Производство стали

Министерство общего и профессионального образования
Свердловской области
Государственное автономное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
Свердловской области
«Ирбитский политехникум»
Учебное пособие
для обучающихся
по дисциплине «Основы материаловедения»
для профессии НПО 151902.03 «Станочник (металлообработка)»
Разработчик:
Прокопьев Евгений Сергеевич,
преподаватель специальных
дисциплин «Металлообработка»,
ГАОУ СПО СО
«Ирбитский политехникум»
2014
Содержание
Введение
3
Раздел 1. Общие сведения о металлах
4
Тема 1.1. Свойства материалов
5
Тема 1.2. Испытание материалов
14
Раздел 2. Черные металлы
23
Тема 2.1. Чугуны
24
Тема 2.2. Стали
36
Раздел 3. Цветные металлы
61
Тема 3.1 Алюминиевые сплавы
Тема 3.2 Медные сплавы
Тема 3.3. Магниевые и титановые сплавы
63
80
88
Раздел 4. Неметаллические материалы
97
Тема 4.1. Смазочно-охлаждающие материалы
98
Тема 4.2. Резина
110
Тема 4.3. Пластическая масса
122
Заключение
130
Список литературы
131
2
Введение
В данном учебном пособии «Основы материаловедения» описаны 4
основных раздела: Общие сведения о металлах; Черные металлы; Цветные
металлы; Неметаллические материалы, которые изучаются на теоретических
занятиях по профессии: 151902.03 «Станочник (металлообработка)», в данном
пособии прописаны: цели урока, работа в классе (самостоятельная работа),
теоретический материал, упражнения для закрепления материала каждой
темы, список литературы и интернет ресурсы для выполнения домашнего
задания.
Учебный процесс в политехникуме существенно отличается от того, как он
организован в средней школе. Одна из важнейших наших задач - научить
учащегося самостоятельно учиться в дальнейшем всю жизнь. При разработке
каждого раздела в данном пособии учитывалось то, что каждый раздел должен
дать
совершенно
определенную
самостоятельную
порцию
знаний,
сформировать необходимые умения. После изучения каждой темы учащиеся
получают рекомендации преподавателя по их дальнейшей работе. По
количеству баллов, набранных учащимися из возможных, учащийся сам может
судить о степени своей “продвинутости”. После освоения данного учебного
материала учащимся предлагается выполнить рефлексию и подготовиться к
практической и контрольной работам.
Главное в период обучения своей профессией - это научиться методам
самостоятельного умственного труда, сознательно развивать свои творческие
способности
и
овладевать
навыками
творческой
работы.
Для
этого
необходимо строго соблюдать дисциплину учебы и поведения.
И запомни: если не ты, то кто?
Самообразование это черта нашего времени, временный путь повышения
профессионального мастерства молодых рабочих.
3
Раздел 1. Общие сведения о металлах
Изучив данный раздел, Вы сможете:

Различать
основные
свойства
материалов,
использующихся
в
профессиональной деятельности;

Понимать основные сведения о металлах и сплавах;

Выполнять механические испытания образцов материалов;

Использовать химико-физические методы исследования металлов на
производстве.
В природе металлы существуют как в свободном, так и в связанном виде. В
свободном виде существуют малоактивные металлы: платина, золото, серебро.
Но в основном металлы встречаются в виде различных соединений. Многие
металлы способны реагировать друг с другом. Продукты взаимодействия
металлов между собой называются сплавами.
Металлы имеют многие специфические свойства. Все они за исключением
ртути при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском,
хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может
подвергаться
ковке,
теплопроводность
обработке
металла
резанием
объясняются
и
литью.
наличием
в
Электро-
нем
и
свободных
электронов. Металлы делятся на легкие и тяжелые, отличаются друг от друга
по твердости: самые мягкие - щелочные, их можно резать ножом; самый
твердый - хром. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. В
металлургии металлы делят на черные (железо, марганец, хром) и цветные
металлы.
4
Тема 1.1. Свойства материалов
Цели урока: усвоить понятие о кристаллических решетках и ее видах;
влияния вида решетки на свойства материала.
Понятийный аппарат:
Материаловедение,
кристаллическая
решетка,
механические
свойства,
химические свойства, твердость, прочность, пластичность, упругость, цвет,
температура плавления, теплопроводимость, обрабатываемость, усадка.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 1.1.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Перечислите, по каким 6 параметрам классифицируют материалы и
сплавы.
5.
Составьте общую таблицу по основным свойствам металлов и сплавов.
6.
Распишите основные признаки кристаллических решеток.
7.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
8.
Проведите рефлексию на отдельном листе
9.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Материаловедение - наука, изучающая связь между составом, строением и
свойствами материалов. Основной прикладной задачей материаловедения
является формирование у материалов требуемых свойств путем изменения их
состава и строения.
Материалы - вещества естественного и искусственного происхождения,
применяющиеся
в
практике,
в
частности,
в
приборостроении
и
машиностроении.
5
Свойства материалов зависят от состава, строения и внешних факторов, таких
как величина и характер приложенных сил, состав внешней среды,
температура, время, поля и излучения.
При
выборе
материалов
к
ним
предъявляют
эксплуатационные,
технологические и экономические требования.
Наиболее
приближенной
к
нуждам
потребителя
представляется
классификация по основному назначению с учетом эксплуатационных и
технологических требований:
конструкционные материалы общего назначения
-
(нормальной,
повышенной и высокой прочности, малой плотности, высокой удельной
прочности и жесткости),
материалы
-
для
упругих
элементов
(общего
и
специального
назначения),
конструкционные
-
(износостойкие,
материалы
хладостойкие,
специализированного
жаропрочные,
назначения
коррозионно-стойкие,
радиационно-стойкие, вакуумно-плотные, биологически совместимые, с
памятью формы и другие),
материалы с особыми технологическими свойствами (с высокими
-
литейными свойствами, с высокой технологической пластичностью, с
улучшенной обрабатываемостью резанием, с хорошей свариваемостью),
материалы
-
с
особыми
физическими
свойствами
(тепловыми,
магнитными, электрическими, оптическими).
В
твердом
состоянии
материалы
представляют
собой
совокупность
взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов), связанных между собой
силами притяжения, достаточными для того, чтобы удерживать частицы
вблизи некоторых устойчивых положений, являющихся центрами тепловых
колебаний частиц. Кристаллическая решетка - геометрически правильная
система которую строят атомы металоов при переходе из жидкого состояния в
твердое.
6
На рисунке 1.1 изображены сложные элементарные ячейки, основные типы
кристаллических решеток.
Рис. 1.1. Основные типы кристаллических решеток
а) гранецентрированная
б) объемноцентрированная
в) гексагональная
-
Объемноцентрированная
(ОЦ)
ячейка
(рис
1.5.
б)
-
содержит
дополнительно один атом на пересечении пространственных диагоналей куба
(или, в общем случае, параллелепипеда). В ОЦ кубической структуре (ОЦК)
кристаллизуются такие металлы, как
23V, 24Cr, 26Fe, 41Nb, 73Ta, 74W
(индекс
слева внизу обозначает номер элемента в периодической системе элементов
Д. И. Менделеева).
-
Гранецентрированная (ГЦ) ячейка (рис 1.5. а) - содержит дополнительно
по одному атому в плоскости каждой грани. В ГЦ кубической структуре
(ГЦК) кристаллизуются металлы 13Al, 28Ni, 29Cu, 47Ag, 78Pt, 79Au и др.
-
Гексагональная ячейка (рис 1.5. в) состоит из трех примитивных ячеек,
и, как и БЦ ячейка, содержит по одному атому в центре противоположных
граней. В гексагональной структуре кристаллизуются многие металлы 27Co,
30Zn,
39Y,
40Zr,
64Gd,
22Ti,
71Lu.
7
1. Физические свойства металлов
-
Цвет. По цвету отличаются от других металлов только медь (розовато-
красная) или золото (желтое). Серебро имеет характерный белый свет;
алюминий, магний, платина, олово, кадмий, ртуть - синевато-белый; железо,
свинец, и мышьяк - сероватый. В сильно измельченном состоянии металлы
имеют серый цвет. При пребывании в течении длительного времени на
воздухе большинство металлов окисляется и темнеет.
-
Удельный вес. Удельным весом металлов называется вес 1 см3
вещества, выраженный в граммах. Малый удельный вес алюминия и магния
имеет исключительно важное значение при постройке самолетов.
-
Плотность. По плотности металлы условно подразделяются на две
большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и
тяжелые металлы - все остальные.
-
Температура плавления. Температура, при которой нагреваемый металл
переходит
из
твердого
состояния
в
состояние
жидкое,
называется
температурой плавления.
-
Удельная
теплоемкость.
Количество
тепла в больших
калориях
(килокалориях - ккал), необходимо для повышения температуры 1 кг металла
на 1 oC, называется теплоемкостью металла и обозначается буквой С.
-
Теплопроводность. Свойство металла проводить тепло называется
теплопроводностью
теплопроводность
характеризуется
коэффициентом
теплопроводности, показывающим, сколько калорий тепла может пройти в
единицу времени сквозь 1 см oC вещества при разности температур на двух
противоположных гранях кубика в 1
o
C, и обозначается буквой λ.
Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и
поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении
поршней
двигателей
внутреннего
сгорания.
Металлы
с
большой
теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками
электричества.
8
-
Электросопротивление. За единицу электрического сопротивления
принято сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см с поперечным
сечением 1 см 2C при 0 oC. Эта единица называется омом (обозначается Ω).
Чем больше длина проводника и чем меньше поперечное сечение проводника,
тем сопротивлении его больше. При одной и той же длине и сечении
проводники из разных металлов имеют различное сопротивление, что
характеризуется удельным сопротивлением.
-
Термический коэффициент линейного расширения. Приращение длины
предмета на единицу длины при нагревании его на 1
o
C называется
термическим коэффициентом линейного расширения α. Так как коэффициент
α очень мал, то в таблицах его значение обычно дается с коэффициентом 10-6C,
т.е. в миллионных долях первоначальной длины, измененной при 0
o
C.
Свойство металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении
необходимо учитывать при изготовлении металлических сооружений и
деталей машин. Тепловое расширение имеет большое значение и для сварных
конструкций, в которых тоже возникают внутренние напряжения.
-
Магнитные свойства. По магнитны свойствам все металлы делятся на две
группы - диамагнитные и парамагнитные. При внесении диамагнитного
металла в магнитное поле оно уменьшается, а при внесении парамагнитного
металла магнитное поле усиливается. К диамагнитным металлам относится
бериллий, сурьма, висмут, медь, золото, серебро, цинк, кадмий, ртуть и др. к
парамагнитным металлам алюминий, кальций, барий, молибден, вольфрам и
др. Железо, кобальт и никель теряют свои магнитные свойства при высоких
температурах (железо при 759 oC, кобальт при 1110 oC и никель при 350 oC).
2. Механические свойства металлов
-
Твердость. Твердостью металла называется способность металлов и их
сплавов сопротивляться проникновению других твёрдых тел.
9
-
Упругость.
Упругостью
металла
называют
свойство
металла
восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения
действия внешней силы, вызывающей его деформацию.
-
Прочность. Прочностью называется способность металлов и их сплавов
сопротивляться воздействию статических и динамических нагрузок. В
зависимости от характера этих внешних сил различают прочность на
растяжение, на сжатие, на изгиб, на кручение и т.д. Условное напряжение,
отвечающее наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца,
называется пределом прочности, определяя максимальное усилие Р, которое
может выдержать образец во время испытания, деля его на первоначальную
площадь поперечного сечения образца F oC.
-
Вязкость ударная. Вязкость характеризуется сопротивлением удару.
Удельная ударная вязкость (сопротивление удару) определяется количеством
работы,
необходимой
для
разрушения
бруска
посредством
ударной
изгибающей нагрузки на так называемом копре Шарпи, деленной на
поперечное сечение образца, и выражается в кгм/см 2C.
-
Пластичность. Одним из основных свойств металла является их
пластичность, т.е. способность металлов и их сплавов, сохранять свои размеры
и формы после снятия нагрузок. Пластичность иногда характеризуют
величиной удлинения образца при растяжении.
-
Выносливость – способность металлов и их сплавов сопротивляться
усталости
-
Жаропрочность – сопротивление металла ползучести и разрушению в
области высоких температур при длительном действии нагрузки.
-
Усталость – разрушение металлов и их сплавов под действием
знакопеременных нагрузок.
3. Технологические свойства металлов
-
Ковкость. Способность металла без разрушения поддаваться обработке
давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.п.) называется его ковкостью.
10
Ковкость металла зависитот его пластичности. Пластичные металлы обычно
обладают и хорошей ковкостью.
-
Усадка. Усадкой металла называется сокращение объема расправленного
металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры.
-
Жидкотекучесть. Способность расплавленного металла заполнять форму
и давать хорошие отливки, точно воспроизводящие форму, называются
жидкотекучестью.
жидкотекучесть
благодаря
более
Кроме
способствует
хорошего
заполнения
формы,
лучшая
здоровой
плотной
отливки
из жидкого
металла
газов и
получению
полному выделению
неметаллических включений.
-
Износостойкость. Способность металла сопротивляться истиранию,
разрушению поверхности или изменению размеров под действием трения
называется износостойкостью.
-
Обрабатываемость. Способность металла обрабатываться при помощи
режущих инструментов называется обрабатываемостью.
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 1.1. выполните задание.
1.
Придумайте мнемонический прием для опорных элементов знаний
по разделу «Механические свойства».
2.
Решите ребус и запишите ответ, согласно цифре.
11
Домашнее задание:
На основании источника /1/, ответьте на вопросы.
1.
Как свойства металлов и сплавов влияют на обработку материала.
2.
Какие свойства относятся к химическим свойствам?
3.
Сущность и назначение ковкости и свариваемости металлов
4.
В чем различие между первичной и вторичной кристаллизацией?
5.
Привести примеры аморфных и кристаллических тел.
6.
Опишите аллотропные модификации и характерные свойства для железа.
7.
Какие должны быть физические свойства алмаза и графита?
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
12
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубов А.В. Справочное пособие по
материаловедению (металлообработка)/под ред. В.Н. Заплатина. М.: Академия,
2007.- 224с.
3.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
4.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет-ресурсы:
1.
http://materiall.ru/meltteory - Теория сплавов.
2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%F0%E8%F1%F2%E0%EB%EB%E8%F7
%E5%F1%EA%E0%FF_%F0%E5%F8%B8%F2%EA%E0
-
Свободная
энциклопедия: Википедия. Кристаллическая решетка.
3.
http://turner.narod.ru/dir1/material.htm - Механические свойства металлов.
4.
http://turner.narod.ru/dir1/material.htm - Механические свойства металлов.
5.
http://www.uzcm.ru/spravka/metall/latun/fiz.php
- Физико-механические
свойства металлов и сплавов.
13
Тема 1.2. Испытание материалов
Цели урока: усвоить понятие о видах испытания металлов; о способах
определения механических свойств металла.
Понятийный аппарат:
Индентор,
твердомер,
диаграмма
растяжения,
предел
прочности,
относительное удлинение, относительное сужение.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 1.2.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Перенесите и заполните таблицу /1.1/ в рабочей тетради, по образцу.
Характеристика методов испытания на твердость
Таблица 1.1
Методы
Способ измерения
Форма индентора
Бринелля
по диаметру отпечатка
стальной шарик
Нагружение F, H
статическое
24,5 - 29430
Роквелла
Шкала А
Роквелла
Шкала В
Роквелла
Шкала С
Виккерса
5.
Охарактеризуйте испытание на растяжение (сущность, определяемые
характеристики).
14
6.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
7.
Проведите рефлексию на отдельном листе
8.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Стандартные испытания:
Твердость – свойство материала оказывать сопротивление контактной
деформации, способность материала сопротивляться внедрению в его
поверхность твердого тела – индентора. Индентор – алмазный наконечник в
виде конуса. Испытания на твердость – самый доступный вид механических
испытаний.
Испытания на твердость производятся быстро и не требуют сложных
образцов, позволяют судить о других механических свойствах металлов
(например, о пределе прочности). Распространены методы вдавливания
твердого наконечника на твердомерах. Существует несколько способов
измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника.
Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания),
ударами же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная
царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие
свойства,
вдавливанием
-
сопротивление
пластической
деформации.
Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного
вдавливания,
при
котором
записывается
диаграмма
перемещения,
возникающего при внедрении индентора, с одновременной регистрацией
усилий. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор
твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и
динамическую (нагрузка прикладывается ударом).
метод Бринелля (HB), где твердость определяется как отношение нагрузки
вдавливания
стального
шарика
к
площади
полученного
отпечатка;
применяется для измерения твердости, меньшей твердости шарика (400HB
(4000МПа)), при нагрузке от 24,5 до 29430 Н. Шарики применяютдиаметром
15
1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с
толщиной и твердостьюобразца. При этом для получения одинаковых чисел
твердости одного материала прииспытании шариками разных диаметров
необходимо соблюдать закон подобия междуполучаемыми диаметрами
отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянномсоотношении между
величиной нагрузки P и квадратом диаметрашарика D2. Это соотношение
должно
быть
различнымдля
металлов
разной
твердости.
Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартномиспытании (D =
10мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB350. Если испытания проведены при
других условиях, то запись будет иметьследующий вид: HB 5/250/30-200 или
200 HB 5/250/30, что означает – числотвердости 200 получено при испытании
шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс идлительности нагрузки 30 с.
Прииспытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама обозначение НВ
дополняетсябуквой W с сохранением указанных индексов.
При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять
следующие условия:

образцы
с
твердостью
выше
HB
450/650
кгс/мм2
испытывать
запрещается;

поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и
других посторонних веществ;

диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;

образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка
(или менее диаметра шарика);

расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром
отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;

продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с
для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в
зависимости от материала и его твёрдости.
метод Роквелла. В поверхность испытываемого образца вдавливают стальной
или алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром
16
1,59 мм и по глубине проникновения в поверхность оценивают твердость
материала.
-
метод Роквелла (HRB) шкала В – (красного цвета), где твердость
определяется по глубине вдавливания шарика малого диаметра в поверхность
твердостью не более 400 HB (4000МПа) при нагрузке 1000 Н,
-
метод Роквелла (HRC) шкала С – (черного
цвета), где твердость
определяется по глубине вдавливания твердосплавного конуса в поверхность
твердостью более 400 HB (4000 МПа) при нагрузке 1500 Н,
- метод Роквелла (HRА) шкала А - (черного цвета) , где твердость
определяется по глубине вдавливания алмазного конуса в поверхность особо
твердых материалов при нагрузке 600Н,
метод Виккерса. В поверхность образца вдавливают четырехгранную
алмазную пирамиду и по диагонали отпечатка определяют твердость. Метод
Виккерса позволяет измерять твердость мягких и твердых металлов и сплавов
и твердость тонких поверхностных слоев.
метод
Кнупа,
где
твердость
определяется
как
отношение
нагрузки
вдавливания алмазной пирамиды специальной формы к площади полученного
отпечатка; применяется для измерения твердости хрупких материалов,
главным образом оптических.
Существует пять главных шкал твердости:

Бринелля - HB

Кнупа - HK

Роквелла - HR

Шора - HS

Викерса - HV
Каждая
из
данных
шкал
предусматривает
использование
индентора
специальной формы с алмазным, карбидным наконечником или наконечником
из закаленной стали, который вдавливается в материал с определенным
усилием
в
рамках
процедуры
испытания.
Величины
твердости
17
соответствуют либо
глубине
проникновения
индентора,
либо
размеру
образовавшейся выемки.
Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их
преимуществ перед другими видами испытаний:

