютному 0 (около милликельвина).
Помимо сверхпроводников, в современной электротехнике и электронике все шире используется криопроводники. Криопроводниками называются − материалы, которые при криогенных температурах достигают весьма малого (но конечного) значения удельного сопротивления без перехода в сверхпроводящее состояние, а за счет нормального уменьшения сопротивления при снижении температуры.
Применение криопроводников вместо сверхпроводников в электрических машинах, аппаратах и других электротехнических устройствах оправдано достижением необходимого уровня электросопротивления при значительно более высоких температурах. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выполнение тепловой изоляции устройства и уменьшает расход мощности на охлаждение.
Для получения высококачественных криопроводников требуются исключительно высокая чистота (отсутствие примесей) и отсутствие наклепа (отожженное состояние Вредное влияние примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных температурах выражено значительно сильнее, чем при нормальной температуре.Полупроводниковые материалы
Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних воздействиях света, тепла, электрического напряжения, под действием примесей в них появляется достаточное количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.
В настоящее время наиболее распространены так называемые элементарные (простые) полупроводники, то есть такие материалы, которые состоят из одного химического элемента (например, германий, кремний, селен, бор, фосфор, мышьяк, сера).К сложным полупроводникам относят композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.
Некоторые элементы, являющиеся в чистом виде проводниками (алюминий, индий, сурьма, галлий и др.), в составе интерметаллических соединений обладают полупроводниковыми свойствами.
Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые окислы (закись меди, окись магния, окись алюминия), сульфиды и селениды некоторых металлов и даже многие высокомолекулярные органические соединения, называемые органическими полупроводниками. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.
Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия различных полупроводниковыхприборов, соответственно, терморезисторов (термистеров), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т. д.
Наличие у полупроводников двух типов электропроводности − электронной (n) и электронно-дырочной (p) - позволяет получить полупроводниковые изделия с р-п-переходом. Сюда относятся различные типы выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока (например, солнечные батареи и термоэлектрические генераторы). Полупроводники могут служить нагревательными элементами (силитовые стержни), индикаторами радиоактивных излучений и т.д.
Из полупроводниковых материалов наиболее широко применяют германий и кремний, которые обладают многими ценными свойствами.
В последнее время все чаще используют искусственно созданные полупроводники следующих композиций: мышьяк-галлий (арсенид галлия), индий-сурьма, кадмий-висмут.
Германий и кремний подвергаются многократной тонкой и весьма тщательной обработке, прежде чем они превратятся в кристаллы, пригодные для изготовления полупроводниковых приборов. Этой обработкой достигают необходимой чистоты и однородного состава материала, а также дефектности кристаллической решетки. Однородность состава и высокая степень совершенства кристаллической решетки достижимы лишь в монокристаллах чистых элементов.
Германий и кремний вследствие высокой подвижности в них носителей тока, обусловленной характером и пространственным расположением электронных связей, оказались пригодными для изготовления не только выпрямителей, но и кристаллических усилителей (транзисторов), фотоприемников и др. Весьма перспективно использование кремния в новых источниках тока - солнечных батареях, преобразующих энергию солнечного света непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 10%.Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают следующими преимуществами:
I) большой срок службы;
2) малые габариты и масса;
3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);
4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность;
5) экономичность при массовом производстве.
Лекция 16
Полупроводниковые материалы
Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних воздействиях света, тепла, электрического напряжения, под действием примесей в них появляется достаточное количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.
В настоящее время наиболее распространены так называемые элементарные (простые) полупроводники, то есть такие материалы, которые состоят из одного химического элемента (например, германий, кремний, селен, бор, фосфор, мышьяк, сера).К сложным полупроводникам относят композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.
Некоторые элементы, являющиеся в чистом виде проводниками (алюминий, индий (In), сурьма, галлий и др.), в составе интерметаллических соединений обладают полупроводниковыми свойствами.
Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые окислы (закись меди CuO, окись магния MgO, окись алюминия Al2O3), сульфиды и селениды некоторых металлов и даже многие высокомолекулярные органические соединения, называемые органическими полупроводниками. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.
Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия различных полупроводниковых приборов, соответственно, терморезисторов (термистеров), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т. д.
Наличие у полупроводников двух типов электропроводности − электронной (n) и электронно-дырочной (p) - позволяет получить полупроводниковые изделия с р-п-переходом. Сюда относятся различные типы выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока (например, солнечные батареи и термоэлектрические генераторы). Полупроводники могут служить нагревательными элементами (силитовые стержни), индикаторами радиоактивных излучений и т.д.
Из полупроводниковых материалов наиболее широко применяют германий и кремний, которые обладают многими ценными свойствами.
В последнее время все чаще используют искусственно созданные полупроводники следующих композиций: мышьяк-галлий (арсенид галлия), индий-сурьма, кадмий-висмут.
Германий и кремний подвергаются многократной тонкой и весьма тщательной обработке, прежде чем они превратятся в кристаллы, пригодные для изготовления полупроводниковых приборов. Этой обработкой достигают необходимой чистоты и однородного состава материала, а также дефектности кристаллической решетки. Однородность состава и высокая степень совершенства кристаллической решетки достижимы лишь в монокристаллах чистых элементов.
Германий и кремний обладают высокой подвижностью в них носителей тока, обусловленной пространственным расположением ковалентных межатомных связей, и поэтому они оказались пригодными для изготовления не только выпрямителей, но и кристаллических усилителей (транзисторов), фотоприемников и др.
Весьма перспективно использование кремния в новых источниках тока - солнечных батареях, преобразующих энергию солнечного света непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 10%.
Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают следующими преимуществами:
I) большой срок службы;
2) малые габариты и масса;
3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (они не боятся тряски и ударов);
4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность;
5) экономичность при массовом производстве.
Электропроводность полупроводников
Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти запрещенную зону, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрация носителей электрического тока, а электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.
Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно больше, чем у германия, поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до высоких температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.
Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью, а полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность, - собственным полупроводником. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примеси, которые меняют характер и величину проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.
На электропроводность полупроводников большое влияние оказывает воздействие внешних факторов: тепловой энергии, деформации, воздействие света и сильных электрических полей. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника есть результат изменения концентрации и подвижности носителей заряда. В области низких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводностью, а в области высоких температур - собственной электропроводностью.
Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется при деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие) межатомных расстояний, приводящих к изменению концентрации и подвижности носителей. Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости (удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительностъ
Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем дополнительное количество носителей зарядов, что приводит к возрастанию электропроводности полупроводника.
Сильные электрические поля вызывают интенсивный рост удельной проводимости, приводящей к разрушению структуры полупроводника.
Полупроводниковые химические соединения и материалы на их основе
Помимо элементов (Ge, Si), обладающих свойствами полупроводников, широкое применение в электротехнике получили полупроводниковые соединения - карбид кремния SiC, арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb и др.
Карбид кремния, SiC, в электротехнике применяется для изготовления резисторов вентильных разрядников, защищающих линии передачи высокого напряжения и аппаратуру; для производства различных низковольтных варисторов, используемых в автоматике, вычислительной технике, электроприборостроении, в технике получения высоких температур, для создания светодиодов, источников излучения, работающих на принципе инжекционной электролюминесценции.
Арсенид галлия, GaAs, - один из самых перспективных полупроводниковых материалов, служащих для изготовления фотоэлементов с КПД около 7%, дозиметров рентгеновского излучения, полупроводниковых лазеров. Из вырожденного арсенида галлия производят туннельные диоды. (При увеличении концентрации носителей заряда в полупроводниках выше определенного предела она практически перестает зависеть от температуры. Для электронов критическая концентрация имеет порядок 1025 м-3. Такие полупроводники называются вырожденными)Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450°С) − кремниевые.
Антимонид индия, InSb, применяют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности (основанных на использовании различных видов фотоэффекта), датчиков ЭДС Холла и оптических фильтров. Кроме того, антимонид индия используют для термоэлектрических генераторов и холодильников.
Сульфиды - сернистый свинец, PbS, сернистый висмут Bi2S3 и сернистый кадмий, CdS, - используют для изготовления фоторезисторов (фотосопротивлений).
Полупроводниковые оксиды, а, именно, смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа AIII BV, со стеклообразными полупроводниками и другими материалами используют для изготовления терморезисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления. Терморезисторы используются для измерения, регулирования температуры и термокомпенсации, для стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковых токов, измерения теплопроводности жидкостей, в качестве бесконтактных реостатов и токовых реле времени.
Позисторы (терморезисторы, имеющие большой положительный температурный коэффициент сопротивления) предназначены для контроля и регулирования температуры, использования в системах пожарной сигнализации, предохранения двигателей от перегрева, ограничения токов, измерения потоков жидкостей и газов. Из позисторов наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO3. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5—0,7 1/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.
Лекция 17
Диэлектрические материалы
Назначение и классификация диэлектриков
Термины «электроизоляционный материал» и «диэлектрический материал» не совсем равнозначны. К основным электрическим свойствам диэлектриков наряду с высоким удельным электросопротивлением , относится способность под влиянием электрического поля, других внешних факторов поляризироваться и изменять сопротивление. В этой связи в технике могут использоваться не только пассивные (изоляционные) свойства, но и активные (управляемые) свойства диэлектриков.
Как электроизоляционные материалы диэлектрики чрезвычайно важны для электротехники. Они используются для создания электрической изоляции токоведущих частей электрических устройств. Электроизоляционные материалы по агрегатному состоянию разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Особую группу составляют твердеющие материалы, которые вводятся в электрическую изоляцию в жидком или пластичном состоянии, а затем отверждаются и в готовой, работающей изоляции являются твердыми веществами.
По химическому составу электроизоляционные материалы разделяются на органические соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, и неорганические соединения с некоторыми другими элементами. Особая группа материалов — элементоорганические, в молекулы которых входят атомы элементов, нехарактерных для обычных органических веществ, например, атомы кремния, магния, алюминия, титана и пр.
Как правило, неорганические материалы имеют более высокую нагревостойкость, чем органические материалы.
К диэлектрическим относятся и материалы, применяемые в конденсаторах, когда требуется иметь определенную электрическую емкость устройства (диэлектрик, помещенный между пластинами конденсатора, поляризуясь, изменяет его ёмкость). Известны также активные диэлектрики, то есть диэлектрики с управляемыми свойствами: сегнетоэлектрики (вещества, обладающие в определенном интервале температур самопроизвольной (в отсутствие электрического поля) электрической поляризацией, сильно зависящей от внешних условий), пьезоэлектрики (в них возникает поляризация при мех. сжатии или растяжении) в определенных направлениях), электреты (диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внеш. воздействия, вызвавшего поляризацию, и образовывать вокруг себя электрич. поле; электрич. аналоги постоянных магнитов), пироэлектрики (изменение поляризации при быстром изменении температуры), сегнетоэластики (вещества, в которых при понижении температуры возникает перестройка и спонтанная деформация кристаллической решётки относительно исходной в отсутствие внешних механических воздействий), и дрГазообразные диэлектрики
Электрическая прочность, характеризуемая напряжённостью однородного электрического поля, при которой происходит резкое, скачкообразное увеличение электрической проводимости (пробой), у газообразных диэлектриков при атмосферном давлении значительно меньше, чем у жидких и твердых диэлектриков. Тем не менее, газообразные диэлектрики широко используются в электротехнике, прежде всего благодаря способности газа восстанавливать диэлектрические свойства после разряда даже дугового. На этом эффекте основано действие воздушных и элегазовых выключателей (в которых используется электропрочный газ SF6-«„элегаз“»), разрядников и ряда других аппаратов.
Более того, у большей доли электротехнического оборудования, например, у высоковольтных линий электропередачи основной изолирующей средой является воздух.
Другими ценными свойствами электроизолирующих газов являются: малая плотность, низкое значение диэлектрической проницаемости, высокое значение удельного сопротивления, очень малый угол диэлектрических потерь, отсутствие старения, т. е. ухудшения свойств с течением времени.
Вместе с тем выбор газовой изоляции определяется не только её электрической прочностью, но и совокупностью целого ряда других свойств, в том числе условиями реализации необходимого уровня прочности (например, применение элегаза, SF6, требует более низкого давления - 0,4 МПа, чем применение азота - 2 МПа ), к другим требованиям относятся высокая охлаждающая и дугогасящая способность, нетоксичность и химическая инертность по отношению к материалам электротехнического оборудования самого газа и продуктов его разложения при электрическом разряде, низкая стоимость и т.п.
Водород, имеет высокий коэффициент теплопроводности. Поэтому несмотря на меньшую чем у воздуха электрическую прочность, он используется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах. Применение водорода вместо воздуха повышает КПД генератора вследствие снижения вентиляционных потерь и шумов, потерь на трение о газ примерно в 10 раз, удлиняет срок службы твердой изоляции генератора, препятствуя развитию процессов окисления и образования азотистых соединений.
Инертные газы - аргон, неон, гелий и др. - используются, в основном, в технике слабых токов. Арагон Ar, обладающий малой теплопроводностью, а также инертностью к твердым материалам, применяется в газотронах и тиратронах, а также в газонаполненных фотоэлементах. Неон Ne используется в газонаполненных разрядниках для защиты приборов в цепи слабого тока, например, телеграфа, от случайных перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами. Широко известно использование инертных газов в газосветных трубках.
В высоковольтной технике инертные газы, например, He, иногда могут использоваться как добавка к высокопрочным сжатым газам для повышения их дугогасительной способности.
Жидкие диэлектрики
В качестве диэлектриков применяют различные по химической природе и горючести жидкости – минеральные и растительные масла, а также синтетические жидкие вещества.
Жидкие диэлектрики выбирают, руководствуясь основными электроизоляционными свойствами (электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь и др.), спецификой применения (для трансформаторов, выключателей и контакторных устройств, конденсаторов, кабелей и др.) и в соответствии с верхним пределом допустимой рабочей температуры—до 70°С (нефтяные масла в конденсаторах), до 95°С (нефтяные масла в трансформаторах, хлорированные углеводороды в конденсаторах).
