Конструкционные материалы, применяемые для изготовления современного технологического оборудования

1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 

Понятие конструкционных  материалов охватывает множество различных  материалов, применяемых для изготовления деталей конструкций, транспортных средств, а также бесчисленных других сооружений, машин и технических  изделий. Возможность создания какой-либо конструкции и ее работоспособность зависят от наличия материалов с подходящими механическими свойствами. Например, для изготовления современного автомобиля необходимы легированные стали, а металлический самолет стал реальностью лишь с появлением технологичных и прочных алюминиевых сплавов. Для гидроэлектростанций необходимы те сорта бетона и цемента, из которых можно построить долговечные плотины.  

Историю культуры часто делят на каменный, бронзовый  и железный века – по тем материалам, из которых изготавливались орудия труда и оружие. В наши дни в распоряжении конструктора имеется широкий спектр материалов: чугуны, стали и сплавы цветных металлов, керамические, каменные материалы, бетон, стекло и полимеры. Разработка и применение таких материалов – профессиональное занятие инженера-технолога и инженера-конструктора. 

2. ЧУГУНЫ И СТАЛИ 

Серый чугун, содержащий 3,5–4% углерода, около 1% кремния и  столько же марганца, – самый  распространенный в мире литейный материал, применяемый для изготовления блоков и головок цилиндров, редукторных корпусов, тормозных барабанов, станин металлорежущих станков и многих других изделий. 

Белый чугун  представляет собой более твердую  форму серого с содержанием 2,5% углерода, менее 1% кремния и менее 1% марганца. Углерод входит в состав чугуна в виде карбидов (цементита). Белый чугун весьма тверд, но, как и серый, малопластичен. Он используется в основном в качестве износостойкого материала, например для шаров и броневых плит мельниц, размалывающих минералы. Белый чугун можно термообработкой превратить в т.н. ковкий чугун. Ковкий чугун гораздо более пластичен, чем серый и белый, но менее прочен и не так тверд. Ковкие чугуны применяются в основном для сложных отливок, таких, как трубопроводная арматура, цепи, крепеж для строительных лесов. Высокопрочные чугуны получают из серых путем модифицирования их кристаллической структуры для получения шаровидного графита. Чугун с шаровидным графитом широко применяется в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи и т.д.), в металлургии (изложницы), в тяжелом машиностроении (детали турбин, прокатные валки), в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении.

Самый распространенный вид стали, применяемой в строительстве зданий и мостов, – это конструкционная сталь, содержащая 0,1–0,25% углерода и легирующие элементы, такие, как марганец и кремний, в количествах менее 1%. Предел текучести таких сталей свыше 250 МПа, предел прочности при растяжении свыше 450 МПа. Относительное удлинение, как правило, больше 20%. Тонколистовые стали для автомобильных кузовов и бытовой техники содержат лишь около 0,05% углерода. Они менее прочны, нежели конструкционные стали, но более пластичны, что позволяет обрабатывать их методами холодного штампования и высадки. В процессе формообразования их прочность повышается (деформационное упрочнение), чем компенсируется влияние пониженного содержания углерода. Содержание примесей контролируется, в частности, содержание серы и фосфора поддерживается на уровне ниже 0,02%, при котором эти элементы не снижают вязкости и пластичности материала. 

  Легированные стали. 

Легированные  стали – это стали с добавкой элементов, улучшающих те или иные свойства: прочность, ударную вязкость, сопротивление ползучести или коррозионную стойкость. Закаленные и отпущенные стали применяются для аэрокосмических и автомобильных деталей, крупных турбин, скальпелей и ножей, режущего инструмента и других изделий, от которых требуется высокая прочность. Отдельную группу составляют нержавеющие стали. Такие стали содержат много хрома (обычно свыше 12%) и могут содержать другие легирующие элементы, например никель и молибден. Они обладают повышенной коррозионной стойкостью. Типичная область их применения – химико-технологическая аппаратура, оборудование пищевой промышленности и всевозможные декоративные металлические изделия. Нержавеющие стали представляют собой сложные сплавы, и некоторые из них могут быть термообработаны на высокую прочность. Они применяются в виде отливок, а также полуфабрикатов, получаемых формообразованием в холодном или нагретом состоянии – листового проката, толстых листов, труб, прутков и проволоки.  

Еще одна группа сталей – жаростойкие (окалиностойкие) сплавы. Они отличаются высоким содержанием хрома, молибдена или никеля и применяются в паровых котлах, газотурбинных установках, авиационных двигателях, печах и печных конвейерах – всюду, где температура может составлять 400–1400° C. Самой важной характеристикой таких сталей является сопротивление ползучести при высоких температурах. Важное значение имеет также сопротивление окислению (окалиностойкость).

