Технические железоникелевые сплавы относятся к сталям аустенитного класса
17.8. Сплавы с заданными упругими свойствами
В приборостроении для изготовления упругих элементов (пружин) требуется материал, обладающий высоким значением упругих свойств, достаточной пластичностью, прямолинейным кодом изменения модуля упругости в широком интервале температур, а также немагнитностью и коррозионной стойкостью.
К таким сплавам относятся:
- сплав 40KXHM (0,07-0,12 % С, 15-17 % Ni, 19-21 % Cr, 6,4-7,4 % Мо, 39-41 % Со). Это высокопрочный, с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав, который применяется для заводных пружин часовых механизмов,а также для витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400 оС;
- сплав 42НХТЮ ( < 0,05 % С, ~42 % Ni). Это высокопрочный сплав с низким температурным коэффициентом модуля упругости при температуре до 100 оС, который применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры +100 оС.
18. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
18.1. Медные сплавы
Медные сплавы делятся на две группы:
- латуни. Это сплавы меди с цинком. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30 % Zn.
Латуни (в особенности однофазные) легко поддаются деформации и поэтому из латуни изготавливают катаный полуфабрикат (листы, ленты, профили и т.д.). Латуни с содержанием цинка до 40 % пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки.
Кроме простых латуней – сплавов только меди и цинка, применяют специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости (автоматная латунь ЛС59, содержащая 40 % Zn и 1-2 % Pb), олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде (морская латунь), алюминий и никель для повышения механических свойств.
Практически применяемые латуни в зависимости от структуры при комнатной температуре разделяются на две категории:
- α – латуни, содержащие меди не менее 61 %. Марки этих латуней Л62, Л68 и др. Их изготавливают в виде тонких листов, лент др. α – Латуни с более высоким содержанием меди (Л80) имеют цвет золота, и их применяют для ювелирных и декоративных изделий. Латуни, содержащие высокий процент меди, называют томпаком.
- α + β – латуни, содержащие 55 – 61 % меди. Наиболее распространенная марка Л59, из которой изготавливают прутки, а из них с помощью обработки резанием – различные детали.
Латуни с содержанием цинка до 40 % - пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки.
- бронзы. Это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами, обладающие хорошими литейными свойствами (малой усадкой) и использующиеся как антифрикционные сплавы.
Маркировка бронзы: БрОЦС8-4-3, содержащая 8 % Sn, 4 % Zn, 3 % Pb, остальное - медь.
В зависимости от вида легирующего элемента различают:
- оловянистые бронзы , содержащие до 5 % Sn. Они устойчивы к действию атмосферы, морской воды;
- алюминиевые бронзы, содержащие 9-11 % А1. Они обладают хорошими технологическими и механическими свойствами. Их применяют для изготовления зубчатых колес, сальников, деталей турбин;
- кремнистые бронзы, содержащие 1-3 % А1. Они обладают хорошими литейными и антикоррозионными свойствами, высокой упругостью, выносливостью;
- бериллиевые бронзы, содержащие 2-2,5 % Ве; 0,5 % Ni,остальное медь. Эти бронзы относятся к разряду дорогих и используются в приборостроении для изготовления пружин, мембран и др.
- медно-никелевые сплавы, в которых основным легирующим элементом является никель. Эти сплавы можно разделить на конструкционные и электротехнические.
К первой группе относятся коррозионно-стойкие и высокопрочные сплавы типа мельхиор (МНЖМц30-1-1), нейзильбер (МНЦ15-20), куниаль (МНА13-3). В качестве дополнительных легирующих элементов в них добавляют Mn, Al, Zn, Fe, Co, Pb. Изготавливают из этих сплавов украшения, столовые и чайные приборы.
- сплав монель, содержащий 66 % Ni + 28 % Cu + Mn + Fe. Он применяется для изготовления монет, хирургического инструмента, так как обладает высокой коррозионной стойкостью, прочностью, хорошей обрабатываемостью.
18.2. Алюминиевые сплавы
Алюминий - один из наиболее легких конструкционных металлов (ρ = 2,7кг/м3). Он обладает высокой пластичностью. В чистом виде алюминий имеет небольшую прочность, кристаллическую решётку ГЦК с параметром а = 0,404 Нм и обладает высокой коррозионной стойкостью из-за образования на поверхности пленки, содержащей химическое соединение Al2O3.