В зависимости от климатических условий выдвигаются особые требования к температуре застывания (для южных районов - tзаст= − 30ºС; для северных районов - tзаст=− -45ºС; для арктических условий - tзаст= − 60ºС.
Дополнительные функции охлаждения и теплоотвода, возлагаемые на жидкие диэлектрики, например, в трансформаторах, требуют от них высокой теплоемкости и низкой вязкости при наименьших рабочих температурах.
Кроме того, важно, чтобы диэлектрическая жидкость, ее пары или газообразные продукты разложения не воспламенялись при отказе электрооборудования, которое может сопровождаться искрением.
Нефтяные масла применяют в трансформаторах, высоковольтных вводах, конденсаторах, выключателях и контакторных устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой.
Трансформаторное масло (нефтяное и синтетическое), которым, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наиболее широкое применение в электротехнике. Им заливают силовые трансформаторы, масляные выключатели высокого напряжения, маслонаполненные вводы, реостаты и другие электрические аппараты.
Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного фазового сдвига.
Нефтяное конденсаторное масло имеет плотность 0,86-0,89 Мг/м3, температуру застывания -45°С. Вазелиновое конденсаторное масло по плотности и электрическим свойствам близко к нефтяному, но имеет более высокую температуру застывания (-5°С). Электрическая прочность конденсаторных масел не менее 20 МВ/м.
Кабельные масла используются для пропитки оболочек или наполнения силовых электрических кабелей; с целью увеличения электрической прочности изоляции и отвода избыточной теплоты.
Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочее напряжение до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках применяется вязкое масло марки КМ-25 с температурой застывания не выше - 10°С и температурой вспышки не ниже +220°С.
В маслонаполненных кабелях используют менее вязкие масла. Например, для наполнения кабелей, рассчитанных на напряжение 110-220кВ, применяется масло марки МН-4. Для кабелей высокого давления (до 1,5 МПа), рассчитанных на напряжение от 110 до 500 кВ, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200.
Синтетические жидкие диэлектрики
Ранее широко применялись синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, обладающих высокой термоокислительной и электрической стабильностью, особенно при переменном напряжении, негорючестью, относительно невысокой стоимостью при вполне удовлетворительных эксплуатационных свойствах. Сейчас из-за токсичности хлорированных углеводородов их применение при проектировании новых электроустановок почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеются значительные их количества.
Для пропитки силовых конденсаторов применяют трихлордифенил (ТХД), для заполнения силовых трансформаторов применяют совтол-10, представляющий собой смесь 90 % пентахлордифенила, 10 % трихлортензола, и гексол (смесь 20 % пентахлордифенила и 80 % гексахлорбутадиена. Совтол-10 по своим вязкостно-температурным свойствам значительно уступает гексолу, что несколько ограничивает область его применения в трансформаторах.
Жидкие диэлектрики на основе полиорганосилоксановых (кремний-органических) соединений (ПОСЖ) используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры, волноводах, преобразовательных устройствах, магнетронах и в других устройствах. Опыт применения жидких ПОСЖ подтвердил их высокое качество, термоокислительную стабильность и эксплуатационную надежность.
Жидкие диэлектрики на основе фторорганических (ФОСЖ) и хлор-фторорганических (ХФОСЖ) соединений могут длительно работать при температуре 220°С и выше. Характерными свойствами этих жидкостей являются малая вязкость, низкое поверхностное натяжение, высокий температурный коэффициент объемного расширения, сравнительно высокая летучесть. Они способны обеспечивать более интенсивный отвод тепловых потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости.
Некоторые хлорфторуглеводороды, которые по своим термодинамическим свойствам нашли применение в качестве хладоагентов, получили название хладонов (раньше их называли фреонами). Ряд хладонов применяется в качестве жидких диэлектриков для заполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электротехнических изделий в тех случаях, когда другие виды жидких диэлектриков не выдерживают высоких рабочих температур.
Электроизоляционные смолы
Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и малогигроскопичны, но растворимы органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) прочно прилипают к соприкасающимся с ними твердым телам. При низких температурах смолы - аморфные, стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы (если они ранее не претерпевают химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими.
Наибольшее значение в электрической изоляции имеют синтетические смолы - полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или других веществ, остатки которых могут ухудшить электроизоляционные свойства смолы. Кроме того, молекулы конденсационных смол, как правило, содержат полярные группы, что повышает тангенс угла их диэлектрических потерь и гигроскопичность. Полимеризационные смолы могут быть и неполярными (полимеры углеводородного состава, политетрафторэтилен и др.).
К органическим электроизоляционным смолам относятся: полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полиамиды, эпоксидные, фенолформальдегидные, полиэфирные смолы.Полиэтилен различных видов (типов) широко используется в изоляции кабелей (как радиочастотных и кабелей телефонной связи, так и силовых). Выпускается он в виде пленок, лент и других изделий.
Полипропилен применяется как диэлектрик намотанных (пленочных, а также комбинированных - бумажнопленочных) силовых конденсаторов.
Полистирол обладает хрупкостью при пониженных температурах, склонностью к постепенному образованию поверхностных трещин, малой стойкостью к действию растворителей (в частности, жидких углеводородов) и невысокой нагревостойкостью.
Поливинилхлорид стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он используется в технике и в быту для изготовления пластических масс и резиноподобных продуктов, для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей и т.п.
Полиметилметакрилат (органическое стекло или плексиглас) применяется в разрядниках высокого напряжения, где требуется быстрое гашение возникающей дуги.
Политетрафторэтилен (фторопласт-4 или фторлон-4), обладает высокой нагревостойкостью (около +250°С), химически стоек, совершенно негорюч, негигроскопичен, не смачивается водой и другими жидкостями. По электроизоляционным свойствам фторопласт-4 принадлежит к лучшим из известных диэлектриков, и его применяют в особо ответственных случаях: при попеременном воздействии на изоляцию высоких и низких температур, химически активных сред, влаги и т.п. Внедрению фторопласта-4 препятствуют лишь его высокая стоимость и сложность технологии.
Эпоксидные смолы имеют малую усадку при отверждении (0,5-2%), позволяющую получить монолитную изоляцию, и высокую адгезию к различным пластическим массам, стеклам, керамике, металлам и другим материалам. Применение эпоксидной смолы в кабельных соединительных и концевых муфтах вместо чугунных муфт, заливаемых битумными или маслоканифолевыми компацидами, значительно уменьшает размеры муфт и дает значительный экономический эффект.
К элементоорганическим электроизоляционным смолам относятся кремнийорганические смолы, в состав которых входит кремний. Электроизоляционные свойства кремнийорганических соединений высоки даже при повышенных температурах. Кроме того, кремнийорганические соединения обладают малой гигроскопичностью и практически не смачиваются водой.
Из природных смол наибольшее применение в электротехнике получили канифоль, шеллак, битумы.
Канифоль (составляющая смолистых веществ хвойных деревьев) применяется в электрической изоляции при изготовлении лаков и компаундов; она добавляется к нефтяному маслу при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей. Кроме того, в большом количестве канифоль применяется как составная часть многих электроизоляционных смол, в частности, фенолформальдегидных и полиэфирных, как сырье для изготовления резинатов-сиккативов («сплавы» канифоли с Pb, Co, Mn и другими металлами). Канифоль находит большое применение в качестве флюса при пайке медных проводов.
В электротехнике шеллак (природное смоляное вещество, выделяемое насекомыми) применяется, главным образом, для изготовления клеящих лаков, в частности, для слюдяной изоляции. Содержание шеллака в электроизоляционных лаках колеблется в пределах 30-45 %.
Битумы широко используются для изготовления электроизоляционных заливочных и пропиточных составов - компаундов и масляно-битумных электроизоляционных лаков различного назначения.
Би́ту́мы природные и искусственные— твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных.
Контактные материалы
В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов (Сг, W), применяются различные сплавы и металлокерамические композиции на основе порошков серебра и окиси кадмия (CdO ~ 20 %). В качестве сильноточных дугоразмыкающих контактов применяют металлокерамику, изготовленную из порошков серебра, вольфрама (40-50 %) и никеля (2—3 %).
Металлокерамические контакты, изготовляемые из порошков меди и графита, отличаются высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (30000-100000 А). Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для этой цели применяют холоднотянутую (твердую) медь и бериллиевую бронзу. Щетки, служащие для создания скользящего контакта во вращающихся электрических машинах, изготавливаются из электроугольных изделий. Различают щетки угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитиро-ванные, т.е. подвергнутые термической электрообработке - графитированию (ЭГ), медно-графитные - с содержанием металлической меди (М и МГ).Лекция 18
Магнитные материалы
Магнитная восприимчивость - величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле. Вектор намагниченности М, т.е. магнитный момент единицы объема вещества, связан с вектором Н напряженности однородного магнитного поля соотношением: M=М0 + cH, где M0 - намагниченность в отсутствие поля, c - макроскопическая магнитная восприимчивость (в системе СИ безразмерная величина). Магнитная восприимчивость, рассчитанная на единицу массы (1кг или 1г) вещества, называется удельной. Магнитная восприимчивость 1 моля вещества называется молярной, или атомной.
Различные материалы по-разному ведут себя в магнитном поле и, соответственно имеют различную магнитную проницаемость.
У диамагнетиков и парамагнетиков самопроизвольная намагниченность в отсутствие поля отсутствует, т. е М0 = 0 и c = М/Н определяет наведенную намагниченность. Диамагнетики и парамагнетики - слабомагнитные вещества (c ~ 10-4-10-6), причем для диамагнетиков c < 0 (векторы М и Н противоположно направлены), у парамагнетиков c > 0 (направления векторов М и Н совпадают). Для слабомагнитных веществ магнитная восприимчивость практически не зависит от Н (за исключением случаев очень сильных полей или низких температур). Магнитная восприимчивость парамагнетиков, как правило, существенно зависит от температуры.
Диамагнетиками являются подавляющее большинство веществ, например, водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, галлий, сурьма.Парамагнетиками являются кислород, щелочные и щелочноземельные металлы Na (но NaCl- диамагнетик), Mg, Ca, алюминий, платина, титан, палладий, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Ферромагнетики - кристаллические и аморфные твердые вещества, у которых в определенно температурном интервале проявляется ферромагнетизм – самопроизвольная намагниченность в отсутствие внешнего намагничивающего поля.
Ферромагнетизм обусловлен магнитоупорядоченным состоянием макроскопических объемов ферромагнетика, в которых магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Эти объемы - домены - обладают магнитным моментом Ms (самопроизвольной намагниченностью) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля.
В поликристаллическом ферромагнетике магнитные моменты доменов разориентированы друг относительно друга, поэтому вещество в целом имеет самопроизвольную намагниченность.
а
б
Схемы ориентации магнитных моментов в доменной структуре ферромагнетика
а – монокристалла; б – поликристаллического вещества

Для ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характерны: нелинейность кривой намагничивания и магнитный гистерезис (несовпадение кривых B=f(H)) при перемагничивании. Значение Ms максимально при Т 0К, с увеличением температуры Ms уменьшается и обращается в нуль в точке Кюри(для чистого железа - 768°С, для никеля - 358°С, для кобальта- 1131°С), выше этой температуры вещество становится парамагнитным.
Ферромагнетики обладают большим положительным значением магнитной восприимчивости с>>1, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях. При намагничивании ферромагнитных материалов наблюдается изменение их линейных размеров, это явление носит название магнитострикции
К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и ряд более редких веществ. На основе этих элементов изготавливаются магнитные материалы.
Антиферромагнетик, вещество, в котором ниже определенной температуры – точки Неля, устанавливается антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов: элементарные (атомные) магнитики соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. В отличие от антиферромагнетика в ферромагнитном веществе ориентация элементарных магнитиков одинаковая, что и приводит к высокой намагниченности тела в целом. Антипараллельный порядок чередования магнитных моментов в антиферромагнетике вместе с их направлением относительно кристаллографических осей определяет антиферромагнитную структуру вещества. Такую структуру можно представить себе как систему вставленных друг в друга пространственных решёток магнитных ионов (называются подрешётками), в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты. Каждая из подрешёток состоит из магнитных ионов одинакового сорта. Поэтому суммарные магнитные моменты подрешёток строго компенсируются, и антиферромагнетик в целом в отсутствие внешнего поля не имеет результирующего магнитного момента. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Для магнитной восприимчивости антиферромагнетиков типичны значения 10-4 — 10-6. К антиферромагнетикам относятся: твердый -кислород при Т<24 К, Mn (TN = 100 К), Cr(TN = 310 К), а также ряд РЗЭ с TN от 10 К (у Се) до 230 К (у Тb); оксиды переходных элементов, включая ряд ферритов-шпинелей, ферритов-гранатов и ортоферритов; многие фториды (FeF2, NiF2 и др.), сульфаты (FeSO4, MnSO4 и др.), сульфиды, карбонаты.
Практического применения антиферромагнетики пока не нашли, поскольку при переходе в антиферромагнитное состояние большая часть макроскопических физических свойств меняется мало. Исключение составляют высокочастотные свойства антиферромагнетиков.
Ферримагнетики, вещества, в которых ниже определенной температуры - точки Кюри магнитные моменты соседних атомов (ионов), образующих две или несколько магнитных подрешеток, антипараллельны (или более сложно ориентированы в пространстве), но не скомпенсированы, в результате чего эти вещества обладают самопроизвольной намагниченностью.
Ферримагнетизм - наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния. Ферромагнетизм, присущий ферромагнетикам, имеющим только одну подрешетку, и антиферромагнетизм, свойственный антиферромагнетикам, в которых все подрешетки состоят из одинаковых ионов, являются частными случаями ферримагнетизма.
Значительная часть ферримагнетиков - это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы. Среди них наиб. обширную группу составляют ферриты (шпинели, фанаты, гексаферриты). К ферримагнетики относятся двойные фториды. например RbNiF3, CsFeF3, некоторые сульфиды, селениды, а также ряд сплавов и интерметаллидов, содержащих атомы РЗЭ и элементов группы Fe, например CdCo5, TbFe2.