К специальным  сталям относятся инструментальные стали. Они содержат много углерода (0,8–2,0%) и достаточно много легирующих элементов для образования не только твердого мартенсита, но и твердых карбидов. Типичные легирующие элементы таких сталей – хром, молибден, вольфрам и ванадий. Инструментальные стали обычно термообрабатываются на высокую прочность. Некоторые из инструментальных сталей, т.н. быстрорежущие, способны сохранять свою твердость в режущих инструментах до температур, достигающих 600° C. Содержание легирующих элементов в инструментальных сталях обычно выше, чем в любых других легированных сталях. Прочность на растяжение таких материалов составляет 1400–2800 МПа. Ударная вязкость инструментальных сталей, как правило, низка. 

3. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ 

Цветные металлы  и их сплавы широко применяются в  технике. К наиболее важным цветным  металлам относятся алюминий, медь, магний, никель, титан и (в меньшей степени) мягкие металлы – олово, свинец и цинк. В сплавах часто используются такие металлы, как сурьма, висмут, кадмий, ртуть, кобальт, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Последние четыре металла условно относят к ферросплавам, хотя они могут содержать железо лишь в виде примеси. 

Алюминий. 

Чистый алюминий широко применяется там, где важное значение имеет высокая электропроводность, например в проводах для линий  электропередачи (ЛЭП). Алюминиевые  сплавы пригодны также для опор ЛЭП, поскольку конструкции, выполненные из таких сплавов, стойки к атмосферной коррозии. 

Алюминиевые сплавы можно разделить на упрочняемые  и не упрочняемые термической  обработкой. Сплавы, упрочнение которых  термической обработкой не удается, обычно содержат кремний, магний и марганец. Сплавы же, упрочняемые термической обработкой, содержат медь, цинк и определенные сочетания магния с кремнием. Предел текучести сплавов, не упрочняемых термообработкой, составляет 50–280 МПа, а их прочность на растяжение лежит в пределах от 100 до 350 МПа. Предел текучести термообрабатываемых сплавов может превышать 500 МПа, а прочность на растяжение – 550 МПа. Термообрабатываемые сплавы (из которых наиболее известны дуралюмины и авиаль) чаще всего применяются в аэрокосмической промышленности, где требуется высокая прочность при малой массе. Но алюминиевые сплавы широко применяются и практически во всех транспортных средствах – легковых автомобилях, автобусах, железнодорожных вагонах и даже морских и речных судах. 

Медь. 

Поскольку медь довольно легко восстанавливается  из руды, она явилась одним из первых металлов, которыми научился пользоваться человек. Это произошло, по-видимому, раньше 4000 до н.э. У меди высокая электропроводность, и она была первым материалом, примененным для передачи электричества. Она до сих пор широко применяется в бытовой электропроводке и электрооборудовании. Предел текучести чистой меди составляет около 170 МПа, а прочность на растяжение – около 280 МПа; относительное удлинение обычно превышает 35%. Холодная прокатка и волочение повышают указанные характеристики меди. Жесткость меди примерно вдвое меньше, чем стали. 

Медь чаще всего  применяется в виде сплавов, в  первую очередь с цинком и оловом. В сплавах с цинком, называемых латунями, содержание цинка составляет от 2 до 40%. Прочность латуней, как правило, повышается с увеличением содержания цинка. Весьма распространена т.н. патронная латунь с 30% цинка. Ее предел текучести составляет ок. 280 МПа, а прочность на растяжение – ок. 530 МПа. Сплавы меди с оловом, называемые бронзами, были одними из первых медных сплавов, использовавшихся человеком. Содержание олова в бронзах – от 2 до 30%. Используются также тройные сплавы меди с оловом и цинком. Другие широко применяемые сплавы меди – с никелем или с никелем и цинком. Такие сплавы типа нейзильбера отличаются высокой коррозионной стойкостью, а также прочностью. 

Высокопрочные медные сплавы содержат алюминий, кремний  или бериллий. Путем термической  обработки их предел текучести можно повысить до 1000 МПа и более, а прочность на растяжение – до 1300 МПа. Эти сплавы применяются там, где требуются коррозионно-стойкие, немагнитные, неискрящие материалы с высокими электропроводностью и прочностью. Многие медные сплавы, особенно с оловом и никелем, предпочитаются инженерами за их коррозионную стойкость в таком оборудовании, как теплообменники, перегонные аппараты, испарители, конденсаторы и трубопроводы. В бытовых системах для горячей воды часто используются медные трубки. 

Магний. 

Как и алюминий, магний широко применяется в промышленности благодаря своей низкой относительной плотности (около 1.7, меньше, чем у алюминия). Он часто применяется в виде отливок, и в этом случае его предел текучести составляет от 85 до 140 МПа, а прочность на растяжение – от 140 до 280 МПа. У магниевого проката (прутка, профилей, листа) предел текучести и прочность на растяжение несколько выше. Магниевые сплавы менее пластичны, чем алюминиевые и медные (относительное удлинение составляет 4–15%). Наиболее важная область их применения – аэрокосмическая промышленность, где большие преимущества дает их легкость. Аэрокосмические магниевые материалы – это по большей части термообрабатываемые специальные сплавы. В сплавах с магнием чаще всего используются алюминий, марганец и цинк (обычно в малых количествах, хотя содержание алюминия может достигать 10%). После термообработки предел текучести таких сплавов может составлять до 310, а прочность на растяжение – до 390 МПа. 