простота измерений, которые не требуют специального образца и могут
быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

высокая производительность;

измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и
после измерения ее можно использовать по своему назначению;

возможность
ориентировочно
оценить
по
твердости
другие
характеристики металла (например: предел прочности).
Статическое испытание на растяжение – способ механических испытаний
металлов. Для статических испытаний изготовляются круглые образцы
испытуемого металла или плоские для листовых материалов. Образцы состоят
из рабочей части и головок, которые предназначены для закрепления их в
захватах разрывной машины. Размеры образцов стандартизованы. При
растяжении
образец
удлиняется.
Некоторые
сплавы
металлов
имеют
коэффициент линейного расширения близкий к нулю (применяются для
изготовления точных приборов, радиоламп).
В зажимах разрывной машины устанавливают круглый или плоский образец
стандартных размеров, и увеличивая нагрузку, следят за изменением его
длины. Пишущее устройство машины записывает диаграмму растяжения, по
которой определяют механические свойства.
Диаграммой растяжения называется график, показывающий функциональную
зависимость между нагрузкой и деформацией при статическом растяжении
образца до его разрыва. Эта диаграмма вычерчивается автоматически на
разрывной машине специальным приспособлением. В нашей лаборатории для
этой цели используется разрывная машина Р-10.
Для испытания на растяжение используются специально изготовленные
образцы, которые вытачиваются из прутка или вырезаются из листа.
18
Основной
особенностью
этих
образцов
является
наличие
длинной,
сравнительно тонкой рабочей части и усиленных мест (головок) по концам
для захвата.
Для
получения
сравнимых
результатов
испытаний
образцы
с
цилиндрической или прямоугольной формой поперечного сечения рабочей
части
изготавливаются
по
ГОСТ
1497-84.
Проводятся
испытания
цилиндрического образца, форма и размеры которого приведены на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Цилиндрический образец:
- расчетная длина образца,
- рабочая длина образца,
- длина конусообразной части образца,
образца,
- полная длина образца ,
рабочей длины,
- длина головки
- диаметр сечения расчетной и
- диаметр основания конуса (у головки ),
-
диаметр головки образца.
Для замера деформаций на расчетной части образца отмечают отрезок,
называемый расчетной длиной. Чаще всего применяются цилиндрические
образцы, у которых расчетная длина равна десяти диаметрам (длинные
образцы) и образцы с расчетной длиной равной пяти диаметрам (короткие образцы).
Перед установкой образца в машину необходимо замерить его рабочую длину
и диаметр
сечения
с точностью до 0,1 мм. Вычислить площадь поперечного
и рабочий объем образца
. Полученные данные занести в отчет.
После этого установить образец в захваты разрывной машины, заправить в
барабан бумагу, подвести к бумаге писчик и пустить машину в ход. Диаграмма
вычерчивается на бумаге этим писчиком в координатах “усилие – удлинение”.
19
Характеристиками прочности являются предел текучести
временной прочности
и предел
(временное сопротивление). Определяются они по
формулам 1 и 2:
;
(1)
. (2)
Определение характеристик пластичности. Пластичность характеризуется
следующими параметрами:
относительным остаточным удлинением, формула 3.
(3)
и относительным остаточным сужением, формула 4.
(4)
Чтобы определить величины
и
обе части разорванного образца
складывают, а затем уже измеряют длину и диаметр шейки в месте разрыва.
После определения характеристик испытываемого материала по таблицам
ГОСТа устанавливают марку стали, из которой изготовлен образец, в соответствии с этим решить, в каких конструкциях материал может найти
применение.
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 1.2. выполните задание.
1.
Определите по справочнику /2/ и учебнику /1/ марку стали, и σв для
приведенных величин твердости НВ- 437, 200, 358, 120.
2.
Решите ребус и запишите ответ в кроссворд (перенесенный в тетрадь),
согласно цифре.
20
3. Установите «ключ» головоломки и запишите в тетрадь три механические
характеристики металлов (сплавов)
Домашнее задание:
На основании источника /1/, ответьте на вопросы.
1.
На чем основан метод Шора?
2.
Почему
испытания
металлов
на
твердость
получили
широкое
распространение?
3.
Дайте определение коррозия металла и способы защиты металла от
коррозии.
4.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
21
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубов А.В. Справочное пособие по
материаловедению (металлообработка)/под ред. В.Н. Заплатина. М.: Академия,
2007.- 224с.
3.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
4.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/meltteory - Теория сплавов.
2.
http://turner.narod.ru/dir1/material.htm - Механические свойства металлов.
3.
http://www.uzcm.ru/spravka/metall/latun/fiz.php
- Физико-механические
свойства металлов и сплавов.
22
Раздел 2. Черные металлы
Изучив данный раздел, Вы сможете:

Понимать основные сведения о черных металлах и сплавах;

Пользоваться справочными таблицами для определения свойств сталей;

Пользоваться
справочными
таблицами
для
определения
свойств
чугунов;

Выбирать сталь для осуществления профессиональной деятельности,
обработки металла;

Выбирать чугун для осуществления профессиональной деятельности;

Читать марки инструментальных и конструкционных сталей

Читать марки серых, ковких, высокопрочных чугунов

Определять свойства обрабатываемого материала взависимости от
состава и марки стали, чугуна;

Составить классификацию сталей и чугунов;

Понимать структуру состояния железо – цементит (Fe-Fe3C).
Чёрные металлы — железо и его сплавы (стали, ферросплавы, чугуны), в
отличие от остальных металлов, называемых цветными, чёрные металлы
составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из
них основную часть составляют различные стали (табл. 8).

Чугуны — сплавы железа с углеродом, при содержании углерода более
2,14 % (в некоторых чугунах до 6 %). Чугуны делятся на белые, серые и
ковкие.

Стали — сплавы железа с углеродом при содержании углерода менее
2,14 %.
o
низкоуглеродистые (меньше 0,25 %)
o
углеродистые (0,25 — 0,6 %)
o
высокоуглеродистые (более 0,6 %)
Кроме углерода в чугунах и сталях содержатся другие компоненты, такие как
кремний, марганец, сера, фосфор и другие легирующие элементы.
23
Тема 2.1. Чугуны
Цели урока: усвоить основные понятие о видах чугуна; производстве чугуна
и определения характеристик сплава по марке чугуна.
Понятийный аппарат:
Чугун, сплав, домна, руда, шахта (шихта), отливка.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 2.1.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Составьте на основании материала в рабочей тетради классификацию
чугуна, по следующим признакам: по степени графитизации, по степени
графитовых включений, по степени эвтектичности, по прочности, по
пластичности.
5.
Распишите влияние легирующих элементов находящихся в составе
чугуна на свойства сплава.
6.
На основании Рис. 2.5 опишите сущность доменного процесса.
7.
Распишите правило расшифоровки марок чугуна, приведите пример.
8.
Распишите
свойства,
состав,
применение
серого,
ковкого
и
высокопрочного чугунов.
9.
Определите с какой целью применяют термическую обработку чугунов,
запишите ответ в тетрадь.
10.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
11.
Проведите рефлексию на отдельном листе
12.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Чугун - это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий
свыше 2,14% до 6,67% углерода.
24
Первые сведения о чугуне относятся к 6 веку до нашей эры. В Китае из
высокофосфористых железных руд получали чугун, содержащий до 7% Р
(фосфора), с низкой температурой плавления, из которого отливали различные
изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 веков до нашей эры.
Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 веке с появлением
первых доменных печей для выплавки чугуна из руд. Полученный чугун
использовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления
различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.).
В России производство чугуна началось в 16 веке; в дальнейшем оно
непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла
все страны, но через столетие вновь отстала от западно-европейских стран.
Появление во второй половине 18 века вагранок позволило литейным цехам
отделиться от доменных, т.е. положило начало независимому существованию
чугунолитейного производства. В начале 19 века возникает производство
ковкого чугуна. Во второй четверти 20 века начинают применять легирование
чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать
специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.).
Чугун как материал для производства художественных отливок использовался
ещё средневековыми мастерами. Например, в 10 веке нашей эры в Китае из
чугуна было отлито уникальное изваяние льва весом более 100 тонн. С конца
15 века в Германии, а затем и в других странах Европы художественное литьё
из чугуна получило особенно широкое распространение
– парковая
скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр. В России
художественное литье появилось в конце 17 века, и, в первую очередь,
благодаря мастерам Каслинского завода.
Во второй половине 19 - начале 20 веков более массивное, чем бронзовое, но и
более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью
тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко,
как и бронзовое. С конца 18 века чугунное литье находит самое широкое
разнообразное
применение
в
архитектуре.
Особенно
характерно
25
использование чугунных конструкций для зодчества 19 века, справедливо
называемым «веком Чугуна».
Углерод в нем может находится в химически связанном состоянии в виде
карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В
соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые литейные.
Серый (литейный) чугун (рис. 2.1.) — наиболее широко применяемый вид
чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет
включения графита пластинчатой формы. Получают путем первичной
кристаллизации при медленном охлаждении. По сравнению с металлической
основой графит имеет низкую прочность. Так как пластинчатые включения
наиболее сильно осклабляют металлическую основу, серый чугун имеет
наиболее низкие характеристики, как по прочности, так и по пластичности.
Свойства графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение
коэффициента
трения,
а
значит
сопротивление
износу,
хорошие
антифрикционные свойства. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием,
обладают способностью рассеивать колебания при вибрациях и переменных
нагрузках. Эти чугуны отличаются хорошей жидкотекучестью и малой
усадкой. Применяется серый чугун, как конструкционный материал в
строительстве и машиностроении для изготовления малоответственных и
средненагруженных деталей.
Рис. 2.1. Применение и структура серого чугуна
26
Ковкий чугун (рис. 2.2) получают из белого путем термической обработки –
отжига. Который заключается в длительной выдержке при температуре 950 оС
и медленном охлаждении. В результате графитные включения примут
хлопьевидную форму. Эти включения более компактны, они меньше
надрезают металлическую основу, и такой чугун оказывается более прочным.
Он уже может работать на растяжение.
Ковкий чугун используется для изготовления мелких и средних тонкостенных
отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических
знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,
тормозных колодок, шестерен, ступиц и т.д.). Однако ковкий чугун малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и
длительности производственного цикла изготовления деталей из него.
Рис. 2.2. Структура ковкого чугуна
Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней
формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна
присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов. Шаровидный графит в
наименьшей степени ослабляет металлическую основу, что приводит к
резкому повышению механических свойств чугуна, приближая их свойства к
свойствам углеродистых сталей, при этом сохраняет хорошие литейные
свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации. Этот
чугун конкурирует с углеродистыми сталями и к тому же он дешевле ковкого
чугуна и стали. Применяется для изготовления ответственных деталей в
автомобилестроении (коленчатые валы двигателей, компрессоров, зубчатые
27
колеса, цилиндры и т.д.). Такой чугун применяется для замены стальных
литых и кованых деталей, а также деталей из ковкого или обычного серого
чугуна.
Белый чугун получают путем первичной кристаллизации из жидкого сплава
при быстром охлаждении. Представляет собой сплав, в котором избыточный
углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном
состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит), который придает чугуну
бело-матовый цвет. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и
плохо обрабатывается, поэтому для изготовления деталей он не используется и
применяется как передельный, т.е. идет на производство стали и других видов
чугуна. Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии
в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в
качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения
(тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной
износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).
Маркировка чугунов.
По принятой маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат
буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугуна: П передельный, СЧ - серый чугун, ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий. Цифры в
обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические
свойства.
Для серых чугунов приводят регламентированные показатели пределов
прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм), например: СЧ 21-40 – серый
чугун σв = 210Мпа, σт = 400 Мпа.
Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности
при растяжении (в кгс/мм) и относительное удлинение (в %), например: ВЧ602 – высокопрочный чугун σв = 600Мпа, б = 2%.
Пример обозначения легированных чугун: ЧН19ХЗ — чугун, содержащий
~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугун регламентируется шаровидная
форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).
28
В наше время практически ничего не изменилось и в промышленности
разновидности чугуна маркируются следующим образом:
1. передельный чугун — П1, П2;
2. передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,
3. передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
4. передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
5. Чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ»,
обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
6. антифрикционный чугун
7. антифрикционный серый — АЧС,
8. антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
9. антифрикционный ковкий — АЧК;
10. Чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв
«ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм);
11. Чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
В зависимости от содержания углерода белые чугуны делят на эвтектический,
доэвтектический
и
заэвтектический.
- Эвтектический чугун – это чугун с содержанием углерода 4.3% имеет
структуру
ледебурита.
- Доэвтектический чугун - это чугун с содержанием углерода от 2.14 до 4.3%
имеет
структуру
перлит
+
вторичный
цементит
+
ледебурит.
- Заэвтектический чугун - это белый чугун с содержанием углерода от 4.3 до
6.67 % имеет структуру цементит первичный + ледебурит.
Художественное литье из чугуна. (рис. 2.3 и 2.4) Народные промыслы и
ремесла. В середине XIX века в далеком уральском поселке Касли, затерянном
среди гор и озер, на небольшом чугунолитейном заводе сложилось
замечательное искусство, прославившее уральских умельцев на весь мир,художественное литье из чугуна. Неподатливый, грубоватый с виду чугун под
руками уральских мастеров приобретал удивительные качества, позволившие
29
создать вещи, по своему художественному совершенству не уступающие
лучшим образцам ювелирного искусства.
Рис. 2.3. Художественное литье
Рис. 2.4. Художественное литье из серого чугуна
Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают при литье и вызывают изменения размеров и
формы отливки с течением времени, снижение твёрдости и улучшение
обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.
Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также
некоторым видам химико-термической обработки (азотированию,
алитированию, хромированию). Отжигу для снятия внутренних напряжений
подвергают чугуны при следующих температурах:
- серый чугун с пластинчатым графитом 500 оС –570 оС;
- высокопрочный с шаровидным графитом 550 оС – 650 оС;
30
- низколигированный 570 оС – 600 оС;
- высоколегированный чугун (типа нирезист) 620 оС – 650 оС.
Нагрев медленный со скоростью 70 оС – 100 оС / час, выдержка при
температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от
1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250 оС (для предупреждения возникновения
термических напряжений) медленное, со скоростью 20 оС – 50 оС /ч, что
достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают
на воздухе.
При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются
внутренние превращения, повышается вязкость, исключается коробление и
образование трещин в процессе эксплуатации.
Графитизирующий отжиг применяют для получения ковкого чугуна из
белого чугуна и для устранения отбела отливок из серого чугуна.
Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5
– 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; не более 0,12 % S), в
котором при отжиге происходит распад цементита с образованием графита –
графитизация белого чугуна.
Графитизацию при температурах выше критической можно представить
следующим образом: Цементит, аустенит и графит.
Процесс графитиззации начинается с возникновения графитных центров,
которые наиболее легко зарождаются в местах нарушения сплошности – в
закалочных и деформационных микротрещинах, усадочных микропорах. При
появлении в белом чугуне центров графитизации нарушается равновесие
между аустенитом и цементитом и в соответствии с диаграммой
железоуглеродистых сплавов (линии ES, E'S') возникает перепад концентрации
углерода на границах раздела фаз: аустенит – графит и аустенит – цементит. В
возникающей системе из трёх фаз – аустенита, графита и цементита аустенит
не может одновременно находиться в равновесии с цементитом и графитом.
Так как система стремится к равновесию из аустенита, который пересыщен в
слое, прилегающем к графиту,
31
будет выделяться избыток углерода и включения графита будут расти. Но при
этом аустенит становится ненасыщенным в слое, который прилегает к
цементиту, и происходит распад цементита и растворение углерода в
аустените, что снова вызывает пересыщение аустенита в слое, который
прилегает к графиту, и выделение из него избыточного углерода. Таким
образом, распад цементита продолжается до полного его растворения в
аустените, после чего между включениями графита и аустенита
устанавливается равновесие. В результате такого распада образуется
хлопьевидный графит (углерод отжига), характерный для структуры ковкого
чугуна.
При закалке чугуна превращения аналогичны превращениям,
происходящим при закалке стали. Но в связи с наличием в чугуне включений
графита закалка чугунов имеет следующие особенности.
1. Закалка проводится из двухфазного аустенито-графитного состояния.
2. При нагреве происходит растворение графита в аустените, в связи с чем,
несмотря на различную исходную структуру чугуна, превращению при
охлаждении подвергается аустенит с эвтектоидной или заэвтектоидной
концентрацией углерода.
3. При растворении графита в зонах, удалённых от мест контакта аустенита
с графитом, концентрация углерода меньше.
4. Ликвация при нагреве под закалку не устраняется.
Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения
твёрдости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка
чугуна
может быть объёмной непрерывной, изотермической и поверхностной.
При объёмной непрерывной закалке чугун нагревают под закалку
(медленно для отливок сложной конфигурации) до температуры на 40 – 60оС
выше интервала превращения (обычно до 850 – 930оС) с получением
структуры аустенит и графит. Затем дают выдержку для прогрева и
насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита
32
и меньше перлита, например, 10 – 15 мин для перлитных чугунов и до 1,5 – 2
часа для ферритных чугунов. Отливки охлаждают в воде (простой
конфигурации) или в масле (сложной конфигурации).
Отпуск проводится с целью снятия термических напряжений, повышения
твёрдости, прочности и износостойкости. Нагрев проводят медленный для
сложных изделий до температуры 150 – 300оС для деталей работающих на
износ или 400 – 600оС, затем дают выдержку 1 – 3 часа. Охлаждение проводят
на воздухе.
Производство чугуна:
Рис. 2.5. Схема доменного процесса
Доменная
печь
(домна)
показана в
разрезе, схематично
(рис. 2,5).
Снизу через фурму (устройство для подвода дутья) поступают горячий воздух,
кислород, метан, а навстречу движется шихта – смесь, состоящая из кокса
(источник энергии и восстановитель), подготовленного рудного концентрата и
флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки).
Домну через колошник (верхняя часть шахтных доменных плавильных печей)
покидает
доменный
газ,
содержащий
до
30%
СО.
33
Домна – сложнейшее инженерное сооружение высотой более 60 м и
диаметром
10
м,
снабженное
системой
контроля
и
управления,
предназначенное для выплавки чугуна – продукта химико-восстановительных
процессов.
Далее на схеме показаны основные химические реакции доменного
процесса (рис. 2.5.). Это – горение кокса в зоне над горном (нижняя часть
домны, где происходит горение топлива). Шлак выполняет также функцию
защиты чугуна от окисления. Далее происходит собственно восстановление
железа, затем – восстановление примесных элементов и науглероживание
железа
и,
наконец,
образование
шлаков.
Главное в любой технологии – это оптимизация процессов и высокая
производительность
аппаратов,
экономичность
производства.
На
производительность доменной печи влияют ее объем Vд.п и скорости
химических реакций.
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 2.1. выполните задание.
Составьте кроссворд из 6 слов, не используя слова из понятийного
1.
аппарата.
Домашнее задание:
На основании источника /1, 2/, ответьте на вопросы.
1.
Какими параметрами определяются типы чугунов?
2.
Изменения свойств, структуры металлов и сплавов при термической
обработке.
3.
История Каслинского литья.
4.
Оформить презентацию из 3 слайдов на тему: Чугун в искусстве
(художественное литье в нашем городе).
5.
Подготовка к практическим работам.
34
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
3.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет-ресурсы:
1.
http://slovari.yandex.ru/~%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/
%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%A7%D1%83%D0%B3%D1%83%D0%BD/ Чугун.
2.
http://www.izh-reduktor.ru/productions/promlit/promm_lit.html
-
Производство чугуна.
35
Тема 2.2. Стали
Цели урока: усвоить основные понятия о углеродистых, легированных
сталях; о переделе чугуна в сталь; определения характеристик сплава по марке
стали.
Понятийный аппарат:
Сталь, легированная сталь, легирование, компонент, легирующий элемент,
сталеплавильное производство, жидкотекучесть.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 2.2.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Составьте на основании материала в рабочей тетради классификацию
стали, по следующим признакам: по химическому составу, по назначению, по
способу получения, по качеству, по твердости, по степени раскисления.
5.
Распишите влияние легирующих элементов находящихся в составе стали
на свойства сплава.
6.
На основании Рис. 2.6. опишите сущность передела чугуна в сталь.
7.
Определите преимущества, недостатки способов производства стали,
ответ оформите в виде таблицы.
8.
Распишите правило расшифоровки марок сталей, приведите пример.
9.
Определите
с
какой
целью
применяют
термическую
обработку
углеродистых и легированных сталей, запишите ответ в тетрадь.
10.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
11.
Проведите рефлексию на отдельном листе
12.
Запишите домашнее задание.
36
Теоретический аспект темы:
Сталь - это сплав железа с углеродом и другими легирующими
элементами,
содержащий
до
%
2,14
углерода.
Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием
можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на
углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные,
инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).
Углеродистые
обыкновенного
конструкционные
качества,
стали
качественные
и
подразделяются
на
высококачественные,
особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами от 0 до 6.
Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются
цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в
сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с
нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце
маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II
обладают
повышенной
прочностью
и
упругостью.
Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат
хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Марки легированных сталей
обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее
содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры,
обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное
содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента
близко к 1%, цифра после буквы не ставится. Буква А в конце марки означает,
что сталь высококачественная.
Конструкционными называются
стали, предназначенные для
изготовления деталей машин
(машиностроительные стали),
конструкций и сооружений
(строительные стали).
Инструментальными
называются стали,
предназначенные для
изготовления режущих,
медицинских инструментов, а
также штампов.
37
Углеродистые стали:
Правила расшифровки сталей:
Стали
обыкновенного
качества
изготавливают
следующих марок
Ст0, Ст1, Ст2,...,
Ст6 (с увеличением
номера возрастает
содержание
углерода) ГОСТ
380-94.
С повышением
условного номера
марки стали
возрастает предел
прочности (в) и
текучести (0.2) и
снижается
пластичность
(,).
Изготовляют
горячекатаный прокат:
балки, швеллеры, уголки,
прутки, а также листы,
трубы и поковки. Стали в
состоянии поставки
широко применяют в
строительстве для
сварных, клепанных и
болтовых конструкций.
Пример:
- ВСт3Гпс2 - сталь углеродистая конструкционная, обыкновенного качества,
группа В, степень раскисления полуспокойная, повышенное содержание Mn,
№ марки 3, категория 2.
- Ст0 - сталь углеродистая конструкционная, обыкновенного качества, группа
А, № марки 0, категория 1.
Качественные
углеродистые стали.
Содержание
S<=0.04%,
P<=0.0350.04%, а
также меньшее
содержание
включений.
Маркируют цифрами
08, 10, 15,..., 85,
которые указывают
среднее содержание
углерода в сотых
долях процента.
ГОСТ 1050-88
Низкоуглеродис
тые стали
(С<0.25%) 05кп,
08, 07кп, 10,
10кп
Среднеуглероди
стые стали (0.30.5% С) 30,
35,..., 55
Стали с высоким
содержанием
углерода (0.60.85% С) 60,
65,..., 85
Используют для
малонагруженных
деталей,
ответственных
сварных
конструкций, а
также для деталей
машин,
упрочняемых
цементацией,
изготавливают
пружины и рессоры,
шпиндели, замковые
шайбы, прокатные
валки и т.д.
38
Пример:

