Металлы: понятие, виды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Термическая обработка

2. Легирование

3. Цветные металлы и их сплавы

Список литературы

Введение

Металлы - наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

Термин «металл» произошёл от греческого слова mйtallon (от metallйuф - выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metallйia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы - вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» - флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В кон. 18 в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы - простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с сер. 20 в. были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.

В конце 19 - начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия - наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения.

Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799-1851) и Д.К. Черновым (1839-1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.

П.П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов.

Д.К. Чернов продолжил труды П.П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии - науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали.

Открытые Д.К. Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо - углерод.

Классические труды «отца металлографии» Д.К. Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А.А. Ржешотарским(1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.

Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.

1. Термическая обработка

Свойства материалов зависят от кристаллической структуры. Располагая данными о строении можно судить об их свойствах и пригодности для работы в определенных условиях эксплуатации. Одним из способов изменения структуры металлов и сплавов является термическая обработка.

Классификация видов термической обработки

Существуют 4 группы:

1. Отжиг первого рода - нагрев металла для устранения неустойчивого состояния (наклепа), возникающего вследствие предварительной обработки методами холодной пластической деформации.

2. Отжиг второго рода - нагрев металла выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого состояния.

3. Закалка - нагрев выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением. Закалку, фиксирующую при обычных температурах высокотемпературное состояние твердого раствора, называют истинной.

4. Отпуск - нагрев закаленных сплавов ниже температуры превращения с последующими выдержкой и охлаждением для получения устойчивого состояния. Отпуск, протекающий в период выдержки при обычных температурах, называют старением. Закалку с высокотемпературным отпуском называют улучшением.

Есть еще два вида сложной обработки сплавов: химико-термическая обработка и термомеханическая обработка.

Для получения мелкозернистой структуры, устранения химической и структурной неоднородности, уменьшения внутренних напряжений, понижения твердости стали, для облегчения механической обработки производят отжиг или нормализацию.

Отжиг и нормализация

Для получения мелкозернистой структуры, устранения химической и структурной неоднородности, уменьшения внутренних напряжений, понижения твердости стали для облегчения механической обработки производят отжиг и нормализацию.

Существуют различные виды отжига, характеризующиеся режимами нагрева и охлаждения.

1.Полный отжиг определяется нагревом стали на 30-50oC выше линии GOS, выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением. Полный отжиг стали применяется для получения однородной мелкозернистой структуры, понижения твердости, повышения пластичности. Этому виду отжига подвергаются стали до механической обработки.

2.Неполный (ускоренный) отжиг состоит из нагрева стали на 30-50oC выше линии PSK, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Неполный отжиг применяется для снятия внутренних напряжений и улучшения механической обработки.

3.При изотермическом отжиге изделия нагревают на 30-50oC выше линии GSK, выдерживают при этой температуре, а затем быстро переносят их в среду с постоянной температурой несколько ниже линии PSK (точка Аc1 - 630-700oC). При этой постоянной температуре производят выдержку стали до полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе. После такого отжига стали приобретают такие же механические свойства, как и после полного отжига. Приемуществами изотермического отжига являются полное устранение остаточных напряжений в стали и сокращение времени отжига почти вдвое. Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали.

4. После проведения полного или неполного отжига получается цементит в виде пластинок. Для получения цементита в виде зерен производят сфероидизирующий отжиг, который состоит из нагрева стали до температуры несколько выше линии PSK, длительной выдержки (5-6 ч) и последующего медленного охлаждения. Сталь с такой структурой обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению со сталью, прошедшей полный отжиг. Сфероидизирующий отжиг применяется у заэвтектоидных сталей для улучшения их обрабатываемости резанием.

5.Диффузионный отжиг (гомогенизация) состоит из нагрева стали до 1050-1150oC, длительной выдержки (10-15 ч) при этой температуре и последующего охлаждения. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу и уменьшение ликвации. Гомогенизации подвергаются слитки легированных сталей, крупные стальные отливки. При диффузионном отжиге получают крупнозернистую структуру, которая устраняется последующей горячей обработкой давлением или применением полного отжига.

6.Рекристаллизационный (низкий) отжиг состоит из нагрева стали до температуры на 50-100oC ниже линии PSK (но выше температуры рекристаллизации), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением или как промежуточный отжиг для повышения пластичности и предупреждения появления трещин в стали при холодной обработке давлением. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Нормализация состоит из нагрева стали на 30-50oC выше линии GSE, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Нормализация применяется для исправления структуры перегретой стали и горячедеформированных заготовок, выравнивания структуры сварного шва. При нормализации сталь приобретает более мелкозернистую структуру, чем после отжига. Номализация является более экономичным термическим процессом, чем отжиг.

