2.4.1. Общие положения. В машиностроении технически чистые металлы применяются сравнительно редко из-за не-достаточных прочностных свойств. Поэтому в качестве кон-струкционных материалов главным образом применяют сплавы.
Сплав представляет собой вещество, состоящее из двух компонентов и более и полученное в процессе смешивания этих компонентов в жидком виде.
Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы. Кроме основных компонент в сплаве могут содержаться примеси.
Примеси бывают как полезными, улучшающими экс-плуатационные свойства сплава, так и вредными, ухудшаю-щими эти свойства. Кроме того, примеси бывают случайно попадающими в сплав при его приготовлении, и специально добавляемыми с целью придать сплаву нужные свойства.
Компоненты после отвердения сплава могут образовы-вать твёрдый раствор, химическое соединение или механи-ческую смесь.
В твёрдом растворе компоненты взаимно растворяются один в другом. Причем, один из компонентов обычно сохра-няет присущую ему кристаллическую решетку, а другой в виде отдельных атомов распределяется внутри этой решет-ки.
В химическом соединении компоненты вступают в хими-ческое взаимодействие с образованием новой кристалличе-ской решетки. При этом компоненты имеют определённое соотношение по массе.
В механической смеси компоненты обладают полной не-растворимостью и сохраняют каждый свою кристалличе-скую решетку, и сплав состоит из смеси кристаллов своих компонент.
Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления. Та механическая смесь, которая образуется одно-временной кристаллизацией из расплава, называется эвтек-тикой.
Сплавы металлов всегда имеют конкретную основу. Со-ответственно, все сплавы различают по группам:
– сплавы на основе железа; называются чёрными, к ним относятся стали и чугуны;
– сплавы на основе алюминия, магния, титана и берил-лия, имеющие малую плотность; называются лёгкими цвет-ными сплавами;
– сплавы на основе меди, свинца, олова и ряда других – это тяжёлые цветные сплавы;
– сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута – это легкоплавкие цветные сплавы;
– сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольф-рама, ванадия и ряда других металлов – это тугоплавкие цветные сплавы.
2.4.2. Сплавы на основе железа. Все сплавы на основе железа с содержанием углерода (С) до двух процентов име-ют одно обобщенное наименование – сталь. Важнейшим классификационным признаком сталей является их химиче-ский состав. По химическому составу стали, подразделяются на следующие группы:
а) углеродистые стали; сюда входят
– низкоуглеродистые стали с 0,09 – 0,20% С,
– среднеуглеродистые стали с 0,0 – 0,45 % С,
– высокоуглеродистые стали, содержащие более 0,5 % С;
б) легированные стали; сюда входят
– низколегированные стали с суммой легирующих эле-ментов до 2,5 %,
– среднелегированные стали с суммой легирующих эле-ментов 2,5 – 10,0 %,
– высоколегированные стали с суммой легирующих эле-ментов более 10 %.
Здесь под легированием [от лат. ligare – связывать, со-единять] понимают ввод в основной металл добавок других металлов для улучшения его свойств.
В обозначениях марок легированных сталей используют следующие обозначения химических элементов:
Г – Mn (марганец), С – Si (кремний), Н – Ni (никель), X – Cr (хром), М – Мо (молибден), В – W (вольфрам), Ф – V (ванадий), Т – Тi (титан), Д – Cu (медь), Р – В (бор), Ю – Al (алюминий), Б – Nb (ниобий), К – Со (кобальт), П – Р (фосфор), А – N (азот), Ц – Zr (цирконий).
Первые цифры в марке стали, указывают содержание уг-лерода в сотых долях процента. Цифра после буквы указы-вает среднее, округленное до 1 %, содержание легирующего элемента, при этом единица опускается. В отдельных случа-ях может быть указано более точно содержание легирующе-го элемента. Например, сталь 32X06Л содержит в среднем 0,32 % С (углерода) и 0,6 % Cr. Последняя буква Л указы-вает, что сталь литейная.
При определении степени легирования содержание угле-рода во внимание не принимают, марганец и кремний счи-таются легирующими элементами при их содержании более 1,0 и 0,8 %, соответственно.
В отечественной практике содержание марганца выдер-живают в пределах (0,35 – 0,65) % в низкоуглеродистых ста-лях и (0,5 – 0,8) % в средне- и высокоуглеродистых. Многие зарубежные фирмы предпочитают иметь в углеродистых сталях (0,9 – 1,1) % Mn.
Фосфор и сера являются вредными примесями и содер-жание каждого их них в любой марке стали свыше 0,03 % нежелательно (кроме некоторых специальных сталей).
2.4.3. Чугуны. Чугун представляет собой многокомпо-нентный сплав железа с углеродом (более 2,14 % С), а также с кремнием, марганцем, серой и фосфором. Широкое ис-пользование чугуна в машиностроении обусловлено опти-мальным сочетанием технологических и эксплуатационных свойств и приемлемыми для практики технико-экономи-ческими показателями.
