книги / Технология металлов

сокая красностойкость при 500—550° С, что позволяет работать с относительно большими скоростями резания.

Литая структура Р18 аналогична структуре белого чугуна. Ковка разбивает литую эвтектику на обособленные карбиды, ко­ торые располагаются в структуре наряду с вторичными и эвтектоидными карбидами.

При очень высоком нагреве под закалку (1280° С для стали Р18 и 1240° С для стали Р9) растворяются вторичные карбиды, которые сильно легируют сталь. Нерастворившиеся избыточные карбиды препятствуют при высоком нагреве росту зерен. После закалки получается мартенсит и остаточный аустенит и избыточ­

аустенит превращается в мартенсит. При двух-трехкратном на­ греве и охлаждении удается весь остаточный аустенит превра­ тить в мартенсит. Такой легированный мартенсит имеет твер­ дость > 62 HRC и красностойкость до 550—600° С.

Инструмент из быстрорежущей стали в настоящее время про­ изводят как механической обработкой, так и методами пластиче­ ской деформации, например, сверла на заводах массового произ­ водства изготавливают методами поперечного, секторного и продольнЬ-винтового проката.

Термическую обработку инструмента из быстрорежущей ста­ ли производят в жидких средах: нагрев под закалку на 1240— 1280° С в хлорбариевой электродной ванне, изотермическая вы­ держка -при 500—550° С в расплавленной селитре и охлаждение на воздухе. После такой закалки быстрорежущая сталь типа Р18 имеет твердость 61—63 HRC и содержит до 30% остаточного аус­ тенита. Отпуск проводят в расплавленной селитре или щелочи при 560° С 2—3 раза по одному часу с охлаждением до комнатной температуры между отпусками. Получают твердость 62—65 HRCy содержание остаточного аустенита 1—3%. Контроль полноты отпуска проводится магнитным методом на специальных прибо­ рах — аустенометрах.

В последнее время для обработки труднообрабатываемых материалов применяются быстрорежущие стали повышенной про­ изводительности, содержащие кобальт и увеличенное количество ванадия, например сталь Р10К5Ф5 (1,5% С, 10% W, 4% Сг, 5% Va, 5% Со).

Твердые сплавы

Если углеродистые и малолегированные инструментальные стали красностойки до 200° С, а быстрорежущие — до 550-^г- 600° С и у обоих сталей режущие свойства получаются благодаря закалке и отпуску, то твердые сплавы красностойки до 800—

1000° С и получение режущих свойств не требует закалки, так как их свойства соответствуют естественному состоянию.

Структура твердых сплавов состоит из специальных карби­

дов, связанных между собой кобальтом.

Твердые сплавы производят прессованием порошков карби­

частично растворяет в себе карбиды и при затвердевании связы­ вает между собой всю массу карбидов. Спекание производят в специальных печах в атмосфере водорода.

Твердосплавный инструмент тверд (до 85 HRC) и хрупок, поэтому из него готовят только* прессованные режущие пластинки. Пластинки шлифуют и ими армируют державки, в том числе и фрезы, изготовленные из конструкционной стали.

Наиболее распространенными являются следующие типы сплавов.

Однокарбидные сплавы типа ВК (ВКЗ, ВКб, ВК8 , ВКЮ). В этих сплавах количество кобальта составляет соответственно 3, 6 , 8 , 10%, а остальное— карбиды вольфрама. Чем больше ко­ бальта, тем большей вязкостью и меньшей твердостью обладает сплав. Это учитывается при выборе марки сплава в зависимости от назначения инструмента.

Двухкарбидные сплавы (например, Т15К6, Т5К6), состоящие из карбидов титана и вольфрама. В марках отмечаются процен­ ты карбидов титана и чистового кобальта, остальное— карбиды вольфрама. Карбиды разных типов взаимодействуют между собой (карбиды вольфрама частично растворяются в карбидах титана). Чем больше титана входит в сплав, тем сплав тверже,

но более хрупок.

Обычно для обработки чугуна и бронз применяют сплавы хипа ВК, а для обработки стали применяют сплавы типа ТК.

