Черные металлы и их сплавы
Общие сведения о металлах, сплавах металлов
Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском.
Свойства металлов объясняются особенностями их строения:
— расположением и характером движения электронов в атомах;
— расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;
— размерами, формой и характером кристаллических образований.
Три четверти всех известных химических элементов составляют металлы. Однако чистые металлы в машиностроении почти не применяют, а используют их сплавы.
Металлические сплавы — это макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называются любые однородные системы, получаемые сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ.
Структура и свойства чистых металлов существенно отличаются от структуры и свойств сплавов состоящих из двух и более металлов.
В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные).
Черные металлы и их сплавы
Наибольшее распространение в применении получили черные металлы и сплавы, основной группой которых является чугуны и стали.
Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2%. Основное назначение чугуна заключается в использовании его как исходного материала для выплавки стали. Углерод оказывает существенное влияние на качество сплава: повышенное содержание углерода придает сплаву твердость с точки зрения механических характеристик, в месте с тем при этом повышается хрупкость материала.
Чугун подразделяют на:
1. Белый чугун – чугун с большим содержанием углерода, твердый и поэтому редко используется в качестве конструкционного материала. В основном белый чугун используется как цементит – сырье для производства стали или дешевых фундаментальных изделий.
2. Серый чугун в отличие от белого может обрабатываться механически, однако его твердость и хрупкость не позволяет выполнять обработку деформацией. Из серого чугуна не изготавливаются штамповки, обычно берется литая заготовка, которая в последующем обрабатывается. Используется серый чугун для изготовления дешевых корпусных деталей, труб и арматуры.
3. Ковкий чугун обладает большей пластичностью, т.е. может обрабатываться пластической деформацией.
Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Классификация сталей
1. Стали по назначению делятся на:
- Конструкционные. Стали, из которых изготовляют детали, узлы машин, механизмы, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое;
- Обладают высокой прочностью, вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям
- Инструментальные.
| Зубила, гладильный кузнечный инструмент, штампы, клейма, кувалды, кузнечные и слесарные молотки, плотничный инструмент | |
| Ножи и вилы по металлу, пробойники, пуансоны, клейма, штампы, инструмент для обтески камня | |
| Дыропробойные штемпеля, кернеры, деревообрабатывающий инструмент | |
| Резцы, сверла, метчики, развертки, плашки, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников | |
| Резцы по металлу, фрезы, шаберы, развертки | |
| Резцы по твердому металлу, бритвы, шаберы, сверла |
2. По химическому составу стали делятся на:
- углеродистые;
· малоуглеродистые (до 0,25 % С). Низкоуглеродистые стали удовлетворительно сопротивляются коррозии, имеют повышенную прочность и твердость, но более низкую способность к пластическому деформированию. Эти стали самые дешевые и наименее дефицитные. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей – шайб, прокладок и т.п.;
· среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С). Стали из этой группы находят широкое применение для некоторых типов деталей, получаемых путем холодной пластической деформации, могут подвергаться ковке. Эти стали нашли свое применение при изготовлении крепежных изделий (болтов, в первую очередь), железнодорожных рельсов, вагонных колес и осей, бандажей для локомотивов;
· высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С). Эти стали более дорогие в производстве, имеют низкую пластичность и, следовательно, с большим трудом подвергаются горячей обработке, а также плохо свариваются. Высокоуглеродистые стали находят применение в производстве пружин, при изготовлении различных режущих инструментов, включая элементы землеройных машин и машин для обработки сельскохозяйственных земель, а также высокопрочной проволоки, для прокатных валков, шпинделей станков – везде, где требуется более высокая износостойкость и более высокая прочность, чем могут обеспечить стали с более низким содержанием углерода.
- легированные;
· низколегированные. Для многих низколегированных сталей главная функция легирующих элементов заключается в увеличении прокаливаемости стали, чтобы оптимизировать затем прочностные и вязкие свойства средствами термической обработки.Из этих сталей изготавливают плиты, листы, прутки, профили и кованые изделия, шарикоподшипники, оборудование нефтегазовой и химической промышленности, оборудование обычных и атомных электростанций для изготовления труб, теплообменников и сосудов высокого давления;
· среднелегированные. Характеризуются высоким пределом прочности и текучести в сочетании с достаточными пластическими свойствами, относительно высокой жаропрочностью. Из этих сталей изготавливаютвалы, детали турбин и крепеж, работающие при повышенной температуре, мелкие детали высокой прочности;
· высоколегированные. Различают несколько видов высоколегированных сталей и их сплавов, каждый из которых подходят только для определенных условий эксплуатации. По свойствам различают два основных вида сталей – коррозионностойкие и жаропрочные, жаростойкие. В зависимости от того какого легирующего компонента больше, различают следующие виды сталей: хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые. Их широко применяют в разных сферах человеческой деятельности. Наибольший спрос в нефтяной промышленности, энергетическом машиностроении, для химической индустрии, а также для изготовления специальных конструкций, которые работают в условиях агрессивной среды
3. Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству:
- обыкновенного качества;
- качественные;
- высококачественные;
- особо высококачественные.