В процессах получения чёрных металлов чугун занимает особо важное место, так как является первичным продуктом плавки из руд в доменных печах. По назначению доменные чугуны делятся на:
– передельные чугуны, то есть идущие в переработку на сталь;
– литейные – для производства фасонного литья;
– специальные, или доменные ферросплавы.
Основная особенность чугуна в ряду железоуглероди-стых сплавов заключается в том, что углерод в чугуне может находиться в структуре, либо в виде графита – это так назы-ваемые серый и ковкий чугун, либо в виде цементита, то есть карбида железа Fe3c – так называемый белый чугун.
2.4.4. Медные сплавы. Чистая медь относится к числу до-рогостоящих и дефицитных конструкционных материалов. Поэтому в чистом виде она применяется сравнительно ред-ко, а более распространёнными материалами являются мед-ные сплавы. Они обладают более высокими механическими свойствами, в том числе и пластичностью. Благодаря хоро-шей электрической проводимости, теплопроводности, кор-розионной стойкости, хладостойкости медные сплавы в ряде случаев незаменимы в электротехнических установках, ап-паратах криогенной техники, теплообменных устройствах, электронно-лучевых и плазменных печах.
Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни.
Бронзы в свою очередь делят на оловянные и безоловян-ные. Латуни представляют собой сплавы меди с цинком или многокомпонентные системы с добавками алюминия, крем-ния, марганца, никеля, железа, свинца.
Медные сплавы обозначают буквами и цифрами, непо-средственно определяющими наименование сплава и его химический состав. Так, оловянные литейные бронзы обо-значают следующим образом: БрО5Ц5С5, где Бр – бронза, содержащая олово (О), цинк (Ц) и свинец (С), а цифры пока-зывают среднее содержание этих элементов в процентах. Таким же образом обозначают и безоловянные бронзы.
2.4.5. Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы ши-роко применяют в авиационной, автомобильной, тракторной и в других отраслях промышленности. Эти сплавы обладают высокой прочностью, хорошими литейными свойствами, коррозионной стойкостью, теплопроводностью и электриче-ской проводимостью.
Алюминиевые сплавы не имеют единой системы марки-ровки. В большинстве марок первая буква А указывает на принадлежность к металлу-основе (алюминиевый сплав), вторая буква Л обозначает, что сплав литейный; за буквами стоят цифры, обозначающие нумерацию сплава, обычно не связанную ни с его химическим составом, ни с его свойст-вами. Так, АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др. (А – алюминиевый сплав, Л – литейный, номер 4).
Другую группу алюминиевых сплавов обозначают бук-вами и цифрами, непосредственно определяющими наиме-нование сплава и его химический состав. Например, АК7М2 (алюминиевый сплав, содержащий 7 % кремния и 2 % ме-ди).
2.4.6. Магниевые сплавы. В качестве конструкционного материала магниевые сплавы выгодны тем, что они при дос-таточно высокой плотности в 4,5 раза легче железа и в 1,6 раза легче алюминия. По своей удельной прочности они превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы, обладают хорошей демпфирующей способностью, что очень важно, например, для авиации и других видов транспорта.
Магниевые сплавы обозначают буквами, указывающими на принадлежность к основному металлу (М – магний) и на-значение сплава (Л – литейный). За буквами стоят цифры, которые обозначают нумерацию сплава, обычно не связан-ную ни с его химическим составом, ни с его свойствами.
Сплавы системы Mg – Al – Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6), за исключением марки МЛЗ, относятся к числу высоко-прочных. Они предназначены для изготовления высокона-груженных деталей, работающих в атмосфере повышенной влажности. Сплав МЛЗ предпочтителен для изготовления деталей, работающих в условиях средних статических и ди-намических нагрузок. МЛ4 используют для повышенно на-груженных деталей, кроме того этот сплав имеет высокую коррозионную стойкость. Сплав МЛЗ применяют для на-груженных деталей, работающих в условиях вибрации и ударов.
Сплавы системы Mg – Zn – Zr (МЛ8, МЛ 12, МЛ 15) так-же относятся к числу высокопрочных. При этом отличаются от других магниевых сплавов повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Ис-пользуются для деталей, работающих при температуре 200 –250 °С и высоких нагрузках.
Сплавы, легированные редкоземельными элементами (МЛ9, МЛ 10, МЛН, МЛ 19), обладают высокой жаропроч-
ностью и хорошей коррозионной стойкостью. Они предна-значены для длительной работы при 250 – 350 °С и кратко-временной – при 400 °С; детали могут надёжно работать при одновременном воздействии статических и усталостных на-грузок.
2.4.7. Сплавы на основе никеля, титана, ниобия.
Никелевые сплавы подразделяют на жаропрочные, жаро-стойкие, корозионностойкие и специальные (с особыми фи-зическими свойствами).
К жаропрочным относятся сплавы серий ЖС и ВЖЛ (ЖСЗ, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ 12 и др.), которые способ-ны стабильно работать при температуре до 1100 °С. Из этих сплавов отливают рабочие лопатки, диски и камеры сгора-ния газотурбинных двигателей.
Кроме хрома, алюминия и титана жаропрочные сплавы на никелевой основе содержат ещё 6–8легирующих эле-ментов, способствующих повышению жаропрочности, кор-розионной и эрозионной стойкости сплавов.
Жаростойкие сплавы, как правило, имеют двухкомпо-нентную основу Ni + Cr. Сплавы никеля с хромом получи-ли название нихромов. К ним относятся Х10Н90, Х20Н80, ХЗОН70, Х40Н60, Х50Н50 и др. Их нихромов отливают де-тали печного оборудования, а также изготовляют нагрева-тельные элементы.
Сплав НМЖМц 28–2,5–1,5 получил название «монель». Он обладает высокими коррозионными свойствами и соот-ветственно применяется в нефтяной промышленности, в хи-мическом машиностроении и судостроении. Кремнистая мо-нель обладает высокой износостойкостью.
Никель-кремниевые сплавы, содержащие около 40 % Мо и 5 % Fe, стойки в соляной кислоте любой концентрации при высоких температурах.
Хорошей коррозионной и антифрикционной стойкостью в ряде агрессивных сред обладают детали, изготовленные из сплавов никеля с алюминием, бериллием и титаном.
2.4.8. Титановые сплавы. Эти сплавы имеют совокуп-ность свойств, которые выгодно выделяют их из остальных сплавов. По прочности они не уступают сталям. Детали из титановых сплавов, имея одинаковую массу, по сравнению с деталями из других конструкционных материалов примерно в два раза прочнее. С увеличением температуры это разли-чие существенно возрастает. Этот показатель очень важен для таких отраслей техники, как авиация, ракетостроение, космонавтика.
Титановые сплавы также отличаются высокой химиче-ской стойкостью при температуре до 500 °С. Во влажном воздухе, морской воде, азотной кислоте они противостоят коррозии не хуже, чем высоколегированные корозионно-стойкие стали, а в соляной кислоте – во много раз лучше.
2.4.9. Ниобиевые сплавы. Применяются в основном для деталей турбин, работающих при температуре 1100–1400 °С. Жаропрочность и жаростойкость ниобиевых сплавов выше, чем любых других известных сплавов.
Ниобий не взаимодействует с расплавленным натрием и висмутом, которые применятся в качестве теплоносителей в ядерных реакторах, не образует хрупких соединений с ура-ном, имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов. Эти качества ниобия позволяют применять его для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в ядерной энергетике.
Наиболее существенно повышают прочность и жаро-стойкость ниобиевых сплавов цирконий, гафний, вольфрам, ванадий.
Известны сплавы ниобия с железом, хромом, титаном, алюминием, бериллием, кобальтом, никелем, кремнием и другими элементами. Каждый из сплавов обладает той или иной особенностью. Так, сплав, содержащий 5 – 35 % Сг и 5 – 30 % Т1, при температуре 1000 °С имеет наибольшую окалиностойкость. Временное сопротивление этого сплава при 20 °С составляет 1650 МПа, а при 1300 °С – 740 МПа. Наибольшей жаропрочностью отличаются сплавы ниобия, содержащие 15 % W, 5 % Мо, 1 % Zr и 5 % Ti.
2.4.10. Сплавы на основе цинка, олова, свинца. Основны-ми легирующими элементами цинковых сплавов являются алюминий, медь и магний. Алюминий повышает механиче-ские и литейные свойства, медь – прочностные и антифрик-ционные свойства, а также коррозионную стойкость, одно-временно снижая пластичность сплава. Магний повышает твёрдость сплава, но содержание магния не должно превы-шать 0,1 %. К числу наиболее вредных примесей относятся олово, свинец и кадмий. Даже тысячные доли процента этих элементов приводят к межкристаллитной коррозии и само-разрушению отливок без нагрузки. Железо и кремний резко ухудшают обрабатываемость и повышают хрупкость цинко-вых сплавов.
Цинковые сплавы используют в автомобиле-, приборе- и тракторостроении, в электротехнике и бытовой технике. Эти сплавы также заменяют оловянные бронзы рот изготовлении подшипников, работающих при малых скоростях и высоком давлении (до 20 МПа).
Оловянные сплавы в основном применяют в качестве ан-тифрикционных материалов (баббиты) для изготовления подшипников скольжения.
Применяемые в промышленности свинцовые сплавы де-лят на три группы: антифрикционные, типографские и при-пои.