Подобно ферромагнетикам ферримагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле, имеют доменную структуру, обладают остаточной намагниченностью, выше точки Кюри переходят в парамагнитное состояние. Однако существование нескольких различных подрешеток приводит к более сложной температурной зависимости их самопроизвольной намагниченности ферримагнетиков, чем у ферромагнетиков. При определенной температуре, называемой точкой компенсации, намагниченность ферримагнетиков обращается в нуль. При температуре выше и ниже этой точки самопроизвольная намагниченность отлична от нуля.
Ферримагнетики используют для изготовления постоянных магнитов, в ЭВМ (при создании элементов памяти), в радиотехнике, СВЧ технике. Из ферримагнетиков производят, например, сердечники колебательных контуров, дроссели, трансформаторы, магнитные антенны, фазовращатели, линии задержки и т.д.
В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферримагнитные химические соединения (ферриты).
Основными параметрами магнитных материалов являются: остаточная магнитная индукция– Вr, остающаяся в образце после его намагничивания; Нс - напряженность магнитного поля (коэрцитивная сила), приложенная к образцу и необходимая для его размагничивания; - магнитная проницаемость.
−H
+H
−B
+B
Bs
Br
0
Магнитная проницаемость (Гн/м) определяется соотношением
= Вr/Нс.
Магнитные материалы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на две основные группы: магнитомягкие с малой коэрцитивной силой и магнитотвердые, у которых коэрцитивная сила, напротив, высокая.
Кроме того в электротехнике в качестве магнитных материалов специализированного назначения применяются специальные ферромагнетики, ферриты, магнитодиэлектрики, конструкционные чугуны и стали, особые магнитные свойства которых определяются структурой и составом.
Магнитомягкие материалы
Помимо малой коэрцитивной силы (Нс<4кА/м) магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемости и большой индукцией насыщения, чтобы пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода.
Магнитный материал, используемый в переменных полях должен иметь повышенное удельное сопротивление, чтобы уменьшить потери на перемагничивание, вызываемые вихревыми токами.
Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо, магнитные свойства которого ухудшаются с увеличением содержания примесей. Чистое железа типично магнитомягкий материал. Технически чистое железо, а также различные сорта нелегированных и электротехнических сталей, которые содержат небольшое количество примесей, из-за низкого удельного сопротивления используют, в основном, для изготовления магнитопроводов, предназначенных для работы на постоянном токе и невысоких технических частотах (сердечники реле, трансформаторы, электрические машины).
В мощных устройствах на переменном токе (до 25 кГц) из-за роста потерь на вихревые токи с повышением частоты электротехнические кремнистые стали, содержащие до 4,8 % Si. Растворяясь в железе, кремний сильно искажает кристаллическую решетку и повышает электросопротивление.
Для повышения магнитных свойств вдоль определенного направления в листовой электротехнической стали часто используют холодную прокатку, вызывающую развитие текстуры. Под действием холодной деформации большая часть кристаллитов поворачивается, ориентируясь направлениями легкой намагничиваемости вдоль направления прокатки.
Все магнитомягкие материалы делятся на 3 группы:
1. Сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная (техническое железо), ГОСТ3836 -73 и 11035-75;
2. HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_0" Сталь HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_1" электротехническая HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_3" HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_2" кремнистая, ГОСТ21427-78;
3. Прецизионные магнитомягкие сплавы, пермаллои, ГОСТ10160-75.
Для маркировки сталей первых двух групп разработана чисто цифровая система.
Нелегированные стали обозначаются пятизначной цифрой: 10895, 20895, 10880, 20880, 10864, 20864, 11895, 21895, 11880, 21880, 11864, 21864.
Первая цифра в марке обозначает способ изготовления стали: 1-горячекатанная, 2 - холоднотянутая. Вторая цифра "0" или "1" обозначает, что сталь не легирована и имеет нормируемый или ненормируемый коэффициент старения (упрочнения); третья, четвертая и пятая цифры в марке обозначает магнитные характеристики, Нс, А/м. Эти стали применяют для изготовления сердечников электромагнитов, электромагнитных реле, работающих на постоянном токе, измерительных приборов, динамических репродукторов, мембран, магнитных экранов. HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_3" Сталь HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_4" кремнистая HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_6" HYPERLINK "http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=envelope&keyno=0&l10n=ru&lr=38&mime=pdf&sign=534d6a175d22da5a8f29c2c2fdf741e1&text=%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F+%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F+%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C&url=http%3A//oo13.mail.yandex.net/static/5ca8cda1dba54d6892cbf9164b6026ee/pdf.html" \l "YANDEX_5" электротехническая имеет четырехзначную цифровую марку. Первая цифра (1…3) обозначает способ изготовления стали: 1 - горячекатаная, 2 - холоднотянутая, 3 - текстурованная. Вторая цифра (1…5) показывает содержание кремния, которое может варьироваться от 0,4 до 4,8%, Две последние цифры указывают на магнитные характеристики.
Горячекатаные электротехнические стали марок 1211, 1312 и других используют для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью 100-400 кВт и роторов синхронных двигателей более высокой мощности, холоднокатанную кремнистую сталь марок 2011, 2112 и др. используют для магнитных цепей электрических машин (якорей и полюсов машин постоянного тока), для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт, текстурированную сталь марок 3411, 3414 и других с содержанием кремния 2,8-3,8 % используют для магнитных цепей электрических машин, трансформаторов и приборов.
Пермаллои (ГОСТ 10160-75) представляют собой сплавы Ni с Fe с высокой магнитной проницаемостью. Различают низконикелевые (40-50% Ni) имеющие высокую магнитную проницаемость (<4мГн/м) при относительно высокой индукции насыщения (1,5 Тл) и высоконикелевые (70-83% Ni) пермаллои с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью (<35 мГн/м), но меньшей индукцией насыщения (0,75 Тл).
Для улучшения электромагнитных и технологических свойств пермаллои дополнительно легируют элементами, увеличивающими магнитную проницаемость Mo, Сг, Со, Si, V и др.
Маркировка пермаллоев производится по химическому составу с использованием буквенно-цифрового кода, например, нелегированные сплавы 45Н и 50Н содержат 45 и 50% Ni соответственно, остальное железо.
Пермаллой 50НХС имеет химический состав: 48,5-51,0 % Ni, 1,1-1,4 % Si, 3,8-4,2 % Сг, Fe - ост.). Этот сплав наряду с высокой магнитной проницаемостью имеет повышенное удельное электросопротивление.
Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса, на что указывает буква П в конце марочного обозначения. Такие сплавы, например, 50НП, 65НП, 79НМП и др. широко используются в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Их отличительная особенность - большая остаточная индукция. У сплава 50НП прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79НМП - путем обработки в магнитном поле.
Легированные высоконикелевые супермаллои 79НМ (78,5-80,0 % Ni, 3,8-4,1 % Mo) и 81НМА. (79% Ni, 16% Fe, 5% Mo) обладают наивысшей проницаемостью в слабых магнитных полях. Применяются в радиотехнике, технике связи и других областях, где используются слабые поля.
СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения
В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с самыми разнообразными свойствами, например, сплавы с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициенту линейного расширения стекла, или с коэффициентом, равным нулю, а также с весьма большим коэффициентом и т.д. Чтобы удовлетворить этим требованиям, для каждого конкретного случая применения изготавливают сплавы строго определенного состава. Их, как и магнитные, и электротехнические сплавы, часто называют прецизионными сплавами.
Сплавами с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) называются сплавы, сохраняющие в некотором интервале температур практически постоянным свой объем, то есть имеющие малый коэффициент температурного линейного расширения. Такое аномальное поведение сплавов объясняется тем, что при изменении температуры в них возникают магнитные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями, компенсирующими термическое расширение, обусловленное тепловыми колебаниями атомов. К ним относят сплавы на основе Fe - Ni (ГОСТ 10994-74), имеющие аустенитную структуру, что обеспечивает получение низкого коэффициента линейного расширения.
Сплавы можно разделить на три группы: с минимальным ТКЛР-36Н (35-37 % Ni), 36НХ, 39Н; с низким ТКЛР-29НК (28,5-29,5 % Ni, 17-18 % Со), 30НКД, 38НКД; со средним ТКЛР-47НД (46-48 % Ni, 4,5-5,5 % Си), 47НЗХ.47НХР.
Для деталей с высокой стабильностью размеров в интервале температур -60...+100°С выбирают сплавы с ТКЛР, близким к нулю (типа инвар), например, сплав 36Н, применяемый в приборах для деталей, размеры которых не должны изменяться с изменением температуры. Для деталей и труб в криогенной технике применяют сплавы 39Н и 36НХ, структура и свойства которых стабильны до температуры жидкого гелия. Для нагруженных деталей высокоточных приборов, а также для точных пружин применяют сплав 35НКТ.
Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель и медь. Сплав такого типа, называемый суперинвар (32НКД), имеет еще более низкий коэффициент линейного расширения.
Сплавы с низким и средним ТКЛР предназначены для вакуумно-плотных соединений со стеклом, керамикой в радиоэлектронной аппаратуре. Из этой группы сплавов наиболее широко применяют в промышленности сплав 29НК (ковар), который хорошо обрабатывается резанием, сваривается и штампуется.
Для сплавов 47НД и 52Н, применяемых для герметизированных управляемых контактов (герконов), кроме ТКЛР, нормируются и характеристики магнитных свойств.
В качестве терморегулятора в приборостроении используют термобиметаллы — спаянные пластины двух различных металлов или сплавов с резко разнородными коэффициентами линейного расширения. Они используются при изготовлении термобиметаллических элементов электрических аппаратов дистанционного управления (реле и регуляторов).
Формирование структур литых материалов. Литейные технологии
Т
Тпл
Т
G
Gv

Gтв
Рис.18. Температурные зависимости свободной энергии жидкой и твердой фаз
Расплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (затвердевания) Тпл . кристаллизуется, т.е. затвердевает с образованием кристаллической структуры.
Процесс кристаллизации вызван стремлением системы к минимуму свободной энергии. Термодинамический потенциал, характеризующий свободную энергию, при ТТпл у твердой фазы меньше, чем у жидкой. Для развития кристаллизации необходимо переохлаждение металла ниже температуры плавления Т.
Снижение свободной энергии системы при переохлаждении Т, равное Gv= Gж Gтв, является термодинамическим стимулом – движущей силой процесса кристаллизации. Чем сильнее переохлаждении и, следовательно, больше Gv, тем активнее идет процесс кристаллизации.
Т

Ме
Сплав
Т
Рис.19. Термографическая кривая кристаллизации чистого металла и сплава.
Кристаллизация сплава начинается ниже температуры ликвидусаТL.
При фазовом переходе жтв выделяется тепло кристаллизации, которое полностью или частично компенсирует теплоотвод при охлаждении. Соответственно, кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а образование твердых растворов у сплавов замедляет скорость снижения температуры, что отражается на кривой охлаждения в виде перегиба. Изменения наклона кривой охлаждения вледствие фазовых переходов являются основой термографического анализа кристаллизации.
Кристаллизация происходит путем образования в жидкости центров кристаллизации (зародышей) и дальнейшего роста тех зародышей, которые имеют размеры больше критических: Rкр= , где - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердая фаза, Тпл и Qпл − температура и теплота плавления, Т − переохлаждение..
Более мелкие зародыши неустойчивы, они растворяются в жидкой фазе.
Критический размер зародыша обратно пропорционален переохлаждению Т, т.е. чем сильнее переохлаждение, тем более мелкие зародыши становятся способны к росту. Следовательно, при более глубоком переохлаждении жизнеспособных зародышей становится больше, из каждого образуется кристаллит или зерно. В результате затвердевший при большем переохлаждении сплав имеет мелкозернистую структуру, которая характеризуется лучшими механическими свойствами.
Самопроизвольное (гомогенное) образование зародыша происходит только в очень чистых однородных веществах. В расплавах реальных сплавов всегда присутствуют случайные мелкие твердые частицы, некоторые из них даже при сравнительно небольшом переохлаждении могут служить готовыми зародышами кристаллизации. Таким образом в технических сплавах обычно происходит гетерогенное зарождение. Гетерогенным зарождением можно управлять, специально вводя в расплав определенное вещество – модификатор, а сам процесс обработки модификатором жидкого расплава непосредственно перед кристаллизацией называется модифицированием. Результатом модифицирования является множественное зарождение способных к росту центров кристаллизации, а, следовательно, образуется мелкозернистая структура затвердевшего сплава.
Форма первичных кристаллов и строение слитка.
Строение дендритного кристалла.
Первичные кристаллы технических сплавов это кристаллы твердого раствора. Они имеют дендритную (древовидную) форму, обусловленную анизотропией скорости их роста. Зародившийся кристаллик начинает вытягиваться в направлениях с максимальной плотностью упаковки атомов. В результате вырастают ветви первого порядка, от которых ответвляются ветви второго порядка. Последние тоже разветвляются, давая ветви третьего и более высоких порядков. Ветви дендритных кристаллов с кубической структурой располагаются перпендикулярно друг другу.
4
1
2
3
Макроструктура слитка
Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом или пока жидкая фаза не достигнет эвтектического состава. Затем оставшаяся в междуветвиях жидкость также в виде твердого раствора затвердевает, достраивая разветвленный дендрит до полиэдрического кристаллита (зерна) или междендритная жидкость кристаллизуется в виде эвтектики.
Типичная зеренная структура слитка состоит из трех основных зон: 1- зона мелких (замороженных кристаллов образуется из-за сильного мгновенного переохлаждения залитого в изложницу металла и множественного зарождения центров кристаллизации;
Далее формируется 2 зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода, т.е. большая ось зерен направлена почти нормально к поверхности изложницы (формы), кристаллы растут к центру или тепловому узлу. Центральную часть слитка занимает 3 зона крупных равноосных кристаллов, которые растут в условиях ненаправленного теплоотвода и при малом переохлаждении.
Охлаждаясь, металл дает усадку, т.е. уменьшается в объёме, поэтому в зоне слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 4. Усадочная полость может быть сосредоточенной или образуется усадочная пористость (усадочная рыхлота).