Износостойкие стали и сплавы

В принципе износостойкими сталями являются все инструмен­ тальные стали, даже в незакаленном виде, поскольку это стали карбидного класса. Чем больше в сталях содержится углерода, тем больше карбидов и тем больше износоустойчивость. В этом отношении очень хорошей износоустойчивой сталью являются твердые сплавы, но последние очень дороги и хрупки. Весьма дешевой и доступной является порошкообразная масса «стади~ нит», состоящая из 10% С, 18% Сг, 15% Мп, остальное Fe. З та смесь успешно применяется для наплавки рабочих поверхностей штампов, ножей грейдеров, бурового инструмента и т п.

Весьма большой интерес представляет в ы с о к о м а р г а н ц о- в и ст а я ст а л ь I 13, содержащая 1,0—1,3% С и 11 — 14% Л\п.

Благодаря высокому содержанию марганца сталь имеет аусте­ нитную структуру. При нагреве до 1100° С карбиды марганца полностью растворяются в аустените, легируют его и делают сталь весьма износоустойчивой. Износоустойчивость возникает по­ тому, что при большом удельном давлении и пластической дефор­ мации рабочая поверхность стали сильно наклепывается и упроч­ няется. Особенностью этой стали является то, что при большой

для таких деталей, как крестовины трамвайных рельсов, щеки дробилок, броневые плиты, шары дробильных мельниц, гусени­ цы тракторов, ковши экскаваторов и т. п.

Изделия из стали Г13 производят отливкой, а окончательные размеры получают шлифованием, так как при попытках обрабо­ тать режущим инструментом эта сталь под резцом сильно накле­ пывается и -не поддается резанию.

Применение стали Г13 при чисто абразивном износе, когда отсутствует деформирующее давление (например, сопла песко­ дувных аппаратов), не увенчалось успехом, так как при этих условиях отсутствуют условия для наклепа.

Как износоустойчивые применяются графитизированные ста­ ли, содержащие 1,3—1,5% С и до 1% Si, а также стали типа Х1 2 (см. главу «Инструментальные стали»). Сюда же могут быть от­ несены и шарикоподшипниковые стали, например сталь ШХ15, содержащая 1 % Си 1,5% Сг. Термическая обработка такой стали заключается в закалке с 840—860° С в масло и отпуска продол­ жительностью 1—3 часа при 150° С. Получают твердость 61—

65HRC.

6.СТАЛИ И С П Л А В Ы С О СО БЫ М И Ф И ЗИ Ч Е С К И М И

СВО Й СТВАМ И

Р е о с т а т н ы е с п л а в ы и с п л а в ы д л я н а г р е в а т е л ь н ы х э л е м е н т о в

Для указанных сплавов требуется низкая электропроводность, поэтому в отличие от электропроводов здесь требуется примене­ ние не чистых металлов, а сплавов, представляющих собой твер­

Для нагревательных элементов печей и приборов требуется большее удельное электросопротивление, чем в предыдущем слу­

чае, а также и большая жаростойкость до 1100—1200.° С. Для этой цели применяют н их р о м (60,0% Ni, 15% Сг, остальное Fe), ф е х р а л ь (15,0% Сг, 5,0%' А1, 80% Fe), хром а ль (30,0% Сг, 5,0% А1, 65,0% Fe) и др. У этих сплавов удельное электросопро­ тивление при 20° С до 1,5 ом-мм2/м.

1 0 0 ° С; п л ат и н ит (48% Ni, остальное Fe),ero коэффициент ли­ нейного расширения равен коэффициенту линейного расширения стекла и платины; э л и н в а р (36% Ni, 12% Сг, остальное Fe), модуль упругости постоянный и не меняется с температурой.

Магнитные сплавы для постоянных магнитов. Для постоянных магнитов небольших размеров применяется углеродистая сталь У10 и У12, обладающая после закалки большой коэрцитивной си­ лой (# с = 60—65 эрст) и большой остаточной индукцией (Вг = = 8000—8500 гс). Для более крупных магнитов применяются ста­ ли большей прокаливаемое™, содержащие около 1% С и 1,5— 3,0% Сг.

Высококачественными сплавами для постоянных магнитов являются железоникельалюминиевые сплавы (11—14% А1, 22—34% Ni, остальное Fe). Такие сплавы обеспечивают коэрци­ тивную силу 400—500 эрст при остаточной индукции 6000— 7000 гс. Присадка к этим сплавам Ti и Со (сплав а ль ни ко) дает коэрцитивную силу 500 эрст при В г 1200 гс.