05кп - сталь углеродистая конструкционная, качественная, С = 0,05 %,
степень раскисления кипящая.

40 - сталь углеродистая конструкционная, качественная, С = 0,4 %.
Легированные стали:
Конструкционные стали
маркируют цифрами и
буквами. Двухзначные
цифры, приводимые в
начале марки, указывают
содержание углерода в
сотых долях процента,
буквы справа от цифры
обозначают легирующий
элемент и его содержание.
Буква в конце марки
указывает на качество – А
– высококачественная, Шособовысококачественная.
ГОСТ 2590 – 88 или
19281-89
Стали, в которых
суммарное
количество
содержание
легирующих
элементов не
превышает 2.5%,
относятся к
низколегированны
м, содержащие 2.510% - к
среднелегированны
м, и более 10% к
высоколегированн
ым (содержание
железа более 45%).
Применяют в
тракторном и
сельскохозяйственн
ом
машиностроении, в
автомобильной
промышленности,
тяжелом и
транспортном
машиностроении в
меньшей степени в
станкостроении,
инструментальной
и других видах
промышленности.
Это стали
применяют для
тяжело
нагруженных
металлоконструкци
Условные обозначения легирующих элементов:
й.
X — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т —
титан, Ю - алюминий, Д—медь, Г - марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц
— цирконий, Р — бор, Б — ниобий, Е – селен, П – фосфор.
Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения,
Марки автоматных сталей начинаются с буквы А,
шарикоподшипниковых — с буквы Ш,
быстрорежущих — с буквы Р,
электротехнических — с буквы Э и магнитно-твердых — с буквы Е.
39
Пример:

08Х17Г - сталь конструкционная, легированная, качественная С = 0,08 %,
Cr = 17 %, Mn < 1,5 %.

15ХГН2ТА - сталь конструкционная, легированная, высококачественная
С = 0,15 %, Ni = 2 %; Ti; Cr; Mn < 1,5 %.
Инструментальные стали:
1.
Углеродистые стали
Обозначаются буквой У
затем стоит число одно
или двухзначное,
которое указывает
содержание углерода в
десятых долях. В конце
марки может быть
указано качество (буква
Авысококачественная) и
степень раскисления
данной стали. ГОСТ
1435-90.
Твердость
данных
сталей
62…65HR
C,
теплостой
кость 220
0
С,
невысокая
прокалива
емость.
Стали У10, У11, У12, У13
применяют для
инструментов (фрезы,
кернеры, зенкеры, сверла,
шабера, пилы, напильники и
т. д.). Для
деревообрабатывающего
инструмента применяют
стали У7 и У8. В качестве
режущего инструмента
только для резания с малой
скоростью (8-10 м/мин), так
как их твердость сильно
снижается при нагреве выше
190-200С.
Пример:

У15 - сталь углеродистая, инструментальная, качественная С = 1,5 %.
2.
Легированные стали
Инструментальные стали
маркируют цифрами и буквами.
Однозначное число, приводимое
в начале марки, указывает
содержание углерода в десятых
долях процента (если нет числа
то углерода 1 %), буквы справа
от цифры обозначают
легирующий элемент и его
содержание (если нет числа то
данного элемента как и в
конструкционных легированных
сталях менее 1,5 % или около
Пример:
1%). Буква в конце марки
указывает на качество – А –
высококачественная.
ГОСТ 5950 – 73
Твердость
данных сталей
составляет
30…65 HRC,
теплостойкост
ь
350-400 0С
Легированные
стали по
сравнению с
углеродистым
и обладают
большей
прокаливаемос
тью.
Пригодны для резания
материалов невысокой
прочности
(в=500600МПа) с
небольшой скоростью
(до 15-28м/мин). Их
используют для
инструмента (пилы,
метчики, гребенки,
фрезы, плашки,
сверла), не
подвергаемого в
работе нагреву свыше
200-250С. 40
Пример:
 Х10–сталь легированная, инструментальная, качественная С=1%, Cr=10%.
 Х12ВМ - сталь легированная, инструментальная, качественная С = 1 %, Cr =
12 %, W; Mо < 1,5 %.
 7Х16К – сталь легированная, инструментальная, качественная С = 0,7 %, Cr
= 16 %, Со < 1,5 %.
Быстрорежущие стали:
Маркируют буквой Р, затем
стоит число указывающее
содержание W в
натуральную величину.
Быстрорежущие стали
всегда высококачественные
и инструментальные, V≤2%
(если не указано в марке),
Сr≤4%, углерод по ГОСТу
19265 - 73, буквы справа от
цифры обозначают
легирующий элемент и его
содержание (если нет числа
то данного элемента как и в
конструкционных
легированных сталях менее
1,5 % или около 1%).
ГОСТ 19265-73
Обладают
высокой
твердостью
54…64 НRC,
теплостойкость
580-640 0 С
прочность и
износостойкост
ь при
повышенных
температурах,
возникающих в
режущей
кромке при
резании с
большой
скоростью.
Применяются
для
изготовления
сверл, фрез,
резцов,
протяжек,
долбяков,
прошивок,
зенкеров,
разверток и
т.д. Данные
стали
применяются
при скорости
резания 45-65
м\мин
Пример:

Р6М5 - сталь легированная, инструментальная, быстрорежущая,
высококачественная W = 6 % Мо = 5 %, V < 2 %, Cr = 4 %, С по ГОСТу.

Р9К5 - сталь легированная, инструментальная, быстрорежущая,
высококачественная W = 9 % Со = 5 %, V < 2 %, Cr = 4 %, С по ГОСТу.

Р6М5Ф3
–
сталь
легированная,
инструментальная,
быстрорежущая, высококачественная W = 6 % Мо = 5 %, V = 3 %, Cr = 4 %, С
по ГОСТу.
41
Быстрорежущие
стали,
повышенные
легированные
режущие
свойства.
ванадием
Они
и
кобальтом,
имеют
предусмотрены
для
труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.
Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные
стали (см. табл. 2.1.) с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После
термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую
красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRCэ и износостойкость.
Назначение и свойства быстрорежущих сталей
Таблица 2.1.
Марка стали, прочность,
износостойкость, особенности
Назначение
стали
Р18
Удовлетворительная Для всех видов инструментов, особенно
-
прочность
и
шлифуемость,
интервал
повышенная
подвергаемых
широкий
шлифованию,
закалочных
температур
Р9
значительному
при
обработке
конструкционных материалов прочностью
до 1000 МПа
Повышенная
-
износостойкость, более узкий
интервал
оптимальных
закалочных
температур,
повышенная пластичность при
горячей
пластической
Для изготовления инструментов простой
формы, не требующих большого объема
шлифования, применяемых для обработки
конструкционных материалов
деформации.
Р6М5 - Повышенная прочность,
более
узкий
закалочных
повышенная
интервал
температур,
склонность
к
Для
всех
видов
инструментов
при
обработке конструкционных материалов
прочностью до 1000 МПа.
42
обезуглероживанию.
Шлифуемость
удовлетворительная.
Для
Р9К5,
Р6М5К5,
Повышенная
твердость,
Р18К5Ф2
вторичная
получистовых
долбяков,
метчиков,
углеродистых
черновых
инструментов
теплостойкость, предназначенных
удовлетворительная прочность и
вязкость.
изготовления
сверл
для
и
и
(фрез,
и
т.п.),
обработки
легированных
Шлифуемость конструкционных сталей на повышенных
пониженная.
режимах
резания, а
также
некоторых
труднообрабатываемых материалов
Шарикоподшипниковые стали
Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений
обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0.95-1.0%
С и 1.3-1.65% Cr), а больших сечений - хромомарганцевую сталь ШХ15СГ
(0.95-1.05% С, 0.9-1.2% Cr, 0.4-0.65% Si и 1.3-1.65% Mn), прокаливающуюся
на большую глубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью
и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляются высокие
требования по содержанию неметаллических включений, так как они
вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также
карбидная неоднородность.
Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких
динамических нагрузках, применяют цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ.
После газовой цементации, высокого отпуска, закалки и отпуска детали
подшипника из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58-62 HRC и в
сердцевине 35-45 HRC.
43
Легирование (от лат. ligo - связываю, соединяю), введение добавок в металлы,
сплавы и полупроводники для придания им определенных физических,
химических или механических свойств (таблица 2.2.).
Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей,
содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие
элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах,
превышающих их обычное содержание как технологических примесей
(1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное
легирование.
Легирование
их технологических
сталей
свойств.
и сплавов
используют
Легированием
можно
для
улучшения
повысить
предел
текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость,
а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости,
деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях
крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства
легированных
сталей
значительно выше, чем механические свойства
углеродистых
сталей.
Применимость для легирования различных элементов определяется
не столько
физическими,
сколько,
в основном,
экономическими
соображениями.
Влияние легирующих элементов на свойства стали
Таблица 2.2.
Входит
в тверд
Легирую ый
щий
раствор
элемент
с Fe и у
прочняе
т его
Увелич
ивает
ударну
ю
вязкост
ь
Расширя
ет
область
аустенит
а
Сужае Увел
т
ичива
област ет
ь
прока
аустен ливае
ита
мость
Обра
Спосо
зует
Повыша
бствуе устой ет
т
чивы
раскис е
лению
сопротив
ление
карби коррозии
ды
44
Ni
+
+
+
-
+
-
-
+
Cr
+
-
-
+
-
-
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+
-
-
-
-
-
-
+
Mn
(более
1%)
Si
(более
0,8%)
W
Сu
(0,3 —
0,5%)
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита
и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все
легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе
выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость
и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом
теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод,
растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает
1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах,
уменьшают предел текучести.
Легированный
аустенит
коррозионностойких,
является
жаропрочных
основной
составляющей
и немагнитных
сплавов.
многих
Он легко
наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной
деформации.
устойчивость
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая
аустенита,
снижают
критическую
скорость
закалки
и
увеличивают прокаливаемость, таблица 2.3.
45
Режимы термической обработки некоторых углеродистых и
легированных сталей.
Таблица 2.3.
ТемпераМарка
стали
тура
кри- Виды и режимы термической
тических
обработки *\ температура, °С,
точек, °С
время выдержки, ч
Act
Ас,
10
732
874
15
735
863
20
735
854
25
735
840
30
732
813
35
730
802
40
730
790
45
730
755
Твердость
нв
Н, 920, воздух; 3, 900, вода + 4 101
Он, 200, 2
Н, 900, воздух; 3, 880, вода + 4
Он, 200, 2
Н, 890, воздух; 3, 870, вода 4 + Ов,
600, 1
Н, 890, воздух; 3, 870, вода -f. -fОв, 600, 1
Н, 880, воздух; 3 , 860, вода -f 4
Ос, 400, воздух
Н, 880, воздух; 3, 850, вода 4 -fОс, 400, воздух
Н, 870, воздух; 3 , 840, вода + 4
Ов, 620, воздух
Н, 860, воздух; 3, 830, вода -|-+
Ов, 600, воздух
156 *2
HRC
...
—
101 ... 156
—
123 ... 167
—
143 ... 179
—
179
—
209
—
167 ... 217
—
175 ... 217
—
От, 820; Н, 850, 0,5, вода; 3, 830 ,
50
725
760
0,5 вода; 3, 830, 0,5, вода 4 Ов, 200 ... 217
600, 1, вода (или Он, 200, 2, вода)
65Г
724
745
От, 820; 3 , 800, масло 4 Ос, 400
воздух
229
46
15Х
735
870
20Х
765
830
35Х
740
815
40Х
743
815
45Х
735
770
Н, 890 ; 31, 880, вода или масло 4
311, 770 ... 820, вода или масло4 179
0н> '80, воздух или масло
От, 850 ; 3 , 860, масло 4 Он, 200,
воздух
От, 820 ... 840 ; 3 , 860, масло 4
Он, 200, воздух
От, 780 ... 840 ; 3 , 860, масло 4
Он, 200, воздух
197
56 *3
217
45
42
229
...
58
Производство стали:
Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и
стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов.
Сталеплавильное производство является вторым звеном
производственном
цикле
черной
металлургии.
в общем
В
современной
металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно
- конвертерный, мартеновский и
электросталеплавильный
процессы.
Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.
Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь
получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна
(рис. 2.6) – углерода, кремния,
примесей, из металлического
марганца
сплава
и
фосфора.
удаляют
кислород, вводят легирующие элементы
После окисления
растворенный
в
нем
и получают сталь заданного
химического состава.
47
Передел чугуна в сталь
Рис. 2.6. Производство стали
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления
примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера,
происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде
оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим
образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;
2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода
из печной атмосферы к жидкому металлу;
3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через
шлак
происходит передача тепла металлу;
4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
48
Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей,
как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в
металле марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в
различные периоды сталеплавильного процесса
иметь
определенный
химический состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости).
Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов
плавки
расчетных количеств шлакообразующих — известняка, извести,
плавикового шпата, боксита и др.
Производство стали в конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов
передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки
чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через
фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого
для переработки 1т чугуна, составляет 350 кубометров.
Впервые
кислородно-конвертерный
процесс
в
промышленном
масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в
городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД
по первым буквам городов, в нашей стране - кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450
т, продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.
Процесс занимает главенствующую роль
способов
массового
конвертерного
производства
стали.
Такой
среди
существующих
успех
кислородно-
способа заключается в возможности переработки
чугуна
практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %,
возможность
легированные,
выплавки
высокой
широкого сортамента
сталей,
включая
производительностью, малыми затратами на
строительство, большой гибкостью и качеством продукции.
Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.
49
Конвертер имеет
горловиной.
грушевидную
форму
Это обеспечивает лучшие условия
с
для
концентрической
ввода
в
полость
конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки
лома
и
шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют
сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части
конвертера крепят цапфы,
соединяющиеся с устройством для наклона.
Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих
цапфы
с
приводом.
Конвертер
может
горизонтальной оси на 360о со скоростью от
0,01
поворачиваться вокруг
до
2
об/мин.
Для
большегрузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний
привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу.
В шлемной
части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку
исключает возможность попадания шлака в
металл.
Летка закрывается
огнеупорной глиной, замешанной на воде.
Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере
состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки
чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и
шлака.
Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в
наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин
лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов
заливают
жидкий
чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и
включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Одновременно с
началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной
руды
(40
-
60
%
от общего количества). Остальную часть сыпучих
материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими
порциями, чаще всего 5 - 7 минут после начала продувки.
На процесс рафинирования значительное влияние оказывают
положение
фурмы (расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление
подаваемого кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах
50
1,0 - 3,0 м, давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный
режим
продувки обеспечивает хорошую циркуляцию
металла
и
его
перемешивание со шлаком. Последнее, в свою очередь, способствует
повышению скорости окисления содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.
Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является
шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет
ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет
на
качество
выплавляемой стали, выход годного и качество футеровки. Основная цель
этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака
необходимыми
с
свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.).
Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса
(длительность
продувки
необходимой основности
14
и
-
24 минуты). Формирование шлака
заданными
свойствами зависит от скорости
растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке
влияют такие факторы, как состав
смачивания
шлаком
поверхности
шлака,
извести,
температурный режим, состав чугуна и т. д.
основного шлака способствует наличие
его
окисленность, условия
перемешивание
Раннему
первичной
ванны,
формированию
реакционной
зоны
(поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой
до 2500о. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию
высокой
температуры
и шлака с
повышенным
содержанием
оксидов
железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и
зависит от состава чугуна и содержания SiO2 руде, боксите, извести и
др. Общий
расход
извести составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход
боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного
шлака должна быть не менее 2,5.
Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки.
При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и
марганец.
51
Это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду
при сравнительно низких температурах (1450 - 1500о С и менее).
Окисление
углерода
важное значение, т.
к.
в
кислородно-конвертерном
влияет
на
процессе
температурный
режим
имеет
плавки,
процесс шлакообразования и рафинирования металла от фосфора, серы,
газов и неметаллических включений.
Характерной особенностью кислородно-конвертерного
производства
является неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в
течение продувки.
С первых минут продувки одновременно
начинается процесс дефосфорации
интенсивное
-
с
удаление
окислением
углерода
фосфора.
Наиболее
удаление фосфора идет в первой половине продувки при
сравнительно низкой температуры металла, высоком содержании в шлаке
(FeO);
основность
шлака
Кислородно-конвертерный
и
процесс
его количество быстро увеличивается.
позволяет получить
< 0,02 % Р в
готовой стали.
Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя
считать таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина
заключается в том, что шлак содержит значительное количество (FeO) и
высокая основность шлака (> 2,5) достигается лишь во второй половине
продувки.
Степень
десульфурации
при
кислородно-конвертерном
процессе находится в пределах 30 - 50 % и содержание серы в готовой стали
составляет 0,02 - 0,04 %.
По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму
поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения
перемешивания металла и шлака) выливают в ковш.
Полученный металл
содержит
повышенное
содержание
кислорода,
поэтому заключительной операцией плавки является раскисление металла,
которое проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со
52
сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш
попадают
раскислители и легирующие добавки.
Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш,
установленный на шлаковозе под конвертером.
Течение
кислородно-конвертерного
процесса
обусловливается
температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и
введением
в
конвертер охладителей - металлолома, железной руды,
известняка. Температура металла при выпуске из конвертера около 1600о С.
Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество
отходящих газов. Для использования тепла отходящих газов и отчистки их
от пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка
для очистки газов.
Управление конвертерным процессом осуществляется
с
помощью
современных мощных компьютеров, в которые вводится информации об
исходных материалах (состав и количество чугуна, лома, извести), а также о
показателях
процесса (количество и состав кислорода, отходящих газов,
температура и т. п.).
Производство стали в мартеновских печах
Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и
металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе
в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и
физического
тепла
шихтовых
материалов.
Для
плавление
твердых
шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь
нагрева
стали
до необходимых
и
температур в печь подводиться
дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве
топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.
Для обеспечение максимального использования подаваемого
в
печь
топлива (мазут или предварительно подогретые газы) необходимо, чтобы
процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В
связи с этим в печь воздух подается в количестве,
превышающем
53
теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи
избыток
кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате
разложения при высоких температурах углекислого газа и воды.
Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е.
в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл
в мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или
косвенному воздействию окислительной атмосферы.
Для интенсификации горения топлива в рабочем пространстве часть воздуха
идущего на
горение,
может
заменяться
кислородом.
Газообразный
кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично
продувке металла в конвертере).
В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других
элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов
FeO, Fe2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 и др. Вместе с частицами постепенно
разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак.
Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.
Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят, как и при
других
сталеплавильных
процессах,
из
металлической
части
(чугун,
металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части
(железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).
Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение
количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в
зависимости
от процесса, выплавляемых марок стали и
экономических
условий.
По характеру шихтовых материалов основной мартеновский
процесс
делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из
которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.
При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до
75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко
применяется
на
заводах с полным металлургическим циклом.
54
При скрап-процессе основную массу металлической массы шихты (от 55 до
75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило,
применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых
нет доменного производства.
Производство стали в электропечах
Электросталеплавильное производство - это получение качественных и
высококачественных
сталей
в
электрических
печах,
обладающих
существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными
агрегатами.
Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии
для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате
преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической
дуги либо в
специальных
нагревательных
элементах,
либо
за
счет
возбуждения вихревых токов.
В отличие от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в
электропечах
электроплавку
не
связанно
можно
с
потреблением
вести
в
любой
окислителя.
среде
-
Поэтому
окислительной,
восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в
условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь,
предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом
в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.
Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами
мощностью до 125 тысяч киловатт.
Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая
между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении
к
электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет
собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака.
Температура электрической дуги превышает 3000о С. Дуга, как известно,
может возникать при постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают
на переменном токе.
55
При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый
период плавки, когда катодом является электрод,
дуга
горит,
т.
к.
пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания
электронов с нагретого конца электрода. При
перемене
полярности,
когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки
металл еще не нагрет и его температура недостаточна для
электронов.
эмиссии
При последующей перемене полярности дуга вновь возникает,
поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно.
После расплавления шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака,
дуга стабилизируется и горит ровно.
Диаграмма состояния железо – цементит (Fe - Fe3C)
Диаграмму состояния железо (см. рис. 2.7.) - углерод чаще всего представляют
в интервале концентраций от железа до цементита. При этом ось абсцисс
(концентрационная) на диаграмме, как правило, даётся двойной, показывая
содержание углерода и цементита.
Перитектическое превращение δ+Ж↔γ протекает при 1494±2°C. Предельная
концентрация углерода в δ-фазе (точка H) отвечает 0,1% (по массе), или 0,46%
(ат.). Для точки J приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.); для
точки B - значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического
анализа, линия ликвидус δ-фазы AB - почти прямая, точке B соответствует
2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Fe составляет 0,5% (ат.).
Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°C, точке J отвечает
0,18% (по массе), или 0,81% (ат.).
Кривая ликвидус аустенита BC установлена данными Руэра, Хондо, Эдкока,
Умино и др. Почти прямолинейный вид линии солидус γ-фазы (JE) также
подтверждён в работах. Предельная растворимость углерода в γ-фазе при
1147°C составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°C 2,02% (по
массе), или 8,7% (ат.).
Обычно из расплавов, содержащих более 0,51% (по массе) C, выделяется γфаза. Однако при переохлаждении расплавов, содержащих 0,5-1,5% (по массе)
56
C, наблюдалась кристаллизация δ-фазы по метастабильному ликвидусу BB' и
солидусу HH' с последующей перекристаллизацией пересыщенной углеродом
δ-фазы в равновесную γ-фазу по реакции жδ+δпересыщ→жγ+γ, что указывает на
существование в расплавах, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, смешанного
ближнего порядка жδ+δ→жγ+γ.
Кривая
ликвидус
цементита
CD
экспериментально
не
фиксируется.
Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих
до 5,5% (по массе) C, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит
разлагается до плавления (Fe3C→Fe+Cгр). По расчётным данным, виртуальная
температура
плавления
цементита
оценивается
равной
1200-1450°C.
Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 12501300°C.
В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7% (по массе) C после
закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду
наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено. Таким образом,
метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом.
При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe 7C3, Fe2C и
Cалм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов Fe xC (Fe2C)
наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закалённой стали.
Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°C,
эвтектике (точке С) соответствует 4,30% (по массе), или 17,28% (ат.) C.
Превращение γ↔α (A3, кривая GS), исследованное многими авторами, также
подтверждено последующими работами.
Эвтектоидная точка находится при 723°C и 0,76% (по массе), или 3,44% (ат.)
C, а по другим данным, при 727,2±0,5°C и 0,765% (по массе), или 3,46% (ат.).
Таким образом, температуры и концентрации для всех характерных точек
метастабильной системы Fe-Fe3C подтверждены последующими работами.
Растворимость цементита в α-Fe (кривая PQ) очень мала и составляет 0,02%
(по массе), или 0,095% (ат.) C. Согласно другим данным, растворимость
цементита в α-Fe при 723°C равна 0,025% (по массе).
57
Метастабильная система Железо - Цементит проявляется только при
содержании углерода до 6,67% (по массе) С (Fe3C). При высоких давлениях
цементит Fe3C стабилизируется и появляется карбид Fe7C3, находящийся в
равновесии с алмазом.
Рис. 2.7. Диаграмма железо - цементит
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 2.2. выполните задание.
1.Решите головоломку и напишите ответы в тетради.
58
Домашнее задание:
На основании источника /1/, ответьте на вопросы.
1.
Сущность и назначение ковкости и свариваемости металлов
2.
Зачем производят раскисление стали?
3.
Какие свойства приобретает поверхностный слой детали после химико-
термической обработки?
4.
Подготовка к практическим и контрольной работам.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Зуев В.М., Термическая обработка металлов/ пд ред. В.М. Зуева. М.:
Высшая школа: Академия, 1999. – 156 с.
3.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
4.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
59
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/steel
– Все о материалах и материаловедении.
Легированные стали.
2.
http://materiall.ru/term – Термическая обработка стали.
3.
http://www.gkstal.ru/markastal/group.php – Стали конструкционные.
4.
http://www.splav.kharkov.com/choose_type_class.php?type_id=3
-
Стали
конструкционные – все марки.
60
Раздел 3. Цветные металлы
Изучив данный раздел, Вы сможете:

Понимать основные сведения о цветных металлах и сплавах;

Пользоваться справочными таблицами для определения свойств цветных
металлов и сплавов;

Выбирать инструментальный материал для осуществления обработки
цветного металла, сплава;

Читать марки алюминиевых сплавов

Читать марки медных сплавов

Определять свойства обрабатываемого материала взависимости от
состава и марки сплава, цветного металла;

Составить классификацию цветных металлов;

Понимать сущность производства отливок.
Все цветные металлы разделяются на несколько групп (но общепринятой
классификации цветны металлов нет). Это, например, тяжелые- Сu, Рb, Zn, Ni,
Sn: легкие металлы - Al, Mg, иногда Ti и др.; малые- Со, Sb, Bi, Hg, Cd;
благородные металлы - Au, Ag, Pt и др. платиновые металлы; редкие металлы Li, Be, Zr, Nb, Ga, In; редкоземельные элементы (Y, La, Се и др.) группы в
свою очередь разделяются на ряд, подгрупп.
Из цветных металлов наибольшее промышленное применение получили медь,
алюминий
и
сплавы
на
их
основе
(табл.
8).
Цветная металлургия — отрасль металлургии, которая включает добычу,
обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов.
По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно
разделить на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий,
титан, магний). На основании этого деления различают металлургию лёгких
металлов и металлургию тяжёлых металлов.
На территории России сформировано несколько основных баз цветной
металлургии. Различия их в специализации объясняются несхожестью
61
географии
лёгких
промышленность)
и
металлов
тяжёлых
(алюминиевая,
металлов
(медная,
титано-магниевая
свинцово-цинковая,
оловянная, никель-кобальтовая промышленности).
Производство тяжёлых цветных металлов в связи с небольшой потребностью в
энергии приурочено к районам добычи сырья.

По запасам, добыче и обогащению медных руд, а также по выплавке
меди ведущее место в России занимает Уральский экономический район, на
территории
которого
выделяются
Красноуральский,
Кировградский,
Среднеуральский, Медногорский комбинаты.

Свинцово-цинковая промышленность в целом тяготеет к районам
распространения полиметаллических руд. К таким месторождениям относятся
Садонское (Северный Кавказ), Салаирское (Западная Сибирь), Нерченское
(Восточная Сибирь) и Дальнегорское (Дальний Восток).

Центром
никель-кобальтовой
промышленности
являются
города
Норильск (Восточная Сибирь) и Мончегорск (Северный экономический
район), а также поселок городского типа Никель (Мурманская область).
Для получения лёгких металлов требуется большое количество энергии.
Поэтому сосредоточение предприятий, выплавляющих легкие металлы, у
источников дешёвой энергии — важнейший принцип их размещения.

Сырьём для производства алюминия являются бокситы Северо-
Западного района (Бокситогорск), Урала (город Североуральск), нефелины
Кольского полуострова (Кировск) и юга Сибири (Горячегорск). Из этого
алюминиевого сырья в районах добычи выделяют окись алюминия —
глинозём. Получение из него металлического алюминия требует больших
затрат электроэнергии.

