Технологические свойства металлов и их сплавов
При разработке и создании различных изделий особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов из которых изготавливаются эти изделия. Технологические свойства определяют пригодность материала для изготовления из него детали тем или иным способом. К числу этих свойств относятся:
- Обрабатываемость резанием — способность металла изменять свою форму под действием режущего инструмента (резца, фрезы, сверла и т. д.) при различных Операциях механической обработки (обтачивании, фрезеровании, сверлении).
- Ковкость— (деформируемость) — возможность менять форму изделия в горячем состоянии или при нормальной температуре под воздействием давления.
- Свариваемость—способность металлов образовывать прочные соединения при нагреве свариваемых частей до расплавленного или до пластичного состояния. Хорошей свариваемостью обладают стали с низким содержанием углерода. Плохо свариваются чугун, медные и алюминиевые сплавы.
- Жидкотекучесть – (литейность) — способность металла в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, без оставления пустот. Металл должен обладать способностью давать отливки с резко очерченными контурами, т. е. иметь хорошую литейность. При недостаточной литейности форма заполняется не полностью и в тонких сечениях отливки образуются недоливы. Повышение температуры заливки улучшает жидкотекучесть сплавов.
Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе, т. е. по длине спирального канала, заполненного металлом в контрольной форме. Чем больше жидкотекучесть сплава, тем большей длины участок спирали он заполнит до затвердевания.
- Усадка —сокращение объема расплавленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры по сравнению с размерами модели, по которой она была отформована. Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.
Величина усадки отливок зависит от химического состава сплава, конфигурации детали и других факторов. При большой усадке металла во время его кристаллизации и охлаждения возникают значительные внутренние напряжения и образуются усадочные раковины. Для удобства усадку отливок выражают в процентах по отношению к размерам модели и называется линейной усадкой..
- Ликвация — свойство сплавов образовывать при охлаждении и кристаллизации отливки с неоднородным химическим составом. Это объясняется тем, что сплав в форме охлаждается неравномерно. Чем больше разница в температуре внешних и внутренних частей отливки при ее охлаждении, тем больше компонентов, плавящихся при более низкой температуре, скапливается в середине сечения.
Различают два вида ликвации:
· Внутрикристаллическая ликвация характерна для фасонных отливок, изготовляемых из сплавов, образующих твердые растворы. В большинстве случаев скорость затвердевания отливки превышает скорость диффузии, которая необходима для выравнивания химического состава. Последнее является основной причиной развития внутрикристаллической ликвации в отливках.
· Зональная ликвация наблюдается в толстостенных отливках, слитках, которые медленно охлаждаются в формах. Зональная ликвация может происходить по двум основным причинам: в связи с расслоением жидкого сплава из-за различной плотности, которое происходит при недостаточном перемешивании сплава при плавке и заливке, или при выпадении из жидкого сплава легких и тяжелых кристаллизующихся фаз.
- Прокаливаемость — способность улучшения различных свойств металла путем закалки на различную глубину.
Все эти технологические свойства металлов и сплавов в комплексе и определяют дальнейшую сферу их применения.
Сталь наряду с бетонами — главнейший конструкционный материал. Широкому использованию сталь обязана высоким физико-механическим и технологическим свойствам. Одним из самых широко используемых технологических свойств стали является ее хорошая свариваемость. При нагреве сталь постепенно размягчается, а при температуре 1300—1400° С становится тестообразной. Если два куска стали, нагретых до тестообразного состояния, сложить вместе и сжать под прессом или молотом, то они соединятся в одно целое или, как говорят, сварятся
Другим свойством стали является ее хорошая прокаливаемость. Сталь, нагретая до температуры 750—900° (температура нагрева зависит от состава стали) и быстро охлажденная в воде или масле, становится более твердой и хрупкой. Процесс, сопровождающийся изменением структуры (т. е. строения) стали, называется закалкой.
Чем больше в стали содержание углерода, тем лучше она закаливается. Сталь с содержанием углерода до 0,15% не закаливается и, наоборот, лучше закаливается сталь с содержанием углерода более 0,5%. Отдельные элементы, входящие в состав стали, влияют на свойства ее следующим образом.