Некоторые сплавы, например высокомарганцевая сталь, склонна к увеличению зоны столбчатых кристаллов вплоть до стыковки их в центре при полном вытеснении зоны 3. Такая структура слитка называется транскристаллитной. Транскристаллитная структура характеризуется высокой плотностью металла, но в зоне стыка встречных кристаллов собираются нерастворимые примеси, развивается усадочная рыхлота. Отливки (слитки) с транскристаллитной структурой могут растрескиваться в процессе последующей ковке или прокатке.
Формированием зеренной структуры слитка можно управлять, подавляя развитие зоны столбчатых кристаллов, например, снижая температуру разливки сплава, продувкой инертными газами, вибрационной обработкой, модифицированием. В принципе можно добиться получения слитка со структурой, состоящей из равноосных кристаллов.
Чтобы уменьшить поражение металла усадочными дефектами используют направленное затвердевание: в верхней части слитка устраивают прибыль, которая питает отливку жидким металлом. Прибыль затвердевает в последнюю очередь и в ней концентрируется усадочная раковина. Прибыльную часть слитка отрезают и пускают на переплав, а остальную неповрежденную часть металла используют по назначению.
Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных дефектов слитков является непрерывная разливка. При такой технологии жидкий металл из печи непрерывно поступает в специальное устройство – водоохлаждаемый кристаллизатор. Затвердевший металл непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллизатора и отрезается мерными кусками. Затвердевший металл имеет плотную мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.
Аналогично слитку формируется зеренная структура фасонных отливок. В отливках сложной формы усадочные дефекты могут развиваться в, так называемых тепловых узлах отливки, в местах с резким увеличением сечения. Для предотвращения усадочных дефектов в таких местах устанавливают питающие прибыли.
Основы литейной технологии
Литейная технология является наиболее экономичным и универсальным способом изготовления деталей сложной формы весом от нескольких грамм до сотен тонн. Фасонные отливки изготавливают путем заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изготавливаемой литой детали. Залитый в форму металл, затвердевая, приобретает заданную конфигурацию. В процессе охлаждения в форме и даже при освобождении из неё происходят вначале кристаллизация, а затем и твердофазные превращения металла, которые формируют структуру и свойства отливки
В зависимости от объема производства, геометрической сложности, размерной точности и других факторов применяют различные способы литья: в песчано-глинистые разовые формы, оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и пр. Однако технологическая схема почти любого из применяемых способов включает следующие основные позиции:
Изготовление литейной оснастки
Приготовление расплавленного металла
Изготовление литейной формы
Отливка
Подготовка формовочных материалов
Рис. 22. Общая технологическая схема литейной технологии

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, которая формирует отливку из залитого в нее расплава. Обычно литейная форма состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливают по литейным моделям в опоках. Для изготовления литейной формы используют литейную оснастку, состоящую из модельного комплекта и литейных опок. В модельный комплект входят модель отливки, модельные плиты, стержневые ящики, модели литниковой системы и др. приспособления. Литейная модель – имеет форму и размеры, близкие к параметрам получаемой отливки и служит для образования в форме рабочей полости, которую заливают металлом. Модели могут быть неразъёмными, разъёмными или с отъёмными частями. Отверстия, полости и другие сложные контуры в отливке образуют с помощью стержней соответствующей конфигурации. Стержни устанавливают в рабочей полости литейной формы на специальные выступы (стержневые знаки). Для подвода расплавленного металла в рабочую полость в форме устраивают литниковую систему, которая состоит из литниковой чаши, стояка и питателей. Литейная опока представляет собой рамочное приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы и заливке её металлом. Верхнюю и нижнюю опоки ориентируют друг относительно друга с помощью металлических штырей, чтобы точно совместить сформированные в них рабочие полости.
Стержневой ящик – это приспособление для изготовления стержней.
Исходным документом для разработки чертежа отливки с модельно-литейными указаниями служит чертеж детали. На чертеже отливки указаны разъем модели и формы, положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней и т.п.
Модели и стержневые ящики для единичного производства изготавливают из дерева; для массового производства – из чугуна, алюминиевых сплавов или из пластмассы.
Припуски на механическую обработку – это слой металла, удаляемый в процессе механической обработки отливки для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности детали.
Для свободного извлечения модели из формы без повреждения ее рабочей полости предусматривают формовочные уклоны и скругления внутренних углов (галтели).
Формовочные и стержневые смеси состоят из наполнителя и связующего. В качестве наполнителя используют песок. Связующие применяют разные: глину, жидкое стекло, масла, смолы и их композиции. Наибольшее распространение получили песчано-глинистые формовочные смеси.
Для придания формовочным и стержневым смесям необходимой прочности их уплотняют или отверждают сушкой, воздействием повышенной температуры, продувкой углекислого газа, а также возможно самопроизвольное отверждение в результате химических реакций, протекающих в смеси после её приготовления.
Формовочные смеси должны обладать огнеупорностью, иметь достаточную прочность, обладать минимальной взаимодействием с расплавленным и затвердевающим металлом, а также они должны иметь высокую газопроницаемость, пластичность и податливость.
Расплавление и доведение сплава до заданного химического состава производят в электропечах индукционных, дуговых или печах сопротивления, могут также использоваться печи с газопламенным обогревом. Для выплавки чугуна могут также использовать вагранки – шахтные печи, которые отапливаются теплом горения кокса. Кокс необходим и для науглероживания выплавляемого чугуна.
Для улучшения качества металл после выпуска из печи часто подвергают разного рода внепечной обработке, модифицированию, вакуумной экстракции, обработке синтетическими шлаками и пр., а затем заливают в формы.
Важным технологическим параметром является температура заливки. При высокой температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, обеспечивая хорошую заполняемость даже самых тонких сечений отливки, но сильно перегретый металл более газонасыщен, сильнее окисляется, увеличивается усадка. Оптимальной является температура заливки на 100…150° выше температуры ликвидуса сплава.
После завершения кристаллизации и охлаждения металла до заданной температуры отливки выбивают, разрушая формы на специальных установках, exp.выбивных решетках, а также удаляют стержни.
Затем следует операция обрубки, т.е. удаление с отливки прибылей, литниковой системы, выпоров, облоя по месту сопряжения полуформ. Обрубку производят газовой или механической резкой, давлением на прессах. Литники с чугунных отливок легко отбивают молотками. Места обрубки зачищают шлифовальными кругами, газопламенной обработкой и т.п.
И, наконец, выполняют очистку отливок – удаляют пригар и остатки формовочной смеси с поверхности.
Для повышения геометрической и размерной точности, улучшения качества поверхности отливок и для достижения других качественных и экономических показателей и применяют специальные способы литья.
Литье в оболочковые формы отличается высокой точностью размеров, требует весьма небольших припусков на механическую обработку. Расход формовочных материалов при такой технологии сокращается, что снижает себестоимость литья. Формы при таком способе литья, представляют собой тонкостенные оболочки, которые получают нанесением на подогретую модель формовочной смеси из песка и термореактивной смолы. После отверждения оболочка снимается с модели. Если форма состоит из нескольких частей, то вначале она собирается в целую, а затем дополняется литниковой системой, помещается в опоку, засыпается песком или дробью и наконец заливается металлом. Затвердевшая отливка освобождается путем разрушения формы.
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок сложной конфигурации с очень малой толщиной стенки 1-3 мм и весом от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Эта технология распространена, например, в художественном литье. Разовые модели изготавливают в пресс-формах, запрессовывая в них пастообразный модельный состав на основе парафина, стеарина или церезина. После затвердевания модель извлекают из пресс-формы и наносят на неё суспензию из пылевидного кварца и этилсиликата в несколько слоёв, обсыпая кварцевым песком и просушивая каждый слой. Затем модель удаляют из формы, выплавляя её в горячей воде. Последующие операции аналогичны технологии литья в оболочковые формы.
Литье в кокиль осуществляют заливкой расплавленного металла в металлические формы, которые и называются кокилем. Кристаллизация металла в кокиле происходит в условиях интенсивного теплоотвода и повышенной скорости охлаждения. Такие условия кристаллизации обеспечивают высокую плотность, размерную точность и хорошие механические свойства отливки. Технология кокильного литья высокопроизводительна, все операции её механизированы и автоматизированы. Она экономична при массовом и крупносерийном производстве. Для повышения стойкости кокилей применяют облицовку рабочей поверхности формовочной смесью с термореактивным связующим.
Литье под повышенным или низким давлением используют в массовом и крупносерийном производстве отливок с очень малой толщиной стенок (до 0,8 мм) и очень высокой точность размеров. Достигаемая точность размеров и высокое качество поверхности часто не требует последующей механической обработки. Литьё осуществляют заполнением пресс-формы расплавленным металлом под давлением 40-100МПа (при холодной камере прессования) или 10-30 МПа (при горячей камерой прессования). После затвердевания металла пресс-форму раскрывают и отливку извлекают. Технология применяется для отливок из относительно легкоплавких сплавов на основе Al, Mg, Zn.
Центробежное литье осуществляют во вращающиеся формы. Центробежные силы прижимают залитый металл к стенкам формы, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок, формирование внутренней полости трубных заготовок без применения стержней, экономию сплава из-за отсутствия литниковой системы. Центробежное литье позволяет получать двухслойные отливки, заливая сначала один сплав, а после его затвердевания другой.
Непрерывное литье осуществляется бесперебойной заливкой металла в водоохлаждаемый кристаллизатор. Внутренняя полость кристаллизатора имеет конфигурацию, которая формирует отливку. Затвердевшая часть отливки вытягивается из кристаллизатора специальным устройством и разрезается на мерные заготовки. Этим способом получают отливки разного профиля с параллельными образующими из чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов. Благодаря кристаллизации в условиях направленного теплоотвода непрерывно литые заготовки не имеют усадочных дефектов и неметаллических включений.
Сварочное производство
Сварка — высокопроизводительный и универсальный технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Сварка широко применяется во всех отраслях техники для соединения металлов, их сплавов или термопластов как самостоятельный процесс при изготовлении сложных конструкций, так и в комплексных технологиях в сочетании с другими видами обработки материалов (литьем, давлением, резанием).
Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и в полевых условиях, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.
Наибольшее распространение получили два вида сварки: давлением и плавлением.
При сварке давлением заготовки соединяются в процессе совместной пластической деформации. В процессе деформации микронеровности поверхностей заготовок выравниваются, разрушаются и удаляются оксидные пленки, обеспечивая в условиях действия межатомных сил плотный взаимный контакт заготовок. Для снижения сопротивления деформации зону сварки обычно нагревают. При сварке плавлением расплавляют кромки заготовок, в результате образуется общая сварочная ванна расплавленного металла, в процессе застывания которой кристаллизуется металл сварного шва.
Процесс кристаллизации сварного шва отличается от кристаллизации слитков чрезвычайно резкими градиентами температуры и очень высокой скоростью охлаждения.
Начинается кристаллизация металла сварочной ванны на поверхности частично оплавленных зерен основного металла заготовок, располагаемых в граничной зоне расплавления. Сварной шов формируется постепенно по мере перемещения сварочной ванны вместе с источником тепла вдоль кромок заготовок. В передней части сварочной ванны металлы оплавляются, а за ней кристаллизуются в процессе охлаждения сварного шва. Сечение сварного соединения получается неоднородным по размеру, форме и химическому составу зерен.
При изучении микроструктуры сварного соединения выявляются три зоны: основного металла, термического влияния и наплавленного металла сварного шва. В верхней части шва формируются более крупные кристаллы ветвистой формы (дендритное строение), а в нижней части − белее мелкие кристаллы удлиненной формы (транскристаллитное строение).
В зоне термического влияния (ЗТВ) тоже можно выделить 6 участков:
1−2 − участок неполного расплавления металла является переходным от наплавленного металла сварного шва к основному металлу, Металл здесь испытывал нагрев до температуры, выше солидуса основного металла и находился в твердожидком состоянии. В этой области происходит сплавление зерен шва и основного металла, поэтому свойства сварного соединения в целом в наибольшей степени формируются здесь;
2−3 − участок перегрева, в котором металл нагревался до 1500ºС. После затвердевания металл этого участка имеет пониженную пластичность вследствие крупнозернистого строения. Для сталей с содержанием углерода 0,4% и более в этой зоне возможно образование закалочных структур;
3−4 − участок нормализации. Металл этого участка испытал относительно недолгий нагрев от 930 до 1100ºС и после охлаждения имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами;
6
Участок частичной аустенитизации
Участок рекристаллизации
Участок синеломкости
1400
1600
1200
1000
800
600
400
Наплавленный металл шва
Участок неполного расплавления
Участок перегрева
Участок нормализации
t, ºC
1
2
3
4
5
Строение зоны термического влияния сварного шва

4−5 − участок частичной аустенитизации. После охлаждения структура здесь состоит из крупных зерен феррита, окруженных мелкими зернами феррита и перлита;
5−6 − участок рекристаллизации может наблюдаться после сварки заготовок, прошедших предварительную пластическую деформацию (поковки, прокат). Для металла на этом участке характерно восстановление формы и размеров деформированных зерен;
к границе 6 примыкает зона синеломкости, металл здесь в процессе ведения сварки нагревается до 200...400°С, что соответствует синим цветам побежалости и характеризуется снижением пластичности металла.
При высоких (2000...6000°С) температурах в зоне сварки металл сварочной ванны может окисляться свободным кислородом газовой атмосферы и кислородом, связанным в оксиды, образуя растворимые в жидком металле. В результате при охлаждении в металле шва образуются включения, ухудшающие его качество.
Причинами образования газовых пор в сварном шве может быть:
высокое содержание в жидком металле водорода и азота, которые при кристаллизации интенсивно выделяются из расплава вследствие скачкообразного падения их растворимости;
интенсивное окисление углерода (образование газа СО2) вследствие низкого содержания кремния и марганца в металле сварочной ванны.
В сталях, легированных хромом, молибденом, титаном, азот образует нитриды типа MeN, которые увеличивают прочность сварного шва, но снижают его пластичность.
