Лекция 6. Стали. Чугуны. Цветные металлы и сплавы

Стали. Специальные стали—это сплавы на основе железа отличающиеся

от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим

составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. В

большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально

введенные в сталь для получения требуемого строения и физико-химических и

механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Мп, Si, Cr. Ni,

Mo, W, Со, Си, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. B некоторых сталях легирующими элемен-

тами могут быть также: Р, S, N, Se. Те, Рв, Се и др. Перечисленные элементы и

Н, О, Sn, Sb, As могут быть также примесями в стали. Содержание легирую-

щих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до де-

сятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали

в процессе ее производства как технологические добавки или как составляю-

щие шихтовых материалов.

Легированные стали — это сплавы на основе железа, в химический со-

став которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие

при определенных способах производства и обработки требуемую структуру

и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем

содержание этих же элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать су-

щественное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в со-

тых долях процента, (В — в тысячных долях процента). Такие стали иногда

называют микро легированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали бо-

лее широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям,

кроме легированных, могут относиться и углеродистые стали, если им прида-

ны специальные свойства посредством определенных способов производства

и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые

стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные,

инструментальные, термически упрочненные, для холодной штамповки и др.

Классификация сталей. По химическому составу стали и сплавы чер-

ных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) ста-

ли, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные ста-

ли, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих

элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламенти-

рованных для примесей соответствующими стандартами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих эле-

ментов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных – от

2,5 до 10%, в высоколегированных – более 10 % при содержании в них железа

не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количест-

во больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали

называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а так-

же хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, никель-

молибденовыми,хромоникельмолибденовыми, хромокремнемарганцовонике-

левыми и т. п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные,

инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготов-

ления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машинострое-

нии и строительстве и обладающая определенными механическими, физиче-

скими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машинострои-

тельные и стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаро-

прочные, жаростойкие, коррозионностойкие и т. д.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обра-

ботки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердо-

стью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств. Инструмен-

тальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые

стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделе-

ния сталей как по назначению, так и по свойствам. Классификация сталей по

структуре в значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии делят на доэвтектоид-

ные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по

отношению к его содержанию в углеродистой стали. Поэтому в зависимости

от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может

быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифициру-

ют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воз-

духе образцов небольших размеров после высокотемпературного нагрева

(~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на

перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенит-

ные. Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низ-

колегированными, мартенситные - легированными и высоколегированными, а

ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированными. Однако такая

связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наря-

ду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы: феррито-

перлитный, феррито-мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-

мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 %

второй фазы (как второй структурной составляющей).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, ка-

чественные, высококачественные, особовысококачественные. Главными каче-

ственными признаками стали являются более жесткие требования по химиче- 38

скому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как

фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы (не

более), в сталях разной категории качества:

Не более Р, % S. %

Обыкновенного качества 0,040–0,050

Качественная 0,035–0,035

Высококачественная 0,025–0,025

Особовысококачественная 0,025–0,015

Категория «обыкновенного качества» может относиться только к угле-

родистым сталям. Все остальные категории качества относятся к любым по

степени легирования сталям.

Маркировка сталей. Углеродистые конструкционные качественные ста-

ли обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание угле-

рода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; .85).

Для сталей, полностью не раскисленных (при С <0,20 %), в обозначение

добавляются индексы: кп – кипящая сталь, пс – полуспокойная сталь (напри-

мер, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается.

Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и сле-

дующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых

долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; 13).

В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают бу-

квами: А-азот, К-кобальт, Т-титан, Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец,

Д-медь, Е-селен, М-молибден, Н-никель, Р-бор, С-кремний, Ф-ванадий,

X-хром, Ц-цирконий, Ю-алюминий.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное

количество того или иного элемента в процентах, округленное до целого чис-

ла. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквен-

ным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки

в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) до-

лях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42-0,50 % С; 0,5-0,8 % М;

0,8-1,0 % X ; 1,3-1,8,% Ni; 0,2-0,3 % Mo и 0,1-0,18% V, обозначается маркой

45ХГН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава 0,32-0,40 % С;

0.80-1,20 % Si; 0,15-0,40 % Mn; 4,5-5,5% Cr; 1,20-1,30 % Mo и 0,3-0,5 % X

обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях со-

ставляет 1 % и более, то цифру в начале марки, как правило, вообще не ставят

(например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает на то, что сталь относится к катего-

рии высококачественной (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки - зна-

чит сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает

на то, что сталь автоматная – повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс

«АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис

в конце марки буквы «Ш» (ЗОХГСА или ЗОХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к

категории качественных (ЗОХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву «Р», за ней

следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежу-

щих сталях содержится около 4 % хрома, поэтому в обозначении марки бук-

вы «X» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках колеблется в

пределах от 1 до 5 %, обозначается в марке, если его среднее содержание

2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих сталях про-

порционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркировке ста-

ли не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или

кобальт, то их содержание указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7-0,8 % С; 3,8-4,4 % Х; 17,0-18,5 % W;

1,0-1,4 % V обозначается маркой Р18, а сталь: 0,95-1,05% С; 3,8-4,4% Х;

5,5-6% W: 4,6 - 5,2 % Мо; 1,8-2,4 %В; 7,5-8,5 % Со обозначается

Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упро-

щенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургиче-

ском заводе. Перед номером стали ставят индексы «ЭИ»У «ЭП» (завод «Элек-

тросталь»). Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упро-

щенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37X12Н8Г8МФБ-~ ЭИ481,

Чугуны. Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элемен-

тами, содержащими более 2,14 % С.

Классификация чугунов. Характерной особенностью чугунов является

то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связан-

ном состоянии (в виде химического соединения – цементита Fe3C), но также в

свободном состоянии – в виде графита. При этом форма выделений графита и

структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна

и их свойства.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по

ГОСТ 3443–77. По специально разработанным шкалам оценивают форму

включений графита, их размеры, характер распределения и количество, а также

тип металлической основы.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

– по состоянию углерода – свободный или связанный;

– по форме включений графита – пластинчатый, вермикулярный, шаровид-

ный, хлопьевидный (рис. 7);

а б в

Рис.7 . Структура чугуна с графитом различной формы:

а – пластинчатый графит в сером чугуне; б – шаровидный

графит в высокопрочном чугуне; в – хлопьевидный графит в ковком чугуне

– по типу структуры металлической основы (матрицы) – феррит-

ный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например

феррито-перлитные;

− по химическому составу – нелегированные чугуны (общего назначения)

и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

− белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в

виде цементита Fe3С;

− половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более

0,8 %) находится в виде цементита;

− серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в

свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

− отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру

серого чугуна, а поверхностный слой – белого;

− высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;

− ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором угле-

род переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Структура и свойства чугуна. Микроструктура чугуна состоит из ме-

таллической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна оп-

ределяются свойствами металлической основы и характером включений графи-

та. Чугуны содержат следующие структурные составляющие (рис.8):

– графит (Г);

– перлит (П);

– феррит (Ф);

– ледебурит (Л);

– фосфидную эвтектику.

Рис. 8. Микроструктура чугуна:

I – белый: II – серый перлитный; II, а – половинчатый;

II, б – ферритно-перлитный;

III – серый ферритный; IV – высокопрочный

Серый чугун – это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве приме-

сей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно нахо-

дится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и техноло-

гическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого

чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графито-

вых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам

стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна.

Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше

прочность чугуна.

Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна

при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита

практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные

пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износо-

стойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость реза-

нием.

Согласно ГОСТ 1412–85 серый чугун маркируют буквами «С» – серый и

«Ч» – чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение

предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 – чугун серый,

предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие

группы:

– ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15), приме-

няют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

– перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30), используют для изготов-

ления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: порш-

ней, цилиндров, блоков двигателей;

– модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавле-

нием перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны

имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолирован-

ных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более вы-

сокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспек-

тивен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях тепло-

смен (блоки двигателей, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна

лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет

получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высоки-

ми литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые

ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например,

коленчатые валы легковых автомобилей.

Высокопрочный чугун. Отличительной особенностью высокопрочного

чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием

в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинча-

тый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы

и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, бла-

годаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концен-

траторы напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высо-

кой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием

расплава присадками, содержащими Mg, Ca, Се и другие редкоземельные ме-

таллы (РЗМ).

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются

ГОСТ 7293 – 85 и маркируются буквами «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун и

числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растя-

жении. Например, ВЧ 100 – высоко прочный чугун, предел прочности при рас-

тяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее пер-

спективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать

проблему снижения массы конструкции при сохранении их высокой надежно-

сти и долговечности. Высокопрочный чугун используют для изготовления от-

ветственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые коле-

са, цилиндры и др.).

Белый и ковкий чугун. Белые чугуны характеризуются тем, что у них

весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита.

Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества

цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень

плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостой-

кость, в том числе и при воздействий абразивных сред. Это свойство белых чу-

гунов учитывается при изготовлении поршневых колец. Однако белый чугун

применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на

ковкий чугун.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химиче-

ского состава, отличающегося пониженным содержанием графитизируюших эле-

ментов (2,4 – 2,9 % С и 1,0 – 1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо

получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспе-

чивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига .

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чу-

гуна регламентирует ГОСТ 1215–79. Ковкие чугуны, маркируют буквами

«К» – ковкий, «Ч» – чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел

прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное его удлинение при

разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при

растяжении 33 кг/мм (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графи-

тизирующего отжига, и белосердечный, получаемый путем обезуглероживаю-

щего отжига в окислительной среде. В России применяют только черносердеч-

ный ковкий чугун. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной или пер-

литно-ферритной в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повы-

шают температуру выдержки в период П2, модифицируют и микролегируют

чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы спо-

собствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устойчиво-

сти цементита.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостен-

ных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических

знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,

тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун – малопер-

спективный материал из-за сложной технологии получения и длительности

производственного цикла изготовления деталей из него.

Легированные чугуны. В зависимости от назначения различают износо-

стойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные

чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах

и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регла-

ментируются ГОСТ 7769– 82. В обозначении марок легированных чугунов бук-

вы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что

и в марках стали.

Износоcтойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %),

применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугу-

ны (до 0,6 % Сr и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена

обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного

материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомоби-

лей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ2, ЧХЗ применяют для изготовле-

ния деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрес-

соров, эксплуатируемых при температуре 600 °С (ЧХ 2) и 700 °С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным

графитом работоспособны при температурах 500 – 600 °С и применяются для

изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД

ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в

газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления дета-

лей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых ко-

лец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей ди-

зелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых спла-

вов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых

удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), спо-

собных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, ни-

кель, титан.

ГОСТ 1585 – 85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна

(АЧС-1–АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1,

АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регла-

ментируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также со-

держатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны

Антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-

ферритный (АЧС-3) применяют при давлении в зоне контакта фрикционных

пар до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлитный) и АЧВ-2

(перлитно-ферритный) применяют при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

Цветные металлы и сплавы. Многие цветные металлы и их сплавы обла-

дают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой

электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоин-

ствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают

важное место среди конструкционных материалов.

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде спла-

вов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Алюминий и его сплавы. Алюминий – металл серебристо-белого цвета,

характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью, темпера-

тура плавления 660 °С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому

в чистом виде как конструкционный материал применялся ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свойств алюми-

ний легируют различными элементами (Сr, Mg, Si, Zn). Железо и кремний яв-

ляются постоянными примесями алюминия. Железо вызывает снижение пла-

стичности и электропроводности алюминия. Кремний, как и медь, магний,

цинк, марганец, никель и хром, относится к легирующим добавкам, упрочняю-

щим алюминий.

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

– алюминий особой чистоты марки А 999 (0,001 % примесей);

– алюминий высокой чистоты – А 935, А 99, А 97, А95 (0,005 – 0,5 % при-

месей);

– технический алюминий – А 35, А 3, А 7, А 5, А 0 (0,15 – 0,5 % примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфабрикатов для дальнейшей пе-

реработки в изделия. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления

фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

В автомобилестроении широкое применение получили сплавы на основе

алюминия. Они классифицируются:

– по технологии изготовления,

– по степени упрочнения после термической обработки;

– по эксплуатационным свойствам.

– Деформируемые сплавы. К неупрочняемым термической обработкой

относятся сплавы:

– алюминия с марганцем марки АМц;

– алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью,

хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них

изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуа-

ры для жидкостей и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термиче-

ской обработкой, различают сплавы:

– нормальной прочности;

– высокопрочные сплавы;

– жаропрочные сплавы;

– сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности. К ним относятся сплавы системы Алюми-

ний + Медь + + Магний (дюралюмины), которые маркируются буквой Д. Дюра-

люмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, достаточной

твердостью и вязкостью. Для упрочнения сплавов применяют закалку с после-

дующим охлаждением в воде. Закаленные дюралюмины подвергаются старе-

нию, что способствует увеличению их коррозионной стойкости.

Дюралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изго-

товляют лопасти винтов, из Д16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов,

сплав Д18 – один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе

Алюминий +Цинк +Магний +Медь. В качестве легирующих добавок исполь-

зуют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эф-

фект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств, спла-

вы закаливают с последующим старением.

Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят

дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентрато-

рам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные

наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК 4–1, Д 20) имеют сложный химиче-

ский состав, легированы железом никелем, медью и другими элементами. Жа-

ропрочность сплавам придает легирование, замедляющее диффузионные про-

цессы.

Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусст-

венного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300 °С. Спла-

вы для ковки и штамповки (АК 2, АК 4, АК 6, АК 8) относятся к системе Алю-

миний + Медь + Магний с добавками кремния. Сплавы применяют после закал-

ки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы

(АК 6) и высокогруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов,

крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы. Для изготовления деталей методом литья применяют

алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механиче-

ских свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием. Главным достоинст-

вом литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка,

хорошие механические свойства.

Медь и ее сплавы. Главными достоинствами меди как машиностроитель-

ного материала являются высокие тепло- и электропроводность, пластичность,

коррозионная стойкость в сочетании с достаточно высокими механическими

свойствами. К недостаткам меди относят низкие литейные свойства и плохую

обрабатываемость резанием.

Легирование меди осуществляется с целью придания сплаву требуемых

механических, технологических, антифрикционных и других свойств. Химиче-

ские элементы, используемые при легировании, обозначают в марках медных

сплавов следующими индексами: А – алюминий; Вм – вольфрам;

Ви – висмут; В – ванадий; Км – кадмий; Гл – галлий; Г – германий; Ж – железо;

Зл – золото; К – кобальт; Кр – кремний; Мг – магний; Мц – марганец; М – медь;

Мш – мышьяк; Н – никель; О – олово; С – свинец; Сн – селен; Ср – серебро;

Су – сурьма; Ти – титан; Ф – фосфор; Ц – цинк.

Медные сплавы классифицируют:

по химическому составу на:

− латуни;

− бронзы;

− медноникелевые сплавы;

по технологическому назначению на:

− деформируемые;

− литейные;

по изменению прочности после термической обработки на:

– упрочняемые;

– неупрочняемые.

Латуни – сплавы меди, а которых главным легирующим элементом являет-

ся цинк. В зависимости от содержания легирующих компонентов различают:

– простые (двойные) латуни;

– многокомпонентные (легированные) латуни.

Простые латуни маркируют буквой «Л» и цифрами, показывающими

среднее содержание меди в сплаве. Например, сплав Л 90 – латунь, содержащая

90 % меди, остальное – цинк.

В марках легированных латуней группы букв и цифр, стоящих после них,

обозначают легирующие элементы и их содержание в процентах. Например,

сплав ЛАН КМц 75-2-2,5-0,5-0,5 – латунь алюминиевоникелькремнисто- мар-

ганцевая, содержащая 75 % меди, 2 % алюминия, 2,5 % никеля, 0,5 % кремния,

0,5 % марганца, остальное – цинк.

В зависимости от основного легирующего элемента различают алюминие-

вые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянистые, свинцовые и другие

латуни.

Бронзы – это сплавы меди с оловом и другими элементами (алюминий,

марганец, кремний, свинец, бериллий). В зависимости от содержания основных

компонентов, бронзы можно условно разделить на:

– оловянные, главным легирующим элементом которых является олово;

– безоловянные (специальные), не содержащие олова.

Бронзы маркируют буквами «Бр», правее ставятся буквенные индексы

элементов, входящих в состав. Затем следуют цифры, обозначающие среднее

содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в

бронзе, не ставят). Например, сплав марки БрОЦС 5-5-5 означает, что бронза

содержит олова, свинца и цинка по 5 %, остальное – медь (85 %).

В зависимости от технологии переработки оловянные и специальные брон-

зы подразделяют на:

– деформируемые;

– литейные;

– специальные.

Деформируемые оловянные бронзы содержат до 8 % олова. Эти бронзы

используют для изготовления пружин, мембран и других деформируемых дета-

лей. Литейные бронзы содержат свыше 6 % олова, обладают высокими анти-

фрикционными свойствами и достаточной прочностью; их используют для из-

готовления ответственных узлов трения (вкладыши подшипников скольжения).

Специальные бронзы включают в свой состав алюминий, никель, кремний,

железо, бериллий, хром, свинец и другие элементы. В большинстве случаев на-

звание бронзы определяется основным легирующим компонентом.

Титан и его сплавы. Основными способами получения титана являются

избирательная восстановительная плавка, восстановление тетрахлорида магния,

переплав титановой губки. Очистку титана от примесей производят методом

зонной плавки.

Титановые сплавы классифицируют по:

– технологическому назначению на литейные и деформируемые;

– механическим свойствам – низкой (до 700 МПа), средней (700 – 1000

МПа) и высокой (более 1000 МПа) прочности;

– эксплуатационным характеристикам – жаропрочные, химически стой-

кие и др.;

– отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые;

– структуре (α-, α+β- и β-сплавы). Деформируемые титановые сплавы по

механической прочности выпускаются под марками:

– низкой прочности – ВТ 1;

– средней прочности – ВТ 3, ВТ 4, ВТ 5;

– высокой прочности ВТ 6, ВТ 14, ВТ 15 (после закалки и старения).

Для литья применяются сплавы, аналогичные по составу деформируемым

сплавам (ВТ5Л, ВТ 14Л), а также специальные литейные сплавы.

Магний и его сплавы. Главным достоинством магния как машинострои-

тельного материала являются низкая плотность, технологичность. Однако его

коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей крайне

низка. Чистый магний практически не используют в качестве конструкционно-

го материала из-за его недостаточной коррозионной стойкости. Он применяется

в качестве легирующей добавки к сталям и чугунам и в ракетной технике при

создании твердых топлив.

Эксплуатационные свойства магния улучшают легированием марганцем,

алюминием, цинком и другими элементами. Легирование способствует повы-

шению коррозионной стойкости (Zr, Mn), прочности (Al, Zn, Mn, Zr), жаро-

прочности (Th) магниевых сплавов, снижению окисляемости их при плавке, ли-

тье и термообработке.

Сплавы на основе магния классифицируют по:

–механическим свойствам – невысокой, средней прочности; высокопроч-

ные, жаропрочные;

– технологии переработки – литейные и деформируемые;

– отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые

термической обработкой.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответ-

ственно сплав (М), и буквы, указывающей способ технологии переработки (А –

для деформируемых, Л – для литейных), а также цифры, обозначающей поряд-

ковый номер сплава.

Деформируемые магниевые сплавы MA1, MA2, МА3, MA8 применяют для

изготовления полуфабрикатов – прутков, труб, полос и листов, а также для

штамповок и поковок.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6 нашли

широкое применение для производства фасонных отливок. Некоторые сплавы

МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной и

автомобильной промышленности: картеры, корпуса приборов, колесные диски,

фермы шасси самолетов.

Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из

них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных

покрытий.

Баббиты и припои. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в усло-

виях трения скольжения, используют сплавы, характеризующиеся низким ко-

эффициентом трения, прирабатываемостью, износостойкостью, малой склонно-

стью к заеданию.

К группе антифрикционных материалов относят сплавы на основе олова,

свинца и цинка.

Баббиты – антифрикционные материалы на основе олова и свинца.

В состав баббитов вводятся легирующие элементы, придающие им специфиче-

ские свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость; никель – вяз-

кость, твердость, износостойкость; кадмий – прочность и коррозионную стой-

кость; сурьма – прочность сплава.

Баббиты применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения,

работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных

нагрузках.

По химическому составу баббиты классифицируют на группы:

– оловянные (Б83, Б88),

– оловянно-свинцовые (БС6, Б16);

– свинцовые (БК2, БКА).

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойст-

ва, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты

применяют в подшипниках, работающих в легких условиях.

В конструктивных элементах подвижного состава железных дорог используют

подшипники скольжения из кальциевых баббитов.

В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит

БС6 содержит по 6 % олова и сурьмы, остальное – свинец.

Антифрикционные цинковые ставы (ЦВМ 10-5, ЦАМ 9-1,5) используют

для изготовления малонагруженных подшипников скольжения. Их применяют

в литом или деформированном виде: для отливки подшипников, изготовления

прокатных полос и биметаллических лент с последующей штамповкой изделий.

Такие подшипники успешно заменяют бронзовые при температурах эксплуата-

ции, не превышающих 120 °С.