Титан. 

Титановые сплавы начали применяться в качестве конструкционных материалов лишь после Второй мировой войны. Производство титана затрудняется тем, что он очень активно взаимодействует с кислородом, водородом и азотом, а также (при высоких температурах) почти со всеми материалами плавильных тиглей. Тем не менее в настоящее время выпускается и применяется целый ряд титановых сплавов. Благодаря своей легкости (плотность ок. 4,5 г/см3) и высокой прочности, превышающей прочность алюминиевых и магниевых сплавов, титановые сплавы находят применение в ответственных деталях аэрокосмической техники. Но титан довольно дорог, что ограничивает его применение. Технический титан имеет предел текучести более 400 МПа, прочность на растяжение от 500 до 630 МПа, относительное удлинение ок. 20%. Почти весь производимый титан используется в виде сплавов, улучшаемых термической обработкой. Обычные легирующие элементы титана – алюминий, ванадий, молибден и олово. Самый распространенный титановый сплав – с 6% алюминия и 4% ванадия – применяется в аэрокосмической промышленности. Его предел текучести составляет ок. 900 МПа, а прочность на растяжение – более 1000 МПа. Прочность этого сплава можно повысить путем сложной термообработки. Будучи стойкими к некоторым кислотам, титановые сплавы применяются в соответствующей аппаратуре. Кроме того, такие сплавы находят применение как материалы трубных коммуникаций и арматуры, деталей корпуса и обшивки высокоскоростных военных самолетов. 

Никель. 

Никель редко  применяется в чистом виде, но его  сплав с хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 1100° C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля – лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты. Никель применяется также в некоторых медно-никелевых сплавах для повышения коррозионной стойкости меди. 

Другие  металлы. 

Олово, цинк и  свинец используются главным образом  для повышения коррозионной стойкости сплавов, причем олово и цинк – чаще всего в виде антикоррозионных покрытий для стальных изделий. Принцип такой «протекторной» защиты в том, чтобы корродировало покрытие, а не сталь. Цинковые «гальванические» покрытия наносят электролитическим осаждением. Свинец без дополнительных компонентов используется в качестве коррозионно-стойкого материала в виде труб и листов. Свинец применяется вместе с оловом в виде припоев, особенно в электронной промышленности. Содержание свинца в таких припоях может составлять от 50 до близкого к 100%. Цинк используется в легкоплавких сплавах для литья под давлением в некоторых отраслях промышленности, особенно в автомобильной. Прочность этих сплавов невысока, зато они пригодны для литья в сложные формы. 

4. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

Полимеры, на основе которых создаются пластмассы, все  шире применяются в качестве конструкционных  и строительных материалов. Длительное время они использовались почти  исключительно в бытовой технике  и детских игрушках. Малая относительная  плотность, низкая стоимость и удовлетворительные механические характеристики конструкционных пластмасс делают их особенно привлекательными там, где важное значение имеет экономичность и где они уже заменили ряд металлов, – в транспортных средствах. Они также все шире применяются в строительстве, особенно в качестве изоляционных материалов, а также в конструкциях. Из-за низкой относительной плотности (около 1,0) они ценятся также в авиакосмической промышленности. 

Полимеры часто  делят на группы по их свойствам  и по веществам, из которых они получаются. Их структура довольно сложна и в значительной мере зависит от химико-технологического процесса их производства. Большую группу т.н. термопластичных полимеров, или термопластов, составляют полимеры, которые размягчаются при нагревании и восстанавливают свои свойства при охлаждении. Простые термопласты – это в основном соединения углерода с водородом. Примером может служить хорошо известный полиэтилен, из которого изготавливают пленку, упаковочные материалы, сосуды и т.д. Технические полимеры – это обычно термопласты, в состав которых для улучшения механических свойств введены такие элементы, как кислород, азот и сера. Их часто называют гетероцепными полимерами. Предел текучести таких материалов невелик, 7–35 МПа, а прочность на растяжение значительно ниже, чем у металлов: 20–70 МПа. Они применяются в производстве мебели, для изготовления слабонагружаемых деталей, в том числе зубчатых колес, подшипников, втулок, труб разного диаметра и изоляции. Примером применения технических полимеров не очень высокой прочности в инфраструктуре жилых домов могут служить канализационные трубы. Ранее изготавливавшиеся литьем из чугуна, они теперь все чаще выполняются из гетероцепных термопластов. Некоторые полимеры особого назначения используются благодаря их особым свойствам, например, найлон и тефлон – как прочные материалы с очень скользкой поверхностью. Тефлон (фторопласт), используемый в кухонной утвари в качестве противопригарного покрытия, применяется и для изготовления различных технических деталей (например, прокладок) как материал, стойкий к повышенным температурам.