Сера в сплавах на основе железа даже в небольших количествах образует низкоплавкую (940 °С) сульфидную эвтектику FeS —Fe по границам зерен, является причиной горячих трещин в процессе сварки, а также образования трещин при термообработке и в период эксплуатации данного изделия при высоких температурах (красноломкость).
Фосфор содержится в металле шва в виде фосфидов железа FeP и FeP2, которые уменьшают ударную вязкость стали, т.е. способствуют появлению холодных трещин. Для уменьшения вредного влияния фосфора в сварочную ванну вводят элементы (кальций или марганец), образующие с фосфором нерастворимые в железе соединения, с тем, чтобы они перешли в шлак, который затем удаляется.
Свариваемость металлов и сплавов.
Под свариваемостью подразумевают способность металлов и сплавов образовывать при установленной технологии сварки надежное в эксплуатации сварное соединение.
Механические свойства многих сплавов (как черных, так и цветных) в зоне сварного шва ухудшаются; образуются сварочные дефекты-трещины, закалочные структуры, пористость и др., следовательно, эти сплавы обладают пониженной свариваемостью.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов. Для сварных соединений заготовок из одинакового металла проблем с физической свариваемостью не бывает. Разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.
При сварке разнородных металлов и сплавов возможны три варианта структуры сварного шва:
соединяемые материалы образуют непрерывные твердые растворы (Fe−Ni, Fe−Cr, Ni−Zn и др.). При этом протекает совместная кристаллизация, обеспечивающая межатомные связи не только внутри кристалла, но и по границам зерен, состав, структура и свойства при переходе от сварного соединения к основному металлу меняются постепенно − физическая свариваемость хорошая;
соединяемые материалы или их составляющие имеют ограниченную взаимную растворимость (Fe−Cu, Сu−Zn и др.). В этом случае в зоне сварки возможно образование интерметаллидных фаз, и качество сварного соединения может ухудшиться вследствие плохих механических свойств интерметаллидов (высокая хрупкость, низкая прочность и т.д.) или слабых связей между кристаллитами разных фаз;
соединяемые материалы практически не растворяются один в другом (Fe−Pb, Fe−Mg и др.). При этом монолитность сварного соединения может устанавливаться только за счет сил связи по границам кристаллитов разных фаз − физическая свариваемость плохая.
Технологическая свариваемость — это поведение свариваемых материалов в условиях конкретной технологии сварки.
Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является их склонность к образованию горячих и холодных трещин. Горячие трещины могут появиться под действием высоких растягивающих напряжений в процессе кристаллизации материала шва, когда металл находится твердожидком состоянии, и поэтому имеет малые пластичность и прочность. Образование горячих трещин наиболее вероятно вдоль оси сварного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонны к горячим трещинам сплавы с широким интервалом кристаллизации и с повышенным содержанием вредных примесей. Холодные трещины могут возникать в ЗТВ или в зоне шва после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора образование холодных трещин возможно в период от 2 до 7 сут после сварки. Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей в случае появления при сварке закалочных структур, при усиленном росте зерен и при повышенном насыщении металла газами. Склонность стали к образованию холодных трещин оценивают по эквиваленту углерода: .
Сталь с Сэкв> 0,4 %, следует считается склонной к образованию холодных трещин.
Стали по свариваемости разделяют на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.
Углерод при содержании в стали до 0,25 % не ухудшает свариваемости, а при более высоком его содержании свариваемость резко ухудшается, так как в ЗТВ образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Применение средне- и высокоуглеродистых присадочных материалов приводит к пористости шва.
Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали.
Не ухудшают свариваемость:
Кремний при содержании в стали 0,02...0,3%, марганец при содержании до 1,8%; никель.
При увеличении в стали содержания кремния до 0,8... 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния.
Ухудшают свариваемость:
Марганец в количествах свыше 1,8, ванадий, вольфрам способствуют появлению закалочных структур, что может вызвать образование холодных трещин.
Марганец в количествах свыше 11%, ванадий, вольфрам, молибден активно окисляются и выгорают.
Хром при сварке образует карбиды, которые ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в ЗТВ, интенсифицируют образование тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.
Молибден измельчает зерно, способствует образованию трещин в зоне ЗТВ.
Титан и ниобий способствуют образованию горячих трещин.
Сварочные напряжения.
Неравномерность нагрева, характерная для сварных изделий, и металлургические процессы, протекающие в сварном шве, по совокупности действия приводят к появлению внутренних сварочных напряжений в сварном шве и к деформациям в сварных изделиях в целом.
Наблюдаемые внешние деформации заготовок после сварки не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, их действие противоположно, что создает опасность появления трещин. Для предупреждения появления трещин в сварном шве и в ЗТВ необходимо снизить внутренние деформации и напряжения (уменьшить реакцию основного металла на разогретый шов и на ЗТВ). С этой целью стремятся уменьшать геометрическую жесткость свариваемых заготовок, исключают их закрепление при сварке, предварительно подогревают заготовки или после сварки применяют высокий отпуск. Если коробление сварного изделия по техническим условиям недопустимо, то, наоборот, увеличивают геометрическую жесткость свариваемых заготовок посредством использования ребер жесткости, мембран или жесткого крепления заготовок при сварке.
Классификация сварки металлов
ГОСТ 19521-74 устанавливает классификацию сварки металлов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.
Физические признаки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, подразделяются на три класса:
Термический класс: виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии.
Термомеханический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления.
Механический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.
К техническим признакам относятся: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность сварки, степень механизации сварки.
Технологические признаки установлены ГОСТ 19521-74 для каждого способа сварки отдельно.
Термический класс
Электрическая дуговая сварка. Источником теплоты является электрическая дуга, возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании сварочного тока в результате замыкания внешней цепи электросварочного аппарата.
Основными разновидностями электродуговой сварки являются: ручная дуговая сварка, сварка неплавящимся электродом, сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом, электрошлаковая сварка.
Электрошлаковая сварка производится за счёт разогрева флюса, находящийся между свариваемыми изделиями, при прохождении через него электрического тока. Способ применяют при сварке вертикальных швов толстостенных изделий.
Плазменная сварка. Источником теплоты является плазменная струя, получаемые при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами, одним из которых может быть свариваемое изделие либо оба электрода находятся в плазменной горелке — плазмотроне. Помимо собственно сварки этот способ часто используется для технологических операций наплавка, напыление и резка.
Электронно-лучевая сварка. Источником теплоты является электронный луч, получаемый за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронно-лучевой пушки. Сварка ведётся в высоком вакууме. Получают швы с соотношением глубины провара к ширине до 20:1 и более. Применяется для сварки низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталей, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавов, тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики, химически активных металлов и сплавов, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Лазерная сварка. Источником теплоты служит лазерный луч. Применяют лазерные установки всех видов.
Контактная стыковая сварка оплавлением. Источником теплоты служит плоский нагревательный элемент, со специальным покрытием PTFE. Сварка выполняется в 5 этапов: нагрев под давлением, прогрев массы, вывод нагревательного элемента, сварка, затвердевание.
Сварка с закладными нагревателями. Применяется для сварки полиэтиленовых труб. Источником теплоты служат элементы сопротивления запаянные в сварной муфте.
Газовая сварка. Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа.
Термомеханический класс
Кузнечная сварка − первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счёт возникновения межатомных связей при пластическом деформировании соединяемых заготовок ковочным молотом.
Контактная сварка производится в два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями контактной сварки являются: точечная контактная сварка, стыковая сварка, рельефная сварка, шовная сварка.
Диффузионная сварка осуществляется за счёт диффузии — взаимного проникновения атомов свариваемых изделий при повышенной (800°C) температуре в вакууме или в среде защитных газов. Методом диффузной сварки можно пользоваться при создании многослойных композитных материалов из разнородных металлов, отличающихся по своим физико-химическим свойствам.
Сварка высокочастотными токами Источником теплоты служит высокочастотный ток проходящий между свариваемыми изделиями. При последующем пластическом деформировании и остывании образуется сварное соединение.
При сварке трением соединяемые детали в месте прикосновения разогреются до оплавления за счет механической работы сил трения их друг об друга и свариваются. Способ позволяет сваривать разнородные материалы: медь и алюминий, медь и сталь, алюминий и сталь и т. д.
Механический класс
Сварка взрывом осуществляется сближением атомов свариваемых изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии, выделяемой при взрыве. С помощью данного способа сварки часто получают биметаллы.
Ультразвуковая сварка осуществляется сближением атомов свариваемых металлических изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии ультразвуковых колебаний, вводимых в материалы. Ультразвуковая сварка применяется в производстве микросхе, прецизионных изделий, сварка металлов разных типов и металлов с неметаллами.
Холодная сварка происходит благодаря пластической деформации в зоне стыка под воздействием механического усилия при температуре ниже минимальной температуры рекристаллизации свариваемых металлов. Холодная сварка может быть стыковой, точечной и шовной[5].
Технология ручной дуговой сварки.
Виды сварных соединений и швов
В зависимости от расположения свариваемых частей различают следующие виды сварных соединений.
а
б
в
г
д
е
ж
з
Классификация сварных соединений: а - стыковые; б - тавровые; в - прорезные; г - торцовые; д - угловые; е - нахлесточные; ж - с накладками; з – пробочные
Соединение встык является самым распространенным и применяется почти при всех способах сварки. Оно дает наименьшее сварочные напряжения и деформации при сварке.
При ручной дуговой сварке листов толщиной 3…8мм кромки можно обрезать под прямым углом к поверхности. Такая подготовка к сварке называется «встык без скоса кромок». При толщине листов 8…20мм для дуговой сварки применяют соединение встык с односторонним скосом кромок − V-образный скос. Для листов толщиной более 20мм применяют двухсторонний скос кромок — X-образный скос.
Соединение внахлестку применяется при дуговой сварке строительных конструкций из металла толщиной не более 10-12 мм. Лучшее соединение − сварка листов с обеих сторон.
Соединение впритык (тавровые) применяются при дуговой сварке балок, колонн, стоек, каркасов ферм и других пространственных конструкций. Такие соединения выполняются без скоса кромок или с одним − двумя скосами кромки.
Угловые соединения являются разновидностью тавровых и, в основном, выполняются без подготовки кромок. Их применяют при сварке резервуаров, емкостей и других соединений. Сварка с подготовкой кромок применяется для ответственных конструкций.
Соединения прорезные применяются, когда длина нормального шва внахлестку не обеспечивает достаточной прочности. Прорезные соединения бывают закрытого или открытого типа.
Пробочные соединения (соединение электрозаклепками) применяются для получения прочных, но неплотных соединений. Верхний лист просверливается, и отверстие заваривается так, чтобы сварка захватила поверхность нижнего листа. Диаметр отверстия для пробочного шва принимают равным 2…2,5 толщины листа.
Сварные швы классифицируются:
По положению в пространстве - нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные.
а
б
в
г
Сварные швы нижний (а), горизонтальный (б), вертикальный (в), потолочный (г).

а
б
в
г
Фланговые (а), торцевые или лобовые (б), комбинированные (в) и косые (г) сварные швы.
По отношению к действующим усилиям сварные швы делятся на фланговые, торцевые (или лобовые), комбинированные и косые.
По протяженности различают швы непрерывные (сплошные) и прерывистые, которые, в свою очередь, подразделяются на швы с цепным расположением и шахматным расположением сварных участков. Для прерывистого шва длина сваренного участка а= 50…150 мм, а пауза «в» выбирается в 1,5…2,5 раза больше «а».
По типу соединения все швы делятся на стыковые и угловые (валиковые). Угловые швы применяются при соединениях внахлестку, в тавр, в угловых соединениях и соединениях с накладками. Размер углового шва определяется его стороной, которая называется катетом.
По степени усиления различают швы нормальные, усиленные и ослабленные.
6)По числу слоев различают швы однослойные и многослойные.
7)По направлению - прямолинейные, круговые вертикальныеи круговые горизонтальные.
Основными параметрами режима ручной дуговой сварки является выбор электрода, величина сварочного тока, скорость перемещения электрода вдоль шва, род тока, полярность, напряжение на дуге и скорость сварки.
Электроды для дуговой сварки и наплавки
При ручной дуговой сварке плавлением применяют неплавящиеся и плавящиеся электроды и некоторые другие вспомогательные материалы.
Неплавящиеся электроды предназначены для поддержания горения дуги. Их изготавливают из вольфрама, электротехнического угля или синтетического графита. При сварке неплавящимся электродом в разделку шва подается присадочный материал.
Плавящиеся электроды поддерживают горение дуги и при расплавлении заполняют разделку шва. Их изготавливают из сварочной проволоки, которая, согласно ГОСТ 2246-80, разделяется на углеродистую, легированную и высоколегированную.
Условное обозначение марки проволоки состоит: из индекса Св - сварочная – далее аналогично маркировке конструкционных сталей. Наибольшее применение получили следующие марки сварочной проволоки: Св-08; Св -08А; СВ-10; Св-10А. ГОСТ 2246-80 предусматривает выпуск проволоки диаметром от 0,3 до 12,0мм.
Проволока для изготовления электродов для сварки алюминия и его сплавов (ГОСТ 7871-75) маркируется следующим образом: Св-А97; Св-А5; Св-АМц; Св-АКБ и др.
Для сварки меди и ее сплавов применяют проволоку и прутки из меди и сплавов на медной основе (ГОСТ 161300-72) например марок Ml; МНЖ5-1 и др.; на бронзовой основе - марок БрКМц3-1; БрОЦ4-3 и др.; на латунной - марок Л63; Л060−1 и др.
Для сварки титана используют сварочную проволоку из сплава ВТ1; ВТ5; и др.
При сварке чугуна применяют стержни, отлитые из серого чугуна, следующих марок (в зависимости от назначения): А - для горячей сварки; Б - для газовой сварки с местным подогревом; НЧ-1 - для низкотемпературной газовой сварки тонкостенных отливок; НЧ-2 - для низкотемпературной газовой сварки толстостенных отливок, БЧ и ХЧ - для износостойкой наплавки.