Углерод (С). С увеличением в стали содержания углерода увеличиваются ее твердость, прочность и закаливаемость, но понижаются ковкость и теплопроводность. Чем больше в стали углерода, тем медленнее ее надо нагревать. Сталь с содержанием углерода до 1,4% хорошо куется и прокатывается.
Кремний (Si) повышает прочность и упругость стали, но понижает вязкость и свариваемость. В стали машиностроительных сортов кремния обычно содержится от 0,2 до 0,4%'. Заметного влияния на ковкость кремний не оказывает.
Марганец (Мn). В обычных сортах углеродистых сталей марганца содержится от 0,2 до 1 %, а в специальных сортах до 14%. Марганец повышает сопротивляемость удару, прочность, уменьшает истирание, понижает вредное влияние серы. С увеличением содержания марганца понижается теплопроводность и свариваемость. Марганец способствует перегреву стали и появлению трещин. Чем больше в стали марганца, тем медленнее ее нужно греть; чтобы избежать перегрева и пережога марганцовой стали, необходимо тщательно следить за температурой нагрева и выдержкой при высоких температурах. Правильно нагретые заготовки или слитки из марганцовой стали куются хорошо.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость и прочность стали. Никель не влияет на ковкость стали, но при нагреве никелевых сталей образуется окалина, которая прочно удерживается на поверхности заготовки. Окалина может заковываться в деталь и тем самым понижать ее механические качества.
Хром (Сr) повышает твердость, прочность и упругость стали, но понижает вязкость и теплопроводность. При ковке литого слитка структура хромистой стали плохо поддается разрушению. Для получения в поковке мелкозернистой структуры нужна большая проковка при высокой температуре. Хромистая сталь при температуре 1150—850° С куется удовлетворительно, а при низких температурах (ниже 850° С) твердость поверхности ее резко возрастает, отчего могут появляться трещины.
Молибден (Мо) добавляется в сталь вместе с никелем sr хромом. В сталях различных марок молибдена содержится до 0,45% и редко до 1%. В сплаве с хромом и никелем молибден повышает прочность и вязкость стали, но понижает теплопроводность. Чем больше в стали молибдена, тем медленнее ее надо греть, так как наличие молибдена сильно повышает чувствительность стали к перегреву. Молибденовые стали требуют интенсивной проковки на более мощных, прессах или молотах, чем прессы и молоты, на которых куются углеродистые стали. Охлаждать поковки из молибденовой стали нужно медленно, строго по-технологическому процессу, так как молибденовая сталь принимает воздушную закалку и предрасположена к образованию трещин.
Ванадий (V). В сталях, применяемых в машиностроении,, ванадия обычно содержится до 0,3% и редко до 1%. Ванадий повышает прочность и упругость стали, способствует образованию мелкозернистой структуры слитков. Содержание ванадия в стали улучшает ее ковкость и препятствует перегреву.
Вольфрам (W) повышает твердость и прочность стали, незначительно понижает вязкость и уменьшает теплопроводность. Ковка вольфрамовой стали при низких температурах вызывает трещины. Вольфрамовые стали нужно греть медленнее, чем углеродистые, а ковать при более высоких температурах.
Сера (S) — вредная примесь в стали, но в то же время является таким элементом, который переходит в сталь при ее плавке. Серы в стали должно быть как можно меньше. В сталях, применяемых, для изготовления особо ответственных деталей, содержание серы не должно превышать 0,02—0,03%, а в обычных сталях 0,045—0,055%. Повышенный процент серы в стали приводит к красноломкости. Если такую сталь нагреть до красного каления, то она становится хрупкой, во время ковки дает трещины и разрушения. При обычной температуре сера, содержащаяся в стали, понижает ее прочность.
Фосфор (Р). В отличие от серы фосфор сообщает стали холодноломкость, т. е. вызывает хрупкость при комнатной температуре. Фосфора в сталях, из которых изготовляются ответственные детали, не должно быть больше 0,03—0,04%. Чем больше сталь содержит углерода, тем больше может быть фосфора. Холодноломкость стали часто обнаруживается при правке и гибке изделий во время морозов в неотапливаемом помещении.