Выбор варианта термической обработки (отжиг или нормализация) зависит от состава стали и предшествующего технологического процесса. Например, для выравнивания химического состава слитков или крупных отливок назначается диффузионный отжиг. Для снижения твердости стали после горячей обработки (облегчения обработки резанием) выбирают полный или неполный отжиг (в зависимости от состава стали). После холодной обработки давлением для снятия наклепа и внутренних напряжений сталь подвергают рекристаллизационному отжигу.

На результат отжига и нормализации оказывают влияние температура и скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Температура нагрева выбирается по диаграмме состояния Fe-Fe3C в зависимости от содержания С в стали.

При выборе скорости нагрева небходимо учитывать габариты изделия (разницу температур наружных и внутренних частей изделия), форму изделия (чем сложнее, тем более медленный нагрев), химический состав стали. С увеличением содержания углерода в стали уменьшается ее теплопроводность. При легировании стали теплопроводность также падает. Чем меньше теплопроводность, тем медленнее должен быть нагрев. Продолжительность нагрева сталей при отжиге и нормализации составляет примерно от 30 до 90 мин на каждые 25 мм изделия.

Выдержка после нагрева до заданной температуры должна обеспечить прогрев всего изделия и полное завершение всех процессов, совершающихся при нагреве стали. Время выдержки зависит от толщины изделия, исходной структуры, химического состава стали. Чем массивнее изделие и крупнее зерно исходной структуры, тем длительнее должна быть выдержка. Обычно ф в составляет 20-25% от ф н.

После нагрева и выдержки продолжительность охлаждения должна обеспечивать полный распад твердого раствора. Скорость охлаждения зависит от охлаждающей среды и размеров изделия. Охлаждение должно быть равномерным и медленным до 400-500oC. При этом углеродистые стали охлаждают со скоростью 100-200oC, в 1 ч, а легированные 20-60oC в 1 ч; дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Старение

При быстром охлаждении малоуглеродистых сталей с 600-700oC до обычных температур и последующей выдержке происходит процесс старения, характеризующимся увеличением твердости и значительным снижением пластичности и вязкости стали.

Причиной старения является переменная растворимость С в б-Fe. В результате быстрого охлаждения с 700oC происходит фиксация пересыщенного твердого раствора. При последующей выдержке протекает распад твердого раствора с выделением мельчайших частиц третичного цементита по линии PQ диаграммы Fe-Fe3C, что соответствует изменению свойств стали.

Большое влияние на процесс старения оказывает температура выдержки. Различают естественное и искусственное старение.

Естественное старение происходит при обычной температуре, поэтому максимальная твердость получается после весьма длительной выдержки.

Искусственное старение осуществляется при нагреве стали до температур 100-170oC. Нагрев существенно ускоряет процесс старения. С помощью искусственного старения получают необходимые структуры, свойства и размеры измерительного инструмента.

Кроме того, у малоуглеродистых сталей после холодной обработки давлением наблюдается деформационное старение. При этом ухудшается штампуемость стали. Склонность сталей к старению может быть снижена за счет их раскисления.

Закалка

Готовые изделия в зависимости от условий эксплуатации должны иметь определенные свойства. Например, детали, работающие в условиях длительных статических нагрузок, должны обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью; инструмент - высокими режущими свойствами, способностью сохранять их при нагреве во время резания и т.д. Для обеспечения требуемых свойств готовые изделия подвергают закалке и отпуску.

Закалка представляет собой нагрев стали на 30-50oC выше линии GSK, выдержку при этой температуре и последующее быстрое охлаждение. Закалка основана на фазовых превращениях при нагреве и охлаждении. Применяя различные охладители при закалке, можно подобрать определенную скорость охлаждения, необходимую для получения требуемых структуры и свойств. При этом, чтобы не вызывать напряжений, закалочная среда в интервале температур малой устойчивости аустенита (600-550oC) должна охлаждать быстро, а в интервале мартенситного превращения (300-200oC) - медленно.

В зависимости от состава стали, формы изделия и необходимой твердости применяют различные способы закалки. По температуре нагрева различают полную и неполную закалку.

Полная закалка осуществляется при нагреве стали выше линии GSE. После охлаждения с критической скоростью закалки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке подвергают изделия из доэвтектоидных сталей. При этом исключается образование мягких ферритных включений.

Неполная закалка осуществляется при нагреве стали ниже линии GSE, но выше PSK. В результате охлаждения с критической скоростью закалки в доэвтектоидных сталях образуется структура феррита и мартенсита, а в заэвтектоидных - мартенсита и вторичного цементита. Неполной закалке подвергают инструменты из заэвтектоидных сталей, поскольку наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

В зависимости от условий охлаждения существуют закалки:в одном охладителе, прерывистой, ступенчатой, изотермической.