Магнитномягкие сплавы для трансформаторов и динамо-ма­ шин. Наилучшим трансформаторным сплавом является сплав

обладает низкой коэрцитивной силой, высокой магнитной прони­ цаемостью и малыми потерями на токи Фуко. Хорошими сталями являются также кремнистые стали. Чем больше кремния, тем

.выше электротехнические свойства, но ниже пластичность. Для указанных целей применяются стали ферритного класса с нич­ тожно малым содержанием углерода (до 0,02%) и 1 —4% Si.

7. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Медь

Медь имеет более низкую температуру плавления (1083°С), чем железо. Ее плотность 8,9 г/смг.

Чистая медь является мягким и пластичным металлом; в про­ катанном и отожженном состоянии предел прочности меди не пре­ вышает 22—25 кГ/мм2, тогда как ее относительное удлинение со­ ставляет 40—50%.

Основными свойствами меди, способствовавшими ее широко­ му использованию в технике, являются:

а. Высокая электропроводность (р =0,017 ом • м/мм2)\ медь уступает по электропроводности только серебру, но значительно превосходит другие металлы, в частности железо. Однако высо­ кую электропроводность медь сохраняет только в том случае, если она применяется чистой, без примесей: все примеси, в том числе и улучшающие другие свойства меди, например прочность, снижают ее электропроводность; особенно значительно влияют примеси, образующие с медью твердые растворы. Поэтому для электротехнических целей применяют меди с содержанием более 99,95% (марка М-0) и более 99,90% (марка М-1).

б. Высокая теплопроводность; сплавы на основе меди имеют меньшую теплопроводность, чем чистая медь.

в. Высокая устойчивость против коррозии в ряде агрессивных сред: на воздухе, пресной воде, в атмосфере влаги, пара и др.

Многие элементы (Sn, Al, Si), вводимые в сплавы на основе меди, дополнительно повышают коррозионную устойчивость последней.

г.Низкий коэффициент трения; это свойство медь сохраняет

ив своих сплавах с другими элементами.

Некоторые элементы повышают механические свойства меди. В технике используют сплавы меди с цинком (латуни), оловом {оловянистые бронзы), алюминием (алюминистые бронзы), крем­ нием (кремнистые бронзы) и более сложно составленные спла­ вы, содержащие несколько легирующих элементов, например сплавы с цинком, алюминием, марганцем (сложные латуни)

и Т. Д:

Особенно высокую прочность имеют сплавы меди с бериллием, но из-за высокой стоимости они применяются мало.

Ч и с т а я ме д ь как обладающая высокой электро- и тепло­ проводностью, применяется главным образом в электропромыш­ ленности и в установках передачи тепла, в том числе в химиче­ ской промышленности.

Сплавы меди, как обладающие большей прочностью, низким коэффициентом трения, а также хорошей устойчивостью против

что при содержании до 38% Zn сплав имеет однофазную структу­ ру твердого раствора. Такие латуни называют а-латунями; они имеют вьгсокую пластичность и несколько большую прочность, чем чистая медь.

снижается пластичность, последующий нагрев до 750—800° С, вы­ зывающий рекристаллизацию, позволяет получить свойства, кото­ рые металл имел до холодной обработки.

О л о в я н и с т ы е б р о н з ы (сплавы Си—Sn), содержащие до 14% Sn, представляют однофазные а-сплавы; подобно латуни они хорошо пластичны и хорошо обрабатываются давлением.

При увеличении содержания олова выше 14% в структуре образуется новая твердая и хрупкая (3-фаза, представляющая химическое соединение. Поэтому двухфазные оловянистые брон­ зы уступают а-бронзам по пластичности, но превосходят их по прочности и особенно износоустойчивости; эти бронзы применяют для подшипников скольжения.

Двухфазные бронзы изготовляют литьем. Они обладают тем замечательным свойством, что при кристаллизации из жидкости в меньшей степени, чем другие металлы, уменьшают свой объем. Уменьшение объема (усадка) оловянистой бронзы составляет меньше 1%, латуни и чугуна — более 1% и стали даже более 2%. Это объясняет, почему оловянистые бронзы уже давно применяли для литья деталей сложных по форме и точных по размерам, а также для художественного литья. Для улучшения литейных свойств иногда добавляют немного фосфора.