Алюминий и его сплавы используют в качестве проводниковых материалов (провода в быту). Электропроводность равна 34*10 Ом-1* см-1, что составляет 57 % от электропроводности меди. В электротехнике используют алюминий марок A00 (99,7 %), А0 (99,6 %) и Al(99,5 %).
По технологическому признаку алюминиевые сплавы делятся на деформируемые (термически не упрочняемые и упрочняемые) и литейные (рис. 18.1).
Рис. 18.1. Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния (а) и технологические свойства сплавов с ограниченной
растворимостью (б – г)
Как видно из рисунка 18.1. различные участки диаграммы соответствуют:
1 – сплавам, не упрочняемым термической обработкой;
2 – сплавам, упрочняемым термической обработкой;
3 – изменению пластичности;
I – образованию рассеянных пор;
II- образованию сконцентрированных пор.
К деформируемым алюминиевым сплавам относятся:
- сплавы алюминия с марганцем АМц (АМц3) и сплавы алюминия с магнием АМг (Амг6). Марганец и магний повышают прочность алюминия в три раза. Используют эти сплавы при изготовлении сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, трубопроводов, средне-нагруженных деталей конструкций;
- дюралюмины - сплавы алюминия с медью (2,2-4,8 %),магнием (0,4-2,4 %), марганцем (0,4-0,8 %). Это термически упрочняемые сплавы. Обозначение дюралюминов: Д1, Д6, Д16 (номера условные).
Для защиты дюралюминов от коррозии используют так называемое плакирование (покрытие тонким защитным слоем из чистого алюминия);
- сплав В95 - наиболее прочный алюминиевый сплав (2 % Си, 2,5 % Mg, 0,5 % Mn; 6 % Zn, 0,15 % Сr, 0,5 %Si, 0,5 % Fe) и используется он для изготовления элементов летательных аппаратов;
- ковочные сплaвы (АК) для деталей, изготавливаемых ковкой и давлением. Обозначение: АК1, АК5 (номер условный).
Эти сплавы обладают способностью сохранять механические свойства при повышенных температурах.
К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы алюминия с кремнием (так называемые силумины), содержащие 4-13 % Si.
Силумины маркируют: АЛ2, АЛ13 (порядковый номер). Применяют такие сплавы для изготовления литых деталей приборов, корпусов турбонасосов, тонкостенных отливок сложной формы.
В настоящее время вводится единая цифровая маркировка алюминиевых сплавов. Первая цифра обозначает основу всех сплавов (алюминию присвоена цифра 1); вторая – главный легирующий элемент или группа главных легирующих элементов; третья или третья со второй – соответствует старой маркировке; четвертая цифра – нечетная (включая 0) указывает, что сплав деформируемый, четная – что сплав литейный.
Например, сплав Д1 обозначают 1110, Д16 – 1160, АК4 1140, Амг5 – 1550, АК6- 1360 и т. д. Некоторые новые сплавы имеют только цифровую маркировку – 1915, 1925 и др.
18.3. Магниевые сплавы
В качестве легирующих добавок в магниевых сплавах используют алюминий, цинк и марганец, растворяющиеся в магнии. Растворимость падает с уменьшением температуры, что позволяет применять для этих сплавов термическую обработку, заключающуюся в закалке с последующим старением.
Магниевые сплавы делятся на деформируемые (МА) и литейные (МЛ). Эти сплавы очень легкие и используются для изготовления деталей в авиастроении.
18.4. Титан и его сплавы.
Титан – это серебристо-белый металл с малой плотностью (4,5 г/см3) и высокой температурой плавления (1672 оС), имеющий две аллотропические модификации: α – низкотемпературную с плотноупакованной гексагональной решёткой и β – высокотемпературную с кубической объёмноцентрированной решёткой. Температура перехода α ↔ β равна 882 оС.
Для улучшения прочностных и пластических свойств титан легируется различными элементами, содержание которых, в общей сложности, не превышает 10 –15 %. Легирующие элементы смещают температуру аллотропического превращения титана. Алюминий, кислород, азот, углерод стабилизируют α –фазу ; железо, молибден, тантал, вольфрам, хром, марганец, никель стабилизируют β –фазу;
Титан имеет высокую коррозионную стойкость в большом количестве агрессивных сред, превосходя в этом отношении нержавеющую сталь. При нагреве до 500 оС титан становится активным и поглощает из атмосферы газы (кислород, азот, водород), что сильно влияет на его механические свойства.
Технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей: BT1-00 (сумма примесей менее 0,398 %), ВТ1-0 (сумма примесей менее 0,55 %).
Титановые сплавы классифицируются:
- по технологии изготовления на деформируемые, литейные и изготовленные методами порошковой металлургии. Для маркировки деформируемых титановых сплавов используется буквенно-цифровой код:
- ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4 - сплавы, в которых основными легирующими добавками являются алюминий и марганец;
- ВТ5, ВТ5-1, ВТ3-1, ВТ6, ВТ9 и т.д. – сплавы, легированные алюминием или алюминием и вольфрамом.
Стоящие за буквами цифры являются условным порядковым номером.
Особенности маркировки литейных титановых сплавов – наличие буквы Л в конце обозначения марки: ВТ5Л, ВТ3-1Л и др.
Для изготовления деталей методом порошковой металлургии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 и др. Порошковые сплавы маркируются так же, как и деформируемые.
Литейные сплавы титана обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые;
- по способу упрочнения на термически упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой;
- по структуре на однофазные α – сплавы (не содержат b-стабилизаторов); псевдо –а - сплавы (коэффициент b- стабилизации не более 0,25); (a + b)-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 0,3 до 0,9); псевдо-b-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 1,4 до 4,4) и b-сплавы (коэффициент b-стабилизации > 2,5).
Преимуществом титановых сплавов, по сравнению с техническим титаном, являются следующие свойства:
- сочетание высокой прочности (σв = 800-1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ = 18-25 %);
- малая плотность и высокая удельная прочность (σв/γ до 40);
- хорошая жаропрочность (до 600-700 оС);
- высокая коррозионная стойкость;
- низкая пластичность при комнатной температуре;
- высокая чувствительность к поверхностным дефектам.
Все титановые сплавы подвергаются термообработке, ХТО и ТМО и для повышения их износостойкости возможно применение цементации и азотирования.
Основными недостатками титана и его сплавов являются:
- высокая способность при повышенных температурах к взаимодействию со всеми газами, а также с материалами плавильных печей;
- невысокие антифрикционные свойства;
- плохая обрабатываемость резанием;
- невысокая жесткость конструкции из-за низкого значения модуля упругости.
Титановые сплавы используют в авиа- и ракетостроении (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа, фюзеляжа), в химической промышленности (компрессоры, клапаны, вентили), в изготовлении криогенной техники.
18.5. Антифрикционные сплавы
Антифрикционные сплавы применяют для изготовления подшипников качения и скольжения. К таким сплавам предъявляются следующие требования:
- низкий коэффициент трения;
- хорошая прирабатываемость;
- микрокапиллярность для смазки;
- хорошая теплопроводность.
К антифрикционным сплавам относятся:
- свинцовистые бронзы (до 25-30 % РЬ) (БрС30 И БРОС5-25;
- антифрикционные чугуны (чугун с перлитной основой и повышенным количеством графита);
- баббиты - сплавы олова с сурьмой и медью (Б88, Б89),а также сплавы свинца с кальцием и натрием (Б16, БКА).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П.Гуляев. - М.: Металлургия, 1986.- 541 с.
2. Мозберг, Р.К. Материаловедение: учебник для вузов / Р.К.Мозберг. - М.: Металлургия, 1991. - 500 с.
3. Лахтин, Ю.М. Основы металловедения: учебник для вузов / Ю.М.Лахтин. – М.: Металлургия, 1988. – 400 с.
4. Новиков, И.И. Теория термической обработки: учебник для вузов / И.И.Новиков. – М.: Металлургия, 1988. – 479 с.
5. Конструкционные материалы: Справочник / под ред. Б.Н.Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 687 с.
6. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н.Арзамасов. – М.: Машиностроение, 1986. –383 с.
7. Башнин, Ю.А. Технология термической обработки / Ю.А.Башнин, Б.К.Ушаков, А.Г.Секей. – М.: Металлургия, 1986. – 424 с.
8. Гольдштейн, М.И. Специальные стали / М.И.Гольдштейн, С.В.Грачев, Ю.Г.Веслер. – М.: металлургия, 1985. – 407 с.
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | |
| 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МЕТАЛЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ | |
| 2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ | |
| 2.1. Строение реальных кристаллов | |
| 2.2. Дефекты кристаллического строения | |
| 2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм | |
| 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ | |
| 3.1. Энергетические условия процесса кристаллизации | |
| 3.2. Механизм процесса кристаллизации | |
| 3.3. Аморфное состояние металлов | |
| 3.4. Реальная форма кристаллических образований | |
| 3.5. Получение монокристаллов | |
| 3.6. Жидкие кристаллы | |
| 3.7. Строение стального слитка | |
| 3.8. Методы исследования структуры | |
| 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТЬВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ | |
| 4.1. Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов | |
| 4.2. Методы испытаний металлов и сплавов | |
| 4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов | |
| 4.4. Пути повышения прочности металлов | |
| 4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация) | |
| 5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ | |
| 5.1. Строение сплавов | |
| 5.2. Химические соединения | |
| 5.3. Электронные соединения (фазы ЮМ-РОЗАРИ) | |
| 5.4. Механические смеси | |
| 6. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ | |
| 6.1. Построение диаграмм состояния (равновесия) | |
| 6.2. Правило отрезков или правило рычага | |
| 6.3. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода) | |
| 6.4. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода) | |
| 6.5. Диаграмма с перитектикой | |
| 6.6. Диаграмма для сплавов, образующих химические соединения (IV рода) | |
| 6.7. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения | |
| 6.8. Связь диаграммы состояния сплава с его свойствами | |
| 7. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД» | |
| 7.1. Характеристика линий и точек диаграммы «железо-углерод» | |
| 7.2. Практическое применение диаграммы «железо-углерод» | |
| 7.3. Классификация сплавов системы «железо-углерод» | |
| 8. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ | |
| 8.1. Четыре основные превращения в стали | |
| 8.2. Превращения в стали при нагреве – образование аустенита (I превращение) | |
| 8.3. Превращение в стали при охлаждении (II превращение) | |
| 8.4. Перлитное превращение | |
| 8.5. Бейнитное превращение | |
| 8.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении | |
| 8.7. Мартенситное превращение (III превращение) | |
| 8.8. Превращение в закаленной стали при нагреве (IV превращение) | |
| 9. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ | |
| 9.1. Основные составляющие технологического процесса термической обработки | |
| 9.2. Классификация видов термической обработки | |
| 9.3. Способы закалки | |
| 9.4. Закаливаемость и прокаливаемость | |
| 10. ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ | |
| 11. ОТПУСК | |
| 12. ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) | |
| 12.1. Цементация стали | |
| 12.2. Азотирование стали | |
| 13. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА | |
| 14. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ | |
| 14.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях | |
| 14.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита | |
| 14.3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение | |
| 14.4. Классификация легированных сталей | |
| 14.5. Принцип комплексного легирования | |
| 14.6. Технологические особенности термической обработки легированной стали | |
| 14.7. Особенности отпуска легированной стали | |
| 15. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ | |
| 15.1. Классификация конструкционных сталей | |
| 16. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ | |
| 16.1. Режущие стали | |
| 16.2. Быстрорежущие стали | |
| 16.3. Твердые режущие стали | |
| 16.4. Штамповые стали | |
| 16.5. Стали для измерительных инструментов | |
| 17. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ | |
| 17.1. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали | |
| 17.2. Жаростойкие и жаропрочные стали | |
| 17.3. Криогенные стали и сплавы | |
| 17.4. Магнитные стали и сплавы | |
| 17.5. Сплавы с особенностями электросопротивления | |
| 17.6. Сплавы с высоким электросопротивлением | |
| 17.7. Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения | |
| 18. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ | |
| 18.1. Медные сплавы | |
| 18.2. Алюминиевые сплавы | |
| 18.3. Магниевые сплавы | |
| 18.4. Титан и его сплавы | |
| 18.5. Антифрикционные сплавы |