Закалка в одном охладителе - это погружение деталей в охладитель до их полного охлаждения. В качестве охладителя применяют воду для углеродистых сталей и минеральные масла для легированных. Это самый простой и распространенный способ, однако может приводить к возникновению значительных внутренних напряжений. Для уменьшения напряжений применяют закалку с подстуживанием: детали перед погружением в охладитель некоторое время выдерживают на воздухе. При этом температура деталей не должна быть ниже линии GSK.

Прерывистая закалка (в двух средах) осуществляется последовательным охлаждением деталей вначале в воде до 300-350oC, а затем в масле или на воздухе более замедленным охлаждением в интервале мартенситного превращения. В этом случае уменьшаются внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит. Недостатком прерывистой закалки является сложность регулирования времени выдержки в первом охладителе.

Ступенчатая закалка производится быстрым погружением нагретых деталей в соляную ванну с температурой немного выше мартенситной точки. После небольшой выдержки температуры по сечению изделия охлаждаются на воздухе до обычной температуры. При ступенчатой закалке возникают меньшие внутренние напряжения, а также меньшее коробление и поводка. Этот способ применяют для закалки мелких деталей из углеродистых сталей.

Изотермическая закалка отличается от ступенчатой более длительной выдержкой в закалочной ванне при температуре выше мартенситного превращения до полного распада аустенита. Она придает стали высокую твердость и повышенную пластичность, не вызывает больших внутренних напряжений, являющихся причиной коробления и трещин в изделиях. При изотермичпеской закалке для предотвращения распада аустенита вначале требуется значительная скорость охлаждения (выше критической. Детали из углеродистых сталей диаметром до 8-10 мм подвергаются изотермической закалке, поскольку теплоемкость более массивных изделий не позволяет получить необходимой скорости охлаждения. Легированные стали имеют меньшую критическую скорость закалки и хорошо воспринимают изотермическую закалку.

На качество закалки влияет особое влияние оказывает охлаждение, которое должно быть быстрым и полным. Для этого при полном погружении изделия охладитель перемешивают. На качество закалки влияет также способ погружения деталей в охладитель: мелкие изделия можно погружать в любом положении, а крупные - только вертикально.

Охлаждение при термической обработке

Охлаждение при термической обработке может осуществляться в печах, на воздухе, в маслах, расплавах, растворах.

По взаимодействию с обрабатываемыми изделиями все охлаждающие среды подразделяются на две группы.

К первой группе относятся среды, у которых в процессе охлаждения изменяются лишь количественные показатели, например, температура, тепловые свойства среды и т.д. Ко второй группе относятся среды, изменяющиеся при охлаждении свое агрегатное состояние в связи с кипением.

Сущность процессов охлаждения состоит в следующем. При погружении изделий в охлаждающую среду образуется пленка перегретого пара, а температура на поверхности изделия падает до 600-700oC; после чего охлаждение осуществляется замедленно, поскольку возникает "паровая рубашка". При достижении определенной температуры поверхности (в соответствии с составом среды) "паровая рубашка" разрывается, жидкость кипит на поверхности деталей и охлаждение ускоряется. Замедленное охлаждение называют стадией пленочного кипения; ускоренное охлаждение - стадией пузырчатого кипения. Однако когда температура поверхности металла достигает точки ниже температуры кипения жидкости, охлаждение замедляется. Это - стадия конвективного теплообмена.

Охлаждающая среда тем эффективней, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т.е. чем выше температура перехода от первой стадии ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.

В качестве охлаждающих сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, кислот и т.д. Циркуляция охлаждающей среды (особенно воды и ее растворов) в 1,5-2 раза повышает скорость охлаждения.

Эффективными охлаждающими средами являются различные масла. Охлаждение в масле уменьшает скорость охлаждения в 5 раз (при 550-650oC), а в интервале мартенситного превращения - в 25-30 раз, вследствие чего уменьшаются закалочные деформации и не образуются трещины.

Водовоздушные смеси применяют для охлаждения массивных изделий. Охлаждающими средами служат также расплавы солей, щелочей и металлов. Эффективность охлаждения характеризуется тепловыми свойствами этих сред. Соляные расплавы имеют рабочие температуры 135-150oC. Щелочные расплавы позволяют охлаждать в интервале температур 110-600oC. Металлические расплавы (Pb, Sn и их сплавы) имеют достаточно широкие диапозоны рабочих температур (от 190 до 1000oC), хотя используются чрезвычайно редко вследствие их неэкономичности.

Отпуск

Отпуском является термическая обработка, состоящая из нагрева закаленной стали до температуры ниже линии PSK, выдержки при этой температуре и последующего произвольного охлаждения.

При отпуске уменьшаются или полностью устраняются внутренние напряжения, полученные при закалке. Внутренние напряжения, как известно, искажают кристаллическую решетку, приводят к короблению, деформации изделий, появлению трещин.