Классификация и основные ГОСТы на электродыЭлектроды классифицируются по следующим признакам: по материалу, из которого они изготовлены; по назначению для сварки определенных сталей; по толщине покрытия, нанесенного на стержень; по видам покрытия; характеру шлака, образующегося при расплавлении покрытия; техническим свойствам металла шва; по допустимым пространственным положениям сварки и наплавки; по роду и полярности применяемого при сварке или наплавке тока.Применение электродов должно обеспечивать следующие необходимые технологические условия: легкое зажигание и устойчивое горение дуги, равномерное расплавление покрытия, равномерное покрытие шва шлаком, легкое удаление шлака после сварки, отсутствие непроваров, пор, трещин в металле шва.
Стальные электроды изготавливают в соответствии с ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75. В ГОСТе 9466-75 электроды подразделяются на группы в зависимости от свариваемых материалов: углеродистых и низкоуглеродистых конструкционных сталей - У; легированных конструкционных сталей - Л; легированных теплоустойчивых сталей -Т; высоколегированных сталей с особыми свойствами - В; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами - Н.
По толщине покрытия (в зависимости от отношения диаметра электрода к диаметру стержня) электроды изготовляются: с тонким покрытием (<1,20) - М; со средним покрытием (1,20<<1,45) - С; с толстым покрытием (1,45<<1,80) - Д; с особо толстым покрытием (>1,80) - Г.Общее назначение электродных покрытий - обеспечение стабильности горения сварочной дуги и получение металла шва с заранее заданными свойствами (прочностью, пластичностью, ударной вязкостью, стойкостью против коррозии и др.). При этом покрытия выполняют следующие функции:
- газовая зашита зоны сварки и расплавленного металла от воздействия кислорода и азота. Газообразующие вещества вводят в покрытие в виде органических соединений: древесной муки, декстрина, целлюлозы, крахмала, хлопчатобумажной ткани, пищевой муки и т.д.
- раскисление металла сварочной ванны Mn, Ti, Mo, Cr, Si, Al, C. Эти элементы связывают кислород, растворенный в металле сварочной ванный и в виде окислов всплывают в шлаковую фазу.
−шлаковая покрытие служит для защиты расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха, уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствуя выходу из него газовых и неметаллических включений. Шлакообразующими компонентами покрытий являются: титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок, доломит, полевой шпат и др..легирование металла шва Cr, Ni, Mo, W, Mn, Ti, и др элементами для придания специальных свойств наплавленному металлу
С технологическими целями в электродные покрытия иногда вводят железный порошок. Введенный в покрытие железный порошок облегчает повторное зажигание дуги, уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла. При наличии в составе покрытия более 20 % железного порошка к обозначению вида покрытия следует добавлять букву Ж.
Для закрепления покрытия на стержне электрода используют жидкое стекло, декстрин, желатин, пластмассы и др.
По видам покрытий электроды подразделяются на несколько типов.
-А - с кислым покрытием (рудно-кислым), содержащим окислы Fe, Mn, Si, иногда Ti. Металл шва отличается повышенной окисленностью, плотностью и позволяет выполнять сварку на постоянном (прямой и обратной полярности) и переменном токе в любом пространственном положении шва, с ржавыми кромками и окалиной. Недостатками этих электродов являются: повышенное разбрызгивание металла, выделение соединений, вредно влияющих на организм человека. Для сварки стали с повышенным содержанием углерода эти электроды не применяются. Наибольшее применение получили марки электродов ОММ-5, ЦМ-7 и ЦМ-8.
-Б- с фтористо-кальциевым покрытием (основным), имеющим в качестве основы фтористый кальций (плавиковый шпат) и карбонат кальция (мрамор, мел). Сварку электродами с основным покрытием осуществляют на постоянном токе при обратной полярности в любом пространственном положении шва; электроды чувствительны к ржавчине, влаге и удлинению дуги. Металл шва, стойкий против образования кристаллизационных трещин, старения, имеет достаточно высокие показатели ударной вязкости как при положительных, так и при отрицательных температурах. Электроды с основным покрытием применяют для сварки металлов большой толщины, для изделий, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, а также для сварки литых углеродистых и низколегированных высокопрочных сталей. Основными марками электродов данной группы являются УОНИИ-13 и СМ-11, содержащие в покрытии железный порошок до 32,5 %.Р - с рутиловым покрытием, основной компонент которых -рутил (TiО2). Для шлаковой и газовой защиты в покрытия этого типа вводят соответствующие минеральные и органические компоненты (магнезит, полевой шпат, декстрин и др.), а для повышения производительности иногда добавляют железный порошок. При сварке на постоянном и переменном токе разбрызгивание металла незначительно. Устойчивость горения дуги высокая, формирование швов во всех пространственных положениях хорошее, без ржавых кромок. К этой группе относятся электроды марок АНО-3, ОЗС-4, АНО-1 (с железным порошком), МР-3 (сварка на переменном и постоянном токе с обратной полярностью).
О - с органическим покрытием (или Ц - с целлюлозным покрытием), основные компоненты которых - целлюлоза, мука и другие органические составы, создающие газовую защиту дуги и образующие при плавлении тонкий шлак. Электроды применяют для сварки во всех пространственных положениях шва как переменным, так и постоянным током, в основном, для сварки стали малой толщины. Основными марками данной группы являются электроды ОМА-2 (с содержанием 46,8% оксицеллюлозы) и ВСП-1 (с пластмассовым покрытием и содержащий железный порошок).
-П - прочие виды покрытий.
При покрытиях смешанного вида используют соответствующее двойное условное обозначение.
ГОСТ 9467-75 классифицирует электроды для сварки углеродистых, легированных конструкционных и легированных жаропрочных сталей в зависимости от механических свойств металла шва и сварного соединения, выполненного этими электродами, разделяя их на несколько типов. Металлический стержень и покрытие в совокупности образуют соответствующий тип электрода (Э42, Э50, Э55 и др.). Каждому типу может соответствовать одна или несколько марок электродов, которые характеризуются определенным составом покрытия, маркой электродного стержня, технологическими свойствами металла шва.
Общие требования к электродам, правила приемки, методы испытаний швов и сварных соединений, условия маркировки и упаковки, документация на электроды регламентированы ГОСТ 9466-75.
Условное обозначение электродов для сварки конструкционных сталей состоит из обозначения марки электрода, его типа, диаметра стержня, типа покрытия и номера ГОСТа.
Структура условного обозначения электродов для сварки углеродистых конструкционных сталей по ГОСТ 9466 - 75:
1 - тип сварочного электрода;
2 - марка электрода;
3 - диаметр, мм;
4 - назначение электрода;
5 - толщина покрытия;
6 - группа индексов, показывающая характеристики наплавленного металла и металла шва по ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75 или ГОСТ 10052-75;
7 - тип покрытия сварочного электрода;
8 - обозначение допустимых пространственных положений ручной дуговой сварки или наплавки;
9 - обозначение рода тока, номинального напряжения, полярности и холостого хода источника переменного тока.
Например:
Что означает электроды типа Э46А по ГОСТ 9467-75, т.е. электрод для дуговой сварки с пределом прочности не менее 460МПа (46 кгс/мм2) и повышенными пластическими свойствами (А) марки УОНИИ - 13/45; диаметром 3,0мм для сварки углеродистых и низколегированных сталей (У) с толстым покрытием второй группы по качеству (Д2);
Е - 432 (5) - характеристики наплавленного металла и металла шва (в 430МПа; KCU34,5Дж/см2 при температуре минус 40°С); Б - основное (фтористо-кальциевое) покрытие; 1 - для сварки во всех пространственных положениях шва; О - на постоянном токе обратной полярности.
Электроды также маркируются по цветам окрашенных торцов: красный - для сварки углеродистых и низколегированных сталей; синий - для сварки теплоустойчивых сталей; желтый - для сварки коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных; сиреневый - для сварки высокопрочных среднелегированных сталей; зеленый - для сварки чугуна; серый - для сварки цветных металлов; оранжевый - для наплавки.Для сварки углеродистых конструкционных и низколегированных сталей обычной прочности предназначены следующие типы электродов: Э38, Э42, Э46, Э50, Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60; для конструкционных сталей повышенной прочности - типы электродов Э70, Э85, Э100, Э125иЭ150.
Для сварки легированных теплоустойчивых сталей выпускаются электроды девяти типов по ГОСТ 9467-75, которые классифицируются по механическим свойствам и химическому составу наплавленного металла. Буквы, стоящие после буквы Э, показывают гарантированное содержание легирующих элементов в наплавленном металле. Например, тип Э-09М, Э-09МХ (молибден, хром), марка по ГОСТу - ЦЛ-14.
Режимы ручной дуговой сварки плавящимся электродом
Под режимом сварки понимают совокупность условий протекания процесса сварки, обеспечивающих получение сварных соединений заданных размеров, формы и качества. При ручной сварке такими характеристиками являются: диаметр электрода, величина сварочного тока, скорость перемещения электрода вдоль шва, род тока, полярность, напряжение на дуге и скорость сварки. К дополнительным факторам относятся: положение электрода и шва в пространстве, состав и толщина электродного покрытия, начальная температура основного металла и др.
Глубина провара и ширина шва зависят от всех основных параметров режима сварки. Увеличение сварочного тока вызывает при неизменной скорости рост глубины проплавления (провара). Род и полярность тока также влияют на форму и размеры шва. При сварке постоянным током обратной полярности глубина провара на 40-50 % больше, чем при сварке током прямой полярности. При сварке переменным током глубина провара на 15-20 % меньше, чем при сварке постоянным
током обратной полярности. Напряжение при ручной дуговой сварке на глубину провара оказывает незначительное влияние, им можно пренебречь. Ширина шва прямой зависимостью связана с напряжением на электроде. При увеличении напряжения ширина шва увеличивается. Величина поперечного колебания электрода позволяет существенно изменять глубину провара и ширину шва.
При выборе режима сварки вначале выбирают диаметр электрода в зависимости от толщины свариваемого изделия по формуле:, мм, где S - толщина листа, мм; а также пользуясь следующими данными, установленными практикой:
Толщина листа, мм0,5-2,0 3 4-5 6-8 9-12 13-20 более 20
Диаметр электрода, мм1,6-2,0 3 3-4 4-5 5-6 6 6-12
При сварке встык металла толщиной до 4 мм применяют электроды такого диаметра, который равен толщине свариваемого металла. При сварке вертикальных швов не следует пользоваться электродами диаметром более 5мм, а при сварке потолочных швов более 4мм, электроды диаметром более 6 мм применяют редко.
Тип и марку электрода выбирают по справочным таблицам в зависимости от марки свариваемого металла и условий сварки. Химический состав металла электрода должен быть одинаковым с химическим составом основного металла или близким к нему. При сварке многопроходных швов первый проход выполняется электродами диаметром 3-4 мм для лучшего провара корня шва.
Для приближенных подсчетов величина сварочного тока определяется по формуле: Iсв = k·dэл , А, где dэл - диаметр стержня электрода в мм; k - опытный коэффициент, равный 40-60 А/мм для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35-40 А/мм для электродов со стержнем из высоколегированной стали и зависит от диаметра электрода:
dэл, мм 1-2 3-1 5-6
k, А/мм 25-30 30-45 45-60
Величину сварочного тока для сварки тавровых соединений увеличивают на 10-15 % по сравнению со сваркой встык.
Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах 20…36В и возрастает с увеличением длины дуги, однако при проектировании технологических процессов ручной сварки напряжение на дуге не регламентируется.
Длина дуги при ручной сварке в зависимости от условий сварки и марки электрода находится в пределах (0,5-1,2)dэл или определяется по формуле: , мм, где Дд - длина дуги, мм; dэл - диаметр электрода, мм.
Скорость сварки выбирают с таким расчетом, чтобы получить сварочный шов не менее (l,5-2)dэл с хорошим проваром и плавным переходом наплавленного металла к поверхности свариваемого изделия.
Обработка металлов резанием
Методы обработки резанием можно разделить на три основные группы: лезвийная, абразивная и отделочная обработки.
Обработка материалов резанием — это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки с целью получения изделия заданных геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхности.
Виды и характеристика стружки
При обработке заготовок резанием образуется сливная стружка, стружка скалывания или надлома. При обработке пластичных материалов образуется сливная стружка в виде сплошной зазубренной ленты. Такая стружка травмоопасна для оператора и неудобна в дальнейшей её уборке и утилизации. При обработке материалов средней твердости образуется стружка скалывания, представляющая собой отдельные сегменты ленты с зазубринами на внешней стороне. Эта стружка также травмоопасна, но ее легче убирать от станка, чем сливную. При резании хрупких материалов образуется стружка надлома в виде отдельные сегменты неправильной формы. Стружка удобна для транспортирования, но также опасна для оператора — может травмировать его лицо, глаза и руки.
Основные движения при резании. Для проведения обработки детали необходимо сообщить режущему инструменту и заготовке, закрепленным в рабочих органах станка, относительные движения, которые называются движениями резания. Главное движение (Dr) определяет направление и скорость деформаций в материале срезаемого слоя и тем самым направление схода стружки и ее форму. Поэтому скорость главного движения является скоростью резания.. Движение подачи (Дs) — движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. По направлению эти движения могут быть вращательными, поступательными, возвратно-поступательными, по характеру — непрерывными или прерывистыми/
Для подготовки к резанию выполняют вспомогательные движения, которые необходимы для установки детали, подвода и отвода инструмента и т. д.
В зависимости от характера выполняемых работ и вида режущего инструмента различают следующие методы обработки материалов резанием: точение, сверление, фрезерование, строгание и шлифование.
Dsв
Dr
в
г
д
Схемы обработки заготовок:
а — продольным точением; б — фрезерованием; в — сверлением; г − плоским шлифованием; д— круглым шлифованием: 1 — режущий инструмент; 2 — заготовка; 3 — рабочее приспособление; 4 — обрабатываемая поверхность; 5 — поверхность резания; 6 — обработанная поверхность; 7 — закрепление заготовки; 8 — базирование заготовки; Dr— главное движение резания; Dsпр, Dsnoп, Dsв , Dsкр — движение подачи соответственно продольное, поперечное, вертикальное, круговое
Различают движения подачи: продольное Dsпр; поперечное Dsпоп; вертикальное Dsв; круговое Dsкр и др. Основные элементы процесса резания — скорость резания vp и глубина резания t — в совокупности определяют режим резания. Скорость резания vp — путь каждой точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в единицу времени в направлении главного движения. Размерность скорости резания зависит от вида обработки, например, для лезвийной — м/мин; для абразивной — м/с.