Оловянистые бронзы уступают латуням по прочности, но обладают лучшей устойчивостью против коррозии, особенно в морской воде. Вследствие высокой стоимости часть олова заме­ няется свинцом и цинком. Поэтому наряду с оловянистой бронзой Бр. ОФЮ-1 (10% Sn, 1% Р) применяют бронзы марки Бр. ОЦС 5-6-3*, алюминиевые бронзы и др.

8.А Л Ю М И Н И Й И ЕГО С П Л А В Ы

Температура плавления алюминия 657° С, плотность 2,7. Благодаря малой плотности алюминиевые сплавы широко при­ меняются в авиастроении.

Алюминий в прокатанном и отожженном состоянии очень пла­ стичен (о ^50% ) и малопрочен (а* ^ 10 кг/мм2). Электропро­ водность алюминия несколько меньше, чем у меди (60%), но ввиду большой доступности он широко применяется в качестве заменителя меди в электротехнике. Алюминий коррозионноустой­ чив во влажной атмосфере, в сероводороде, в парах серы, во мно­ гих органических средах, в разбавленной серной кислоте. Боль­ шое практическое применение получили сплавы на алюминиевой основе.

Структуру и свойства алюминиевых сплавов легко объяснить, если воспользоваться диаграммой состояния с ограниченной и переменной растворимостью в твердом состоянии (рис. 44), при-

* Бронза содержит 6% Sn, 6% Zn и 3% Pb.

няв в качестве компонента А алюминий, а в качестве компонента В —легирующие примеси. Алюминиевые сплавы можно разде­ лить на д е ф о р м и р у е м ы е , когда количество компонента В не превосходит предельную растворимость и в структуре отсутствует эвтектика, и лит е йные , когда количество компонента В больше предельной расгёоримости и в структуре присутствует эвтектика. Чем больше количество эвтектики, тем выше литейные свойства.

относятся сплавы с малой концентрацией компонента В, раство­ ренного в алюминии (до Q%, рис. 44). К упрочняемым сплавам относятся сплавы с переменной ( в зависимости от температуры) растворимостью компонента В, особенно с концентрацией, близ­ кой к предельной растворимости. Упрочняющей термообработкой является закалка в сочетании со старением.

Примером алюминиевых сплавов может служить сплав алю­ миния с медью. Алюминий с медью дает химическое соединение СиА12 (56% Си). При содержании меди до 0,50% она полностью растворяется при комнатной температуре, образуя твердый рас­ твор. От 0,5 до 5,65% медь растворяется по мере нагрева сплава до эвтектической температуры (548°С). Ниже линии раствори­ мости выделяется из раствора вторичный СиА12. По мере увели­ чения количества меди свыше 5,65% появляется эвтектика, а при 33% меди структура становится сплошь эвтектической.

Алюминиевые сплавы с 4—5% Си при комнатной температу­ ре двухфазные (а + СиА12), при нагреве выше критической темпе­ ратуры и последующей закалке они становятся однофазными (а) и весьма пластичными. Длительное естественное старение в тече­ ние четырех-пяти суток или искусственное при 60—100° С в тече­ ние 20—30 час. приводит к повышению прочности и твердости примерно вдвое и к снижению пластичности.

Эффект упрочнения объясняется тем, что при старении зака­ ленной структуры атомы второго компонента в определенном по­ рядке перемещаются, образуя с атомами алюминия двухмерные зоны, так называемые зоны Гинье-Престона, когерентно связан­ ные с решеткой твердого раствора. По этой причине новую фазу нельзя обнаружить под микроскопом даже в виде мельчайших вторичных кристалликов.

При высоком нагреве (150° С и выше) упрочнение не получа­ ется, так как происходит выделение второй фазы в виде кристал­ ликов и их коагуляция.

Д у р а л ю м и н ы — это деформируемые сплавы на алюмини­ евой основе (марки Д1 и Д16, содержащие 3,8—4,8% Си). Кроме меди, в Д1 содержится 0,4—0,8% Mg, 0,4—0,8% Мп, до 0,7% Si и до 0,7% Fe, а в Д16 содержится 1,2—1,6% Mg, 0,3—0,9% Мп, до 0,5% Si и до 0,5% Fe.