Максимальное снятие остаточных напряжений достигается при выдержке от 1 до 2 ч и температуре отпуска 500-600oC. Хотя скорость охлаждения после отпуска не существенна, однако для предотвращения возникновения дополнительных напряжений при быстром охлаждении большинство углеродистых и легированных сталей после отпуска при 500-600oC следует охлаждать на воздухе.

Некоторые легированные стали, у которых после отпуска при температурах 450-600oC снижается ударная вязкость (явление отпускной хрупкости), охлаждают ускоренно в воде или в масле.

В зависимости от температуры нагрева закаленной стали различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (до 250oC), при которых образуется мартенсит отпуска. В изделиях незначительно уменьшается твердость и увеличивается вязкость, снижаются внутренние напряжения. Применятся для инструментов и изделий, которым необходима высокая твердость и износоустойчивость.

Средний отпуск - закаленная сталь нагревается до 350-500oC, при которых образуется тростит отпуска. При этом обеспечивается получение достаточно высоких твердости и упругости стали. Средний отпуск применяется для пружин, рессор, штампов, штампов, ударного инструмента и т.д.

Высокий отпуск осуществляется нагревом закаленной стали до температур 500-650oC, при которых полностью устраняются внутренние напряжения и образуется сорбит отпуска. Сталь приобретает наилучший комплекс механических свойств: повышенную прочность, вязкость, пластичность. Применяется для изделий из конструкционных сталей, подверженных воздействию высоких напряжений.

Двойную термическую обработку, заключающуюся в полной закалке и последующем высоком отпуске, называется улучшением стали.

Отпуск следует производить немедленно после закалки для предотвращения растрескивания изделий вследствие больших внутренних напряжений.

2. Легирование

Металлические материалы не обладают достаточными высокими механическими и физико-химическими свойствами. Для получения необходимых свойств вводят легирующие элементы: Cr, Ni, W, Mo, V, Mn, Si, Nb, Ti, Al, B, Co и др. Процесс называется легированием.

Элементы легирующие

Далее приведены некоторые характеристики влияния легирующих элементов на стали:

Хром Cr - широко применяется. Стали характеризуются прочностью, твердостью, износоустойчивостью. При содержании более 13% Cr сталь становится нержавеющей. Дальнейшее увеличение содержания хрома придает стали антикоррозийность при высоких температурах, а также магнитоустойчивость. Изготавливают подшипники качения, вводят в состав быстрорежущей стали, в конструкционных сталях до 3%.

Никель Ni придает прочность, высокую пластичность, вязкость. Если необходимо получить немагнитную сталь и повышенную антикоррозионность. Для легирования инструментальных сталей не применяется, в конструкционных содержится от 1 до 5% Ni.

Вольфрам W способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает твердость и прочность. В повышенных количествах (но не более 22%) вводится в инструментальную сталь для улучшения режущих свойств и является непременной присадкой в быстрорежущих сталях. Присутствие W желательно в жаропрочных сталях. В конструкционных до 1,5%.

Молибден Mo ( в конструкционных 0,2-0,6%) в инструментальных сталях повышает красностойкость. Жаропрочность.

V ванадий вводимый в небольших количествах в конструкционные (0,1-0,3%), инструментальные (0,15-0,65%), быстрорежущие (до 2,5%) стали повышает твердость, способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает упругость и сопротивление усталости.

Mn марганец (в конструкционных не более 2%) является неизбежной примесью стали, способствует глубокой прокаливаемости стали и улучшает её механические свойства. При повышенных содержаниях Mn придает износоустойчивость и магнитоустойчивые свойства.

Si кремний также неизбежная примесь стали (в конструкционных до 2%), повышает прочность и упругость при сохранении вязкости (пружинные и рессорные стали). Повышенное содержание ( до 2-4%) увеличивает электросопротивление и магнитную проницаемость сталей.

Nb ниобий и Ti титан добавляют в небольших количествах (0,1-0,2%). В нержавеющих хромоникелевых сталях Nb и Ti предупреждают возникновение межкристаллитной коррозии, придают мелкозернистое строение, благоприятно отражаются на механических свойствах.

Al алюминий вводится для повышения твердости азотируемой стали. Кроме того, при содержании 5-6% стали приобретают окалиностойкость. 12-15% Al вводится в сплавы, предназначенные для мощных постоянных магнитов.

Бор B, введенный в незначительных количествах (до 0,002%), существенно увеличивает прокаливаемость стали. Присутствие бора повышает ударную вязкость стали после низкого отпуска. Даже 0,01% B повышает жаропрочность сплавов.

Классификация легированных сталей

По эксплутационным признакам в зависимости от назначения различают три класса сталей и сплавов.

