Сплавы на основе железа

>  

Чугуны 

Чугун – сплав  железа Fe и углерода С (свыше 2%), содержащий легирующие элементы, которые вводятся для получения заданных свойств. Повышенное содержание углерода улучшает его литейные свойства при одновременном  увеличении хрупкости. Благодаря хорошим  литейным свойствам и низкой стоимости  чугун используется для изготовления конструкций сложных конфигураций. Из-за своей относительно низкой стоимости чугун применяется для изготовления массивных деталей, например, корпусных, и различного рода станин, а также для маховиков при окружной скорости не выше 30 м/с. Не рекомендуется применять серый чугун при действии на детали машин больших крутящих моментов. В случае ударов, больших усилий, необходимости экономии массы и т. п. при изготовлении деталей машин отливкой переходят от серого чугуна к высокопрочному чугуну или к стальному литью. Высокопрочный чугун значительно прочнее серого чугуна и с успехом может заменять стальное литье и поковки из углеродистой стали. 

Чугун можно рассматривать  как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих  металлическую основу структуры. В  этом случае механические свойства чугуна зависят от характера распределений  включений графита и от их величины. Чем меньше графитовых включений  и чем они мельче, тем выше прочность  чугуна. Таким образом, можно сказать, что для чугуна характерно нарушение  сплошности, и это обстоятельство делает его мало чувствительным к  всевозможным концентраторам. 

В отличие от стали  чугун не подвержен остаточному  пластическому деформированию, следовательно, не имеет предела текучести. Для  чугунов характерным является только предел прочности, причем предел прочности  при сжатии  оказывается существенно  выше, чем предел прочности при  растяжении .  

Важной механической характеристикой любого материала  является модуль упругости.

Для этих материалов не в полной мере справедлив закон  прямой пропорциональной зависимости  деформации от нагрузки. По этой причине  решения, полученные методами теории упругости, применительно к чугунам могут  иметь значительно большие погрешности, чем при расчете других материалов. 

В зависимости от химического содержания и вариантов  термообработки чугуны бывают различных  типов.  

Серый чугун представляет собой сплав Fe-Si-C содержащий примеси Mg, P, S. Эти чугуны являются наиболее дешевыми (что определяет их широкое  применение), однако имеют малую  механическую прочность. Для обеспечения  возможности обработки давлением  имеется разновидность ковкого  чугуна, который обладает повышенной пластичностью. 

Созданы также чугуны, имеющие повышенную по отношению  к другим маркам прочность. Эти марки  в качестве легирующих добавок имеют Cr, Mg и некоторые другие компоненты. Такие чугуны допускают закалку  поверхности и упрочнение ее наклепом.  

Некоторые марки  чугуна (при добавлении к ним легирующих элементов, таких как Mg, Cu, Si и т.д.) обладают антифрикционными свойствами, для которых характерно низкое значение коэффициента трения, и малая скорость износа поверхностного слоя. Эти чугуны рекомендуется использовать как  материал для изготовления деталей, работающих в условиях относительного скольжения, трущиеся поверхности которых  допускают процедуру закалки.                          

Чугуны: СЧ 30 применяются  для изготовления станин ножниц и  прессов, блоков и плит многошпиндельных станков, патронов токарных станков, зубчатых колес. 

СЧ 20 применяются  для изготовления станин долбежных  станков, вертикальных стоек фрезерных, строгальных и расточных станков, зубчатых колес, маховиков, тормозных  барабанов, дисков сцепления. 

СЧ 18 применяются  для изготовления корпусных деталей, крышек, кожухов. 

СЧ15 применяются  для изготовления оснований большинства  станков, ступиц, салазок, столов, корпусов маточных гаек, зубчатых колес, кронштейнов, вилок переключения, шкивов. 

СЧ 10 применяются  для изготовления плит, стоек, подшипников, втулок.  

Жаростойкие чугуны – ЖЧХ - применяются для изготовления деталей компрессоров, горелок, кокилей. 

ЖЧХ30 применяются  для изготовления деталей химической аппаратуры. 

ЖЧХ2 применяются  для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования.

Медь  и сплавы на ее основе 

Медь – это  металл красноватого цвета плотностью 8,94 г/см3, имеющий гранецентрированную  кристаллическую решетку с периодом а=0,31607 нм. 

На основе меди получают различные сплавы, которые широко используются в качестве материалов для изготовления различных деталей. Эти сплавы обладают хорошими механическими  и антикоррозионными свойствами, они износостойки, имеют низкий коэффициент  трения, высокую электро- и теплопроводность. Различают две основные группы медных сплавов: латунь и бронза.        

Латунь – сплав  меди с цинком. Содержание цинка  в сплаве достигает 40...45%. Латуни пластичны  и обладают хорошими литейными свойствами. Их предел текучести равен 250…450 МПа. Прочность можно несколько повысить за счет использования обработки давлением при высокой температуре. В состав латуни часто вводят легирующие добавки (например, Al, Zn, Si, Mn, Ni, Pb), которые повышают прочность, но снижают пластичность. 

По технологическим  признакам латуни разделяются на две группы: предназначенные для  обработки давлением и для  изготовления деталей, полученных литьем. Литейные латуни содержат большое количество легирующих добавок для улучшения  литейных свойств.    

Детали из латуни часто используются в судостроении, так как они оказываются стойкими к морской воде, особенно те из них, которые легированы оловом. Если латунные детали выполняются прокаткой, то они  затем подвергаются отжигу для уменьшения их твердости.  

Для химического  состава бронзы характерно наличие  основного легирующего компонента в качестве которого применяют: олово, алюминий, железо, кремний, хром, бериллий и другие. 

Сплав меди с оловом обычно содержит до 10...12%Sn. Если увеличить  содержание олова, то сплав приобретает  повышенную хрупкость. Обычно этот тип  бронз дополнительно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. При  этом цинк Zn улучшает технологические  свойства и снижает стоимость. Фосфор P улучшает литейные свойства бронзы, никель Ni положительно влияет на механические характеристики и улучшает коррозионную стойкость, железо повышает сопротивление  коррозии. 

Бронзы, легированные алюминием, представляют собой сплав  с содержанием Al до 9%. Кроме этого, они часто содержат легирующие добавки, например, Fe, Ni, Mn и др. Такие бронзы хорошо сопротивляются коррозии, и  их можно использовать для производства деталей, работающих в морской воде и других агрессивных средах. Кроме  того, они имеют высокие механические и технологические свойства. 

При легировании  меди кремнием (до 3,5% Si) существенно  повышаются прочность и пластичность. Кроме основного легирующего  компонента, здесь используют и другие легирующие добавки, такие как Si, Mn и  другие. Благодаря хорошим технологическим  и механическим свойствам подобные бронзы применяют для изготовления пружин, работающих в агрессивных  средах.  

В результате легирования  меди бериллием, предельная растворимость  которого составляет 2,7%, получаются бронзы, имеющие высокую прочность и  пластичность. Достигаются такие  механические характеристики в результате закалки и последующего старения. Эти бронзы имеют высокий предел выносливости и успешно работают в агрессивных средах. Они хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их можно с успехом использовать для выполнения пружин, мембран, различных  подвижных контактов и деталей, работающих на износ. 

Бронзы, легированные свинцом, представляют собой сплавы, которые после затвердевания  состоят из кристаллов меди и включений  свинца. Это происходит потому, что  свинец не растворяется. Тем не менее  такой вид бронзы обладает хорошими антифрикционными свойствами и используется как материал для антифрикционных  покрытий. Поскольку эти бронзы имеют  низкую прочность, то их целесообразно  применять в качестве покрытий, нанесенных на металлическую поверхность, чаще всего в подшипниках скольжения. 

Бронзы и латуни используются как материалы для  изготовления трущихся сопряжений (для  гаек рабочих винтов, вкладышей подшипников, зубчатых венцов червячных колес  и т.п.), так как обладают хорошими антифрикционными свойствами. Чем больше разница в твердости трущихся поверхностей, тем лучше; чем ближе  их твердости, тем больше опасность  заедания при малейшем недостатке смазки. Мелкие детали сложного очертания при  опасности ржавления, например части  насосов, арматура и т. п., изготовляют  из латуни. 

Правильный выбор  материала может быть сделан на основе расчетов, а также сопоставления  механических характеристик материалов нескольких вариантов деталей-аналогов. В дальнейшем при изучении конкретных деталей будет отмечаться, из каких  материалов возможно их изготовление, а также будут даны рекомендации по выбору. 

Латуни: ЛЦ14К3С3, ЛЦ40АЖ применяются для изготовления подшипников, втулок. 

ЛЦ23А6Ж3Мц2- гаек винтов, червячных винтов 

ЛЦ40С – втулок, сепараторов для подшипников  качения 

ЛЦ40Сд , ЛЦ36Мц202С2 –  зубчатых колес. 

Бронзы: Бр.ОФ6,5-0,4 применяются  для изготовления пружин, деталей  машин, подшипников 

Бр.ОФ6,5-0,15, Бр.010ф1, Бр.010Ц2, Бр.05С25, Бр.01С22, Бр.С60Н2,5 Бр.С30 – деталей  подшипников, втулок 

Бр.0Ф7-0,2 – прутков, шестерен, зубчатых колес, втулок 

Медно-никелевые  сплавы: МНЖМц30-1-1, МН19 – применяется  в химической и пищевой промышленности. 

МН95-5 – для изделий  машиностроения 

МНЖ5-1, МН10 – для  конденсаторных труб. 

Титановые сплавы: ВТ22, ВТ9, ВТ14 - применяются для изготовления длительно работающих деталей. 

ВТ16 - применяются  для изготовления крепежных и  резьбовых деталей диаметром 40 мм и более. 

  

Алюминий  и сплавы на его  основе 

Алюминий – это  металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 600 ⁰С. Он имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с периодом а=0,4041 нм. Так как алюминий обладает низкой плотностью p=2,7 гр/см3, то сплавы на основе алюминия называются легкими. Алюминий, как и медь, имеет высокую электро- и теплопроводность. Модуль упругости E = (7,0…7,5) • 10⁴ МПа. 

Алюминий является коррозийно-стойким материалом, так  как на его поверхности появляется пленка окислов, защищающая основной металл от коррозии. Чистый алюминий имеет  низкую прочность и применяется  для производства деталей, не воспринимающих силового воздействия. Он хорошо деформируется  пластически, успешно сваривается, но плохо обрабатывается механически. По этой причине из алюминия изготавливают  трубопроводы, резервуары, палубные надстройки речных и морских судов и т.п. Из чистого алюминия изготавливают  также металлическую фольгу, токопроводящие и кабельные материалы. 

На основе алюминия получают различные сплавы, которые  существенно изменяют его свойства. Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Si. По технологическим признакам алюминиевые  сплавы подразделяются на деформируемые, т.е. получаемые пластическим деформированием, и литейные, предназначенные для  получения фасонных деталей методом  литья. 

Литейные сплавы на базе алюминия (Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Zn-Mg-Si) благодаря  низкой плотности и хорошей технологичности  широко используются в самолетостроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве  и других областях. Наилучшими литейными  свойствами обладают сплавы системы Al-Cu (силумины). Которые применяются  для литья деталей сложной  формы. С целью улучшения механических характеристик силумины легируют натрием. Отливки алюминиевых сплавов  подвергают термической обработке  и процедуре старения. Сплавы Al-Mg сильно повышают коррозионную стойкость, но ухудшают литейные качества. Эти  отливки рекомендуется использовать для работы в агрессивных средах и в судостроении. 

Легируя сплавы такими добавками, как Ti, Ni, Ce, можно получать жаропрочные материалы, которые  используются для изготовления поршней  головок двигателей и других деталей, работающих в условиях высоких температур. 

Наиболее известным  представителем класса деформируемых  сплавов является дюралюминий (Al-Cu-Mg), который получил распространение  в авиационной технике и транспортном машиностроении. Марганец добавляется  в состав сплава для повышения  коррозионной стойкости. Часто в  такие сплавы добавляют присадки в виде Cr, Zn, Fe, Si. Сплав хорошо обрабатывается и потому широко используется в производстве листового и профильного проката. Для повышения прочности такие  сплавы часто подвергаются закалке при температуре 500-520 ⁰С с последующим охлаждением в воде и выдержкой при нормальной температуре в течение 75...100 часов (естественное старение). Кроме того, деформируемые сплавы подвергаются обработкой давлением с последующей механической обработкой. Такую технологию применяют для изготовления деталей с высокой прочностью, например, дисков центробежных машин, деталей компрессоров и т.д.