Геометрия прямого токарного резца
Рассмотрим параметры режущего инструмента на примере прямого токарного проходного резца
Режущий инструмент состоит из рабочей части (головки 2) и тела (стержня) 3. Тело резца служит для его установки и закрепления в резцедержателе. Рабочая часть резца образуется при его заточке и содержит, в свою очередь, следующие элементы: переднюю поверхность 4, по которой сходит стружка, главную заднюю поверхность 6 (она наиболее развита и направлена по движению подачи); вспомогательную заднюю поверхность 1, направленную против движения подачи. Пересечение передней и главной задней поверхностей дает главную режущую кромку 7, а на пересечении передней и вспомогательной задней поверхностей образуется вспомогательная режущая кромка 5. Режущие кромки пересекаются в вершине резца 8. Расположение поверхностей и кромок резца определяется его заточкой (геометрией инструмента).
Для определения углов, под которыми располагаются элементы инструмента, вводят координатные плоскости.
Основная плоскость Pv параллельна возможным направлениям движения подачи для данного способа обработки. Плоскость резания Рn проходит через главную режущую кромку касательно поверхности резания. Главная секущая плоскость Р проходит через главную режущую кромку перпендикулярно поверхности резания.
Главные углы рассматриваются в главной секущей плоскости Р Главный задний угол лежит между касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке главной режущей кромки и плоскостью резания. Наличие угла уменьшает трение между обработанной и главной задней поверхностями, что увеличивает стойкость инструмента. Однако чрезмерное увеличение угла приводит к уменьшению прочности режущего лезвия.
Б−Б
Углы резца в статической системе координат:
Ds — движение подачи; Dr — главное движение резания; Рv — основная плоскость; Рn — плоскость резания; Р — главная секущая плоскость; , — главные задний и передний углы; , ’ — главный и вспомогательный углы в плане; — угол наклона главной режущей кромки; — направление Dr и Ds.
Главный передний угол лежит между основной плоскостью Pv и передней поверхностью. Угол оказывает большое влияние на процесс резания, с его увеличением уменьшаются деформации срезаемого слоя, улучшаются условия схода стружки, уменьшаются силы резания, повышается качество обработки. Однако чрезмерное увеличение угла приводит к уменьшению прочности режущего лезвия; увеличению изнашивания режущего лезвия за счет выкрашивания, к ухудшению теплоотвода от инструмента.
Углы в плане рассматриваются между направлением движения подачи и проекцией соответствующей режущей кромки на основную плоскость. Главный угол в плане определяет параметры переходного конуса между обрабатываемыми цилиндрами и угол фасок, т.е. определяется конструктором. В основном, угол влияет на шероховатость обработанной поверхности. С его уменьшением шероховатость уменьшается, уменьшаются также сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины режущей кромки, но резко увеличивается сила резания в направлении, перпендикулярном оси заготовки. Вспомогательный угол в плане ' также влияет на шероховатость обработанной поверхности (с уменьшением угла она уменьшается).
Главная режущая кромка не всегда совпадает с основной плоскостью и может составлять с нею угол .
Чаще всего выбор величины и знака угла определяется направлением схода стружки. При работе на универсальных станках из соображений техники безопасности необходимо отрицательное значение угла , при котором стружка сходит в направлении движения подачи. При обработке отверстий на станках с автоматическим и полуавтоматическим циклом, когда сход стружки против движения подачи неопасен, возможно применение положительных углов , при которых стружка будет выходить из отверстия.
Тепловыделение и износ инструмента
Сила резания — это сила сопротивления перемещению режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Результатом сопротивления металла заготовки процессу резания является возникновение реактивных сил, воздействующих на режущий инструмент.
В этой связи процесс резания сопровождается обильным тепловыделением. Теплота расходуется на нагрев стружки, заготовки; режущего инструмента и окружающей зону резания среды.
При обработке металлических материалов основную долю (до 85 %) теплоты потребляет стружка, на долю инструмента и заготовки приходятся соответственно 2...8 и 10...40%. При обработке неметаллических материалов с низкой теплопроводностью, как заготовки, так и стружки основную долю теплоты (до 75 %) потребляет режущий инструмент.
Нагрев заготовки и режущего инструмента отрицательно сказывается на точности обработки и стойкости инструмента. Нагрев режущего клина в зоне стружкообразования может достигать 800... 1000°С и вызывает структурные превращения в материале инструмента, приводящие к снижению его твердости, т.е. теряются его режущие свойства. Нагрев тела инструмента вызывает изменение его размеров и геометрии, уменьшение размеров обработанной поверхности, ухудшение ее шероховатости. Например, увеличение длины токарного резца при обточке цилиндра приводит к конусности обработанной поверхности, неравномерный нагрев заготовки — к изменению ее размеров и геометрии.
Вся гамма физико-химических процессов при резании металлов приводит к изнашиванию режущего инструмента. Время работы инструмента от переточки до переточки определяет стойкость инструмента Т.
Наибольшее влияние на стойкость инструмента оказывает скорость резания, поэтому в расчетах стойкости чаще всего используется зависимость Тт= Cm/vp, где Ст — постоянная величина; т — показатель относительной стойкости (для точения т = 0,1 ...0,3).
Инструментальные материалы
Основными требованиями к инструментальным материалам являются высокая твердость и теплостойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость до высоких температур, развивающихся в зоне резания.
Для изготовления режущих инструментов применяют следующие группы материалов:
-инструментальные углеродистые и низколегированные стали;
- быстрорежущие стали;
-твердые спечённые сплавы;
- минералокерамика;
- синтетические алмазы;
- материалы на основе кубического нитрида бора (композиты).
Углеродистые и низколегированные стали применяются для изготовления ручного режущего инструмента, работающего со скоростями резания 3…5 м/мин.
Из быстрорежущих сталей изготавливают высокопроизводительный инструмент, работающий со скоростью резания от 20 м/мин (Р9, Р12, Р18, Р6М5) до 100 м/мин (порошковые с мелкой и особо мелкой структурой Р6М5К5-М и Р6М5К5-ОМ). Для труднообрабатываемых материалов применяют инструмент из быстрорежущих сталей с интерметаллидным упрочнением марок В11М7К33, В4М12К23. Стойкость этих сталей при точении титановых сплавов в 20-35 раз выше чем у сталь Р18, а при точении аустенитных нержавеющих сталей в 8-15 раз.
Твердые спеченные сплавы на основе тонкодисперсных карбидов W, Ti, Ta позволяют развивать скорость резания до 100…150 м/мин.
Вольфрамовые твердые сплавы ВК3, ВК3-М, ВК10-ОМ и др. используют для обработки чугуна, цветных сплавов, других труднообрабатываемых материалов с относительно небольшими скоростями резания.
Вольфрамо-титановые и вольфрамо-титано-танталовые сплавы Т30К4, ТТ7К12 и др. используют при черновой обработке стали с высокими скоростями.
Безвольфрамовые твердые сплавы состоят из карбидов титана (ТН20) и карбонитридов титана (КНТ-16) со связкой из никеля или молибдена. Эти сплавы рекомендуются для чистовой обработки чугуна,
Минералокерамика оксидная, оксидно-карбидная и керметы – инструментальный материал на основе оксида алюминия обладает большей, чем у твердых сплавов твердостью и теплостойкостью, но более хрупкий. Она применяется для чистовой обработки деталей из чугуна, закаленной стали и неметаллических материалов со скоростями до 200м/мин.
Оксидная (белая) керамика (ВО-13, ВШ-75) полностью состоит из оксида алюминия. Применяется для обработки материалов с твердостью до 400НВ.
В состав оксидно-карбидной керамики (ВОК-60, ВОК-75) наряду с окисью алюминия входят карбиды Cr, Ti, W и Mo, применяются для обработки закаленных и нержавеющих сталей, а также отбеленных чугунов.
Керметы (В-3, В-4) состоят из оксида алюминия в металлической (Fe, Ni, Ti, Zr, Cr или Mo) связке и применяются для чистовой обработки высокопрочных хромоникельмолибденовых сталей с твердостью 50…55HRC при сорости резания 110…200м/мин.
Для чистовой обработки металлов применяют синтетические алмазы (баллас и карбонадо) и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты). Алмаз обладает наибольшей из всех известных материалов твердостью, малыми коэффициентами линейного расширения и трения, но он хрупок. Кроме того при 750 °С алмаз растворяется в железе, что препятствует его применению при обработке сплавов, содержащих железо. Балласы марки АБС применяются для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 350...450 м/мин. Карбонадо марки АСПК применяется для обработки алюминиевых и медных сплавов. Композиты — синтетический инертный к железу материал не уступает по твердости алмазу и превосходит его по температуростойкости. Выпускаются следующие марки: композит 01 (эльбор-Р); композит 02 (белбор); композит 05 и 5И (исмит); композит 09 (ПТНБ-ИК); композит 10 (гексагонит-Р). Основная область применения композитов: чистовое и тонкое точения и фрезерование, со скоростями резания 60... 120 м/мин для закаленных сталей; 400... 1 200 м/мин для серых и высокопрочных чугунов; 8... 12 м/мин для твердых сплавов группы ВК.
Общие сведения о металлорежущих станках
Современные металлорежущие станки используют механические, электрические, электронные, пневматические, гидравлические системы для осуществления требуемых движений и управления технологическим циклом.
По технологическому назначению различают станки токарной, фрезерной, сверлильной и других групп. Универсальные станки предназначены для выполнения разнообразных работ при использовании разных заготовок. Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров (например, обработка зубчатого венца на зубофрезерном станке). Специальные станки выполняют вполне определенный вид работ на одной определенной заготовке. По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы, станки с программным управлением. По числу главных рабочих органов различают одно- и многошпиндельные станки, одно- и многопозиционные станки и т.д. Различают станки: Н — нормального; П — повышенного; В — высокого; А — особовысокого; С — особоточного классов точности.
В отечественном машиностроении принята Единая система условных обозначений (шифров) станков, разработанная в ЭНИМСе:
первые две цифры которого — группа и тип станка; буква на втором или третьем месте — типоразмер станка (а следовательно, и его технические характеристики); третья или четвертая цифра — условный типоразмер станка; последняя буква — модификация станков одной базовой модели. Все металлорежущие станки разбиты на 10 групп, а каждая группа — на 10 типов.
Металлорежущие станки отечественного производства шифруются по группам и типам следующим образом:
- группа 0 — резервная
- группа 1 — токарные станки имеют типы
- - 0 — специализированные автоматы и полуавтоматы;
- - 1 — одношпиндельные автоматы и полуавтоматы;
- - 2 — многошпиндельные автоматы и полуавтоматы;
- - 3 — револьверные;
- - 4 — сверлильно-отрезные;
- - 5 — карусельные;
- - 6 — токарные и лоботокарные;
- - 7 — многорезцовые;
- - 8 — специализированные;
- - 9 — разные токарные.
- группа 2 — сверлильные и расточные станки:
- - 0 — резервный;
- - 1 — вертикально-сверлильные;
- - 2 — одношпиндельные полуавтоматы;
- - 3 — многошпиндельные полуавтоматы;
- - 4 — координатно-расточные;
- - 5 — радиально-сверлильные;
- - 6 — горизонтально-расточные;
- - 7 — алмазно-расточные;
- - 8 — горизонтально-сверлильные;
- - 9 — разные сверлильные).- группа 3 — шлифовальные и доводочные станки:
- - 0 — резервная;
- - 1 — круглошлифовальные;
- - 2 — внутришлифовальные;
- - 3 — обдирочные шлифовальные;
- - 4 — специализированные шлифовальные;
- - 5 — резервная;
- - 6 — заточные;
- - 7 — плоскошлифовальные;
- - 8 — притирочные и полировочные;
- - 9 — разные, работающие абразивом.
- группа 4— комбинированные станки.
- группа 5 — зубо- и резьбообрабатывающие станки:
- - 0 — резьбонарезные;
- - 1 — зубострогальные для цилиндрических колес;
- - 2 — зуборезные для конических колес;
- - 3 — зубофрезерные;
- - 4 — для нарезания червячных пар;
- - 5 — для обработки торцов зубьев;
- - 6 — резьбофрезерные;
- - 7 — зубоотделочные и поверочные;
- - 8 — зубо- и резьбошлифовальные;
- - 9 — разные зубо- и резьбообрабатывающие станки.
- группа 6 — фрезерные станки:
- - 0 — резервная;
- - 1 — вертикальные консольные;
- - 2 — непрерывного действия;
- - 3 — резервная;
- - 4 — копировальные и гравировальные;
- - 5 — вертикальные бесконсольные;
- - 6 — продольные;
- - 7 — консольные широкоуниверсальные;
- - 8 — горизонтальные консольные; 9 — разные фрезерные).- группа 7 — строгальные, долбежные, протяжные станки:
- - 0 — резервная;
- - 1 — продольно-строгальные одностоечные;
- - 2 — продольно-строгальные двухстоечные;
- - 3 — поперечно-строгальные;
- - 4 — долбежные; 5 — протяжные горизонтальные;
- - 6 — резервная;
- - 7 — протяжные вертикальные;
- - 8 — резервная;
- - 9 — разные строгальные).- группа 8 — разрезные станки:
- - 0 — резервная;
- - 1 —разрезные, работающие резцом;
- - 2 — разрезные, работающие абразивным кругом;
- - 3 — разрезные, работающие гладким диском; 4 — правильно-отрезные;
- - 5 — пилы ленточные;
- - 6 — пилы дисковые;
- - 7 — пилы ножовочные.