Титано-магниевая промышленность размещается преимущественно на
Урале, как в районах добычи сырья (Березниковский титано-магниевый завод),
так и в районах дешёвой энергии (Усть-Каменогорский титано-магниевый
завод).
62
Тема 3.1. Алюминиевые сплавы
Цели урока: усвоить основные понятие о цветном металле – алюминии и его
сплавах; о производстве отливок и определения характеристик сплава по
марке.
Понятийный аппарат:
Алюминий, алюминиевый сплав, литейное производство, кокиль.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 3.1.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Составьте на основании материала в рабочей тетради классификацию
цветных металлов по следующим признакам: легкие, тяжелые, благородные,
редкие.
5.
Оформите в виде таблицы: вид, свойства, применение алюминия и
алюминиевых сплавов.
6.
Сформулируйте и запишите правила расшифровки алюминиевых
сплавов.
7.
Перечислите способы литья и выявите преимущества и недостатки
каждого способа.
8.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
9.
Проведите рефлексию на отдельном листе
10.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Алюминий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета, отличается
высокой электропроводностью, коррозийной стойкостью, малой плотностью и
хорошо
обрабатывается
давлением.
63
В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью σв=78,5 - 118
МПа и твердостью 15-25 НВ.
Алюминиевые сплавы, имея положительные качества алюминия, обладают,
кроме
того,
повышенной
прочностью
и
лучшими
технологическими
свойствами. Благодаря малой плотности их принято называть легкими
сплавами, они отличаются малой плотностью (до 3,0 г/см3), высокой
коррозионной
стойкостью,
теплопроводностью,
электропроводимостью,
жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах,
хорошей светоотражательной способностью. На изделия из алюминиевых
сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Сплавы легко
обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой, а некоторые и
сваркой плавлением.
Алюминиевые сплавы обозначаются буквами и цифрами. Так, например,
деформируемые сплавы на основе алюминий - медь - магний (дюралюминий)
маркируются буквой Д; алюминий - марганец : АМц, алюминий - магний:
АМг; сплавы для поковок и штамповок - АК; литейные сплавы АЛ, сплавы
авиаль – АВ, высокопрочные алюминиевые сплавы – В. Цифры после букв
соответствуют порядковому номеру сплава. Лучшими литейными сплавами
являются сплавы на основе алюминий - кремний, называемые силуминами.
Алюминиевые сплавы — сплавы на основе алюминия с добавками меди,
магния, цинка, кремния, марганца, лития, кадмия, циркония, хрома и др.
элементов. Алюминиевые сплавы
обладают высокими
механическими
свойствами и малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью,
хорошей коррозионностойкостью. Первые алюминиевые сплавы получены в
50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и
характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью.
Длительной время Si считали вредной примесью в алюминиевых сплавах. К
1907 в США получили развитие сплавы Al—Cu (литейные с 8% Cu и
деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы
64
Al—Cu—Mn в виде отливок, а двумя годами позднее — Алюминиевые сплавы
с 10—14% Zn и 2—3% Cu.
По способу производства изделий алюминиевые сплавы можно разделить
на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые алюминиевые
сплавы.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб,
поковок, проволоки) путём деформации (прокатки, ковки и т.д.) и литейные —
для фасонных отливок. Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны,
автомобили)
алюминиевые
сплавы.
находят
огромное
применение
в
металлообработке, строительстве — оконные рамы, стенные панели и
подвесные потолки, обои; бурно расширяется использование сплавов. для
производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности
(провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов).
Виды алюминиевых сплавов:
Дуралюмины. Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые
дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.
Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, повышает
температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.
Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от коррозии подвергают
плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты.
Из сплава Д16 изготовляют обшивки, лонжероны самолетов, силовые каркасы,
строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.
Сплав Д16 - 0.2=400МПа, в=540МПа, =11%.
Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но
обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль
удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и
сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой
общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллической.
Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т.д.),
используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки,
кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы,
65
двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем
состояниях.
Сплав АВ - 0.2=200МПа, в=260МПа, =15%.
Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем
высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95.
При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а
их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и
хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей
пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в
холодном состоянии после отжига. Сплав В95 хорошо обрабатывается
резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении
для
нагруженных
конструкций,
работающих
длительное
время
при
t<=100120С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для
деталей без концентраторов напряжений.
Сплав В95 - 0.2=530-550МПа, в=560-600МПа, =8%.
Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой
пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами, позволяющими
получить качественные слитки.
Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности,
изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии.
Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей.
Сплав АК8 - 0.2=300МПа, в=480МПа, =10%.
Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при
температуре до 300С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный
химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их
дополнительно легируют железом, никелем и титаном.
Сплав Д20 - 0.2=250МПа, в=400МПа, =12%.
66
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической
обработкой
К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием.
Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора
и в меньшей степени избыточных фаз.
Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают
высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена.
Сплавы (АМц, АМг2, АМг3) применяют для сварных и клепанных элементов
конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого
сопротивления коррозии.
Сплав АМг3 - в=220МПа, 0.2=110МПа, =20%.
Литейные алюминиевые сплавы
Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью,
сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих
трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами,
сопротивлением коррозии и др.
Сплавы Al-Si (силумины). Отличаются высокими литейными свойствами, а
отливки - большой плотностью. Сплавы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно
легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить
газовой и аргонодуговой сваркой.
Сплав АЛ9 - в=200МПа, 0.2=140МПа, =5%.
Сплавы Al-Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют
высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах
и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие.
Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав
склонен к хрупкому разрушению.
Сплав АЛ7 - в=240МПа,0.2=160МПа, =7%.
67
Сплавы Al-Mg. Имеют низкие литейные свойства. Характерной особенностью
этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные
механические свойства и обрабатываемость резанием.
Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во
влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации.
Сплав АЛ8 - в=350МПа, 0.2=170МПа, =10%.
Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из
которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали,
работающие при температуре 275-300С.
Сплав АЛ1 - в=260МПа, 0.2=200МПа, =0.6%.
Производство отливок, историческая справка.
Литейное
производство
-
одно
из
древнейших
ремёсел,
освоенных
человечеством. Первым литейным материалом была бронза. В древности
бронзы представляли собой сложные сплавы на основе меди с добавками
олова (5-7 %), цинка (3-5 %), сурьмы и свинца(1-3%) с примесями мышьяка,
серы, серебра (десятые доли процента). Зарождение выплавки бронзы и
получения из нее литых изделий (оружия, украшения, посуды и др.) в разных
регионах относится к 3—7 тысячелетию до н, э. По-видимому, почти
одновременно была освоена плавка самородных серебра, золота и их сплавов.
На территории, где жили восточные славяне, развитое литейное ремесло
появилось в первых веках н. э.
Основными способами получения отливок из бронзы и сплавов серебра и
золота были литье в каменные формы и литье по воску. Каменные формы
делали из мягких пород известняка, в которых вырезали рабочую полость.
Обычно каменные формы заливали в открытую, так что одна сторона изделия,
образуемая открытой поверхностью расплава, оказывалась плоской. При литье
по воску сначала изготовляли восковые модели как точные копии будущих
изделий. Эти модели погружали в жидкий глиняный раствор, который затем
68
высушивали н обжигали. Воск выгорал, в образовавшуюся полость заливали
расплав.
В XVIII в. на первое место по массовости и универсальности выходит новый
литейный материал — чугун, послуживший основой развития машинной
индустрии в первой половине XIX в, К началу XX в. литейное производство
цветных металлов и сплавов заключалось в получении фасонных отливок из
оловянных бронз и латуней и слитков из меди, бронзы и латуней. Фасонные
отливки изготовляли только литьем в песчаные формы (тогда говорили и
писали «земляные формы», «литье в землю»). Слитки получали массой не
более 200 кг литьем в чугунные изложницы.
Следующий этап развития литейного производства цветных металлов и
сплавов начался примерно с 1910—1920 гг., когда были разработаны новые
сплавы, прежде всего на основе алюминия и несколько позже на основе
магния. Одновременно началось освоение фасонного и заготовительного литья
из специальных бронз и латуней — алюминиевых, кремниевых, марганцевых,
никелевых, а также освоение производства слитков из никеля и его сплавов. В
1920—1930 гг. создаются цинковые сплавы для литья под давлением. В
1930—1940 гг. получает развитие фасонное литье из никелевых сплавов.
Период 1950—1970 гг. был ознаменован разработкой технологии плавки и
литья титана и его сплавов, урана и других радиоактивных металлов, циркония
и сплавов на его основе, молибдена, вольфрама, хрома, ниобия, бериллия и
редкоземельных металлов.
Производство отливок из аллюминиевых сплавов
Литье в песчаные формы
Характеризуется невысокой плотностью сплавов, небольшим силовым
воздействием металла на форму и низкими температурами литья (680—800С).
Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые
смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138—74),
формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих и вспомогательных
69
материалов. Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью
стержней, изготавливаемых в основном по горячим (220—300 °С) стержневым
ящикам. Для этой цели используют плакированный кварцевый песок или
смесь песка с термореактивной смолой и катализатором. Для изготовления
стержней широко используют однопозиционные пескострельные автоматы и
установки, а также карусельные многопозиционные установки. Стержни,
подвергающиеся сушке, изготавливают на встряхивающих, пескодувных и
пескострельных машинах или вручную из смесей масляными (4ГУ, С) или
водорастворимыми связующими. Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч)
зависит от массы и размеров стержня и определяется обычно опытным путем.
Температуру сушки назначают в зависимости от природы связующего: для
масляных связующих 250—280 °С, а для водорастворимых 160—200 °С. Для
изготовления крупных массивных стержней все большее применение
получают
смеси
холодного
твердения
(ХТС)
или
жидкодвижные
самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холодного твердения в качестве
связующего содержат синтетические смолы, а катализатором холодного
твердения обычно служит ортофосфорная кислота. Смеси ЖСС содержат
поверхностно-активное вещество, способствующее образованию пены.
Соединение стержней в узлы производят склейкой или путем заливки
алюминиевых расплавов в специальные отверстия в знаковых частях. Усадка
сплава при охлаждении обеспечивает необходимую прочность соединения.
Заливку
песчаных
форм
металлом
ведут
из
ковшей,
футерованных
огнеупорным материалом. Перед заполнением металлом ковши со свежей
футеровкой сушат и прокаливают при 780—800 °С для удаления влаги.
Температуру расплава перед заливкой поддерживаю на уровне 720—780 °С.
Формы для тонкостенных отливок заполняют расплавами, нагретыми до 730—
750 °С, а для толстостенных до 700—720 °С.
Литье в оболочковые формы
Литье в оболочковые формы целесообразно применять при серийном и
крупносерийном производстве отливок ограниченных размеров с повышенной
70
чистотой поверхности, большей размерной точностью и меньшим объемом
механической обработки, чем при литье в песчаные формы.
Оболочковые формы изготавливают по горячей (250—300 °С) металлической
(сталь, чугун) оснастке бункерным способом. Модельную оснастку выполняют
по 4—5-му классам точности с формовочными уклонами от 0,5 до 1,5 %.
Оболочки делают двухслойными: первый слой из смеси с 6—10 %
термореактивной смолы, второй из смеси с 2 % смолы. Для лучшего съема
оболочки модельную плиту перед засыпкой формовочной смеси покрывают
тонким слоем разделительной эмульсии (5 % силиконовой жидкости № 5; 3 %
хозяйственного мыла; 92 % воды).
Для изготовления оболочковых форм применяют мелкозернистые кварцевые
пески, содержащие не менее 96 % кремнезема. Соединение полуформ
осуществляют склеиванием на специальных штыревых прессах. Состав клея:
40 % смолы МФ17; 60 % маршалита и 1,5 % хлористого алюминия
(катализатор твердения). Заливку со бранных форм производят в контейнерах.
При литье в оболочковые формы применяют такие же литниковые системы и
температурные режимы, как и при литье в песчаные формы. Малая скорость
кристаллизации металла в оболочковых формах и меньшие возможности для
создания направленной кристаллизации обусловливают получение отливок с
более низкими свойствами, чем при литье в сырые песчаные формы.
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок
повышенных/точности (3—5-ый класс) и чистоты поверхности (4—6-й класс
шероховатости), для которых этот способ является единственно возможным
или оптимальным.
Модели в большинстве случаев изготавливают из пастообразных парафиностеариновых составов запрессовкой в металлические пресс-формы (литые и
сборные) на стационарных или карусельных установках. При изготовлении
сложных отливок размерами более 200 мм во избежание деформации моделей
71
в состав модельной массы вводят вещества, повышающие температуру их
размягчения (оплавления).
В качестве огнеупорного покрытия при изготовлении керамических форм
используют суспензию из гидролизованного этилсиликата (30—-40 %) и
пылевидного кварца (70—60 %). Обсыпку модельных блоков ведут
прокаленным песком 1КО16А или 1К025А. Каждый слой покрытия сушат на
воздухе в течение 10—12 ч или в атмосфере, содержащей пары аммиака, 0,5 1
ч. Необходимая прочность керамической формы достигается при толщине
оболочки 4—6 мм (4—6 слоев огнеупорного покрытия). Для обеспечения
спокойного заполнения формы применяют расширяющиеся литниковые
системы с подводом металла к толстым сечениям и массивным узлам. Питание
отливок осуществляют обычно от массивного стояка через утолщенные
литники
(питатели).
Для
сложных
отливок
допускается
применение
массивных прибылей для питания верхних массивных узлов с обязательным
заполнением их из стояка.
Выплавление моделей из форм осуществляют в горячей (85-90 С) воде,
подкисленной
соляной
предотвращения
кислотой
омыления
(0,5—1
стеарина.
см3
После
на
литр
воды)
выплавления
для
моделей
керамические формы просушивают при 150—170 °С в течение 1—2 ч,
устанавливают в контейнеры, засыпают сухим наполнителем и прокаливают
при 600—700 °С в течение 5—8 ч. Заливку ведут в холодные и нагретые
формы. Температура нагрева (50-300 °С) форм определяется толщиной стенок
отливки. Заполнение форм металлом осуществляют обычным способом, а
также с использованием вакуума или центробежной силы. Большинство
алюминиевых сплавов перед заливкой нагревают до 720—750 °С.
Литье в кокиль.
Литье в кокиль — основной способ серийного и массового производства
отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать отливки 4—6-го
72
классов точности с шероховатостью поверхности Rz = 50-20 и минимальной
толщиной стенок 3—4 мм. При литье в кокиль наряду с дефектами,
обусловленными высокими скоростями движения расплава в полости
литейной формы и несоблюдением требований направленного затвердевания
(газовая пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными видами
брака отливок являются недоливы и трещины. Появление трещин вызывается
затрудненной усадкой. Особенно часто трещины возникают в отливках из
сплавов
с широким интервалом кристаллизации, имеющих большую
линейную усадку (1,25—1,35 %). Предотвращение образования указанных
дефектов достигается различными технологическими приемами.
Для того чтобы обеспечить плавное, спокойное поступление металла в полость
литейной
формы,
надежное
отделение
шлака
и
оксидных
плен,
образовавшихся в металле в процессе плавки и движения по литниковым
каналам, и предотвращение их образования в литей-ной форме, при литье в
кокиль применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним, щелевым
и многоярусным подводом металла к тонким сечениям отливок. В случае
подвода ме-талла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка
места подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы
литниковых систем располагают по разъему кокиля.
Для местного увеличения теплоотвода широко используют вставки из
теплопроводной меди, предусматривают увеличение поверхности охлаждения
кокиля за, счет оребрения, осуществляют локальное охлаждение кокилей
сжатым воздухом или водой. Для снижения интенсивности теплоотвода на
рабочую поверхность кокиля наносят слой краски толщиной 0,1—0,5 мм. На
поверхность литниковых каналов и прибылей для этой цели наносят слой
краски толщиной 1-1,5 мм. Замедление охлаждения металла в прибылях может
быть достигнуто также за счет местного утолщения стенок кокиля,
применения различных малотеплопроводных обмазок и утепления прибылей
наклейкой асбеста. Окраска рабочей поверхности кокиля улучшает внешний
вид отливок, способствует устранению газовых раковин и неслитин на их
73
поверхности и повышает стойкость кокилей. Перед окраской кокили
подогревают до 100—120 °С. Излишне высокая температура нагрева
нежелательна, так как при этом снижаются скорость затвердевания отливок и
длительность срока службы кокиля. Нагрев уменьшает перепад температур
между отливкой и формой и расширение формы за счет прогрева ее металлом
отливки. В результате этого в отливке уменьшаются растягивающие
напряжения, вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева
формы недостаточно, чтобы устранить возможность возникновения трещин.
Необходимо своевременное извлечение отливки из формы. Удалять отливку из
кокиля следует раньше того момента, когда температура ее сравняется с
температурой кокиля, а усадочные напряжения достигнут наибольшей
величины. Обычно отливку извлекают в тот момент, когда она окрепнет
настолько, что ее можно перемещать без разрушения (450—500 °С). К этому
моменту литниковая система еще не приобретает достаточной прочности и
разрушается при легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме
определяется скоростью затвердевания и зависит от температуры ме-талла,
температуры формы и скорости заливки. Алюминиевые сплавы в зависимости
от состава и сложности конфигурации отливок заливают в кокили при 680—
750 °С. Весовая скорость заливки составляет 0,15—3 кг/с. Отливки с, тонкими
стенками заливают с большими скоростями, чем с толстыми.
Для устранения прилипания металла, повышения срока службы и облегчения
извлечения металлические стержни в процессе работы смазывают. Наиболее
распространенной смазкой является водно-графитовая суспензия (3—5 %
графита).
Части кокилей, выполняющих наружные очертания отливок, изготавливают из
серого чугуна. Толщину стенок кокилей назначают в зависимости от толщины
стенок отливок в соответствии с рекомендациями ГОСТ 16237—70.
Внутренние полости в отливках выполняют с помощью металлических
(стальных) и песчаных стержней. Песчаные стержни используют для
оформления
сложных
полостей,
которые
невозможно
выполнить
74
металлическими стержнями. Для облегчения извлечения отливок из кокилей
наружные поверхности отливок должны иметь литейный уклон от 30' до 3° в
сторону
разъема.
Внутренние
поверхности
отливок,
выполняемых
металлическими стержнями, должны иметь уклон не менее 6°. В отливках не
допускаются резкие переходы от толстых сечений к тонким. Радиусы
закруглений должны быть не менее 3 мм. Отверстия диаметром более 8 мм для
мелких отливок, 10 мм для средних и 12 мм для крупных выполняют
стержнями. Оптимальное отношение глубины отверстия к его диаметру равно
0,7—1. Величина припуска на обработку при литье в кокиль назначается в два
раза меньшей, чем при литье в песчаные формы.
Воздух и газы выводятся из полости кокиля с помощью вентиляционных
каналов, размещаемых в плоскости разъема, и пробок, размещаемых в стенках
вблизи глубоких полостей.
Литье выжиманием
Литье
выжиманием
является
разновидностью
литья
в
кокиль,
Оно
предназначено для изготовления крупногабаритных отливок (2500х1400 мм)
панельного типа с толщиной стенок 2—3 мм (рис. 63). Для этой цели
используют
металлические
полуформы,
которые
крепят
на
специализированных литейно-выжимных машинах с односторонним или
двухсторонним сближением полуформ. Отличительной особенностью этого
способа литья является принудительное заполнение полости формы широким
потоком расплава при сближении полуформ. В литейной форме отсутствуют
элементы обычной литниковой системы. Данным способом изготавливают
отливки из сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34, имеющих узкий интервал
кристаллизации.
Допустимая скорость подъема расплава на рабочем участке полости формы
при литье панелей из алюминиевых сплавов должна быть в пределах 0,5—0,7
м/с. Меньшая скорость может привести к незаполнению тонких сечений
отливок, излишне высокая — к дефектам гидродинамического характера:
75
волнистости,
неровностям
поверхности
отливок,
захвату
воздушных
пузырьков, размыву песчаных стержней и образованию трещин из-за разрыва
потока. Заливку металла производят в подогретые до 250—-350 °С
металлоприемники.
Регулирование
скорости
охлаждения
расплава
осуществляют нанесением на рабочую поверхность полости форм
теплоизоляционного покрытия различной толщины (0,05—1 мм). Перегрев
сплавов перед заливкой не должен превышать 15—20° над температурой
ликвидуса. Длительность сближения полуформ 5-3 с.
Литье под давлением
Литьем под давлением из алюминиевых сплавов АЛ2, АЛЗ, АЛ1, АЛО, АЛ11,
АЛ13, АЛ22, АЛ28, АЛ32, АЛ34 изготавливают сложные по конфигурации
отливки 1—3-го классов точности с толщиной стенок от 1 мм и выше, литыми
отверстиями диаметром до 1,2 мм, литой наружной и внутренней резьбой с
минимальным шагом 1 мм и диаметром 6 мм. Чистота поверхности таких
отливок соответствует 5— 8-му классам шероховатости. Изготовление таких
отливок осуществляют на машинах с холодной горизонтальной или
вертикальной камерами прессования, с удельным давлением прессования 30—
70 МПа. Предпочтение отдается машинам с горизонтальной камерой
прессования.
Для изготовления пресс-форм применяют различные материалы. Части прессформ, соприкасающиеся с жидким металлом, изготавливают из сталей ЗХ2В8,
4Х8В2, 4ХВ2С, плиты крепления и обоймы матриц — из сталей 35, 45, 50,
штыри, втулки и направляющие колонки — из стали У8А.
Подвод металла к полости пресс-форм осуществляют с помощью внешних и
внутренних литниковых систем. Питатели подводят к участка отливки,
подвергающимся
механической
обработке.
Толщину их
назначают в
зависимости от толщины стенки отливки в месте подвода и заданного
характера
заполнения
пресс-формы.
Эта
зависимость
определяется
отношением толщины Питателя к толщине стенки отливки . Плавное, без
76
завихрений и захвата воздуха, заполнение пресс-форм имеет место, если
отношение близко к единице. Для отливок с толщиной стенок до 2 мм
питатели имеют толщину 0,8 мм; при толщине стенок 3 мм толщина питателей
равна 1,2мм; при толщине стенок 4—6 мм—2 мм.
Для
приема
первой
порции
расплава,
обогащенного
воздушными
включениями, вблизи полости пресс-формы располагают специальные
резервуары-промывники, объем которых может достигать 20 -40 % от объема
отливки. Промывники соединяют с полостью литейной формы каналами,
толщина которых равна толщине питателей. Удаление воздуха и газа из
полости пресс-форм осуществляют через специальные вентиляционные
каналы и зазоры между стержнями (выталкивателями) и матрицей прессформы. Вентиляционные каналы выполняют в плоскости разъема на
неподвижной части пресс-формы, а также вдоль подвижных стержней и
выталкивателей. Глубина вентиляционных каналов при литье "алюминиевых
сплавов принимается равной 0,05—0,15 мм, а ширина 10—З0 мм в целях
улучшения вентиляции пресс-форм полости промывников тонкими каналами
(0,2—0,5 мм) соединяют с атмосферой.
Основными дефектами отливок, полученных литьем под давлением, являются
воздушная (газовая) подкорковая пористость, обусловленная захватом воздуха
при больших скоростях впуска металла в полость формы, и усадочная
пористость (или раковины) в тепловых узлах.
На качество отливок существенною влияние оказывают также температуры
сплава и формы. При изготовлении толстостенных отливок несложной
конфигурации заливку расплава ведут при температуре на 20—30 °С ниже
температуры
ликвидуса.
Тонкостенные
отливки
требуют
применения
расплава, перегретого выше температуры ликвидуса на 10—15 °С. Для
снижения величины усадочных напряжений и предотвращения образования
трещин в отливках пресс-формы перед заливкой нагревают.
77
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 3.1. выполните задание.
1. Перенесите схему в тетрадь и заполните на основании справочника /2/.
2. Расшифруйте марки: АМг2, Д90, АЛ2.
Домашнее задание:
На основании источника /1/, ответьте на вопросы.
1.
Почему сплавы получили большее распространение, чем чистые
металлы?
2.
Зачем вводят легирующие элементы в алюминий?
3.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
78
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубов А.В. Справочное пособие по
материаловедению (металлообработка)/под ред. В.Н. Заплатина. М.: Академия,
2007.- 224с.
3.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/cvetmetal – Все о материалах и материаловедении.
2.
http://www.alhimik.ru/sprav/splav01.htm - Алхимик.
79
Тема 3.2. Медные сплавы
Цели урока: усвоить основные понятие о цветном металле – медь и ее сплавах
и определения характеристик сплава по марке.
Понятийный аппарат:
Медь, бронза, латунь, олово, медный сплав.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 3.2.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Составьте на основании материала в рабочей тетради классификацию
медных сплавов.
5.
Оформите в виде таблицы: вид, свойства, применение меди и медных
сплавов.
6.
Сформулируйте и запишите правила расшифровки медных сплавов.
7.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
8.
Проведите рефлексию на отдельном листе
9.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Медь - металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления
1083С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8.94г/см3. Медь
обладает высокой
электропроводимостью
и
электропроводимостью.
В
зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00, М0, М1,
М2, М3. Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее
свойства.
Медь хорошо сопротивляется коррозии, легко обрабатывается давлением, но
плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки.
Кроме свойств, присущих меди, медные сплавы обладают способностью
80
прирабатываться
и
противостоять
изнашиванию.
Это
важное
эксплуатационное качество - антифрикционность - обусловливает широкое
применение медных сплавов, особенно бронз, в деталях машин, работающих в
условиях повышенного трения (червячные колеса, гайки винтовых передач,
вкладыши
подшипников
скольжения
и
др.).
Различают две основные группы медных сплавов:
1) латуни - сплавы меди с цинком;
2) бронзы - сплавы меди с другими элементами.
Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими
свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и износу.
Латунь - двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых
основным легирующим элементом является цинк.
Когда
требуется
высокая
пластичность,
повышенная
теплоотводность
применяют латуни с высоким содержанием меди (Л06 и Л90). Латуни Л62,
Л60,Л59 с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью,
лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии.
Различают простые латуни, состоящие из меди и цинка, и специальные содержащие дополнительно легирующие элементы, которые улучшают
механические
свойства
(табл.
3.1.)
латуни.
Маркировка латуней:
первая буква Л указывает на название сплава - латунь. Следующая за ней
цифра обозначает среднее содержание меди в процентах (в натуральную
величину).
Специальные латуни маркируются дополнительно буквами, обозначающими
легирующие элементы: А — алюминий, Н — никель, О — олово, Ц — цинк, С
— свинец, Ж — железо, Мц — марганец, К — кремний, Ф — фосфор, Т —
титан и т.д.. Первые две цифры, стоящие за буквами, указывают содержание
меди в процентах, последующие цифры - содержание других элементов;
остальное в сплаве цинк.
81
Буква Л - в конце марки указывает, что латунь литейная. Например, марка
ЛАЖ60-1-1 – латунь алюминиево-железистая содержит 60% меди, 1% алюминия,
1%
-
железа,
38%
цинк.
-
Бронза - сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, фосфором, никелем и
другими
элементами.
В зависимости от состава бронзы делятся на оловянистые и специальные
(безоловянисые). Маркировка бронз основана на том же принципе, что и
латуней. Впереди стоят буквы Бр - бронза, далее следуют буквенные
обозначения элементов, входящих в состав сплава, и за ними - цифры,
указывающие среднее содержание этих элементов в процентах, все остальное
медь. Если в марке нет буквы О – то бронза безоловянистая. Свойства бронз
описаны
в
таблице
3.2..
Состав, механические свойства и назначение латуней
Таблица 3.1.
Марка
сплава
Л96
Предел
Состав
прочности
sb, Мн/м2
95—97% Cu,
остальное Zn
240
Относит
ельное
удлинен
ие d, %
50
Твердост
ь
HB,
Мн/м2
470
Примерно
е
назначени
е
Радиаторн
ые трубки
Листы
Л90
88—91% Cu,
остальное Zn
260
45
530
и
ленты для
плакировк
и
76—79% Cu,
ЛА 77-2
1,75—2,5%
Al, остальное
Конденсат
400
55
600
трубы
Zn
ЛАЖ60-1-
58—61% Cu,
орные
450
45
950
Трубы
и
82
1
прутки
0,75—1,5%
Al,
0,75—
1,5%
Fe,
0,1—0,6%
Mn,
остальное Zn
Конденсат
орные
трубы,
69—71% Cu,
ЛО70-1
1—1,5% Sn,
350
60
теплотехн
590
остальное Zn
ическая
аппаратур
а
Детали
72—75% Cu,
ЛС74-3
2,4—3% Pb,
350
50
часов,
570
автомобил
остальное Zn
ей
Состав, механические свойства и назначение бронз
Таблица 3.2.
Марка
сплава
Состав
Предел
Относите
прочнос
льное
ти
удлинени
Мн/м2
Бр.
9—11% Sn,
ОФ10-1
0,8—1,2% P
Бр.
3,5—4% Sn,
ОФ4-
0,2—0,3% P
sb,
е d, %
Твердо
сть HB,
Мн/м2
Примерное
назначение
Подшипники,
250
3
900
шестерни, венцы,
втулки
340
52
600
Трубки
для
манометрических
83
пружин
0,25
Бр.
4—6%
Sn,
ОЦС5-
4—6%
Zn,
5-5
4—6% P
Бр.
ОЦСН3
-7-5-1
Антифрикционны
150
6
600
детали
Арматура,
6—9,5% Zn,
Pb,
180
8
600
работающая
в
морской
и
пресной воде, в
0,5—2% Ni
атмосфере пара
Пружины
Бр. А7
и
арматура
2,5—4% Sn,
3—6%
е
6—8% Al
420
70
700
и
пружинящие
детали
9,5—11%
Бр.
Al,
АЖН10
5,5%
-4-4
3,5—5,5%
3,5—
Fe,
600
35
1500
Шестерни, сёдла
клапанов
Ni
Бр.
АМц9-2
Бр. Мц5
Детали
8—10% Al,
1,5—2,5%
400
25
1600
Mn
морских
судов,
электрооборудова
ния
4,5—5,5%
Mn
340
30
800
Поковки
Пружины
пружинящие
1,9—2,2%
Бр. Б2
Be,
0,2—
0,5% Ni
и
1350
1,5
3500
детали в авиации
и
приборостроении
84
Бр.
КН1-3
Бр. С30
0,6—1,1%
Направляющие
Si,
втулки и другие
2,4—
3,4%
Ni,
600
12
детали
1800
0,1—0,4%
ответственного
Mn
назначения
27—33% Pb
70
5
Сальники
450
Свойства сплавов Бр. ОФ10-1, Бр. ОЦС5-5-5, Бр. ОЦСН3-7-5-1 и Бр. С30
указаны для отливок в земляные формы, сплавов Бр. Б2 и Бр. КН1-3 — для
обработанных давлением изделий, подвергнутых закалке, соответственно при
780 и 850 °С и старению соответственно при 320 °С (2 ч) и 450 °С (4 ч),
остальных сплавов — для отожжённого состояния после обработки давлением.
По сравнению с латунью бронзы обладают более высокой прочностью,
коррозионной стойкостью и антифракционными свойствами. Они весьма
стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических
кислот, углекислых растворах.
Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке
и пайке твердыми и мягкими припоями.
В таблице 3.3. приведены свойства медно-никелевых сплавов встречающихся
в металлообработке.
Состав, механические свойства и назначение медно-никелевых сплавов
Таблица 3.3.
Марка
и
наименовани
Состав
е сплава
МН19
18—20%
(мельхиор)
Ni+Co
Предел
Относите
Твердо
прочнос
льное
сть HB,
Примерное
ти
удлинени
Мн/м2
назначение
700
Изделия,
sb,
Мн/м2
е d, %
350
35
получаемые
85
штамповко
й
и
чеканкой
МНЦ15-20
13,5—
(нейзильбер)
1,5%
приборов
Ni+Co,
точной
18—22%
механики,
Zn
посуда
400
45
700
Детали
МНМц43-0,5
42,5—
(копель)
44%
для
Ni+Co,
термопар
400
35
850
Проволока
0,1—1%
Mn
МНМц40-1,5
39—41%
(константан)
Ni+Co,
для
1—2%
реостатов,
Mn
термопар
450
30
800
Проволока
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 3.2. выполните задание.
1. Решите головоломку
86
Домашнее задание:
На основании источника /1/, ответьте на вопросы.
1.
Создать презентацию на тему: Медные сплавы в искусстве. (3 слайда)
2.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
3.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/cvetmetal – Все о материалах и материаловедении.
2.
http://www.alhimik.ru/sprav/splav01.htm - Алхимик.
87
Тема 3.3. Магниевые и титановые сплавы
Цели урока: усвоить основные понятие о цветных металлах – магний и титан
и их сплавах и определения характеристик сплава по марке.
Понятийный аппарат:
Магний, титан.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 3.3.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Составьте на основании материала в рабочей тетради классификацию
титановых и магниевых сплавов.
5.
Распишите свойства титана и магния.
6.
Распишите влияние легирующих элементов на свойства титановых
сплавов.
7.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
8.
Проведите рефлексию на отдельном листе
9.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он
находится в четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет
атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49
- 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические модификации:
низкотемпературную α-модификацию, имеющую гексагональную атомную
ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 Ǻ и с=4,6830±0,0005 Ǻ и соотношением
с/а=1,5873±0,0007 Ǻ и высокотемпературную β - модификацию с объемно
88
центрированной
Температура
кубической
плавления
ячейкой
титана,
и
периодом
полученного
а=3,283±0,003
методом
Ǻ.
иодидного
рафинирования, равна 1665±5°С.
Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое
превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива
гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка α-титана, а выше
– объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка β-титана.
Титан упрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а
также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам,
стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени
олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый
раствор с α-модификацией титана.
За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и
другие металлы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут
представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным
титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма,
висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых
сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно
повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 –
8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно
дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием
сплавов без образования α2-фазы.
Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах
(таблица 3.3.), так как является наиболее эффективным упрочнителем,
улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. В последнее время
наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий
и олово.
Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных
температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на
основе α – титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.
89
Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает
жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве
упорядоченную фазу.
Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и
магниевыми
сплавами
является
жаропрочность,
которая
в
условиях
практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности
(магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над
алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при
температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность
алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность
титановых сплавов остается высокой.
Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к
плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей
при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве
случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать
прочность
сталей
из-за
необходимости
сохранения
жесткости
или
определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки
компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми
можно получить значительную экономию в массе.
Еще сравнительно недавно основным критерием при разработке жаропрочных
сплавов была величина кратковременной и длительной прочности при
определенной температуре. В настоящее время можно сформулировать целый
комплекс требований к жаропрочным титановым сплавам, по крайней мере
для деталей авиационных двигателей.
Магний и сплавы на его основе
Магний - металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния
является его малая плотность (1.74г/см3). Температура плавления магния
650С. Кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний
выпускают трех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого
90
магния: в=115МПа, 0.2=25МПа, =8%, 30НВ. На воздухе магний легко
воспламеняется.
Используется
магний
в
пиротехнике
и
химической
промышленности.
Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью,
хорошо поглощают вибрации, что определило их широкое использование в
авиационной и ракетной технике. Однако сплавы магния имеют низкий
модуль нормальной упругости 43000МПа и плохо сопротивляются коррозии.
Литейные сплавы. Широко применяется сплав МЛ5, в котором сочетаются
высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья
нагруженных крупногабаритных отливок.
Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами, чем МЛ5, и
предназначается для изготовления тяжелонагруженных деталей.
Сплав МЛ5 - в=226МПа, 0.2=85МПа, =5%.
Деформируемые сплавы. Эти сплавы изготовляют в виде горячекатаных
прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок.
Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью,
хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.
Сплав МА2-1 обладает достаточно высокими механическими свойствами,
хорошей свариваемостью, однако склонен к коррозии под напряжением,
поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.
Сплав МА1 - в=190-220МПа, 0.2=120-140МПа, =5-10%.
Свойства и применение сплавов цветных металлов
Таблица 3.3.
Название
Состав
Свойства
Применение
Амальгама
Hg
В зависимости от
Золочение
другие
соотношения ртути
металлических
металлы
и
изделий,
и
др.
металла
может быть (при
производство
91
комнатной
зеркал,
температуре)
стоматология,
жидкой,
реактив-
полужидкой
или
твёрдой
восстановитель
в
химии
и
металлургии
Вольфрамовые
Mo,
Re,
Пластичность,
сплавы
Cu,
Ni,
жаропрочность
Детали
и
высокая термо-эдс
Ag,
электровакуумных
приборов,
оксиды
высокотемператур
(ThO2),
ных
карбиды
детали двигателей
(TaC)
и
термопар,
ракет и самолётов
др.
Золотые сплавы
Сплав с Ag при
Золочение
Cu, Pt, Pd,
20—40%
металлических
Sb, Bi, Pb,
зеленовато-
изделий,
Hg
жёлтый, при 50%
изготовление
Au,
Ag,
Ag
—
Ag
бледно-
монет, ювелирных
жёлтый; мягкий и
изделий,
ковкий; сплавы Au
протезов,
с Cu красновато-
электрических
жёлтые;
контактов
более
зубных
твердые и упругие,
чем чистое золото
Легкоплавкие сплавы
Sn, Bi, In,
Низкие
Изготовление
Pb,
температуры
припоев,
Cd,
плавких
92
(не
предохранителей в
Ga, Hg и
выше 232 °С); при
электроаппаратуре,
др.
содержании
прессформ
Zn,
Sb,
плавления
Bi
и
более
55%
моделей
расширяются
при
изготовления
затвердевании
для
отливок
сложной
формы из металлов
и
пластмасс,
металлические
замазки
Магниевые сплавы
Mg,
Al,
Лёгкость,
Высоконагруженн
Zn,
Mn,
прочность,
ые
Zr, Th, Li,
коррозионная
прессованных
La, Nd, Y,
стойкость
полуфабрикатов,
Ag,
Cd,
Be
детали
из
штамповок
и
поковок
в
автомобилестроен
ии,
панели,
штамповки
сложной
формы,
сварные
конструкции
Никелевые сплавы
Cu,
Fe,
Co,
Ферромагнетизм,
Конструкционные
высокая
материалы
пластичность
и
с
высокой
коррозионная
стойкостью
стойкость,
агрессивным
отсутствие
средам,
к
93
Оловянные сплавы
аллотропических
ферромагнитные
превращений,
изделия,
химическая
магнитострикцион
стойкость
ные материалы
Sn,
Pb,
низкая температура
Легкоплавкие
Sb,
Cu,
плавления,
сплавы
(припой,
Zn, Cd и
мягкость,
полуда)
и
др.
коррозионная
подшипниковые
стойкость;
материалы
антифрикционные
(баббит)
свойства
Свинцовые сплавы
Pb,
Fe,
Прочность,
Изготовление или
Cu,
Sb,
твёрдость,
облицовка
Sn,
Cd,
антифрикционные,
кислотоупорной
Са,
Ca,
свойства,
аппаратуры
низкая
и
Mg, Li, К,
температура
трубопроводов,
Na
плавления свинца,
изготовление
коррозионная
оболочек
стойкость, хорошая
низковольтных
адгезия со многими
силовых
металлами
припои и полуды,
сплавами
и
и
кабелей,
подшипники,
типографские
сплавы,
грузы,
балласты, отливка
дроби,
сердечников пуль,
изготовление
94
решёток
для
свинцовых
аккумуляторов
Титановые сплавы
Al, V, Mo,
Лёгкость, высокая
Конструкционные
Mn,
прочность
материалы
Sn,
в
Zr, Cr, Cu,
широком интервале
авиации,
Fe, W, Ni,
температур от -250
ракетостроении,
Si; Nb и
°С до 300-600 °С,
химическая
Та
коррозионная
аппаратура
в
стойкость
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 3.3. выполните задание.
1. Перепишите и заполните схему в рабочей тетради.
Домашнее задание:
На основании источников, выполните задание.
1.
Сообщение: Металлургические предприятия Урала по производству
титана.
2.
Подготовка к практической и контрольной работе.
95
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
3.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/cvetmetal – Все о материалах и материаловедении.
2.
http://materiall.ru/porshmetal – Все о материалах и материаловедении.
96
Раздел 4. Неметаллические материалы
Изучив данный раздел, Вы сможете:

Пользоваться справочными таблицами для определения свойств не
металлов;

Выбирать инструментальный материал для осуществления обработки
цветного металла, сплава;

Читать марки пластических масс;

Читать марки смазочно-охлаждаемых жидкостей;

Выбирать смазывающие и охлаждающие материалы при обработке
сталей, чугунов и цветного металла;

Понимать основные сведения о неметаллических, прокладочных,
уплотнительных и электротехнических материалах.
К
неметаллическим
материалам
относятся
полимерные
материалы
органические и неорганические: различные виды пластических
масс,
композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины,
клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.
Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при
малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические
свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Они находят все
большее применение в различных отраслях машиностроения.
Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом
синтетические.
97
Тема 4.1. Смазочно-охлаждающие материалы
Цели урока: усвоить основные понятие о неметаллических материалах.
Понятийный аппарат:
СОЖ (СОС).
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 4.1.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Перечислите виды СОЖ (СОС).
5.
Определите преимущества подачи СОС поливом, среди других способов.
6.
Закрепите изученный материал, выполнив задание в конце темы.
7.
Проведите рефлексию на отдельном листе
8.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
К смазочно-охлаждающим технологическим средствам относят:

смазочно-охлажающие вещества и среды (СОС);

жидкости (СОЖ), газы, пасты, твердые наполнители, обеспечивающие
воздействие на процесс резания;

системы подвода СОС, наиболее эффективно влияющие на процесс
обработки;

системы
подготовки
(в
том
числе
очистки
и
восстановления
технологических свойств) СОС.
Cмазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).
Смазочно-охлаждающие жидкости разделяются на минеральные масла с
различными присадками (антифрикционные, противозадирные, смачивающие,
антипенные,
антикоррозионные,
получаемые
растворением
в
бактерицидные),
воде
базового
водные
масла,
эмульсии,
эмульгатора,
98
антифрикционных и других присадок, полусинтетические и синтетические
СОЖ, не содержащие масел.
В табл. 4.1. приведены различные виды СОЖ, применяемые при обработке
металлов резанием. В табл. 4.2. даны рекомендуемые марки СОЖ при
обработке резанием различных материалов.
Кроме приведенных в табл. 4.1., ограниченное применение имеют водные
растворы солей и поверхностно-активных веществ, а также керосин, смеси
керосина с маслом, смеси минеральных масел с олеиновой кислотой и др.
Прочие смазочно-охлаждающие вещества. К ним относятся газовые и
твердые вещества. Газовые вещества применяют в виде чистых газов
(углекислого, азота, кислорода, воздуха) или в смеси с частицами твердых или
жидких
смазок. Газы
могут иметь нормальную или
отрицательную
температуру (до температур перехода в жидкое состояние). В последнем
случае увеличивается отвод тепла, охрупчивается поверхность изделия, что
улучшает обрабатываемость, снижает тепловыделение.
Виды СОЖ, применяемые при обработке металлов резанием
Таблица 4.1.
Наименование и состав СОЖ
ГОСТ или ТУ
1,5-20%-ная эмульсия из эмульсола Укринол-1
ТУ 38-101197-76
3-5%-ная эмульсия из эмульсола Аквол-2
7-10%-ная эмульсия из эмульсола Аквол-2
ТУ 38 УССР-20122075
ТУ 38 УССР-20122075
5-10%-ная эмульсия из эмульсола ИХП-45Э
ТУ 38-101581-75
5-10%-ная эмульсия из эмульсола Р3-СОЖ8
ТУ 38-101258-74
2-5%-ный раствор синтетической СОЖ Аквол-10
ТУ 38-40130-75
5-10%-ный раствор синтетический СОЖ Аквол- ТУ 38-40130-75
99
10
3-5%-ный
раствор
полусинтетический
СОЖ
Аквол-11
5-10%-ный раствор полусинтетический СОЖ
Аквол-11
10%-ный раствор полусинтетический СОЖ НСК5у
МР-1
МР-2у
МР-3
МР-4
ОСМ-3
ОСМ-5
ТУ 38-40146-77
ТУ 38-40146-77
ТУ 38-001304-78
ТУ 38-101247-79
ТУ 38 УССР-20120577
ТУ 38-УССР-20125476
ТУ 38-101481-76
ТУ 38-УССР-20115275
ТУ 38-УССР-20124976
ЛЗ-СОЖ2СО
ТУ 38-101115-75
ЛЗ-СОЖ2СИО
ТУ 38-101115-75
ЛЗ-СОЖ1ПО
-
ЛЗ-СОЖ1ПИО
ТУ 38-101116-75
ЛЗ-СОЖ1Т
ТУ 38-10185-75
И-12Т
ГОСТ 20799-75*
И-5А
ГОСТ 20799-75*
ВИ-4
ТУ 38-191308-72
Сульфофрезол
ГОСТ 122-84
100
Твердые смазочно-охлаждающие вещества применяют в виде добавок к
газовым (частицы графита, дисульфита молибдена) в виде мазей, наносимых
на поверхность инструмента, а также в виде пленочных покрытий (например,
никель-фосфорные покрытия инструмента из быстрорежущих сталей) и
порошков.
Марки СОЖ при обработке различных материалов на различных
операциях
Таблица 4.2.
обрабатываемый материал
Высоколегир
ованные,
жаропрочны
е,
кисло-
тоупорные,
Технологич
Конструк
еская
Чугу
ционная
операция
н
углеродис
тая сталь
н
коррозистойкие,
сталь
жаро-
ы
на
его
стойкие,
высокопрочные
и
сплав
Легиров онноанная
Тита
и
осно
ве
Медь
и
сплав
ы
на ее
осно
ве
Алюм
иний
и
сплав
ы
на его
основ
е
инструмента
льные стали
Обработка
на
автоматах
-
5-10%
15%
МР-99;
МР-99;
МР-1;
МР-1;
МР-2у
и МР-2у;
20-25% МР- МР99,
2у;
МР-1; МР-4
МР-4
МР2у
-
101
ОСМ-3
МР-4
5%
Укри
нол1;
3%
Укри
нолТочение,
1;
растачиван
5%
ие,
Акво
отрезка
л-10;
5%
5-8%
5-8%
5%
Укринол1;
5%
Аквол-11
5%
Укринол-1;
Укрино 5% Аквол-2;
л-1;
5-8%
5%
СОЖ8;
Аквол-
5%
11
11;
Акво
Р3Аквол-
МР-1; МР-4
л-11
Р3СОЖ
8;
5%
Акво
л-10;
5%
2-3% 3%
Укри Укрин
нол-
ол-1;
1;
МР-
МР-
2у;
2у
МР-4
Акво
л-11;
МР2у;
МР-4
5-8%
2-3%
Укри
нолСверление,
глубокое
сверление
1;
ОСМ
-3;
ОСМ
-1;
ОСМ
-5
Р35%
Укринол1;
МР-1; МР3;
МР-2у;
ОСМ-3
5%
Укрино
л-1;
МР-1;
МР-3;
МР-2у
5-10%
СОЖ
Укринол-1;
;
5% Аквол-2; 5%
5%
Аквол- Укри
11;
нол-
МР-4; МР-5; 1;
Укринол-14
МР-
2-3% 3-5%
Укри Укрин
нол-
ол-1;
1;
МР-
МР-
2у;
2у
МР-4
2у;
МР-4
102
10% Аквол-
2-5%
Укри
5-10%
нол-
Укрино 10% Аквол- МР-
Зенкерован
1;
ие,
ОСМ
развертыва
-1;
ние
ОСМ
-3;
5-10%
Укринол1;
ОСМ-3;
МР-3;
ОСМ
2;
л-1;
10;
2у;
5-10%
10% Аквол- МР-4
Аквол-
11;
11
МР-4;
МР-1;
2у;
МР-3
Укринол-14;
МР-1; 100%
МР- МР99
10%
МР-
Укрин
2у
ол-1;
5%
МР-
Укри 2у;
нол-1 ОСМ3
МР-99
-5
10% Аквол10%
Укри
Нарезание
нол;
резьбы
ОСМ
метчиками
-3;
ОСМ
-5
2;
10% Аквол-
10%
Укринол;
10%
10%
Аквол-2 10% Аквол-
10;
Аквол-10; МР-1;
11;
МР-1; МР- М-2у
МР-1; МР-4;
2у
МР-2у;
Укринол-14;
МР2у;
МР-
МР-
2у
4;
5%
100% Укри
МР-
нол-1
99
10%
Укрин
ол-1;
ОСМ3;
МР-2у
МР-99
Нарезание
резьбы
плашками,
гребенками,
ОСМ-3;
ОСМ
-1
ОСМ-3;
ОСМ-5
ОСМ-5;
МР-1;
МР-3;
МР-3;
фрезами
Фрезерован
ие
плоскостей,
уступов,
М-2у
3%
Укри
нол-1
МР-1; МР-3; МРМР-4;
4;
Укринол-14
МР-
МР-99
99
5-8%
5%
МР2у;
5%
Укри
3
нол-1
5-8%
5-8%
Укринол;
Укрино Укринол-1;
2-3%
5%
л-1;
МР-1; МР-2у нол-
нол-
Аквол-11
5%
5% Аквол-2
1;
Укри Укри
1;
ОСМ-
3%
Укрин
ол-1
103
канавок
Аквол-
5-8% МР-
11
Р3-
2у
СОЖ
8;
5%
Акво
л-11;
МР-4
Зубофрезер
ование;
зубодолбле
ОСМ
ние,
-3
шлицефрезе
5-10%
Укринол-
Укрино
1;
л-1;
МР-1; МР-4; Р3-
ОСМ-3;
МР-1;
Укринол-14;
МР-1;
ОСМ-3; 50% МР-99
Протягиван ОСМ
-3
5%
99
МР-99
5-10%
5-10%
Укринол-
Аквол-
1;
11;
ОСМ-3;
ОСМ-3;
МР-99
МР-99
5%
5%
Акво Аквол-11; АкволШлифовани
е
абразивное
5-8%
15% МР- 15%
рование
ие
5-10%
л-11; 3%
3%
Укринол-
11;
5%
Укри 1;
Укрино
нол-
ОСМ-3;
л-1;
1;
ОСМ-1;
ОСМ-3;
5%
10% ИХП- МР-4
СОЖ
8;
МР2у
5-10%
Укрин
ол-1
МР-4
5-8% Аквол2;
Р3-
5-10%
Аквол-11
МР-1; МР-4;
МР-99
5%
5-8%
СОЖ
8;
МР-4
Аквол-
11;
5%
3% Укринол- Р31;
СОЖ
Укринол-14;
8;
МР-4;
МР-4
МР-99
3%
Укри
нол1;
МР2у
5-10%
Укрин
ол-1;
ОСМ3
3%
Укри
нол1;
МР-
3%
Укрин
ол-1
2у
104
НСК- 45Э
5;
ОСМ
-1;
ОСМ
-3
5%
Шлифовани
е алмазное
и
эльборовое
3-5%
3-5%
3-5% Аквол-
Аквол-
Акво 10(11);
10(11);
л-11
ОСМ-1;
ОСМ-3;
ОСМ-3
ОСМ-1
Аквол-
10(11);
5% Укринол1;
ОСМ-3;
ОСМ-1; МР1;
Укринол-14
2-3%
Укри
но-1;
5%
5%
-
Р3-
Аквол
-11
СОЖ
8
10%
Алмазное
хонингован
ие
НСК- 10% НСК- 10%
5у;
5у;
ОСМ ОСМ-1;
-1;
ОСМ-3
ИХП-
10%
45Э;
45Э;
ИХП-
-
-
МР-4
ОСМ-1
ВИ-4
Способы подвода СОС при лезвийной обработке: поливом зоны резания,
струйно-напорное охлаждение под давлением, охлаждение распыленными
жидкостями, импульсная подача жидкости, воздуха, газов. СОЖ может
подаваться от индивидуальной или централизованной системы подвода.
Подача СОЖ поливом зоны резания производится через регулирующее расход
устройство и сопло, форма которого зависит от условий обработки.
Подача СОЖ под давлением осуществляется по внутренним каналам
инструмента с использованием специальных патронов. Повышенное давление
105
жидкости способствует также удалению частиц стружки и металла из зоны
обработки, что требует наличия специальных систем подготовки и очистки
СОЖ.
При струйно-напорном способе жидкость тонкой струей подводится в зону
контакта инструмента с обрабатываемым изделием. Струя формирует сопло с
отверстием до 0,8 мм, давление СОЖ более 1,5 МПа, расход 0,05-0,5 л/мин.
Чтобы исключить засорение отверстий, необходима тщательная очистка СОЖ.
При увеличении диаметра отверстия до 2-5 мм давление снижается до 0,05-0,2
МПа, требования к качеству очистки СОЖ снижаются, но и эффективность
охлаждения также уменьшается.
Подача СОЖ в распыленном состоянии требует специальных устройств для
подвода газа (обычно атмосферного воздуха) и распыления жидкости. Эффект
охлаждения зависит от скорости струи, достигающей 300 м/с и более.
Рекомендуемые значения параметров: давление сжатого воздуха 0,2 МПа,
расход 1,5 %-ной эмульсии - до 400 г/ч, расход масла И-20А (И-124) до 3 г/ч
(примером может служить универсальная установка модели УРС-75). При
использовании этого способа необходимо следить за соблюдением санитарных
норм на рабочих местах.
Способы и устройства подготовки и очистки СОЖ
Масляные, синтетические и полусинтетические жидкости хранятся 12 мес. со
дня приготовления, эмульсолы Укринол-1, Аквол-2 - 6 мес. Температура
хранения от -10 до +40 °С для всех СОЖ (для ИХП-45Э температура хранения
5-25 °С). СОЖ марок МР-1, МР-2у, МР-3, МР-4, ОСМ-3, ОСМ-5, ЛЗ-СОЖ1Т,
ЛЗ-СОЖ1ПО,
ЛЗ-СОЖ1ПИО
поставляются
готовыми
к
применению.
Остальные марки СОЖ перед применением должны быть приготовлены. Так,
СОЖ на базе присадки ЛЗ-26СО(ЛЗ-СОЖ200; ЛЗ-СОЖ2СИО) добавляется в
индустриальное масло при постоянном перемешивании. Эмульсии на базе
Укриноа-1, Аквола-2, ИХП-45Э, растворы на базе Аквола-10 и Аквола-11
106
приготовляются заливкой базового концентрата в воду, эмульсия на базе РЗСОЖ8 - добавкой воды к концентрату, раствор на базе НСК-5у готовят два
этапа:
сначала
концентрат
добавляют
в
воду
в
соотношении
1:3,
перемешивают до образования однородной смеси, а затем эта смесь
разбавляется оставшейся водой.
Вода не должна иметь грубодисперсных примесей, общая жесткость 2-7 мг
экв/л; pH=5,2-7 температура воды 15-30°С, содержание хлоридов не более 3080 мг/л, сульфатов - не более 150-300 мг/л.
При подготовке СОЖ вводят присадки (бактерицидные и др.), используют
различные
технологические
способы
обработка
ультрафиолетовыми
обработки
лучами,
воды
хлорирование).
(озонирование,
Необходимо
тщательно соблюдать правила техники безопасности и производственной
санитарии.
Очистка СОЖ повышает качество обработки, стойкость инструмента, срок
службы
насосов,
сокращает
расход
СОЖ,
позволяет
утилизировать
остродефицитные материалы - вольфрам, кобальт (из отходов твердосплавных
заготовок), алмаз. Качество очистки оценивается наибольшими размерами
частиц механических примесей в СОЖ и их допустимым массовым
содержанием.
При чистовой лезвийной обработке размер частиц не должен превышать 30
мкм, массовое содержание 0,4-0,5 г/л, при тонкой лезвийной обработке - 10
мкм и 0,1-0,2 г/л, при шлифовании кругами зернистостью 16 быстрорежущих
и коррозионно-стойких сталей (Ra<0,2 мкм) размер частиц и их массовое
содержание могут быть в следующих соотношениях: 2 мкм и 0,13 г/л; 5 мкм и
0,12 г/л; 25 мкм и 0,1 г/л.
Для очистки СОЖ применяются баки-отстойники, флотаторы, магнитные
сепараторы,
гидроциклоны,
фильтры,
центрифуги.
Иногда
требуется
регулировать температуру СОЖ (чистовое прецизионное шлифование) или
охлаждать СОЖ при длительной эксплуатации. Для этого используют
холодильные установки, теплообменники, выпускаемые централизованно, или
107
различные устройства в виде радиаторов, змеевиков и других средств, по
которым перемещается охлаждаемая или охлаждающая жидкость.
Упражнения для закрепления материала:
На основании темы 4.1. ответьте на вопрос.
1. С какой целью производят очистку СОЖ?
Домашнее задание:
На основании источника, ответьте на вопросы.
1.
Перечислите виды СОЖ при шлифовании.
2.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
108
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/nonmetal/nemetallicheskie-materiali.html
–
Все
о
материалах и материаловедении.
2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%B0%D0%B7%D0%B
E%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B0%D1%8E%
D1%89%D0%B8%D0%B5_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D
1%81%D1%82%D0%B8 – Смазочно-охлаждаемые жидкости.
Тема 4.2. Резина
109
Цели урока: усвоить основные понятие о резине, свойствах и применения.
Понятийный аппарат:
Резина,
каучук,
наполнители,
красители,
противостарители,
эбонит,
ускорители, активаторы, вулканизация.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 4.2.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Распишите резины общего и специального назначения. Результат
оформите в виде таблицы.
5.
Опишите назначение резины.
6.
Охарактеризуйте правила хранения резиновых изделий.
7.
Проведите рефлексию на отдельном листе
8.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) каучука и
серы с различными добавками.
Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами,
которые присущи каучуку - главному исходному материалу резины. Для
резиновых материалов характерна высокая стойкость к истиранию, газо- и
водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и
небольшая плотность.
Резины общего назначения
К группе резин общего назначения относятся вулканизаторы неполярных
каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ.
110
НК - натуральный каучук. Для получения резины НК вулканизируют серой.
Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водои газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами.
НК - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 24-34МПа,
относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 80-130С.
СКБ - синтетический каучук бутадиеновый. Каучуки вулканизируют
аналогично натуральному каучуку.
СКБ - плотность каучука 900-920кг/м3, предел прочности 13-16МПа,
относительное удлинение 500-600%, рабочая температура 80-150С.
СКС - бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) - это самый
распространенный каучук общего назначения.
СКС - плотность каучука 919-920кг/м3, предел прочности 19-32МПа,
относительное удлинение 500-800%, рабочая температура 80-130С.
СКИ - синтетический каучук изопреновый. Из этих резин изготавливают
шины, ремни, рукава, различные резинотехнические изделия.
СКИ - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 31.5МПа,
относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 130С.
Резины специального назначения
Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового,
СКН и тиокола.
Наирит,
резины
на
его
основе
обладают
высокой
эластичностью,
вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива и масел.
Наитрит - плотность каучука 1225кг/м3, предел прочности 20-26.5МПа,
относительное удлинение 450-550%, рабочая температура 100-130С.
СКН -бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе
применяют
для
изготовления
ремней,
конвейерных
лент,
рукавов,
маслобензостойких резиновых изделий.
СКН - плотность каучука 943-986кг/м3, предел прочности 22-33МПа,
относительное удлинение 450-700%, рабочая температура 100-177С.
111
Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.
СКТ - синтетический каучук теплостйкий. В растворителях и маслах он
набухает,
имеет
низкую
механическую
стойкость,
высокую
газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию.
СКТ - плотность каучука 1700-2000кг/м3, предел прочности 35-80МПа,
относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325С.
Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие
температуры стеклования.
Каучук – вещество, получаемое из каучуконосных растений, растущих
главным образом в тропиках и содержащих млечную жидкость (латекс) в
корнях, стволе, ветвях, листьях или плодах либо под корой. Резина – продукт
вулканизации композиций на основе каучука. Латекс не является соком
растения, и его роль в жизнедеятельности растения до конца не выяснена.
Латекс содержит частицы, выделяемые путем коагуляции в виде сплошной
упругой массы, называемой сырым, или необработанным, каучуком.
Источники натурального каучука
Сырой натуральный каучук бывает двух видов: 1) дикий каучук, добываемый
из произрастающих в естественных условиях деревьев, кустов и лозы; 2)
плантационный каучук, добываемый из возделываемых человеком деревьев и
других растений. В течение 19 в. вся масса сырого каучука промышленного
применения представляла собой дикий каучук, добывавшийся подсочкой гевеи
бразильской в экваториальных тропических лесах Латинской Америки, из
деревьев и лозы в экваториальной Африке, на Малаккском полуострове и
Зондских островах.
Свойства каучука
Сырой
каучук,
предназначенный
для
последующего
промышленного
применения, является плотным аморфным эластическим материалом с
удельной массой 0,91–0,92 г/см3 и показателем преломления 1,5191. Его
состав неодинаков для различных латексов и методов приготовления на
плантации. Углеводород каучука – это полиизопрен, углеводородное
112
полимерное химическое соединение, имеющее общую формулу (C5H8)n. Как
именно
в
дереве
синтезируется
углеводород
каучука,
неизвестно.
Невулканизованный каучук становится мягким и липким в С втеплую погоду
и хрупким – в холодную. При нагреве выше 180 отсутствие воздуха каучук
разлагается и выделяет изопрен.
Атмосферный кислород действует на каучук медленно, делая его жестким и
хрупким; озон делает то же самое быстрее. Сильные окислители, например
азотная кислота, перманганат калия и перекись водорода, окисляют каучук. Он
устойчив к действию щелочей и умеренно сильных кислот. Каучук реагирует
также с водородом, серой, серной кислотой, сульфоновыми кислотами,
окислами азота и многими другими реакционноспособными соединениями,
образуя производные, часть из которых имеет промышленное применение.
Каучук не растворяется в воде, спирте или ацетоне, однако набухает и
растворяется
в
бензоле,
толуоле,
бензине,
сероуглероде,
скипидаре,
хлороформе, четыреххлористом углероде и других галогенсодержащих
растворителях, образуя вязкую массу, применяемую в качестве клея.
Углеводород каучука присутствует в латексе в виде суспензии мельчайших
частиц, размер которых составляет от 0,1 до 0,5 мкм. Самые крупные частицы
видны через ультрамикроскоп; они находятся в состоянии непрерывного
движения, которое может служить иллюстрацией явления, называемого
броуновским движением.
Каучук обладает двумя важными свойствами, которые обусловливают его
промышленное применение. В вулканизованном состоянии он упруг и после
растяжения
принимает
первоначальную
форму;
в
невулканизованном
состоянии он пластичен, т.е. течет под воздействием тепла или давления.
Одно свойство каучуков уникально: при растяжении они нагреваются, а при
сжатии – охлаждаются. Наоборот, при нагревании каучук сжимается, а при
охлаждении – расширяется, демонстрируя явление, называемое эффектом
Джоуля.
Обработка каучука и производство резины
113
Пластикация. Одно из важнейших свойств каучука – пластичность –
используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с
другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или
пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот
процесс называется пластикацией каучука. Открытие Т.Хэнкоком в 1820
возможности пластикации каучука имело огромное значение для резиновой
промышленности.
Его
пластикатор
состоял
из
шипованного
ротора,
вращающегося в шипованном полом цилиндре; это устройство имело ручной
привод. В современной резиновой промышленности используются три типа
подобных машин до ввода других компонентов резиновой смеси в каучук. Это
– каучукотерка, смеситель Бенбери и пластикатор Гордона.
Использование грануляторов – машин, которые разрезают каучук на
маленькие гранулы или пластинки одинаковых размеров и формы, – облегчает
операции по дозировке и управлению процессом обработки каучука. каучук
подается в гранулятор по выходе из пластикатора. Получающиеся гранулы
смешиваются с углеродной сажей и маслами в смесителе Бенбери, образуя
маточную смесь, которая также гранулируется. После обработки в смесителе
Бенбери производится смешивание с вулканизующими веществами, серой и
ускорителями вулканизации.
Приготовление резиновой смеси. Химическое соединение только из каучука и
серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить
физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации
в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем
добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед
вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси.
Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их
назначение – модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и
увеличить
стойкость
к
истиранию,
маслам,
кислороду,
химическим
растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных
применений используются различные составы.
114
Ускорители и активаторы. Некоторые химически активные вещества,
называемые ускорителями, при использовании вместе с серой уменьшают
время вулканизации и улучшают физические свойства каучука. Примерами
неорганических ускорителей являются свинцовые белила, свинцовый глет
(монооксид свинца), известь и магнезия (оксид магния). Органические
ускорители гораздо более активны и являются важной частью почти любой
резиновой смеси. Они вводятся в смесь в относительно малой доле: обычно
бывает достаточно от 0,5 до 1,0 части на 100 частей каучука. Большинство
ускорителей полностью проявляет свою эффективность в присутствии
активаторов, таких, как окись цинка, а для некоторых требуется органическая
кислота, например стеариновая. Поэтому современные рецептуры резиновых
смесей обычно включают окись цинка и стеариновую кислоту.
Мягчители и пластификаторы. Мягчители и пластификаторы обычно
используются для сокращения времени приготовления резиновой смеси и
понижения температуры процесса. Они также способствуют диспергированию
ингредиентов смеси, вызывая набухание или растворение каучука. Типичными
мягчителями являются парафиновое и растительные масла, воски, олеиновая и
стеариновая кислоты, хвойная смола, каменноугольная смола и канифоль.
Упрочняющие наполнители. Некоторые вещества усиливают каучук, придавая
ему прочность и сопротивляемость износу. Они называются упрочняющими
наполнителями. Углеродная (газовая) сажа в тонко измельченной форме –
наиболее распространенный упрочняющий наполнитель; она относительно
дешева и является одним из самых эффективных веществ такого рода.
Протекторная резина автомобильной шины содержит приблизительно 45
частей углеродной сажи на 100 частей каучука.
Другими широко используемыми упрочняющими наполнителями являются
окись цинка, карбонат магния, кремнезем, карбонат кальция и некоторые
глины, однако все они менее эффективны, чем газовая сажа.
Наполнители. На заре каучуковой промышленности еще до появления
автомобиля некоторые вещества добавлялись к каучуку для удешевления
115
получаемых из него продуктов. Упрочнение еще не имело большого значения,
и такие вещества просто служили для увеличения объема и массы резины. Их
называют наполнителями или инертными ингредиентами резиновой смеси.
Распространенными наполнителями являются бариты, мел, некоторые глины и
диатомит.
Антиоксиданты. Использование антиоксидантов для сохранения нужных
свойств резиновых изделий в процессе их старения и эксплуатации началось
после Второй мировой войны. Как и ускорители вулканизации, антиоксиданты
– сложные органические соединения, которые при концентрации 1–2 части на
100 частей каучука препятствуют росту жесткости и хрупкости резины.
Воздействие воздуха, озона, тепла и света – основная причина старения
резины. Некоторые антиоксиданты также защищают резину от повреждения
при изгибе и нагреве.
Пигменты. Упрочняющие и инертные наполнители и другие ингредиенты
резиновой смеси часто называют пигментами, хотя используются и настоящие
пигменты, которые придают цвет резиновым изделиям. Оксиды цинка и
титана, сульфид цинка и литопон применяются в качестве белых пигментов.
Желтый крон, железоокисный пигмент, сульфид сурьмы, ультрамарин и
ламповая сажа используются для придания изделиям различных цветовых
оттенков.
Каландрование. После того как сырой каучук пластицирован и смешан с
ингредиентами резиновой смеси, он подвергается дальнейшей обработке перед
вулканизацией, чтобы придать ему форму конечного изделия. Тип обработки
зависит от области применения резинового изделия. На этой стадии процесса
широко используются каландрование и экструзия. Каландры представляют
собой машины, предназначенные для раскатки резиновой смеси в листы или
промазки ею тканей. Стандартный каландр обычно состоит из трех
горизонтальных валов, расположенных один над другим, хотя для некоторых
видов работ используются четырехвальные и пятивальные каландры. Полые
каландровые валы имеют длину до 2,5 м и диаметр до 0,8 м. К валам
116
подводятся пар и холодная вода, чтобы контролировать температуру, выбор и
поддержание
которой
имеют
решающее
значение
для
получения
качественного изделия с постоянной толщиной и гладкой поверхностью.
Соседние валы вращаются в противоположных направлениях, причем частота
вращения каждого вала и расстояние между валами точно контролируются. На
каландре выполняются нанесение покрытия на ткани, промазка тканей и
раскатка резиновой смеси в листы.
Экструзия.
Экструдер
применяется
для
формования
труб,
шлангов,
протекторов шин, камер пневматических шин, уплотнительных прокладок для
автомобилей и других изделий. Он состоит из стального цилиндрического
корпуса, снабженного рубашкой для нагрева или охлаждения. Плотно
прилегающий к корпусу шнек подает невулканизованную резиновую смесь,
предварительно нагретую на вальцах, через корпус к головке, в которую
вставляется
сменный
формующий
инструмент,
определяющий
форму
получаемого изделия. Выходящее из головки изделие обычно охлаждается
струей воды. Камеры пневматических шин выходят из экструдера в виде
непрерывной трубки, которая потом разрезается на части нужной длины.
Многие изделия, например уплотнительные прокладки и небольшие трубки,
выходят из экструдера в окончательной форме, а потом вулканизуются.
Другие изделия, например протекторы шин, выходят из экструдера в виде
прямых заготовок, которые впоследствии накладываются на корпус шины и
привулканизовываются к нему, меняя свою первоначальную форму.
Вулканизация. Далее необходимо вулканизовать заготовку, чтобы получить
готовое изделие, пригодное к эксплуатации. Вулканизация проводится
несколькими способами. Многим изделиям придается окончательная форма
только на стадии вулканизации, когда заключенная в металлические формы
резиновая смесь подвергается
воздействию температуры
и давления.
Автомобильные шины после сборки на барабане формуются до нужного
размера и затем вулканизуются в рифленых стальных формах. Формы
устанавливаются
одна на
другую
в
вертикальном вулканизационном
117
автоклаве, и в замкнутый нагреватель запускается пар. В невулканизованную
заготовку шины вставляется пневмомешок той же формы, что и камера шины.
По гибким медным трубкам в него запускаются воздух, пар, горячая вода по
отдельности или в сочетании друг с другом; эти служащие для передачи
давления текучие среды раздвигают каркас шины, заставляя каучук втекать в
фасонные углубления формы. В современной практике технологи стремятся к
увеличению числа шин, вулканизуемых в отдельных вулканизаторах,
называемых пресс-формами. Эти литые пресс-формы имеют полые стенки,
обеспечивающие внутреннюю циркуляцию пара, горячей воды и воздуха,
которые подводят тепло к заготовке. В заданное время пресс-формы
автоматически открываются.
Были разработаны автоматизированные вулканизационные прессы, которые
вставляют в заготовку шины варочную камеру, вулканизуют шину и удаляют
варочную камеру из готовой шины. Варочная камера является составной
частью вулканизационного пресса. Камеры шин вулканизуются в сходных
пресс-формах, имеющих гладкую поверхность. Среднее время вулканизации
одной камеры составляет около 7 мин при С. При меньших температурах
время вулканизации возрастает.155
Некоторые резиновые изделия вулканизуются погружением в горячую воду
под давлением. Листовой каучук наматывается между слоями муслина на
барабан и вулканизуется в горячей воде под давлением. Резиновые груши,
шланги,
изоляция
для
проводов
вулканизуются
в
открытом
паре.
Вулканизаторы обычно представляют собой горизонтальные цилиндры с
плотно подогнанными крышками. Пожарные шланги вулканизуются паром с
внутренней
стороны
вулканизаторов.
и
таким
Каучуковый
образом
шланг
играют
втягивается
роль
собственных
вовнутрь
плетеного
хлопчатобумажного шланга, к ним прикрепляются соединительные фланцы и
внутрь заготовки на заданное время под давлением нагнетается пар.
Синтетический каучук
118
Синтез каучука, происходящий в дереве, никогда не выполнялся в
лаборатории. Синтетические каучуки являются эластичными материалами;
они сходны с натуральным продуктом по химическим и физическим
свойствам, но отличаются от него структурой.
Синтез аналога натурального каучука (1,4-цис-полиизопрена и 1,4-цисполибутадиена). Натуральный каучук, получаемый из гевеи бразильской,
имеет структуру, состоящую на 97,8% из 1,4-цис-полиизопрена:
Изделия из резины в промышленности
Для получения прорезиненных тканей берут льняную или бумажную ткань и
резиновый клей, представляющий резиновую смесь, растворенную в бензине
или бензоле. Клей тщательно и равномерно размазывают и впрессовывают в
ткань; после просушки и испарения растворителя получают прорезиненую
ткань. Для изготовления прокладочного материала, способного выдерживать
высокие температуры, применяют паронит, представляющий резиновую
смесь, в которую введено асбестовое волокно. Такую смесь смешивают с
бензином, пропускают через вальцы и вулканизируют в виде листов толщиной
от 0,2 до 6 мм.
Для получения резиновых трубок и профилей сырую резину пропускают через
шприц-машину, где сильно разогретая (до 100—110°) смесь продавливается
через профилирующую головку. В результате получают профиль, который
подвергают вулканизации.
Изготовление дюритовых рукавов происходит следующим образом: из
каландрованной резины вырезают полосы и накладывают их на металлический
дорн, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру рукава. Края
полос
смазывают
резиновым
клеем
и
прикатывают
роликом,
затем
накладывают один или несколько парных слоев ткани и промазывают их
резиновым клеем, а сверху накладывают слой резины. После этого собранный
рукав подвергают вулканизации.
119
Автомобильные камеры изготовляют из резиновых труб, шприцованных или
склеенных вдоль камеры. Существует два способа изготовления камер:
формовый и дорновый. Дорновые камеры вулканизируют на металлических
или изогнутых дорнах. Эти камеры имеют один или два поперечных стыка.
После стыкования, камеры в месте стыка подвергают вулканизации. При
формовом способе, камеры вулканизируют в индивидуальных вулканизаторах,
снабженных автоматическим регулятором температуры. Чтобы избежать
склеивания стенок, внутрь камеры вводят тальк.
Автомобильные покрышки собирают на специальных станках из нескольких
слоев особой ткани (корд), покрытой резиновым слоем. Тканевый каркас, то
есть скелет шины, тщательно прикатывают, а кромки слоев ткани
заворачивают. Снаружи каркас покрывают в беговой части толстым слоем
резины, называемым протектором, а на боковины накладывают более тонкий
слой резины. Подготовленную таким образом шину подвергают вулканизации.
Хранение резиновых изделий
При хранении резины необходимо соблюдать следующие условия:
1. Температура воздуха не должна быть ниже 5° и не превышать 15°;
влажность 40-60 %.
2. Отсутствие попадания прямого солнечного света, для чего окна следует
замазывать желтой или красной краской, не пропускающей ультрафиолетовых
лучей.
3. Резиновые изделия должны лежать на деревянных стеллажах, которые
должны быть расположены от отопительных приборов на расстоянии не менее
1 м.
4. Резиновые изделия должны быть обернуты бумагой или тканью и уложены
в коробки; рукава необходимо растянуть, но не оставлять в мотках. Покрышки
нельзя складывать стопкой; их рекомендуют ставить на протекторную часть в
ряд на стеллажах.
Домашнее задание:
120
1.
Роль резины в металлообработке, автомобилестроении (презентация 4-5
слайдов).
2.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
3.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/nonmetal/nemetallicheskie-materiali.html
–
Все
о
материалах и материаловедении.
Тема 4.3. Пластическая масса
121
Цели урока: усвоить основные понятие о пластмассе, свойствах и
применения.
Понятийный аппарат:
Пластмасса, полимер, пластификаторы, фторопласт, винипласт.
Алгоритм деятельности обучающихся:
1.
Ознакомьтесь с теоретическим материалом темы 4.3.
2.
Запишите тему занятия в рабочую тетрадь
3.
На основании материала и источника /1/ запишите в тетрадь понятийный
аппарат.
4.
Распишите термопласты и газонаполненные пластмассы. Результат
оформите в виде таблицы: вид, определение, свойства.
5.
Опишите назначение пластмассы.
6.
Охарактеризуйте свойства и назначение пластмасс.
7.
Проведите рефлексию на отдельном листе
8.
Запишите домашнее задание.
Теоретический аспект темы:
Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе
органических полимерных связующих веществ.
Пластмассы различаются.
1. По строении макромолекул:

линейные,

разветвленные,

сетчатые пространственные.
2. По способу получения на изготовленные:

полимеризацией

поликонденсацией
3. По поведению при тепловой обработке:

термопластичные (термопласты)
122

термореактивные (реактопласты)
Состав и свойства пластмасс
Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В
качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические
смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.
Другим
важным
компонентом
пластмасс
является
наполнитель
(порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают
механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают
материалу те или иные специфические свойства.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания
и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики
пластиков в достаточно широких пределах.
Термопластичные пластмассы
В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или
разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.
Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен,
полипропилен, полистирол и фторопласт-4.
Полиэтилен - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся
к кристаллизующимся полимерам.
Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и
теплостойкость
материала.
Он
химически
стоек
и
при
нормальной
температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток
его подверженность старению.
При меняют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых
деталей.
Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный
материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный
123
полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его
невысокая морозостойкость (от -10 до -20С.
Полистирол - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для
механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензине.
Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и
образованию трещин.
Из полистирола изготавливают детали для радиотехники, телевидения и
приборов, сосуды для воды и многое другое.
Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение
материала происходит при температуре выше 415С. Он стоек к воздействию
растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой.
Недостатки хладотекучесть.
Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран,
уплотнительных прокладок, манжет и др.
Полярные термопластичные пластмассы.
Фторопласт-3
-
полимер
трифторхлортилена.
Его
используют
как
низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги,
клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.
Органическое стекло - это прозрачный аморфный термопласт на основе
сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2
раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью,
оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость.
Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного
инструмента.
Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют
хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не
поддерживают горение, атмосферостойки., имеют высокую прочность и
упругость.
Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников,
строительные облицовочные плитки.
124
Полиамиды - это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон,
анид и др. Они продолжительное время могут работать на истирание ,
ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину,
спирту, устойчивы в тропических условиях.
Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.
Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при
получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми,
эластичными и даже термореактивными.
Полиэтилентерефталат - сложный полиэфир, в России выпускается под
названием лавсан, за рубежом - майлар, терилен. Из лавсана изготавливают
шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.
Термостойкие пластики.
Ароматический
полиамид
фенилон.
-
Из
фенилона
изготавливают
подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.
Полибензимидазолы
являются
ароматическими
гетероциклическими
полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными
показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных
костюмов.
Термореактивные пластмассы
Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты,
стеловолокниты).
волокнистого
Волокниты
наполнителя
фенолоформальдегидными
представляют
в
виде
связующими.
собой
очесов
композиции
хлопка,
Применяют
для
из
пропитанного
изготовления
деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат
наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него
получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.
Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики,
асботесолит)
являются
силовыми
конструкционными
о
поделочными
материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность.
125
Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых
механической обработкой получают различные детали.
Газонаполненные пластмассы
Представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из
твердой и газообразной фаз.
Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные
наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими
слоями полимерного связующего. Обладают хорошей плавучестью и
высокими теплоизоляционными свойствами.
Применяют
для
теплоизоляционных
кабин,
контейнеров,
приборов,
холодильников, рефрижераторов, труб и т.п. Мягкие и эластичные пенопласты
применяют для амортизаторов, мягких сиденей, губок.
Сотопласты Изготавливают из тонких листовых материалов. Для них
характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные
свойства и радиопрозрачность.
Применяют в виде заполнителей многослойных панелей в авиа- и
судостроении для несущих конструкций.
Пластмассы являются весьма перспективным конструкционным материалом.
Их используют не только как заменители металлов, не и как самостоятельный
материал для различных изделий, обладающих многими положительными
качествами.
Изготовление пластмассовых конструкций, как правило, менее трудоёмко и
энергоёмко, чем из других материалов. Они с успехом заменяют конструкции
из легированных сталей, драгоценных металлов, бетона и дерева, позволяя тем
самым экономить промышленно важные материалы.
Изделия из пластмасс отличаются:
o
малой плотностью (малый вес) (1,0...1,8 г/см3);
o
высокими диэлектрическими свойствами;
o
хорошими
теплоизоляционными
характеристиками
(низкая
теплопроводность);
126
o
устойчивостью к атмосферным воздействиям;
o
стойкостью к агрессивным средам; пластмассы почти не подвергаются
электрохимической коррозии и очень стойки против агрессивных химических
сред - некоторые пластмассы по химической стойкости превосходят золото и
платину;
o
стойкостью к резким сменам температуры, в частности, стабильностью
размеров;
o
высокой механической прочностью при различных нагрузках;
o
меньшими затратами энергии для переработки, чем металлические
материалы (это обусловлено технологическими свойствами пластмасс);
o
высокой эластичностью;
o
оптической прозрачностью;
o
простотой формирования изделий;
o
разнообразием цветовой гаммы (не требуют окраски);
Пластмассы - важнейшие конструкционные материалы современной техники.
Их используют:
o
в машиностроении (резервуары; подшипники скольжения; зубчатые и
червячные колеса; детали тормозных узлов; рабочие органы насосов и
турбомашин; технологическая оснастка и др.);
o
в элетро- и радиотехнике (устройство телеграфных столбов; различных
деталей и др.);
o
на железнодорожном и других видах транспорта (детали автомобилей,
самолетов, ракет; кузова различного транспорта; трубопроводы и др.;
o
в строительстве (создание большепролетных панелей покрытия до 12 м;
оболочек; в качестве отделочного материала; светопрозрачные ограждения;
навесы; вентиляционные устройства; дымовые трубы;
o
оконные переплеты; светопрозрачные стены и др.;
o
в сельском хозяйстве (теплицы и др.);
127
o
в медицине (приборы; аппараты; изготовление «запасных» частей
человеческого организма - костей, суставов, аорт и других крупных
кровеносных сосудов);
o
в быту (посуда, одежда, обувь, меха и др.).
При замене металла вес детали уменьшается в 3...5 раз (при замене
железобетона - в 5...10 раз), ее себестоимость падает в 3...6 раз, трудоемкость
изготовления - в 3...8 раз.
Домашнее задание:
1.
Сообщение на тему: Применение в профессиональной деятельности
акрилонитрилобутадиеностирольных пластиков.
2.
Подготовка к практической работе.
Рефлексия
Проведите самооценку по 5 балльной оценке. Запишите на листочке номер
темы, Ф.И, номер группы и напротив буквы поставьте балл (например: а-4 и
т.д.)
Тема
___________________
Ф.И
____________________________
Группа______________
а) внимание________________
б) дисциплина_________________
в) степень усвоение материала ________________
г) работа на занятии ____________________
д) оценка за занятие себе _______________
е) оценка за занятие учителю_________
Список литературы:
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.-238с.
128
2.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990 – 320 с.
3.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004 – 240 с.
Интернет – ресурсы:
1.
http://materiall.ru/nonmetal/nemetallicheskie-materiali.html
–
Все
о
материалах и материаловедении.
129
Заключение
В качестве основного механизма, который призван обеспечить обучающегося
необходимыми как профессиональными, так и общими компетенциями
рассматривается компетентностный подход в профессиональном образовании,
его ориентация на формирование общих компетенций обучающегося,
выпускника. Модульно-компетентностный подход позволяет осуществлять
интеграцию теоретического и практического обучения, переосмысление места
и роли теоретических знаний в процессе освоения компетенций.
В содержании профессионального образования именно модуль как новая
структурная единица занимает центральное место, поскольку требования к
результатам обучения формулируются как перечень видов профессиональной
деятельности
и
соответствующих
профессиональных
компетенций.
Выпускник в ходе обучения должен, прежде всего, приобрести практический
опыт, который опирается на комплексно осваиваемые умения и знания. Эта
последовательность приоритетов зафиксирована в тексте ФГОС НПО в
разделе, описывающем требования к структуре и содержанию основной
профессиональной образовательной программы. Каждый модуль может
осваиваться независимо, а их совокупность позволяет достичь итоговой
компетентности в профессиональной сфере.
130
Список литературы
1.
Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (Металлообработка)/ под
ред. А.М. Адаскина. М.: Академия, 2006.
2.
Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубов А.В. Справочное пособие по
материаловедению (металлообработка)/под ред. В.Н. Заплатина. М.: Академия,
2007.
3.
Зуев В.М., Термическая обработка металлов/ под ред. В.М. Зуева. М.:
Высшая школа: Академия, 1999.
4.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение/ под ред. Ю.М.
Лахтина. – М.: Машиностроение, 1990.
5.
Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник/ под ред. А.А. Черепахина.
- М.: Академия, 2004.
131