1. Конструкционные стали и сплавы, предназначаемые для изготовления деталей машин, существуют 2 группы:

а) работающих в условиях обычных температур ;

б) работающих в условиях повышенных температур (окалиностойкие);

2. Инструментальные стали и сплавы, предназначаемые для изготовления различного производственного инструмента и оснастки (3 группы):

а) режущего инструмента;

б) штампов;

в) измерительного инструмента;

3. Стали и сплавы с особыми свойствами, обладающими определенными специфическими физическими, химическими или механическими параметрами (6 групп) :

а) нержавеющие;

б) с высоким электросопротивлением;

в) электротехнические;

г) с особым тепловым расширением;

д) магнитные;

е) жаропрочные и жаростойкие.

Производственно-технологическая классификация построена по ряду признаков: химическому составу, основному легирующему элементу, количеству легирующих элементов, общему содержанию легирующих элементов, структуре в отожженном состоянии, структуре после охлаждения на воздухе.

По химическому составу определяют, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в стали.

В зависимости от количества одновременно участвующих легирующих элементов различают тройные, четверные и сложнолегированные стали. Тройные содержат железо, углерод и один легирующий элемент. Четверные - 2 легирующих элемента, сложнолегированные - 3 и более.

По основному легирующиему элементу группы:

1) хромистая;

2) марцанцовистая;

3) хромомаргонцовая;

4) хромокремнистая;

5) кремнемарганцовая;

6) хромомолибденовая и хромовольфрамовая;

7) хромованадиевая;

8) никелемолибденовая;

9) хромоникелевая;

10) хромокремнемарганцовая;

11) хромомарганцовоникелевая и хромокремненикелевая;

12) хромоникелевольфрамовая и хромоникелемолибденовая;

13) хромоникелевольфрамованадиевая и хромоникелемолибденованадиевая;

14) хромоалюминиевая.

По общему содержанию:

Низколегированные(до 3%)

Среднелегированные(от 3 до10%)

Высоколегированные (свыше 10%)

По структуре в отожженном состоянии определяют структуру легированной стали в равновесном состоянии. По этому признаку легированные стали делят на доэвтектоидные, которые содержат в структуре свободный феррит, заэвтектоидные - избыточные карбиды, ледебуритные - первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы.

По структуре после охлаждения на воздухе определяют структуру стали после нормализации. Три класса: перлитный, мартенситный, аустенитный. По структуре стали полностью устанавливают их свойства. Например, сталь, имеющая перлитную структуру, обладает небольшой твердостью и высокой пластичностью, а сталь, имеющая мартенситную структуру, весьма твердая и хрупкая. К сталям перлитного класса принадлежит большинство конструкционных и инструментальных. Использование мартенситных сталей невелико. Стали аутенитного класса содержат до 20-30% легирующих элементов. К ним относят хромоникелевые нержавеющие, некоторые жаропрочные, высокомарганцовистая износостойкая, а также другие стали с особыми свойствами. Стали, имеющие в структуре первичные карбиды часто называют карбидными.

Легированные стали можно классифицировать по отношению к термической обработке на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые стали являются низкоуглеродистыми; они содержат до 0,25% С, один и несколько легирующих элементов, способствующих упрочнению при цеметации. Детали из цементуемых сталей подвергаются химико-термической обработке - цементации и цианированию. Улучшаемые стали, подвергаются закалке и высокому отпуску или азотированию содержат в среднем 0,25-0,45% С.

По технологическим признакам с учетом обрабатываемости подразделяют на деформируемые, литейные, поддающиеся холодной механической обработке резанием, термически обрабатываемые и т.д.

Термообработка легированных сталей

Легирование существенно влияет на режимы термообработки.

Нагрев легированных сталей необходимо осуществлять крайне медленно, поскольку пониженная теплопроводность этих сталей может вызывать образование трещин и коробление. Время выдержки увеличивают для выравнивания температуры по всему объему изделия.

Охлаждение легированных сталей осуществляется также медленно. Ni, Cr, Mn, Mo и др. способствуют сокращению критической скорости закалки, а Co, Si, и Al - ее увеличению. Охлаждение производят в среде масел, если критическая скорость закалки снижена. Хромоникелемолибденовые стали являются воздушно-закаливаемыми.

Легирующие элементы, кроме Co, увеличивают устойчивость и улучшаютпрокаливаемость. Наиболее активным элементом, влияющим на прокаливаемость, является Cr, затем Si, Mn и Ni. Mo эффективнее других элементов улучшает прокаливаемость. Введение 0,005% B дает наибольшую прокаливаемость, но дальнейшее увеличение его содержания ухудшает.

Отпуск требует более продолжительной выдержки при более высоких температурах для эффективного завершения диффузии, поскольку легирование замедляет процессы превращения в стали.

Химико-термическая обработка обеспечивает высокие механические свойства поверхности легированных сталей. Так, Ti ускоряет цементацию и позволяет при этом формировать температурные режимы; Cr, Mo и Al содействуют эффективному азотированию; Cr повышает также эффективность борирования.