- группа 9 — разные станки:
- - 1 — опиловочные;
- - 2 — пилонасекательные;
- - 3 — правильно- и бесцентрово-обдирочные;
- - 4 — балансировочные;
- - 5 — для испытания сверл и шлифовальных кругов;
- - 6 — делительные машины.
Условный типоразмер станка обычно показывает наибольший размер обрабатываемой заготовки. В шифре станков с числовым программным управлением (ЧПУ) используются дополнительные буквенно-числовые обозначения: Ф — оснащение станка ЧПУ, далее обозначается конкретная система ЧПУ). Например, в шифре станка мод. 16К20ФЗС32 цифры 1 — станок токарной группы; 6 — винторезный; К — модернизированный; 20 — высота центров (200 мм); Ф — оснащен ЧПУ; 3 — управление тремя координатными движениями; С32 —шифр системы ЧПУ.Лезвийная обработка деталей машин
В лезвийной обработке (в зависимости от вида и направления движений резания, вида обработанной поверхности) можно выделить следующие технологические методы: точение, строгание, долбление, протягивание, сверление, фрезерование, резьбонарезание.
Точение. Лезвийная обработка резанием (ЛОР) цилиндрических и торцовых поверхностей называется точением. Главное движение — вращательное — придается заготовке или режущему инструменту; движение подачи — прямолинейное или криволинейное — придается режущему инструменту вдоль, перпендикулярно или под углом к оси вращения.

Технологические схемы точения:
а — продольное точение; б — поперечное точение;
Dr — главное движение резания; Ds пр, Ds поп — движение подачи продольное и поперечное
Точением обрабатываются шейки и торцовые поверхности круглых стержней (валов); наружные и внутренние цилиндрические поверхности и торцы дисков; внутренние цилиндрические торцовые поверхности некруглых стержней и корпусных деталей.
Строгание и долбление. Процесс ЛОР открытых плоских и фасонных, наружных и внутренних поверхностей называется строганием и долблением. В этом процессе главное движение Dr — прямолинейное, возвратно-поступательное, придается режущему инструменту; движение подачи — дискретное, прямолинейное или криволинейное, придается заготовке в конце обратного хода инструмента.
а
б

Технологические схемы строгания (а) и долбления (б) наружных поверхностей:
Dr — главное движение резания; Ds — движение подачи − рабочий ход; − холостой ход.При строгании главное движение Dr. придается инструменту в горизонтальной плоскости, при долблении — в вертикальной.Процесс резания при строгании или долблении — прерывистый и удаление материала происходит только при прямом (рабочем) ходе инструмента. При обратном (холостом) ходе резец не снимает стружку. Холостой ход обеспечивает охлаждение инструмента.
Протягивание. Процесс ЛОР открытых плоских и фасонных, внутренних и наружных поверхностей с линейной образующей называется протягиванием. В этом процессе главное движение — прямолинейное или круговое — придается режущему инструменту; движение подачи отсутствует, возобновление процесса резания обеспечивается подъемом sz на зуб инструмента - протяжки. Подъем на зуб — это превышение по высоте или ширине размера режущей части последующих зубьев над предыдущими. В зависимости от характера движения режущего инструмента различают протягивание, когда инструмент вытягивается из отверстия, и прошивание, когда инструмент проталкивается в отверстие.
Протягивание — высокопроизводительный процесс обработки наружных и внутренних поверхностей, обеспечивающий высокую точность формы и размеров обработанной поверхности. При протягивании профиль обработанной поверхности копируется профилем режущих зубьев. Поэтому протяжки — узкоспециальный инструмент, применяемый для обработки поверхностей со строго заданными формой и размерами.

Технологическая схема протягивания круглого и квадратного отверстия.
Сверление. Процесс ЛОР цилиндрических отверстий с прямолинейной образующей называется сверлением. В этом процессе главное движение — вращательное — придается инструменту, а движение подачи — прямолинейное — придается инструменту вдоль оси его вращения.
В зависимости от вида обработанной и обрабатываемой поверхностей, а также от качества обработанной поверхности различают сверление и рассверливание, зенкерование, развертывание, зенкование и цекование. Сверлением получают сквозные и глухие отверстия. Рассверливанием увеличивают диаметр ранее просверленного отверстия. Зенкерованием также увеличивают диаметр отверстия, но по сравнению с рассверливанием зенкерованием достигаются большие точность и производительность обработки.
Фрезерование. Процесс ЛОР плоских и фасонных поверхностей с линейной образующей называется фрезерованием. В этом процессе главное движение — вращательное — придается инструменту, а движение подачи — поступательное прямолинейное.
В зависимости от отношения длины фрезы к ее диаметру различают цилиндрические фрезы; концевые или пальцевые фрезы и дисковые фрезы. В зависимости от расположения главной режущей кромки различают фрезы с прямым зубом (главная режущая кромка параллельна оси вращения фрезы); косозубые (главная режущая кромка направлена под углом к оси вращения фрезы); шевронные (главные режущие кромки соседних зубьев расположены под углом одна к другой).
Цилиндрические фрезы обычно используются в наборе из двух и более фрез для обработки ступенчатых поверхностей заготовок. Дисковые фрезы используются для обработки разных пазов и для отрезания материала. Концевые фрезы используются для обработки плоскостей, уступов, прямоугольных и призматических пазов; криволинейных поверхностей. К специальным фрезам относятся концевые фрезы для получения Т-образных пазов; шпоночные фрезы для получения шпоночных пазов под призматическую или сегментную шпонку; модульные дисковые или концевые фрезы для нарезания зубчатых венцов по методу копирования; червячные фрезы для нарезания зубчатых венцов или шлицов методом обката; резьбовые фрезы.
Резьбонарезание. Нарезание резьбы — одна из распространенных операций в машиностроении. Наружные и внутренние резьбы наиболее просто выполнять на токарно-винторезном станке фасонными (резьбовыми) резцами.
Наружные резьбы часто нарезают плашками. Плашка представляет собой гайку, в которой с помощью отверстий образованы режущие зубья. Внутренние резьбы часто нарезают метчиком, который представляет собой винт, снабженный одной или несколькими продольными канавками, образующими режущие кромки и передние поверхности на его зубьях. Метчик, как и плашка, представляет собой протяжку с режущими зубьями, расположенными по винтовой поверхности.
Обработка заготовок зубчатых колес на зуборезных станках. Нарезание зубчатого венца по своей кинематике является наиболее сложной операцией, в процессе которой резанием необходимо удалить большой объем металла из впадины между зубьями. Зубчатый венец имеет сложную геометрию и высокие сложные нормы точности.
Различают два метода формирования рабочего профиля зубьев: копирование и обкатка. При обработке по методу копирования профиль зуба инструмента должен соответствовать профилю впадины между зубьями нарезаемого венца. Методом копирования нарезают зубчатые венцы модульными дисковыми или пальцевыми фрезами; круговыми протяжками. При обработке по методу обкатки имитируют зацепление зубчатой пары, в которой одним из элементов является режущий инструмент, а другим — обрабатываемое зубчатое колесо.
Абразивная обработка деталей машин, шлифование
Абразивная обработка (АО) — процесс обработки заготовок резанием абразивным инструментом. Абразивные зерна расположены в режущем инструменте беспорядочно и удерживаются связующим материалом. При придании инструменту движения резания часть зерен в зоне его контакта с обрабатываемой поверхностью срезает материал заготовки. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микроследов воздействия абразивных зерен. Поэтому иногда процесс АО определяют как управляемое изнашивание заготовки. В зависимости от качества обработанной поверхности различают шлифование и отделочную обработку.
Шлифование — это чистовая операция, позволяющая получить обработанную поверхность с размерной точностью по 5 —7-му квалитетам и шероховатостью Rz 0,3...2,4 мкм.
Скорость резания при АО лежит в пределах 30... 100 м/с, т.е. АО является высокопроизводительным процессом, позволяет проводить чистовую обработку заготовок из разных материалов, имеющих разную твердость. В частности, это основной способ обработки заготовок из закаленных сталей.
Абразивный инструмент в отличие от другого многозубого лезвийного инструмента имеет множество хаотично расположенных режущих лезвий. Единичное зерно шлифовального круга может располагаться на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности; скользить по обработанной поверхности (скользящие зерна); проникать в обработанную поверхность на небольшую глубину и только пластически деформировать материал заготовки (деформирующие зерна); проникать в обработанную поверхность на глубину, достаточную для снятия стружки (режущие зерна).
В процессе шлифования режущие свойства зерен шлифовального круга изменяются. Абразивные зерна затупляются, частично раскалываются, выкрашиваются, поры между зернами забиваются отходами шлифования. Поверхность круга теряет свою первоначальную форму. Возрастает сила резания и повышается температура в период резания. Точность обработки снижается, увеличивается вероятность прижогов. В то же время при выламывании затупившихся зерен на поверхности круга возможно обнажение новых незатупленных зерен, т.е. частичное самозатачивание круга. В этой связи очень важна роль вещества, скрепляющего зерна. При слабом скреплении зерна быстрее выламываются, самозатачивание круга облегчается, что удобно при черновом шлифовании, хотя рабочая поверхность круга быстро теряет свою форму. При чрезмерно сильной связке зерен круг также быстро теряет свои режущие свойства, но форма рабочей поверхности хорошо сохраняется, что удобно при чистовом шлифовании. Для восстановления геометрии круга и его режущих свойств проводят правку круга. Алмазным или абразивным инструментом снимают часть рабочей поверхности круга. Толщина удаляемого слоя обычно не превышает 0,01 ...0,03 мм.
В зависимости от вида обрабатываемой поверхности различают шлифование круглое наружное и внутреннее, а также фасонное и плоское.
Отделочная обработка деталей машин
Отделочная обработка, т.е. финишные операции при изготовлении деталей позволяют получить обработанную поверхность с размерной точностью, соответствующей 4 —5-му квалитету и шероховатости Rz < 0,3 мкм. Различают следующие финишные операции: прецизионная обработка, тонкое шлифование, хонингование, супер- и микрофиниширование, доводка (притирка), полирование, виброабразивная и магнитно-абразивная обработки.
Прецизионная обработка (тонкое точение и растачивание, алмазное точение, тонкое фрезерование) позволяет получить шероховатость поверхности Ra 0,02...0,63 мкм; точность, соответствующую 5 —9-му квалитетам, и характеризуется высокими скоростями резания (1,5... 15 м/с), малыми подачами (0,01...0,15 мм/об), малой глубиной резания (0,05...0,3 мм).
Тонкое шлифование проводят мягкими мелкозернистыми шлифовальными кругами на больших (от 35 м/с) скоростях резания. Процесс характеризуется снятием малых припусков (0,04...0,08 мм на сторону), малыми подачами (0,005...0,1 мм/об), частой правкой круга.
Хонингование — отделочный метод обработки внутренних поверхностей абразивными брусками. Хонингование применяется для повышения точности формы, размера и снижения шероховатости отверстий, а также создания специфического микропрофиля обработанной поверхности в условиях серийного и массового производства после операций растачивания, развертывания, протягивания и шлифования. Обработку производят с помощью абразивных или алмазных брусков, закрепленных в хонинговальной головке (хоне). Хону, как правило, сообщают три типа движения: вращательное (главное) возвратно-поступа тельное и радиальное движение подачи.
Суперфиниширование — отделочный метод обработки наружных поверхностей мелкозернистыми абразивными брусками, совершающими колебательные движения с амплитудой 2...5 мм и частотой до 2 000 двойных ходов. в минуту. Применяют суперфиниширование для отделочной обработки трущихся поверхностей, когда необходимо повысить их эксплуатационные свойства. К преимуществам суперфиниширования можно отнести простоту применяемого оборудования; возможность использования универсальных токарных или шлифовальных станков и головок-вибраторов, высокую производительность и простую автоматизацию процесса. Суть процесса состоит в микрорезании обрабатываемой поверхности одновременно большим числом мельчайших абразивных зерен (до 10 000 зерен/мм2).
Доводка (притирка) — отделочная операция, при которой съем металла с обрабатываемой поверхности осуществляется абразивными зернами, свободно распределенными в пасте или суспензии, нанесенной на поверхность притира. Операция выполняется на малых скоростях при переменном направлении рабочего движения притира. Результатом этой наиболее трудоемкой отделочной операции является шероховатость обработанной поверхности Rz 0,01...0,05 мкм при отклонениях формы 0,05...0,3 мкм. Различают доводку ручную, полумеханическую и механическую.
Полирование — это заключительная операция механической обработки заготовки, выполняемая с целью уменьшения шероховатости поверхности до придания ей зеркального блеска. Полирование обеспечивает шероховатость поверхности Ra 0,16...0,02 мкм и Rz 0,1 ...0,05 мкм. Эта отделочная операция осуществляется механическими, химическими, электромеханическими и другими методами. Различают полирование кругами и лентами; абразивно-жидкостную обработку; виброабразивную обработку и магнитно-абразивную обработку.
При полировании лентами используется гибкий абразивный инструмент — абразивная лента, которая представляет собой гибкую матерчатую ленту (плоскостная основа) с нанесенным на ее рабочую поверхность абразивным зерном.
Абразивно-жидкостная обработка применяется для полирования сложных фасонных поверхностей. Процесс абразивно-жидкостной обработки заключается в подаче на обрабатываемую поверхность суспензии с большой скоростью под давлением. При контакте с поверхностью абразивные зерна срезают выступы микронеровностей (эффект полирования).
Для повышения производительности и качества отделочных операций часто используется виброабразивная обработка — вибрационная обработка в абразивной среде. Главное движение резания совершают абразивные зерна в виде колебаний под воздействием внешней возмущающей силы (вибраций). Перед обработкой заготовки загружаются в контейнер, заполненный абразивной средой. Контейнеру сообщают колебательные движения в двух плоскостях при частоте колебаний 50... 180 кГц. Абразивная среда и заготовки в этих условиях перемещаются, совершая колебания в двух плоскостях при медленном вращении всей массы. Детали в контейнере расположены хаотично, т.е. занимают случайное положение, в итоге обеспечивается равномерная обработка всех поверхностей.

Приложенные файлы

  • docx 9208951
    Размер файла: 581 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий