Конструкционные материалы их классификация и свойства. Конструкционные материалы. Основные свойства древесины
Конструкционные материалы, используемые в химическом маши - ностроении, условно делятся на четыре класса:
Цветные металлы и сплавы;
Неметаллические материалы.
Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.
Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
Углеродистые обыкновенного качества;
Углеродистые конструкционные;
Легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1,2, 3,4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех
В табл. 12.1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.
Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок СтЗ, СтЗкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком (15+26%) относительном удлинении.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30,40,45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, Юкп, Юпс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
В табл. 12.2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.
|
Таблица 12.2. Углеродистая сталь конструкционная |
Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.
Наиболее распространенные легирующие добавки:
Хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;
Никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;
Вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;
Молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;
Марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;
Кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;
Ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;
Титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (> 800 °С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:
Низколегированные - с содержанием добавок до 3%;
Среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10%;
Высоколегированные - с содержанием добавок > 10%.
В табл. 12.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.
|
Таблица 12.3. Легированные конструкционные стали
|
|
Продолжение табл. 12.3
|
|
Окончание табл. 12.3
|
Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения се поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;
Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;
Алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800-5-1000 °С;
Хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.
Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака.
Толщина слоя при этом увеличивается до 1-2 мм и более, возрастает его твердость.
Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7%, при лом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8-М),9% находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа - РеС). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:
Чугун серый - в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;
Чугун белый - в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;
Чугун отбеленный - в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;
Чугун половинчатый - в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.
Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, например, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.
Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.
Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.
Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10%). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.
Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и лр.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугупы делят на три группы:
Низколегированные - легирующих добавок до 3%;
Среднелегированные - легирующих добавок о г 3 до 10%;
Высоколегированные - легирующих добавок более 10%.
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и
Придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6%) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30% Сг) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4% (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Цветные металлы и их сплавы. Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.
Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его ог дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3-3,5 раза, а на сжатие - в
5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.
Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинка - томпак; до 20% - полутомпак; более 20% - константаны, манганины и др.).
Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).
Никель - обладает высокой коррозионной стойкостью в поде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и темперагурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к действию азотной кислоты. Широко применяется в различных отраслях техники, главным образом для получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью.
Никедьхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислитсльных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.
Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8-10 раз дороже изделий из хромоникелевых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей.
Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколегированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.
Неметаллические конструкционные материалы. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.
Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.
Углеграфитовые материалы ~ графит, пропитанный фенолфор - мальдегидной смолой, или графитопласт, - прессованная пластмасса на основе фснолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.
Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 °С при давлениях до 0,6 МПа.
Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Кера - мические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.
Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.
Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.
Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 °С.
Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:
Полиэтилен - температура от -60 до +60 “С, давление до 1 МПа;
Полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до
Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 СС и давлении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50%), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50%), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.
Текстолит - по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30%), соляной (до 20%),
Фосфорной (до 25%), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С.
Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенол - форматьдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40%), серной (до 50%), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.
Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования дниш башенного оборудования сернокислотного производства, дня изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 °С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.
Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.
Конструкционные материалы в химическом аппаратостроении
Специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:
Высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;
Высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;
Хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;
Низкая стоимость и не дефицитность материалов.
Виды конструкционных материалов
Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:
Цветные металлы и сплавы;
Неметаллические материалы.
Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.
Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
Углеродистые обыкновенного качества;
Углеродистые конструкционные;
Легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от хи-мического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1, 2, 3, 4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).
В табл. .1 приведены примеры использования углеродистой стали
обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Таблица 1. Углеродистая сталь обыкновенная
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механичес-
кие свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15,20, 25, 30,40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
В табл. 2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.
Таблица 2. Углеродистая сталь конструкционная
Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вво-
дят определенные легирующие добавки. Наиболее распространенные легируюшие добавки:
Хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;
Никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;
Вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;
Молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;
Марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;
Кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;
Ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;
Титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (> 800 °С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:
Низколегированные - с содержанием добавок до 3%;
Среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10%;
Высоколегированные - с содержанием добавок > 10%.
В табл. 3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.
Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
Таблица 3. Легированные конструкционные стали
| Сталь | Назначение |
| Коррозионностойкие стали для применения в слабоагрессивных средах | |
| 08X13, 12X13 | Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при темпера- туре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации <5% при температуре до 25 0 С. Щелочи (аммиак, едкий натр, едкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 °С и концентрации менее 50% |
| 30X13,40X13 | Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной стой- костью во влажном воздухе, водопроводной воде, в некоторых ор- ганических кислотах, растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 0 С |
| 12X17 | Окалиностойкая до 850 °С |
| 10Х14АГ15, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4 | Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для оборудования, работающего в слабоагрессивных средах, а также изделий, ра ботающих при повышенных температурах до +400 0 С и пониженной температуре до - 196 °С |
| Коррозионностойкие стали для сред средней агрессивности | |
| 08X17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т | Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных кон- струкций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже - 20 °С. Для труб теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале температур 400 - 700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимон- ной, уксусной, щавелевой кислот разных концентраций при температурах не более 100 °С |
| 08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т | Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более высо- кой прочностью, чем эти стали, и используется для изготовления сварной аппаратуры, работающей при температуре не выше 300 °С. |
| 12X21Н5Т | Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паянных конструкций |
| 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т | Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, холодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху. Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии |
| 08Х18Н12Б | Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т. Напри мер, сталь устойчива к действию 65% азотной кислоты при температуре не более 50 °С, к действию концентрированной азотной кис- лоты при температуре не более 20 °С, к большинству растворов солей органических и неорганических кислот при разных температурах и концентрациях |
| Х18Н14М2Б, 1Х18М9Т | Используются в производстве формальдегидных смол |
| Х18Н9Т, Х20Н12МЗТ | Используются в качестве конструкционного материала в производстве пластмасс |
| 07X21Г7АН5, 12Х18Н9, 08Х18Н10 | Для сварных изделий, работающих при криогенных температурах до - 253 °С |
| Коррозионностойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности | |
| 04X18Н10, 03Х18Н11 | Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной кислоты и аммиачной селитры |
| 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т | Для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессивности. Применяется как жаростойкая сталь при температуре до 600 °С |
| 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, 08Х17Н15МЗТ, 08Х17Н14МЗ, 03Х21Н21М4ГБ | Для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10%-й уксусной кислоты и в сернокислых средах. Сварные корпуса, днища, фланцы и другие де- тали при температуре от - 196 до 600 °С под давлением |
| 06ХН38МДТ. 03ХН28МДТ | Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80 °С в условиях производства серной кислоты различных концентраций |
| 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т | Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 °С. Едкое кали концентрации до 68% при температуре 120 °С. Азотная кислота концентрации 100% при температуре 70 °С. Соляная кислота, сухой йод концентрации до 10% при температуре до 20 ° С |
К основным видам химико-термической обработки, изделий из стали относятся:
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;
Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;
Алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюми-
нием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800 -1000 °С;
Хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.
Чугуны. Серые чугуньг представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7%, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8÷0,9% находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа – Fе 3 С). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре раз-
чугун серый - в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;
чугун белый - в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;
чугун отбеленный - в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;
чугун половинчатый - в структуре которого углерод выделяется частично в связан
ном, а частично в свободном виде.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.
Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует пре
дел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, например,
СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.
Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.
Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процесс кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.
Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3 - 10%). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.
Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугу-
ны, в состав которых входят легирующие элементы, никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:
Низколегированные - легирующих добавок до 3%;
Среднелегированные - легирующих добавок от 3 до 10%;
Высоколегированные - легирующих добавок более 10%.
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему осо-
бые свойства. Например:
Введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна;
Никелевые чугуны с добавкой меди (5 - 6%) надежно работают со шелочами;
Высокохромные (до 30% Сr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений;
Чугун с добавкой молибдена до 4% (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Цветные металлы и их сплавы . Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.
Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3 - 3,5 раза, а на сжатие - в 5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.
Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинка - томпак; до 20% - полутомпак; более 20% - константаны, манганины и др.).
Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкцион-
ного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).
Никель - обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к действию азотной кислоты. Широко приме-
няется в различных отраслях техники, главным образом для получения жаропроч-
ных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повы-
шенной коррозионной стойкостью.
Никельхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислительных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.
Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8 - 10 раз дороже изделий из хромоникелевых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей.
Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколегированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.
Неметаллические конструкционные материалы. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.
Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.
Углеграфитовые материалы - графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой, или графитопласт - прессованная пластмасса на основе фенолформальдегиднои смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.
Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезиеи с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 °С при давлениях до 0,6 МПа.
Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют шелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.
Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.
Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0 - 40 °С и давлении до 0,6 МПа.
Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравни-
тельно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от - 50 до +110 °С.
Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:
Полиэтилен - температура от - 60 до +60 °С, давление до 1 МПа,
Полипропилен - температура от - 10 до +100 °С, давление до 0,07 МПа.
Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и давлении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50%), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50%), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.
Текстолит - по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концент-
рацией до 30%), соляной (до 20%), фосфорной (до 25%), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С.
Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенолформальдегидными, кремне-
органическими, эпоксидными и др.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко приме-
няют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40%), серной (до 50%), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.
Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900 - 1200 °С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.
Природные силикатные материалы : диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.
Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два какие-либо критерия, характеризующие свойства материала. Как минимум, таких критериев должно быть четыре: жесткость конструкции, прочность материала, долговечность и надежность материала в условиях работы данной конструкции.
Жесткость конструкции.
Для многих силовых эле-ментов конструкций — шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т. п. — условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состоя-ния и т. д., а также и свойствами материала. Как было отмечено в гл. 3, показателем жесткости материала яв-ляется модуль нормальной упругости Ε (модуль жест-кости) — структурно нечувствительная характеристика, зависящая только от природы материала.
Среди главных конструкционных материалов наибо-лее высокое значение модуля Ε имеет сталь, наиболее низкое — магниевые сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их плотности (удельного веса) и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости: Е/у, √ Е/у, 3 √E/y, (табл. 1).
При оценке по этим критериям, выбираемым в соот-ветствии с формой и напряженным состоянием, во мно-гих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгод-ным материалом— углеродистые и легированные стали.
Таблица 1
Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов
|
Материал |
Е, кгс/мм 2 |
γ, г/см 3 |
√ Е/у |
3 √E/y |
|
|
Углеродистые и легирован-ные стали |
18 000— 22 000 |
||||
|
Титановые сплавы |
|||||
|
Алюминиевые сплавы |
|||||
|
Магниевые сплавы |
|||||
|
Стеклоплас-тики |
Прочность конструкционных материалов, используе-мых в технике, изменяется в очень широком диапазо-не— от 10—15 до 250—350 кгс/мм 2 . Однако выбор мате-риала только по абсолютному значению показателей прочности σ τ (σ 0,2), σ Β и др. не дает правильной оценки возможностей материала. Для создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет плотность (удельный вес) материалов γ. С учетом этого более правильно оценивать значение его удельной прочности отношением характеристик прочности σ Β , σ τ и т. д. к плотности (удельному весу) материала, напри-мер σ Β /γ, σ τ /γ, где γ —плотность (удельный вес) мате-риала, г/см 3 .
Таблица 2
Удельная прочность некоторых конструкционных материалов
|
Материал |
σ Β , · кгс / мм 2 |
γ, г/см 3 |
σ Β /γ· 10 5 см |
|
Углеродистая конструкционная сталь |
|||
|
Легированная конструкционная сталь 30ХГСА |
|||
|
Высокопрочные стали. |
|||
|
Магниевые сплавы МА2, МА8 |
|||
|
Алюминиевые сплавы Д16, В95 |
|||
|
Титановые сплавы |
|||
|
Стеклопластики типа СВАМ |
Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что, на-пример, алюминиевые сплавы, имея значительно мень-шую абсолютную прочность, чем углеродистые и мно-гие легированные стали, превосходят их по удель-ной прочности. Это означает, что при равной проч-ности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов — титано-вые сплавы.
Оценивая реальную прочность конструкционного ма-териала, следует учитывать характеристики пластично-сти δ, ψ, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения.
Надежность конструкции — это ее способность крат-ковременно работать вне расчетной ситуации, например выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала
Долговечность конструкции также зависит от усло-вий ее работы. Прежде всего это сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление ма-териала поверхностному износу, возникающему при тре-нии качения со скольжением). Долговечность изделия, кроме того, зависит от предела выносливости, зависяще-го в свою очередь от состояния поверхности. Определяется долговечность и коррозионной стойкостью материала.
Сплавы железа — сталь и чугун являются основными металлическими материалами, используемыми в раз-личных отраслях народного хозяйства.
Наиболее универсальным и широко используемым ма-териалом является сталь. Кроме перечисленных требо-ваний, стали должны иметь и хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие из-делия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываться на металлорежущих станках, хорошо свариваться. В ряде случаев от сталей требуется высокая коррозионная стойкость или жаро-прочность и т. д.
Достоинством сталей является возможность полу-чать в них нужный комплекс свойств, изменяя их состав и обработку.
КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ
Все стали можно разделить на две группы — углеро-дистые и легированные. Углеродистые стали являются основным конструкционным материалом, который ис-пользуют в различных
областях промышлен-ности. Эти стали про-ще в производстве и значительно дешевле легированных. Но уг-леродистые стали — это не только сплав железа с углеродом, это сплав сложного хи-мического состава. По-этому свойства таких сталей определяются и количеством углеро-да, и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеро-дом.
Влияние углерода.
В углеродистой стали механиче-ские свойства зависят главным образом от содержания углерода. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. увеличиваются прочность и твердость и уменьшается пластичность (рис. 1). Как видно из графика, приведенного на рис. 135, прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующая-ся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита уменьшает прочность стали.
Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют еще другие элементы, наличие которых обусловлено
Постоянные примеси.
Это кремний, марганец, фос-фор и сера.
Марганец и кремний вводят в процессе вы-плавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления закиси железа, поэтому их также называют технологи-ческими примесями.
Кроме того, марганец способствует уменьшению со-держания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn->MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в фер-рите, повышая его прочность; марганец может также растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7—0,8% Май до 0,5% Si.
Сера — вредная примесь — попадает в сталь глав-ным образом с исходным сырьем —чугуном. Сера не-растворима в железе, она образует с ним соединение FeS —сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe-FeS) с температурой плав-ления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900° С сталь стано-вится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется крас-ноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.
Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки ста-ли. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склон-ностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут об-разовываться участки, богатые фосфором. Располага-ясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладно-ломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой ста-ли допускается до 0,050%.
Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.
Рис. 1. Зависимость свойств горяче-катаной углеродистой стали от содер-жания углерода различными причинами. Различают примеси: постоян-ные, скрытые, случайные и специально введенные.
Скрытые примеси.
Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложно-сти определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутст-вовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя хими-ческие соединения (нитриды, оксиды). Газы могут на-ходиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.
Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10 -2 —10 -4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.
Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплав-ке стали. Содержание этих элементов ниже тех преде-лов, когда их вводят специально как легирующие до-бавки.
Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а ста-ли, их содержащие, — легированными сталями.
Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1% или более. При содержа-нии ванадия, молибдена, титана, ниобия и других эле-ментов более 0,1—0,5% стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, харак-терные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1%.
В конструкционных сталях легирование осуществля-ют с целью улучшения механических свойств — прочно-сти, пластичности и т. д. Кроме того, легирующие эле-менты изменяют физические, химические и другие свой-ства стали.
Нужный комплекс свойств достигается не только ле-гированием, но и рациональной термической обработ-кой, в результате которой получается необходимая структура.
Как правило, легирующие элементы существенно увеличивают стоимость стали, а некоторые из них к то-му же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосно-вано.
Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск нужной марки стали с учетом ее свойств.
Стали классифицируют по химическому составу, спо-собу выплавки, по структуре в отожженном или нор-мализованном состоянии, по качеству и по назначе-нию.
Классификация по химическому составу
По химическому составу прежде всего все стали мож-но разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и угле-рода один какой-либо легирующий элемент), четырех -компонентные и т. д. Более применительной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д.
По степени легирования, т. е. по содержанию ле-гирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5—5% леги-рующих элементов), среднелегированные (до 10%) и высоколегированные (более 10%)·
Классификация по способу выплавки
Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.
В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одина-ковом содержании углерода имеют практически одина-ковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием крем-ния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15— 0,35%, в полуспокойной 0,05—0,15%, в кипящей < 0,05%.
Легированные стали выплавляют только спокойными в печах мартеновских или электрических.
В результате уменьшения содержания кремния в фер-рите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоя-нии (например, для изготовления деталей глубокой вы-тяжкой). Но из-за большого содержания газов, особен-но азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при —10° С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количе-ство углерода, могут работать до —40° С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их исполь-зуют для изготовления неответственных деталей и кон-струкций.
Классификация по структуре
По структуре в отожженном состоянии стали разде-ляют на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количест-во ферритообразующих легирующих элементов, напри-мер хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды — легированный ледебурит.
Рис. 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали
По структуре после охлаждения на воздухе легиро-ванные стали разделяют на три основных класса: пер-литный, мартенситный и аустенитный (рис. 2) (струк-туру во всех случаях определяют по образцам неболь-шого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают ус-тойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных темпе-ратур при различном содержании легирующих элемен-тов и углерода получаются различные структуры.
Классификация по качеству
В основе классификации сталей по качеству лежит содержание вредных примесей — серы и фосфора. Раз-личают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высоко-качественную.
Сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%, Ст0 до 0,07% Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кис-лородных конверторах. Обозначение марок стали — бук-венно-цифровое: буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2... Ст6. Степень раскисленности стали обозначают бук-вами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали ма-рок Ст 0 — Ст 4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки сталей от Ст 1 до Ст6.
Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В. В мар-ках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); Б СтЗкп (сталь 3, груп-пы Б, кипящая); В Ст 3пс (сталь 3, группы В, полуспо-койная); В Ст 4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.
Химический состав стали группы А не регламентиру-ется, его только указывают в сертификатах металлурги-ческого завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам (σ Β , σ τ и δ).
С увеличением номера стали прочность увеличивается, а пластичность уменьшается:
Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают раз-личной обработке (ковке, сварке, термической обработ-ке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.
Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б.
Углеродистая сталь обыкновенного качества — де-шевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80% всего производства углеродистых сталей.
Качественные стали.
В качественных сталях макси-мальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04% серы и 0,04% фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. Поэто-му при примерно одинаковом содержании углерода ка-чественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного каче-ства особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому соста-ву и по механическим свойствам. Марки сталей обозна-чают цифрами, указывающими среднее содержание уг-лерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07—0,08% для одной марки), степень раскисленности — буквами пс, кп (спокойные качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10 кп (0,10% С, кипящая), сталь 30пс (0,30% С, полуспокойная), сталь 45 (0,45% С, спокойная) и т. д. Качественные углеро-дистые стали поставляются заказчику в различном со-стоянии: без термической обработки, после нормализа-ции, различной степени пластической деформации и т. д. Состав некоторых качественных углеродистых сталей и их механические свойства приведены в приложении, табл. 5,
В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S <0,035% и Р<0,035%). Поскольку при этом стои-мость стали существенно увеличивается, конструкцион-ные углеродистые стали редко выплавляют высококаче-ственными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, напри-мер сталь У10А. Легированные стали выплавляют толь-ко качественными, а чаще —высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в СССР при-нята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначают следующими бук-вами: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт —К, титан —Т, азот —А, марганец —Г, медь — Д, ванадий —Ф, кремний —С, фосфор —П, алюминий —Ю, бор —Р, ниобий —Б, цирконий — Ц.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых до-лях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1%, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содер-жит около 0,18% С; 1% Cr; 1 % Μn и около 0,1 % Ti; мар-ки 12ХН3-0,12% С; 1% Сr и 3% Ni.
Нестандартные стали обозначают различным обра-зом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (бук-ва П), например стали ЭИ395, ЭИ347, ЭП398 и т. д. Состав таких сталей приведен в справочниках.
Особо высококачественными выплавляют только ле-гированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015% серы и 0,025% фосфора. К ним предъявляют по-вышенные требования и по содержанию других приме-сей.
Классификация по назначению
По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особы-ми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержа-щие углерода до 0,25%, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых це-ментации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.
|
Сталь |
Ст 1пс |
Ст Зпс и Ст Зсп |
Ст 6сп |
|
σ Β , кгс/мм 2 . |
|||
|
σ Т, кгс/мм 2 , |
|||
Для деталей машин , испытывающих ударные нагруз-ки, используют стали, содержащие 0,30—0,50% С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т. д.). Эти стали подвергают термической обработке — закалке с после-дующим высокотемпературным отпуском (улучшению).
Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50—0,70% С. Эти стали также применяют только пос-ле соответствующей термической обработки.
Стали, содержащие 0,7—1,5% С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Угле-родистые стали маркируются У7, У8, У13, где бук-ва У обозначает углеродистую сталь, а число показыва-ет содержание углерода в десятых долях процента, т. е. сталь У10 содержит 1% С. Эти стали иногда выплавля-ют высококачественными и тогда их маркируют У10А или У8А и т. п. У инструментальных легированных сталей содержа-ние углерода также обозначают в десятых долях про-цента, например сталь марки 9ХС содержит 0,9% С; 1% Сr и 1,4% Si. Если углерода больше 1%, то цифры не указывают, например стали ХВГ, ХГ и т. д.
Стали и сплавы с особыми свойствами . К этой группе относятся стали, коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы; с особыми магнитными свойствами и т. д.
ДЕФЕКТЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Кроме дефектов, характерных для углеродистых ста-лей, в легированных сталях проявляются и специфиче-ские дефекты: дендритная ликвация, флокены и от-пускная хрупкость II рода.
Дендритная ликвация. Наличие легирующих элемен-тов увеличивает температурный интервал кристаллиза-ции. Кроме того, как было отмечено, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ус-траняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.
Флокены. Ранее неоднократно отмечалось различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их не-желательное присутствие, так как при этом свойства сталей ухудшаются. Так, например, возникает один из дефектов легированных сталей — флокены (трещины, ко-торые можно выявить при макротравлении). На изло-мах флокены имеют вид блестящих круглых или оваль-ных пятен, являющихся поверхностью трещин. В настоя-щее время установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200° С после ковки или прокатки. Их образование происходит вследствие при-сутствия в металле водорода, растворившегося в жид-ком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внут-ренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в хромовых и хромоникелевых конструкционных сталях. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл охлаждают медленно в области 250—200° С или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.
ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ
Некоторые детали работают в условиях поверхност-ного износа, испытывая при этом и динамические на-грузки. Для изготовления таких деталей используют малоуглеродистые стали, содержащие 0,10—0,30% С, подвергая их цементации.
Для изделий небольших размеров, деталей неответ-ственного назначения применяют малоуглеродистые ста-ли марок 10, 15, 20. Для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием угле-рода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и т. д. Чем выше требо-вания к свойствам, тем более сложные стали по составу применяют.
Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т. д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1%Сг. При содержании хрома до 1,5% в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fe, Сr) 3 С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после тер-мической обработки увеличивается и глубина закален-ного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ва-надием (0,1—0,2%) — сталь 15ХФ — способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластич-ность и вязкость.
Для изготовления цементуемых деталей средних раз-меров, испытывающих при работе высокие удельные на-грузки, используют стали, в состав которых входит ни-кель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глу-бину закаленного слоя, препятствует росту зерна и обра-зованию грубой цементитной сетки. Никель положитель-но влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Ввиду дефицитности никеля эти стали стремятся заме-нить другими легированными сталями. К таким сталям относятся хромомарганцевые стали с небольшим количе-ством титана (0,006—0,12%): 18ХГТ, 30ХГТ. В цемен-туемые стали титан вводят только для измельчения зер-на. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.
Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей.
В последние годы с целью повышения прочности для цементуемых деталей применяют стали, легированные бором (0,002-0,005%): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях экономии никеля применяют вместо ста-ли 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, уве-личивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к пе-регреву их дополнительно легируют Ti или Zr.
Обычно изделия, изготовленные из высоколегирован-ных цементуемых сталей, подвергают цементации на не-большую глубину.
УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ
Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3—0,5% С), подвергае-мые закалке и последующему высокотемпературному от-пуску. После такой термической обработки стали при-обретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают σ Β =60-70 кгс/мм 2 и α Η =4-5 кгс-м/см 2 . Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпин-дели, валы, оси и т. д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость HRC 40—50. Для получения высо-кой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т. д.).
Для повышения механических свойств сталей при изготовлении деталей сечением более 25—30 мм в со-став сталей добавляют легирующие элементы. Легиро-ванные стали обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряже-ния, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их ос-новное преимущество перед углеродистыми конструк-ционными сталями — лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости и т. п.
Большинство легированных конструкционных сталей относятся к перлитному классу.
При создании марок легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его де-фицитность.
Основным легирующим элементом в конструкцион-ных сталях является хром, содержание которого обыч-но составляет 0,8—1,1%; марганца в сталях до 1,5%; кремния 0,9—1,2%; молибдена 0,15—0,45%; никеля 1— 4,5%. Общая сумма легирующих элементов не превы-шает 3—5%.
Все перечисленные элементы, кроме никеля, увели-чивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость, Никель является исключением — он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладно-ломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особен-но ценны как конструкционный материал.
Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1% V, Ti, Nb
Zr для измельчения зерна Введение 0,002—0,003% В увеличивает прокаливаемость.
Улучшаемые стали можно условно разделить на несколь-ко групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1% Μn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15—0,25% Мо.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль , легированы хромом, кремнием и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемо-стью и прочностью, например сталь 30ХГС после тер-мической обработки имеет σ Ε = 165 кгс/мм 2 при а н = 4 кгс-м/см 2 . Недостаток этих сталей — склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
Чем больше размер детали, сложнее ее конфигура-ция, выше напряжения, возникающие в пей в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.
Рис. 3. Диаграмма для выбо-ра марок конструкционной ста-ли в зависимости от заданной прочности и размеров сечения а детали: 1 - 30ХНЗМ; 2 — 30ХНЗ; 3 - 34ХМА; 4 — ЗЗХСА; 5 — ЗОНЗ; 6 — 35ХА; 7 — 35СГ; 8 — сталь 30
Молибден и вольфрам вводят в состав сталей также для уменьшения склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных проч-ности и размеров сечения.
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим не-обходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности σ Β , как пра-вило, получают не более 110—120 кгс/мм 2 , так как при большей прочности сталь практически становится хруп-кой.
Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают σ Β = = 180—200 кгс/мм 2 , называют высокопрочными.
Высокопрочное состояние может быть получено не-сколькими способами. Один из таких способов — леги-рование среднеуглеродистых сталей (0,4—0,5% С) хро-мом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200—300° С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладнолом-кости, увеличивает сопротивление хрупкому разруше-нию. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Сr; 1 % Мо и 0,5% V, после закалки в масле и низкого от-пуска при 200°С имеет σ Β =200 кгс/мм 2 при 6 = 10%, ψ=40% и а н =3 кгс-м/см 2 .
Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермичес-кая закалка) приобретают высокую прочность — та-кая обработка сообщает сталям меньшую чувствитель-ность к надрезам. Прочность σ Β =160—185 кгс/мм 2 при δ=15—12% и а н =4—2 кгс-м/см 2 .
Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения тер-момеханической обработки (ТМО). Так, стали ЗОХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют предел прочности до 280 кгс/мм 2 , относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5—2 раза по срав-нению с обычной термической обработкой. Объясняет-ся это тем, что частичное выделение углерода из аусте-нита при деформации облегчает подвижность дислока-ций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дис-локаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода).
Мартенситностареющие ст али .
Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластично-стью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинст-ва— высокая технологическая пластичность при обра-ботке давлением в широком интервале температур; от-сутствие трещинообразования при охлаждении с лю-быми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.
Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение про-текает по второму механизму, т. е. образуется реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая плотность дислокаций (до 10 10 —10 12 см). Для их закрепления требу-ется более 0,2% С, а в этих сталях его содержание 0,03%. Кроме того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мар-тенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень пластична. После закалки σ Β = 90—110 кгс/мм 2 , а δ =14—20%, ψ =70—80% и α = 20—30 кгс-м/см 2 .
Изделия из этих сталей получают пластической деформацией после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500° С.
Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения, который проводят при 480—500° С, за счет перераспределения леги-рующих элементов. Это приводит к образованию зон концентраци-онной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi, Νi 2 (Ti, Al), FeMo a в высокодисперсном состоянии. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и их размер не превышает 20—50 А.
Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на дислокациях. Дисперсные частицы, выделяясь на дислокациях, за-крепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличи-вается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочне-ние стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении.
Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значитель-нее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и титана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь 20—25 Ni. После термической обработки мартенситностареющих сталей получают σ В =240—280 кгс/мм 2 при б=12%, ψ=40% и а н = 10 кгс-м/см 2 (см. табл. 3).
Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицит-ность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились марки так называемых «экономнолегированных» мартенситностареющих сталей: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.
Таблица 3
Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей
|
кгсм/см а |
кгс-м/см 2 |
|||||||
Примечание. Во всех сталях содержится: <0,03% С; 0,01% S; 0,01% Р; 0,05-0,20% Аl.
Мартенситностареющие стали относятся к высоко-легированным сталям. Основным легирующим элемен-том является никель (10—26%), Кроме того, различа-ясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7— 9% Со; 4,5—5% Мо; 5-11% Сr; 0,1—0,35 Аl; -0,15— 1,6% Ti; иногда -0,3—0,5% Nb; <0,2% Si, Μn; <0,01% S, Ρ каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов.
В мартенситностареющих сталях стремятся полу-чить минимальное количество углерода (^0,03%), так как углерод, образуя с легирующими элементами кар-биды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элемен-тов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800—860° С, охлажде-нии на воздухе и затем отпуске — старении.
Мартенситностареющие стали используют для изго-товления шасси самолетов, оболочек космических лета-тельных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в со-четании с достаточной пластичностью.
ПРУЖИННО-РЕССОРНЫЕ СТАЛИ
Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д., — сохранение в течение длительного времени уп-ругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости (σ γπ), высокое сопро-тивление разрушению (S k) и усталости при пониженной плас-тичности.
Термически упрочняемые пру-жинно-рессорные стали обычно содержат 0,5—0,7% С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением витков приме-няют углеродистые стали по ГОСТ 1050—74. Для пружин бо-лее ответственного назначения и при большем сечении витков при-меняют легированные пружин-ные стали.
Для повышения выносливости пружин и рессор ши-роко применяют дробеструйную обработку.
Рис. 4 . Схема изменения прочности пружинных ста-лей в зависимости от темпе-ратуры отпуска
Чаще всего пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний создает высокое значение предела уп-ругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокаливаемость и их применяют для изготовления пружин из прутков диаметром до 25 мм. Для крупных наиболее ответственных пружин применяют стали 65С2ВА, 60С2ХФА.
Режим термической обработки назначают в зависи-мости от состава стали и условий работы пружин. Наи-более высокая упругая прочность достигается в резуль-тате среднего отпуска на троостит.
ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ
Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ро-лики) в процессе работы испытывают высокие удель-ные переменные нагрузки. Поэтому стали, используе-мые для их изготовления, должны иметь высокую проч-ность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъяв-ляют высокие требования по содержанию неметалличе ских включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты явля-ются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание не-металлических включений, что резко снижает долговеч-ность подшипника.
Таблица 4
Химический состав (%) шарикоподшипниковой стали.
|
Сталь |
С r |
Μ n |
||
Примечание. Во всех сталях содержится <0,02% S; <0,027% Р.
Для изготовления шариковых и роликовых под-шипников применяют высокоуглеродистую сталь, леги-рованную хромом (табл. 4).
Маркировку ШХ следует расшифровывать как ша-рикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента.
Шарики и ролики небольших диаметров изготавли-вают из стали ШХ9. Из стали ШХ15 изготавливают ша-рики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15—30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диа-метром более 30 мм и кольца с толщиной стенки более 15 мм — из стали ШХ15СГ,
Для изготовления деталей крупногабаритных под-шипников, работающих при больших ударных нагруз-ках (например, подшипников прокатных станов), при-меняют цементуемую сталь марки 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементован-ный слой глубиной 5—10 мм.
ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ
Износ деталей машин и аппаратов является слож-ным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом слу-чае металл наклёпывается с поверхности, поэтому из-носостойкость существенно зависит от способности ме-талла наклёпываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.
Графитизированные стали. Графитизированные ста-ли (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366) содержат повышенное ко-личество углерода (до 1,75%) и кремния (до 1,6%)· Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжи-га (напоминающего отжиг для получения ковкого чу-гуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого пер-лита с некоторым количеством мелких округлых вклю-чений графита. При неабразивном износе графит игра-ет роль смазки, предотвращая сухое трение и схваты-вание. Кроме того, эти стали обладают антивибрацион-ными свойствами.
Графитизировапную сталь применяют для изготов-ления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, ло-пастей дробеструйных аппаратов и т.д.
Высокомарганцовистые стали. Высокомарганцови-стые стали, содержащие около 1% С и 12—13% Μn, обозначают так: сталь Г13 (1,2% С; 13% Мn; <0,5% Si) и сталь Г13Л (1,2% С; 12% Мn и -1% Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn) 3 С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вяз-кость и прочность стали. Поэтому обычно изделия под-вергают закалке с 1050—1100° С в воде, получая струк-туру однородного марганцовистого аустенита (σ Β = 80-Η 4-100 кгс/мм 2 ; δ = 40-τ-50%; НВ 2004-250). Характер-ной особенностью марганцовистого аустенита является его повышенная склонность к наклепу. При деформа-ции на 60—70% твердость стали ПЗ увеличивается до НВ500 (рис. 5), что объяс-няется большими искажения-ми кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.
Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации удар-ные нагрузки и износ одновре-менно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режу-щим инструментом, изделия из нее изготавливаются литьем.
Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и т.д.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
Так как детали строительных конструкций соединя-ют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому стро-ительные стали содержат углерода до 0,25%. При бо-лее высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае на-блюдается объемный эффект, что способствует образо-ванию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллиза-ции металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.
Рис. 5 . Влияние степени де-формации на твердость стали ПЗ (1) и углеродистой стали 40 (2)
В качестве строительных сталей используют глав-ным образом углеродистые стали обыкновенного каче-ства марок СтЗ, Ст4, имеющие предел текучести 20—27 кгс/мм 2 .
Прочность строительных сталей повышается в ре-зультате легирования. Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная сталь содержит до 1,75% Μn и до 0,7% Si. Предел текучести увеличивает-ся до 36—38 кгс/мм 2 .
Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических свойств, имеют еще одно пре-имущество— пониженную критическую температуру пе-рехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до —40° С, а стали 10ХСНД и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до —60° С.
АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ
Для изготовления неответственных деталей, произ-водимых в большом количестве на станках-автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые автоматные стали (ГОСТ 1414—75). В та-ких сталях допускается повышенное содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью, благодаря чему стружка образуется короткая и лом-кая, а поверхность обработанных деталей получает-ся чистой и ровной. При изготовлении деталей из автоматных сталей возможны большие скорости ре-зания.
Таблица 5
Химический состав (%) автоматных сталей
|
Марка стали |
||||
Примечание. Во всех сталях содержится 0,15—0,35% Si.
Добавки свинца (~0,25%) улучшают обрабатывае-мость резанием (АС11, АС40). Автоматные стали мар-кируют буквой А (автоматная), затем следуют цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых до-лях процента (табл. 5).
Автоматные стали подвергают диффузионному от-жигу при температуре 1100—1150° С для устранения ликвации серы, тем самым устраняется возможность красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.).
ЧУГУНЫ
Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, со-держащие более 2% С. Наиболее значительную часть выплавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако не менее 20% его используют для изготовления литых деталей машин и других изделий. В практике машино-строения в большинстве случаев используют чугун с со-держанием 2,5—4% С. В промышленном чугуне, кроме углерода, обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).
Чугун отличается высокими литейными свойствами, изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергает-ся обработке давлением. В зависимости от формы вы-деления углерода чугун подразделяют на белый, поло-винчатый и серый.
Белым называют такой чугун, в котором при нор-мальной температуре весь углерод находится в связан-ном состоянии, в основном в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск.
Серым называют такой чугун, в котором весь угле-род или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8%. Ввиду большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.
В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% С присутству-ет в форме цементита.
В ряде случаев находят применение детали, изготов-ленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная масса металла в таких деталях имеет структуру серого чугуна и только в поверхностном слое почти весь угле-род находится в форме цементита. Типичным примером являются прокатные валки для холодной прокатки листов. Наличие большого количества цементита придает валкам высокую поверхностную твердость и высокое сопротивление износу, что способствует получению лис-тов с чистой поверхностью.
Структура чугунов существенно зависит от их хими-ческого состава и скорости охлаждения.
Рис. 6 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в от-ливке (с толщиной стенки 50 мм) в зависимости от содержания в чу-гуне кремния и углерода:
1 — белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны
Рис. 7 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в отливке в зависимости от суммы содержания углерода и кремния, а также толщины отливки:
1— белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны
Химический состав. Кремний способствует графитизации чугуна. Кремний растворяется в Fe a , образуя раствор замещения. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%. На рис. 6 приведена диа-грамма, которая дает возможность определить заранее будущую структуру отливки по содержанию углерода и кремния.
Марганец препятствует графитизации, способст-вует получению в структуре чугуна цементита. Содер-жание марганца в чугунах — от 0,4 до 1,3%.
С е ρ а в чугунах является нежелательным элемен-том. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбели-ванию чугуна, как и марганец. Содержание серы допу-скается не более 0,08—0,12%,
Фосфор в чугунах — полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтек-тики увеличивают твердость и износостойкость чу-гуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0,3 до 0,8%.
Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (ни-кель, хром, алюминий, молибден и т.д.), тем самым улучшая их свойства.
Скорость охлаждения.
Кроме регулирования содер-жания углерода и кремния, необходимо также учиты-вать скорость охлаждения отливок. Известно, что бы-строе охлаждение способствует получению белого чугуна, замедленное — серого чугуна. На рис.7 при-ведена диаграмма, пользуясь которой можно получить в отливке нужную структуру, регулируя химический со-став и скорость охлаждения.
СЕРЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ
В серых литейных чугунах обычно содержится до 3,8% С. В форме цементита находится не более 0,8% С, остальной углерод содержится в графитовых чешуйках, размер и форма которых зависят от состава чугуна и технологии отливки. Металлической основой серого чу-гуна является доэвтектоидная или эвтектоидная сталь, т.е. Φ, Ф+П и Π (рис. 8,а, б). Структура металли-ческой основы практически не влияет на пластичность серого чугуна (она во всех случаях остается чрезвычай-но низкой), но оказывает влияние на его твердость.
Графит имеет низкую механическую прочность. Ме-ста его залегания можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности. Удельный объем гра-фита примерно в 3,5 раза больше удельного объема же-леза, поэтому при содержании в чугуне 3% графита он занимает примерно 10% объема.
Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами вклю-чений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность.
Такая форма достигается путем модифицирования. Для серых чугунов в качестве модификаторов исполь-зуют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Моди-фикаторы вводят в таком небольшом количестве, что они заметно не изменяют химического состава, но ока-зывают сильное влияние на процесс графитизации. Кроме того, они играют роль зародышевых центров вы-деления графита.
Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидкотекучестью, малой усадкой. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрик-ционными и демпфирующими свойствами (графит выполняет роль смазки). По ГОСТ 1412-70 серые чугуны маркируются буквами СЧ и далее следуют числа пре-дела прочности при растяжении и предела прочности при изгибе. Например, СЧ 12-28, СЧ 24-44, СЧ 32-52, СЧ 44-64.
Рис. 8 . Структура серых чугунов с феррито-перлитной (а) и перлитной (б) металлической основой. Х200
Чугуны до СЧ 18-36 используют для неответствен-ных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насо-сов, фундаментные плиты, строительные колонны и т.п. Чугуны начиная с СЧ 21-40 используют для изготовле-ния станин мощных станков, деталей металлургическо-го оборудования, зубчатых колес и т.д.
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ
В высокопрочных чугунах содержание углерода около 3—3,6%. Если использовать в качестве модифи-катора магний (до 0,5% от массы отливки), который вводят перед разливкой в жидкий чугун, то выделяю-щийся графит приобретает шаровидную форму (рис. 9 а, б). Механические свойства чугуна в результате этого улучшаются: сильно повышается его пластич-ность и заметно увеличивается прочность.
Рис.9. Высокопрочный чугун на ферритной (я) и феррито-перлитной (б) основе; ковкий чугун на ферритной (в) и перлитной (г) основе.
Большая доля магния в газообразном состоянии удаляется из жидкого металла и лишь небольшая часть (около 0,05%) усваивается чугуном.
Чугун с шаровидной формой включений графита на-зывают высокопрочным чугуном и маркируют буквами ВЧ. Далее следуют числа —предел прочности при рас-тяжении и относительное удлинение, например, ВЧ 38-17, ВЧ 60-2, ВЧ 120-4 Металлическая основа высокопрочного чугуна так-же может быть различной: феррит, феррит с перлитом и перлит (см. рис. 9, а, б).
Основной причиной высоких механических свойств магниевого чугуна является шаровидная форма графита. В сером чугуне пластинчатые выделения представляют собой внутренние «надрезы» с очень острыми краями. При нагружении материала у оснований этих надрезов возникает сильная концентрация напряжений, которые мо-гут вызвать развитие острых трещин, являющихся продолжением графитовых включений. Полости шарообразной формы не создают такой неравномерности в распределении напряжений.
Благодаря хорошим механическим свойствам из вы-сокопрочного чугуна изготавливают ответственные де-тали, например коленчатые валы, зубчатые колеса, кор-пуса автомобильных моторов, крупные прокатные вал-ки, корпуса паровых турбин и т.д.
КОВКИЕ ЧУГУНЫ
Термин «ковкий чугун» является условным, посколь-ку изделия из него, так же как и из любого другого чу-гуна, изготовляют не ковкой, а путем литья. В ковком чугуне графит находится в форме хлопьев (см. рис,9,в, г). Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических харак-теристик ковкого чугуна. Производство ковкого чугуна, несмотря на значительную сложность технологии, бы-ло освоено намного раньше, чем высокопрочного чу-гуна.
Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,2—3,0% С; 0,7—1,5% Si; 0,2— 0,6% Μn; <0,2% Ρ и <0,1% S.
Чугун такого состава после заполнения литейных форм быстро охлаждают и получают белый чугун со структурой перлит+ледебурит.
Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при производстве изделий из ковкого чугуна является отжиг, который продолжается иногда до пяти суток. Типичный график отжига ковкого чугуна приведен на рис,10. Изделия для отжига укладывают на под печи или упаковывают в ящики с песком для предохранения от окислительного действия печных газов (при этом продолжительность отжига увеличивается ввиду мень-шей скорости нагрева).
Рис. 10. График отжига ковкого чугуна:
(A + Fe 3 C ) — ледебурит; А — аустенит; П — пер-лит; Φ — феррит; Г — графит
Отжиг в печи в обычной, а также в нейтральной ат-мосферах, т.е. при упаковке изделий в коробки с пес-ком, проводят при нагреве примерно до 950° С, причем
в результате выдержки изделий при данной температу-ре должен произойти полный распад всего избыточного цементита, находящегося в равновесии с аустенитом: Fe 3 C->-3Fe + C. Кроме того, распаду цементита в ков-ком чугуне способствует находящийся в нем кремний. Процесс графитизации был описан ранее. Для того что-бы графитизация прошла полностью, необходимо осо-бенно замедлить охлаждение чугуна в температурной области от 760 до 720° С, т. е. в районе эвтектоидного превращения. В процессе этой выдержки происходит распад аустенита эвтектоидного состава на феррит и графит. Графит, получающийся в результате данного превращения, выделяется около тех хлопьев графита, которые образовались при распаде цементита.
В результате всех превращений структура ковкого чугуна будет состоять из зерен феррита и равномерно распределенных в объеме металла хлопьев графита. Поскольку в таком чугуне находится довольно много графита, излом получается темным и его называют черносердечным.
Если в районе эвтектоидного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будут присутствовать зерна перлита в большем или меньшем количестве. Регулируя скорость охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура которого будет состоять из перлита+хлопья графита. Такой чугун называют перлитным ковким чугуном или светлосердечным.
Рис. 11. Влияние металлической основы и формы включений графита на свойства чугунов
В последние годы появились различные варианты термической обработки при получении ковкого чугуна, преследующие одну цель— сокращение продолжительности отжига. Отжиг небольших деталей проводят в солевых ваннах. В этом случае отливки быстрее и рав-номернее нагреваются, кроме того, можно увеличить температуру отжига, поскольку при таком нагреве среда не оказывает химичес-кого действия на поверхность отливок (обезуглероживания, окисле-ния). Структуру перлитного ковкого чугуна получают за несколько часов.
Продолжительность отжига сокращается на 25—30% и в том случае, если произвести модифицирование чугуна добавлением в ковш - 0,015% А1. В результате получается мелкозернистый аустенит, имеющий большую межзерновую поверхность, на которой зарождаются и растут частицы графита. Одновременно с модифици-рованием осуществляют иногда и искусственное старение, заключающееся в предварительном нагреве отливок до 350—450°С с вы-держкой до 6—7 ч. Такая обработка также способствует увеличению числа центров кристаллизации.
Предложен метод предварительной закал-ки отливок с 850—950° С. В результате закалки также увеличивает-ся число центров выделения графита, что способствует ускорению превращения белого чугуна в ковкий. Продолжительность отжига отливок в этом случае сокращается до 20—25 ч, графит выделяет-ся в виде мелких чешуек.
На рис. 11 приведена схема, показывающая влия-ние металлической основы и формы выделений графита на свойства различных видов чугунов.
Конструкционные материалы – это материалы, применяемые для изготовления деталей и сборочных единиц блоков и устройств РЭА и ЭВА. Они классифицируются по природе материала, технологическому использованию и условиям работы.
По природе материалы разделяют на металлические, неметаллические и композиционные. К металлическим материалам относятся чугун, сталь, цветные металлы, драгоценные и редкоземельные металлы, их сплавы и металлокерамика. Неметаллические материалы – это пластмассы, резина, древесина, стекло, диэлектрики.
Композиционные материалы представляют собой объемное сочетание химически разнородных компонентов. Они имеют основу, в которой распределены упрочнители (волокна, проволоки). Монолитное объединение основы и упрочнителей производится связующим и позволяет эффективно использовать их индивидуальные свойства. Примеры – стеклопластики и карбоволокниты.
По технологическому использованию конструкционные материалы делят на литые, деформированные (прокат, поковки, прессованные профили и др.), спекаемые, свариваемые и т. п.
По условиям работы различают электротехнические, коррозионностойкие, износостойкие и другие материалы специального назначения.
Металлические конструкционные материалы поставляют в виде слитков, прутков (круглого, квадратного и шестигранного сечения), профилей (уголок, швеллер, фасонный и др.), листов, лент, полос, проволоки, труб различного сортамента. Сортамент – это данные о материале по маркам, состоянию, профилям и размерам. Каждый материал имеет определенное наименование и марку, например алюминиевый сплав марки Д16.
Материалы выбираются конструктором на основании назначения и условий эксплуатации конструкции с учетом требований технологии производства и ее массы. Выбор производят, исходя из выпускаемой номенклатуры их основных, марок, сортамента, технологических свойств и рекомендаций по применению тех или иных материалов для различного типа деталей несущих конструкций и мехатронных устройств ЭВА и РЭА.
При конструировании изделий ЭВА и РЭА используют черные металлы, сплавы титана, цветные металлы (медь, алюминий, магний) и их сплавы, неметаллические материалы, которые выбираются из справочников конструктора с ограничениями, действующими на данном предприятии.
Черные металлы . К черным металлам относят следующие виды стали: Углеродистую обыкновенного качества, качественную конструкционную углеродистую, конструкционную легированную, конструкционную легированную коррозионностойкую и др.
Углеродистую сталь обыкновенного качества широко используют при производстве сортового и листового проката. Марки этой стали: Ст 0, Ст1,…Ст7. В зависимости от назначения сталь подразделяют на три группы – А, Б, В и применяют для поделочных неответственных деталей. Обозначение марки стали на чертеже: ВСт4кп ГОСТ 380 – 71 * (кп обозначает “кипящая”). Из этой марки стали, изготавливают профили сортового проката и фасонные гнутые профили. Сортовой и листовой прокат используют в несущих конструкциях некоторых видов наземной РЭА типа каркасов, стоек, рам и оснований.
Качественная углеродистая конструкционная сталь (ГОСТ 1050 – 74) бывает низко- (С?0,25%), средне- (С= 0,3?0,45%) и высокоуглеродистая (С > 0,45%). При содержании углерода до 0,3% стали отличаются высокой пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются, но не подвержены закалке. Увеличение содержания углерода сопровождается повышением прочностных характеристик, однако пластичность при этом снижается. Твердость и прочность средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить путем термической обработки.
Конструкционные легированные стали . Для улучшения прочностных, физических, химических и технологических свойств сталь легируют, вводя в ее состав различные элементы. Сталь может содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают ей специальные свойства. Практически большинство деталей из легированных сталей подвергают термообработке.
Легирующие элементы (добавки) оказывают различное влияние на свойства легированных сталей. По ГОСТ 4543-71 легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), кобальт (К). Все легирующие элементы, за исключением кобальта, улучшают термическую обрабатываемость стали.
Повышение прочности стали достигается введением хрома, никеля, марганца, кремния. Никель и хром повышают ударную вязкость стали. Износостойкость и твердость стали увеличивают добавкой в нее вольфрама, хрома, молибдена, ванадия. Повышение теплостойкости стали достигают введением хрома, вольфрама, молибдена, кобальта. Хром, никель, титан, кремний придают стали коррозионную стойкость и жаропрочность.
Наилучший результат по улучшению свойств стали достигают при ее легировании несколькими (3-6) элементами (комплексно-легированные стали), т. к. каждый элемент придает стали свои полезные специфические свойства.
При выборе легированных сталей необходимо иметь в виду высокую стоимость и дефицитность сталей, содержащих никель, вольфрам, молибден, кобальт и некоторые другие элементы. Применять легированные стали с дефицитными элементами необходимо лишь при тщательно обоснованной конструкционной необходимости.
Маркировка легированных сталей. Марка легированной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента не более 1,5%. В конструкционных сталях две цифры в начале марки показывают содержание углерода – в сотых долях процента. Высококачественные стали имеют в конце марки букву А. Например: сталь марки 30ХГСН2А обозначает высококачественную легированную сталь с содержанием углерода 0,30%, до 1% хрома, марганца, кремния и 2% никеля.
Для твердости поверхности стали цементируют или азотируют. Цементируемые стали – это низкоуглеродистые (0,1 - 0,30% С), низко- и среднелегированные (до 10% легирующего элемента) стали. Для ответственных деталей применяется азотируемая сталь –38ХМЮА.
Цветные металлы и сплавы . К ним относятся все металлы, кроме железа. Рассмотрим конструкционные металлы и сплавы, используемые в изделиях РЭА и ЭВА. Эта группа включает: алюминий, медь, титан, магний, бериллий и их сплавы.
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет малую плотность (2,7 г/см 3), хорошую тепло- и электропроводность, высокую коррозионную стойкость и пластичность, но малую прочность. Алюминий хорошо сваривается, обрабатывается давлением, но плохо поддается резанию. Его используют для изготовления проводов, фольги, для защиты других металлов от коррозии и для получения сплавов с более высокими механическими свойствами, чем алюминий. Алюминиевые сплавы с магнием, медью, кремнием и марганцем подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы . К этим сплавам повышенной пластичности относятся сплавы алюминия с марганцем (Амц) и магнием (Амг). Они применяются в основном в отожженом (мягком) состоянии. Для повышения прочностных свойств алюминиевые сплавы Амц и Амг нагартовывают, при этом резко снижается пластичность. Сплавы Амц и Амг применяют для изготовления кожухов, обечаек, крышек, заклепок и пр.
Большое распространение получили сплавы алюминия с медью, марганцем и магнием – дюралюмины. Прочность сплава увеличивают медь и магний, а марганец – его твердость и стойкость против коррозии. Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном и искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500?С в соляной ванне и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5-7 суток. Искусственное старение проводят при 150 -180?С в течение 2-4 ч. Дюралюмины имеют низкую коррозионную стойкость, поэтому их подвергают плакированию, которое заключается в горячей прокатке заготовки дюралюмина, обернутой чистым алюминием. Алюминий приваривается и защищает поверхность дюралюмина от коррозии. Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованых и катаных профилей, прутков, труб. Из них изготавливают детали с высокой прочностью и малой массой. Они широко применяются в авиастроении.
Литейные алюминиевые сплавы . Их получают добавлением в алюминий кремния до 23%. Эти сплавы получили название силумины. Они обозначаются буквами АЛ и цифрой, указывающей на условный номер сплава. В сплав добавляются и легирующие присадки (медь, магний, цинк, титан), улучшающие, после проведения термической обработки, показатели механической прочности.
Медь и медные сплавы. Медь – металл розовато-красного цвета, имеет высокую плотность (8,94 г/см 3), высокие тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и пластичность. Медь технологична, т. е. хорошо прокатывается, паяется и сваривается, но плохо поддается резанию. Благодаря высоким тепло- и электропроводным свойствам медь широко применяется для изготовления различных проводников тока, токопроводящих деталей, теплообменников и др.
Латунь – это сплав меди и цинка. Латунь прочнее, устойчивее против коррозии и дешевле, чем медь и хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокими литейными свойствами. Основные марки латуни: Л80, Л63, ЛС59 – 1 и др.
Бронза – это сплав меди с оловом и другими элементами: алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, свинцом. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием.
Бронзу маркируют по тому же принципу, что и латуни. После букв Бр (бронза) идут обозначения составных элементов сплава и их процентное содержание. Например, марка БрОЦС5-5-5 указывает на то, что бронза содержит олова, цинка, и свинца по 5%, остальное – 85% меди.
По химическому составу бронзы делят на оловянные и безоловянные, а по их технологическому назначению – на литейные и деформируемые. Оловянные бронзы обладают хорошими антифрикционными, антикоррозионными и литейными, а ряд марок (бериллиевые) и упругими свойствами. Ее применяют для изготовления опор с трением скольжения, венцов червячных колес, электрических контактов и пружин. Стоимость этих бронз высокая.
Безоловянные бронзы по литейным, антифрикционным и другим качествам хуже оловянных, однако ряд других показателей (механическая прочность, коррозионная стойкость) у них выше. Бериллиевая бронза БрБ2 обладает высокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами и идет на изготовление таких деталей, как пружины, контакты, мембраны.
Магний, титан и сплавы на их основе. Магний – самый легкий из технических цветных металлов (плотность 1,74 г/см 3). Технически чистый магний непрочный, малопластичный металл с низкой тепло- и электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, цинк, торий, цезий, цирконий и подвергают термообработке.
Магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые. Первые применяют для изготовления деталей методом литья. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МЛ5. Сплавы МЛ применяют в авиастроении и в радиопромышленности для изготовления корпусов, шасси и т. п. Вторые – предназначенны для изготовления деталей из листов, прутков, профилей. Маркировка сплавов МА. Они применяются для изделий, где требуется малая масса. Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов детали из них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.
Титан – серебристо- серый металл с малой плотностью – 4,5 г/см 3 , высокой механической прочностью и хорошей коррозионной и химической стойкостью. Титан имеет низкие антифрикционные свойства и плохо обрабатывается резанием. Обозначение ВТ и порядковый номер сплава. Выпускают литейные и деформируемые сплавы. Их применяют в авиа-, ракетостроении и авиационном приборостроении. Для литья, например, применяют сплавы ВТ5Л, из которого получают отливки высокого качества в среде инертных газов или вакууме. Еще одно ценное свойство – титановые сплавы имеют близкий к стали температурный коэффициент линейного расширения.
Неметаллические материалы . К ним относятся пластмассы и резина. Пластмассы обладают хорошими диэлектрическими свойствами; их механические характеристики зависят от марки пластмассы. Пластмассы подразделяются на термореактивные и термопластичные.
Термореактивные пластмассы при повторном нагревании не переходят в пластичное состояние, так как в процессе изготовления входящие в ее состав смолы полимеризуются и превращаются в вещество с новыми свойствами. Термореактивные пластмассы, в свою очередь, можно разделить на монолитные (фторопласт-4), слоистые (текстолит, гетинакс, листовой стеклотекстолит) и композициннные, в состав которых кроме смолы, входит наполнитель в виде стекловолокна, хлопчатобумажных волокон и других материалов.
Термопластичные пластмассы (полиэтилен, винипласт, фторопласт-3, полиметилакрилат и др.) при нагревании размягчаются и сплавляются. Получаемый в результате этого материал можно использовать для вторичной переработки.
Основные слоистые пластмассы:
- 1. Текстолит получают методом горячего прессования хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой; текстолит производят марок ПТ и ПТК (конструкционный) и А, Б, В, ВЧ, Г (электротехнический). Он обладает хорошими диэлектрическими и антифрикционными свойствами. Текстолит используется для крепежных планок, панелей, щитков, стоек и шестерен.
- 2. Стеклотекстолит имеет основу – стекловолокно и выпускается двух видов – электротехнический марок СТ, СТУ, СТК, СТЭФ СФ –1, СФ-2, широко используемый при изготовлении печатных плат, панелей, шасси, и конструкционный марки КАСТ.
- 3. Гетинакс отличается от текстолита только основой, в качестве которой используется бумага; его применяют для изготовления неответственных плат.
Фторопласт – 4 (тефлон) является хорошим диэлектриком, обладает малым коэффициентом трения, легко обрабатывается резанием; идет на изготовление изоляционных и установочных деталей (втулок, прокладок, стоек) а так же для деталей антенно-фидерных устройств СВЧ. Композиционные термореактивные пластмассы используют для электротехнических и конструкционных деталей там, где требуется повышенная прочность и термостойкость, особенно свойственные композиционному стеклотекстолиту.
Полиамиды относятся к термопластичным пластмассам и используются как материал для каркасов, рамок, поддонов и электроизоляционных деталей, изготавливаемых литьем. Материал хорошо работает на трение и износ, но плохо теплопроводен.
Полиэтилен, как высокочастотный диэлектрик, используют в качестве каркасов, защитных экранов, стоек. Полиметилакрилат (плексиглас) служит для изготовления защитных стекол, шкал.
Резину используют для электроизоляционных, герметизирующих и уплотнительных деталей (прокладок, колец, втулок, амортизаторов). Резины бывают общего и специального назначения. К последним относятся кремнийорганические резины.
Фольгированные пластмассы имеют специальное назначение: их применяют при изготовлении плат с печатным монтажом, печатных якорей электродвигателей и др. печатных электрических конструкций. Они представляют собой слоистый пластик, облицованный с одной или двух сторон медной фольгой толщиной 35 или 50 мкм. Фольгированные пластики должны удовлетворять требованиям, связанным с технологией производства печатных плат и условиям их эксплуатации: выдерживать воздействие повышенных температур в процессе производства (взаимодействие припоя при пайке схем) и обеспечивать достаточную прочность сцепления фольги при длительной эксплуатации изделий.
Выбор материала печатной платы. Материал платы выбирают по ГОСТ 10316 – 78, ГОСТ 23751 – 79 или техническим условиям (табл.5.1).
Фольгированные материалы представляют собой слоистые прессованные пластики, пропитанные искусственной смолой и нанесенной с одной или двух сторон медной электролитической фольгой толщиной 18, 35 или 50 мкм.
1.
2. Исходные материалы и способы получения алюминия .
3. Свойства и применение древесины.
4.
1. Классификация свойств конструкционных материалов. Эксплуатационные свойства, их показатели.
Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
Конструкционные материалы подразделяются (рис. 1): по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т. п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями . Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
Рис. 1. Схема классификации конструкционных материалов
При выборе материала для того или иного изделия или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения (соответствие цены и качества), сохранение конструкционных критериев (требуемые долговечность, прочность, надежность) и возможность переработки в изделие (технологические критерии – обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость и т. п.). С учетом данных критериев выбирают материал той или иной природы.
Металлические материалы. К ним относятся металлы и сплавы на их основе. Они в свою очередь подразделяются на несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:
1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны;
2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.;
3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина; 4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.
Неметаллические материалы. Они также подразделяются на несколько групп:
1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, в основном, с наполнителями;
2. Керамические материалы (керамика). Их основой являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.;
3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость;
4. Стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2;
5. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавле-нием серы и других элементов;
6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных растений.
Композиционные материалы. Они представляют собой материалы, полученные искусственным путем из двух и более различных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция по своим свойствам существенно отличается от свойств составляющих компонентов, т. е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как металлические, так и неметаллические составляющие.
Классификация свойств конструкционных материалов
1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.
· Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних нагрузок;
· Твердость – это способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии;
· Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения;
· Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения;
· Хрупкость – это способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации.
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.
· Свет – это способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны;
· Плотность – это масса единицы объема вещества;
· Температура плавления – это температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую;
· Электропроводность – это способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток;
· Теплопроводность – это способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому;
· Теплоёмктсть - это способность материала поглощать определенное количество теплоты;
· Магнитные свойства - способность материалахорошо намагничиваться;
· Коэффициент объемного и линейного расширения – характеризует изменение размеров тела при изменении температуры.
3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.
Литейные свойства; К ней относятся жидкотекучесть - способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее. Заполняемость - она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил. Объемная усадка - характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла. Линейная усадка - отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения до комнатной температуры.
· Ковкость (важно при обработке давлением) - это способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка);
· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);
· Обработка резанием;
· Прокаливаемость;
· Закаливаемость.
4.
Эксплуатационные свойства,
характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.
Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость, хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.
Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей - в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.
Хладостойкость - способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.
Жаропрочность - это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.
Антифрикционность - это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали.
5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.
· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);
· Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);
· Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов - химикостойкость ));
· Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).
2. Исходные материалы и способы получения алюминия.
Алюминий – это один из важнейших металлов, причем количество его производства намного опережает объем выпуска всех остальных цветных металлов и уступает только производству стали. Высокая популярность алюминия обусловлена его уникальными физико - химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике , авиа - и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники , строительстве, упаковке пищевых продуктов и пр.
В последнее время машиностроение во все большей мере требует легких металлов, особенно в авиастроении, ракетостроении, атомной промышленности и железнодорожном транспорте . Поэтому развитие новых и более экономичных методов получения алюминия и усовершенствование уже существующих методов имеет большое значение.
Электролиз криолитоглиноземных расплавов является основным способом получения алюминия, хотя некоторое количество алюминиевых сплавов получается электротермическим способом.
Первые промышленные электролизеры были на силу тока до 0,6 кА и за последующие 100 лет она возросла до 300 кА. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.
Общая схема производства алюминия представлена на рис. 2. Основным агрегатом является электролизер. Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фторида алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 8 % (масс.). Сверху в ванну опущен угольный анод , частично погруженный в электролит. Существуют два основных типа расходуемых анодов: самообжигающиеся и предварительно обожженные. Первые используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего.
Рис. 2 Схема производства алюминия из глинозема.
Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950 – 960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы – очень агрессивны, противостоять которым могут углеродистые и некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.
Для преобразования переменного тока в постоянный на современных заводах применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные в кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один выпрямительный агрегат дает ток силой до 63 кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, так как все они включены параллельно.
Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически выливается с помощью вакуум-ковша и направляется в литейное отделение на разливку или миксер, где в зависимости от дальнейшего назначения металла готовятся сплавы с кремнием, магнием, марганцем, медью или проводится рафинирование. На аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО2 и СО.
Электролизеры обычно снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов . В удаляемых газах от электролизеров преобладают диоксид углерода (большая часть оксида углерода дожигается либо над электролитом, либо в специальных горелках после газосборного колокола), азот , кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяются различные технологические схемы.
Современные электролизеры оборудованы системой автоматического питания глиноземом (АПГ) с периодом загрузки 10 – 30 мин.
Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением
Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуются глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса – разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. Для получения 1 т алюминия необходимо:
Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии.
Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.), так как эти примеси при электролизе практически полностью переходят в металл.
Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов.
Получить чистый алюминий непосредственным восстановлением его оксида невозможно. Карботермические процессы требуют высоких температур (около 2000°С) для восстановления глинозема и при отсутствии сплавообразующих компонентов металл связывается с углеродом, давая карбид алюминия (А14С3). Известно, что карбид алюминия и алюминий растворимы друг в друге и образуют весьма тугоплавкие смеси. Кроме того, А14С3 растворяется в А12О3, поэтому в результате восстановления оксида алюминия углеродом получаются смеси алюминия, карбида и оксида, имеющие высокие температуры плавления. Выпустить такую массу из печи обычно не представляется возможным. Даже если это и удается сделать, потребуются большие затраты на разделение.
Общая технологическая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов представлена на рис. 3. В качестве исходного сырья, кроме каолинов (Al2O3×2SiO2×2H2O), могут быть использованы кианиты (Al2O3×SiO2), дистенсиллиманиты (Al2O3×SiO2) и низкожелезистые бокситы.
Сплав после электроплавки поступает на очистку от неметаллических примесей. Для этого подают флюс, состоящий из смеси криолита и хлорида натрия, который смачивает эти примеси и "собирает" их. Рафинированный силикоалюминий имеет средний состав (%): А1 – 61; Si – 36; Fe – 1,7; Ti – 0,6; Zr – 0,5; Ca – 0,7. Этот сплав не годится для производства силумина и требует очистки от железа. Наиболее распространен способ очистки марганцем, который образует с железом тугоплавкие интерметаллиды.
Рис. 3. Общая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов.
Полученный сплав разбавляют техническим электролитическим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего различным сортам силуминов, и разливают в слитки.
Преимущества такого способа получения силумина перед сплавлением электролитического алюминия с кристаллическим кремнием состоят в следующем: большая мощность единичного агрегата – современные печи имеют мощность 22,5 MB×A, что примерно в 30 раз выше мощности электролизера на 160 кА, а, следовательно, уменьшение грузопотоков , снижение капитальных затрат и затрат труда; применение сырья с низким кремниевым модулем, запасы которого в природе достаточно велики.
Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. Однако из-за сложности аппаратурного и технологического оформления в промышленности эти способы в настоящее время не реализуются.
Тот-процесс
Схема получения алюминия по способу Тота представлена на рис. 4. Алюминийсодержащее сырье после соответствующей подготовки хлорируют в кипящем слое в присутствии кокса и SiCl4. Последний используется для подавления реакции хлорирования SiO2. В результате хлорирования в печах кипящего слоя (КС) получается парогазовая смесь (ПГС), в состав которой входят А1С13, FeCl3, TiCl4 и SiCl4. В первом конденсаторе из ПГС выделяется около 75 % FeCl3 в твердом состоянии и направляется в реактор-окислитель, где взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего образуются Fe2O3 и С12. Хлор возвращается на хлорирование. Во втором конденсаторе выделяется оставшийся FeCl3 и происходит конденсация А1С13. Хлориды титана и кремния конденсируются в третьем конденсаторе. Разделение этих хлоридов осуществляется в ректификационной колонне.
Рис. 4. Схема получения алюминия по методу Тота.
Хлориды алюминия и железа, выгруженные из второго конденсатора, нагреваются, перекачиваются в контактный очиститель, где контактируют в противотоке с подвижным слоем твердых частиц алюминия. При этом идет реакция:
Очищенный хлорид алюминия поступает на металлотермическое восстановление. Технически доступными восстановителями, имеющими большее сродство к хлору, чем алюминий, являются натрий, магний и марганец. Однако первые два элемента дороги и их производство весьма энергоемко. Поэтому, по мнению разработчиков процесса, определенные преимущества имеет использование марганца, который можно регенерировать из хлорида карботермическим методом со значительно меньшими энергозатратами. При восстановлении хлорида алюминия марганцем протекают реакции:
Алюминий из смеси МпС12 с непрореагировавшим А1С13, выделяется в циклонных сепараторах, а хлориды марганца и алюминия разделяются в выпарном аппарате. Хлорид алюминия возвращается в реактор для получения алюминия, а хлорид марганца взаимодействует с кислородом с образованием твердых оксидов марганца и хлора. Оксид марганца восстанавливается до металла карботермическим методом в шахтных печах, куда загружают кокс и известняк. Марганец в печь добавляется для восполнения потерь его в ходе процесса.
К недостаткам данного процесса, как и других металлотермических методов, относятся загрязнение получаемого продукта металлом-восстановителем, необходимость организации производства по регенерации восстановителя и увлечение капитальных затрат.
Электролиз хлоридных расплавов
В январе 1973 г. фирма "Alcoa", один из мировых лидеров по производству и переработке алюминия, заявила о разработке нового способа получения алюминия.
Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 5.
Хлорид алюминия имеет высокое сродство к воде и тенденцию к образованию оксидов и гидрооксихлоридов. В связи с этим получение его в чистом виде является трудной задачей. Присутствие влаги вызывает коррозию, а присутствие кислородсодержащих соединений приводит к выделению осадков и окислению анодов. Фирмой "Alcoa" предложено хлорирование очищенного глинозема, что частично решает названные проблемы. Тем не менее, необходимо соблюдать повышенные требования к чистоте углерода при хлорировании в отношении водорода или влаги.
Рис. 5. Технологическая схема получения алюминия из хлорида.
Полученный хлорид алюминия в гранулированном или парообразном состоянии поступает на электролиз. Электролизер, используемый в данной технологии, состоит из стального кожуха, футерованного шамотным и в нижней части дополнительно диатомовым кирпичом, т. е. теплоизоляционным непроводящим огнеупорным материалом, который слабо взаимодействует с хлоридными расплавами. На дне ванны расположен графитовый отсек для сбора жидкого алюминия. На крышке электролизера имеются отверстия для загрузки хлорида алюминия, периодического отсоса алюминия и непрерывного вывода газообразного хлора, используемого в производстве хлорида алюминия. Боковые стенки и крышка электролизера – водоохлаждаемые.
При электролизе используются графитовые нерасходуемые электроды. Это преимущество (по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов) вместе с относительно низкой температурой процесса (около 700ºС) дает возможность полной герметизации электролизеров.
Электролитическое разложение хлорида алюминия теоретически требуют более высокого напряжения, чем электролиз криолитоглиноземных расплавов, так как напряжение разложения хлорида алюминия много больше. Таким образом, к недостаткам процесса можно было бы отнести необходимость подвода в электролизер большого количества тепла и значительные потери напряжения. Однако высокие омические и тепловые потери значительно снижаются при использовании системы биполярных электродов. В электролизере верхний электрод является анодом, нижний – катодом, а между ними располагаются графитовые электроды, верхняя часть которых является катодом, а нижняя – анодом. В то же время результаты расчетов показывают, что с ростом числа биполярных электродов и снижением площади их сечения возрастают токи утечки, т. е. часть тока протекает по пропитанной электролитом части футеровки и каналам между футеровкой и биполями, не совершая электрохимическую работу. Эти токи утечки приводят к снижению выхода по току.
Вследствие близости температур плавления и кипения при атмосферном давлении хлорид алюминия возгоняется практически не плавясь. Температура сублимации составляет 180,2°С. Тройная точка соответствует температуре 192,6°С и абсолютному давлению 0,23 МПа. В связи с этим в качестве электролита используется расплавленная смесь хлорида алюминия (5 ± 2 % (масс.)), хлорида лития (~28% (масс.)) и хлорида натрия (67% (масс.)). В указанных расплавах снижается активность А1С13. Это в значительной степени обусловлено тем, что в расплавленных смесях хлоридов А1С13 связывается в комплексные анионы.
Основные прогнозируемые и подтвержденные при промышленном внедрении в США преимущества предложенного фирмой «Alcoa» способа производства алюминия электролизом его хлорида по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов заключаются в возможности использования низкокачественного алюминийсодержащего сырья, снижении примерно на 30 % удельного расхода электроэнергии при электролизе, исключении расхода высококачественных углеродсодержащих электродных материалов, применении менее дефицитных и агрессивных хлоридов вместо фторидов, повышении производительности труда, снижении капитальных вложений , приведенных затрат, стоимости конечной продукции и вредных выбросов в окружающую среду.
Таким образом, наиболее перспективным из альтернативных способов получения алюминия является электролиз хлорида алюминия в электролизерах с биполярными электродами.
3. Свойства и применение древесины .
Огромные пространства нашей планеты покрывают леса, они занимают около одной трети суши. Основным продуктом леса является древесина. По типу лесной растительности различают хвойные леса теплого умеренного климата, экваториальные дождевые леса, тропические влажные лиственные леса, леса сухих областей.
Древесина с древних времен используется для строительства жилищ , изготовления предметов домашнего обихода, для средств транспорта и разных изделий. Со временем наряду с древесиной в строительстве стали применяться металл, цемент, черепица, стекло, пластические массы.
Надо отметить, что древесина имеет и ряд недостатков: изменчивость свойств в направлении вдоль оси ствола и поперек; обладает гигроскопичностью, что приводит к увеличению ее массы и уменьшению прочности, а при высыхании древесина уменьшается в размерах (происходит усушка); она растрескивается и коробится; поражается грибами, что приводит к гниению; древесина способна гореть. Перечисленные недостатки в значительной мере устраняются путем химической и химико-механической переработки древесины в листовые и плитные материалы – бумагу, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанеру и др.
Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни. Ствол связывает корневую систему с кроной дерева. Ствол дает основную массу древесины (от 50 до 90% объема всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть – комлем. Древесина занимает наибольшую часть объема ствола. Диаметр ствола изменяется в широких пределах, примерно от 6-8 до 100 см. Форма поперечного сечения ствола и, следовательно, древесины чаще всего близка к окружности, но иногда сечение приобретает форму эллипса. Диаметр уменьшается по высоте ствола. В верхней части ствола древесину пронизывают сучки, представляющие собой остатки ветвей. Снаружи древесину покрывает кора, относительный объем которой для основных пород приведен в таблице:
|
Порода |
Объем коры, % |
|
Лиственница | |
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
1. Химические свойства древесины
Химический состав древесины и коры. Древесина в основном состоит из органических веществ. Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины (высушенной при 103оС) содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3 % азота.
Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Количество золы в древесине около 0,2-1 %. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде. Среди растворимых первое место занимают щелочные – поташ и сода, а из нерастворимых – соли кальция.
Химические элементы образуют сложные органические соединения. Главные из них – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, входящие в состав клеточных стенок древесины. Остальные вещества называются экстрактивными. Это смолы, дубильные и красящие вещества.
2. Физические свойства древесины
Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.
К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения – усушка, разбухание, растрескивание и коробление.
Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.
Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы – сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. Приятно пахнет можжевельник, поэтому его ветви применяют при запаривании бочек. Большое значение имеет запах древесины при изготовлении тары. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания.
Влажность древесины. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, так как приводит к ряду отрицательных явлений.
Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.
Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Она начинается после полного удаления из древесины свободной влаги и с начала удаления связанной влаги, т. е. когда ее влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок.
Разбухание – это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды.
3 Механические свойства древесины
Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.
Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.
Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.
Твердость – это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определенной формы.
Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость.
Износостойкость древесины – способность поверхностных слоев противостоять износу, т. е. разрушению в процессе трения.
Древесина используется для получения различных древесных материалов. К этим материалам относятся: круглые материалы, пиленые, строганные, лущеные, колотые лесоматериалы, измельченная древесина, композиционные древесные материалы. Все эти материалы широко используются в мебельной промышленности, судостроении, вагоностроении, машиностроении, электротехнике, строительстве, при изготовлении стандартных деревянных домов , в производстве автомобилей , пластмасс, линолеума, промышленных взрывчатых веществ, для упаковки продовольственных и промышленных товаров, для изготовления фибриловых плит и др., а также в других отраслях промышленности в качестве конструкционного, изоляционного и отделочного материала .
4. Чугун. Маркировка, свойства и применение серого чугуна.
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С (рис. 6).
Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4.0 – 4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.
Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (F3C - цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той или иной формы, называются графитизированными.
Рис. 6. Структурная диаграмма состояния системы железо-цементит
В зависимости от формы графитных включений графитизированный чугун бывает серым, высокопрочным, ковким чугуны и с вермикулярным графитом.
Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1 – 3 %Si – обладающего сильным графитизирующим действием.
Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т. д.
Механические свойства серого чугуна
|
Марка чугуна |
Предел прочностипри растяжении, кгс/мм2, не менее |
Предел прочностипри изгибе, кгс/мм2, не менее |
Стрела прогиба, мм, при расстоянии между опорами, мм |
Твердость по Бринеллю, НВ |
|
|
Испытания не производятся |
|||||
Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.
Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода (рис. 7).
Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т. е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.
Рис. 7. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме
графитовых включений
Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой
эвтектоид (перлит), то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Также возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.
Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.
В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.
Загрузка...