Маркировка легированных сталей

Каждая марка стали состоит из букв и цифр. Первые цифры марки указывают среднее содержание С в сотых долях %. Цифры, стоящие за буквами, означают среднее содержание данного легирующего элемента в стали в целых %, если его содержание превышает 1,5%. Буква А в конце марки указываетна высокое качество стали (степень чистоты - содержание вредных примесей) и высокие требования металлургического контроля. Одна цифра перед маркой соответствует содержанию С в десятых долях %. Отсутствие цифр перед маркой стали означает, что С в стали содержится в среднем 1% или более. Некоторые высоколегированные стали выделены в особые группы, их обозначают буквами, которые ставят впереди:

Ж - хромистые нержавеющие стали;

Я - хромоникелевые нержавеющие стали;

Е - электротехнические стали с особыми магнитными свойствами;

Р - быстрорежущие стали;

Ш - шарикоподшипниковые стали и т.д.

Стали, полученные электроплавкой, обозначают буквой Э; опытные стали обозначают буквами ЭИ и порядковым номером. Например, ЭИ405, ЭИ718 и т.д.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами:

Никель - Н;

Хром - Х;

Вольфрам - В;

Ванадий - Ф;

Молибден - М;

Титан - Т;

Кобальт - К;

Кремний - С;

Марганец - Г;

Алюминий - Ю;

Медь - Д;

Ниобий - Б;

Бор - Р;

Фосфор - П.

Легирование значительно повышает прочность и твердость при сохранении хорошей вязкости, увеличивает прокаливаемость также позволяет проводить закалку в умеренных охладителях, что уменьшает возможность появления трещин и корабления. Придает ряд особых свойств: жаропрочность, окалиностойкость, кислоупорность и др.

метал термический легирование сплав

3. Цветные металлы и их сплавы

В машиностроении широкое применение нашли цветные металлы и их сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Al плотность 2,7 кг/м3, температура плавления 660o С.

Хорошо сваривается. Благодаря поверхностной окисной пленке, обладает достаточной антикоррозийной стойкостью. Плохо обрабатывается резанием, имеет недостаточные литейные свойства, постоянные примеси Si и Cu повышают прочность, но снижают пластичность и антикоррозийную стойкость.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами и малой плотностью.

Легирующие элементы: Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Ti, Fe, Ni и др.

Медь обепечивает высокие механические свойства после термической обработки, однако снижают антикоррозийную стойкость.

Mg и Si - соединение с Al дает сплав, обладающий высокой прочностью.

Mn - улучшает антикоррозийную стойкость.

Сплавы, содержащие Zn, после закалки и старения существенно упрочняются. Цинк снижает антикоррозийную стойкость.

Ti способствует получению более мелкозернистой структуры.

Cr ограничивает рост зерна при нагреве.

Ni способствует обеспечению большей стабильности и улучшению теплопроводности сплавов.

Fe - вредная примесь, ухудшает антикоррозийную стойкость.

Для повышения жаропрочности Fe и Ni вводятся одновременно.

Маркировка.

Алюминиевые сплавы имеют буквенно-цифровую систему обозначения. Буквы означают соответствующую группу, а цифры указывают номер сплава и содержание основного легирующего элемента (в %).

Сочетание букв АМг или Амц означает сплав Al с Mg или Mn, соответственно.

У сплавов Al-Mg цифра характеризует среднее содержание Mg в %.

Высокопрочные сплавы (В) системы Al-Zn-Mg-Cu имеют первую цифру 9; вторая указывает номер сплава.

АД - означает Al деформируемый.

Д - сплав типа дюралюмин - системы Al-Cu-Mg.

АК - группа алюминиевых ковочных сплавов. Цифры показывают номер сплава; дополнительная цифра указывает модификацию сплава для примера АК4, АК4-1.

Литейные алюминиевые сплавы обозначаются АЛ и цифрой, показывающей условный номер сплава.

Состояние при поставке сплавов, не упрочняемых термообработкой, обозначают буквами, следующими после маркировки: А - сплав повышенного качества; М - мягкий, отоженный; П - полунагартованный; Н - нагатованный.

Состояние при поставке сплавов, упрочняемых термообработкой, обозначают буквами и цифрами, следующими после маркировки: М - мягкий, отоженный; Т - термически обработанный, закаленный и естественно состаренный; Т1 - термически обработанный, закаленный и искусственно состаренный; Н - нагатованный; Н1 - усиленно нагартованный и т.д.

Обозначения режимов термической обработки литейных алюминиевых сплавов следующие: Т1 - старение; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и частичное старение; Т6 - закалка и полное старение до наибольшей твердости; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.

Классификация алюминиевых сплавов.

Деформируемые-поддающиеся обработке давлением в катаном или прессованом виде и литейные-обрабатываемые методом литья.

1. Деформируемые сплавы после обработки давлением подвергают термической обработке. По механическим свойствам они превосходят литейные сплавы. Применяют для изготовления несложных по конфигурации деталей, воспринимающих, однако, повышенные нагрузки. Подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой. К первой группе относятся сплавы типа Al-Mn и Al-Mg, ко второй Al-Cu-Mg, называемых дуралюминами и Al-Cu-Mg-Si - ковочные сплавы для работы при обычных и при повышенных температурах.

2. Литейные сплавы отличаются повышенным содержанием легирующих элементов. Используются для изготовления деталей сложной формы, воспринимающих меньшие нагрузки. Согласно химическому составу различают следующие группы литейных алюминиевых сплавов: Al-Mg; Al-Si; Al-Cu; Al-Si-Cu и Al с другими компонентами. Наиболее распространенными являются сплавы Al-Si получившие название силуминов.

Магний и магниевые сплавы

Магний плотность 1,74; температура плавления 651oС; невысокая прочность и малая пластичность - таковы характеристики технически чистого Mg.

В машиностроении применяют магниевые сплавы, которые обладают небольшой плотностью и относительно высокой прочностью. Легирующие элементы: Al, Zn, Mn, Zr, Ce и др. К недостаткам магния и магниевых сплавов относится невысокая антикоррозийная стойкость.

Влияние легирующих элементов.

Al, Zn в определенных концентрациях существенно повышают механические свойства магниевых сплавов.

Увеличение содержания Al (свыше 10%), Zn (свыше 5%) приводит к ухудшению прочности и пластичности сплавов.

Zn (2-3%) повышает антикоррозийную стойкость.

Al и Zn с Mg образуют твердые растворы ограниченного насыщения. Закалка и старение не повышают прочности магниевых сплавов.

Mn (0,15-0,5%) повышает антикоррозийную стойкость и приводит к получению мелкозернистой структуры.

Для увеличения прочности Mn вводится в магниевые сплавы от 1 до 2,5%.

Ce повышает прочность.

Zr улучшает пластичность в горячем состоянии в деформируемых магниевых сплавах.

Be (до 0,07%) образует на поверхности защитную пленку, уменьшающую окисление.

Магниевые сплавы могут быть деформируемыми и литейными.

Магниевые сплавы имеют низкую сопротивляемость ударным нагрузкам, поэтому применяются для изготовления деталей, подверженных значительным вибрациям. Хорошо обрабатываются резанием.

Бронза

Сплавы на основе меди с добавками Sn, Al, Pb, Si или Be называютбронзами. Бронзы могут легироваться Zn, Ni, Mn, P и другими элементами для улучшения свойств. Например, в оловянных бронзах цинк повышает механические свойства и жидкотекучесть, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием, фосфор повышает антифрикционные свойства и жидкотекучесть.

В алюминиевых бронзах Fe и Mn улучшают механические свойства, повышают антикоррозийную стойкость; Ni повышает механические свойства, сообщает жаропрочность и антикоррозионность.

По содержению легирующих компонентов различают оловянные, безоловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые, свинцовистые и другие бронзы.

Бронзы обладают высокими антифрикционными и механическими свойствами, достаточной антикоррозийной стойкостью, хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью резанием, легко свариваются и паяются. Упрочняющей термической обработке подвергают только алюминиевые, бериллиевые и кремнистые бронзы. Бронзы применяют для отливок деталей, работающих в условиях трения, а также для изготовления коррозионностойких деталей и арматуры. Обработке давлением поддаются только некоторые бронзы, обладающие достаточной пластичностью.

Медь

Техническая медь обладает высокими электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью. Плотность 8,9 г/см3, температура плавления 1083oС. Важное значение имеет степень чистоты меди поскольку ничтожные количества некоторых примесей существенно снижают его электрические свойства и ухудшают технологические свойства.

Fe снижает электрические и коррозионные свойства Cu и сообщает магнитные свойства.

Bi, Pb, S и др. незначительно влияют на электропроводность меди, но резко ухудшают механические свойства и являются вредными примесями.

Кислород О2 ухудшает механические и технологические свойства Cu и затрудняет пайку, лужение и плакировку. Cu, содержащий О2, при отжиге в восстановительной атмосфере быстро разрушается ("водородная болезнь").

P существенно снижает электропроводность и теплопроводность Cu, однако положительно влияет на технологические свойства (жидкотекучесть и свариваемость).

В зависимости от химического состава различают 10 марок меди М00, М0, М0б, М1, М1р, М2, М2р, М3, М3р, М4. С возрастанием номера увеличивается количество примесей с 0,01 до 1%.

Оловянные бронзы

В оловянных бронзах, кроме Cu, содержится 2-14% Sn, при этом для улучшения свойств дополнительно вводят Pb, Ni, P. Добавление Sn к Cu значительно увеличивает прочность и твердость, однако снижает вязкость и пластичность. Добавка Zn в 5-10% обеспечивает экономичность бронз т.к. в таких количествах эффективно растворяется в меди и не влияет на структуру бронз.

Обработке давлением поддаются лишь бронзы, содержащие не более 6% Sn. Оловянные бронзы обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой антикоррозийной стойкостью в атмосферных условиях и в воде, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и паяются. Предназначаются для изготовления антифрикционных деталей и литых деталей, работающих на трение.

Бронзы обозначают буквами и цифрами соответственно компонентам и их содержанию. Основные компоненты бронз: О - олово, Ц - цинк, Ф - фосфор,Б - бериллий, Н - никель, А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец.

Пример: Бр.АЖМц10-3-1,5 означает 10% Al, 3% Fe, 1,5% Mn, остальное Cu - 85,5%.

Деформируемые оловянные бронзы используют в основном для изготовления лент, полос, прутков, проволоки для пружин, подшипниковых деталей.

Из литейных оловянных бронз изготовляют арматуру, работающую в слабокоррозионных средах, а также в парах под давлением до 25 кгс/см3 и антифрикционные детали.

Латунь

Сплавы медь-цинк с содержанием Zn до 45% называют латунями. В твердом состоянии у системы Cu-Zn образуются шесть фаз. Наибольшее техническое применение получили альфа-латуни, содержащие до 39% Zn и альфа+бета-латуни, содержащие от 39 до 45% Zn (бета - темная составляющая структуры, альфа соответственно - светлая).

Наибольшую пластичность имеют латуни, содержащие 30-32% цинка. Максимальную прочность - 42-45% цинка. При большем содержании Zn прочность и пластичность значительно понижаются. альфа-латуни обладают высокой пластичностью, допускающей обработку давлением в холодном состоянии. Альфа+бета-латуни обладают большей твердостью и меньшей пластичностью.

Латуни подвергают легированию Al, Ni, Mn, Sn, Pb и другими элементами. Al, Ni, Mn, Sn увеличивают прочность и антикоррозионность; Si повышает прочность и улучшает литейные свойства; Pb улучшает обрабатываемость резанием и т.д.

Обыкновенные латуни обозначают буквой "Л" и двухзначными цифрами, характеризующими содержание % Cu. В специальных латунях за буквой Л следует в порядке убывания обозначение основных легирующих элементов и цифры, соответствующие содержанию Cu и этих элеметов.

Безоловянные бронзы

К ним относятся алюминиевые, бериллиевые, кремниевые и свинцовые бронзы.

Алюминиевые бронзы являются сплавами Cu с 4-11,5% Al, в которые для улучшения свойств еще вводят Fe, Ni, Mn. Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами, повышенной жаропрочностью и антикоррозионной стойкостью.

Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки с 850-900oС и последующего отпуска при 400-600oС в течении 1,5 ч. Алюминиевые бронзы подвергаются обработке давлением, хорошо отливаются, удовлетворительно свариваются и обрабатываются резанием. Применяют для изготовления антифрикционных деталей, работающих при повышенных температурах, прутков, лент, полос, труб, а также поковки и фасонное литье.

Бериллиевые бронзы - это сплавы Cu-Be, содержащие 1,6-2,2% Be. Наиболее распространенной является бериллиевая бронза Бр.Б2, обладающая высокой химической стойкостью, износоустойчивостью и упругостью. После термической обработки, состоящей из закалки с 800oС в воде и искуственного старения при 350oС в течении 9 ч, бериллиевые бронзы приобретают высокую прочность и твердость. Бериллиевые бронзы хорошо свариваются, обрабатываются резанием и подвергаются горячей обработке давлением. Из этих бронз изготавляют особо важные детали приборов и специального оборудования, мембраны, пружины, пружинящие контакты и некоторые детали, работающие на истирание.

Кремниевые бронзы являются сплавами Cu, содержащими 0,6-3,5% Si и небольшое количество Ni и Mn. Кремниевые бронзы обладают высокой упругостью и выносливостью, хорошей антикоррозионной стойкостью и антифрикционностью, успешно поддаются обработке литьем и давлением в горячем состоянии, удовлетворительно свариваются и обрабатываются резанием. Кремниевые бронзы упрочняются термической обработкой или нагартовкой. Являются заменителями оловянистых бронз при изготовлении антифрикционных деталей (Бр.КН1-3) или бериллиевой бронзы при изготовлении пружин и пружинящих деталей радиооборудования (Бр.КМц3-1).

Свинцовые бронзы являются сплавами Cu-Pb, содержащими 27-63% Pb; обладают высокими антифрикционными свойствами; применяются для деталей, работающих в условиях трения-скольжения.

Литература

1. Технология металлов и сварка. Под ред. П.И. Полухина. М. Высшая школа. 1977.

2. Строительные материалы. А.Г. Домокеев. М. Высшая школа. 1989

3. Большая советская энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М. изд. «Советская энциклопедия». 1974.

Размещено на Allbest.ru

...