Основи металознавства

Основи металознавства

1. Основи металознавства

1.1 Роль вітчизняних вчених у розвитку металознавства

Металознавство - наука, яка вивчає в загальному зв'язку склад, будову та властивості металів та сплавів, а також закономірності зміни властивостей під впливом теплової, механічної або хімічної дії. Як самостійна наука "металознавство" виникло у Росії в ХІХ столітті під назвою металографія.

Кристалами різних речовин вчені цікавилися ще в ХVІІ і ХVІІІ ст. М.В.Ломоносов у 1763 р. у своєму "Трактате о слоях земных" встановлює закон постійності кутів для кристалів алмазу. У цьому питанні Ломоносов далеко випередив своїх сучасників, він висунув положення, які поділяються наукою і в наш час.

Розвиток металознавства нерозривно пов'язаний з іменами П.П.Аносова (вперше використав мікроскоп для дослідження структури металів), Д.К.Чернова (дослідив критичні точки сталі та кристалічну будову литої сталі). Дальший розвиток металознавства пов'язаний з іменами М.С.Курнакова (розробив методи фізико-хімічного аналізу сплавів), О.О.Байкова (висвітлив фізико-хімічну суть ряду металургійних процесів), С.С.Штейнберга (узагальнив явище перетворень аустеніту), М.П.Чижевського (вивчив вплив азоту на властивості сталей).

У даний час наука "металознавство" пішла далеко вперед. Українськими вченими розроблено понад дві тисячі різних сплавів.

У НАН України працює декілька десятків науково-дослідних інститутів, які займаються металознавством (інститути: проблем матеріалознавства; надтвердих матеріалів; проблем міцності; проблем лиття; зварювання ім. Е.О.Патона; фізико-технічний тощо).

Крім цього є багато науково-дослідних галузевих інститутів, які займаються проблемами матеріалознавства.

Слід відмітити, що великий внесок у розвиток металознавства дають вчені з вищих технічних навчальних закладів.

У даний час технічну науку творять не одинокі вчені, а цілі колективи.

Серед сучасних вітчизняних вчених-металознавців можна назвати: Б.Е.Патон, Д.А.Дутко, Б.І.Медовар, Б.А.Мовчан, А.К.Лебедєв, Н.Т.Францевич, Г.К.Писаренко та ін.

1.2 Основні відомості про метали

Речовини у твердому стані мають кристалічну або аморфну будову. у кристалічній речовині атоми розташовані за геометрично правильною схемою і на певній відстані один від одного, а в аморфній - атоми розташовані хаотично (безладно).

У всіх металах і їх сплавах будова кристалічна. На рис.1 показано мікроструктуру чистого заліза. З цього рисунку видно, що воно складається з кристалічних зерен невизначеної форми (кристалів), проте будова кристалів закономірна і складається з кристалічних решіток. Порядок розташування атомів у решітках може бути різним. Розташування атомів може мати форму:

- центрованого куба ( a і b-залізо, a-титан, хром, молібден);

- куба з центрованими гранями (g-залізо, мідь, алюміній, нікель);

- гексагональну (магній, цинк, a-кобальт).

Більшість металів мають кристалічні решітки: обўємно-центровану кубічну, кубічну гранецентровану або гексагональну.

Елементарна комірка кубічної обўємно-центрованої решітки (рис.2) обмежена дев'ятьма атомами, вісім яких розташовані по вершинах куба, а дев'ятий у його центрі.

Елементарна комірка кубічної гранецентрованої решітки (рис.3) обмежується 14 атомами: 8 з них розташовані по вершинах куба і 6 - по гранях.

Елементарна комірка гексагональної решітки (рис.4) обмежена 17 атомами, з них 12 атомів розташовані по вершинах шестигранної призми, 2 атоми - у центрі основ і 3 - у середині призми.

Довжина сторони куба або шестигранника називається параметром решітки (у міді 0,36 нм, у цинку 0,267 нм і т.п.).

Від будови решіток і їх параметрів залежать властивості металів.

1.3 Відмінні властивості металів від неметалевих матеріалів

У кристалічних речовинах кожний атом складається з позитивно зарядженого ядра і кількох шарів (оболонок) негативно заряджених електронів, які рухаються навколо ядра. Електрони зовнішніх оболонок атомів металів називають валентними. Вони легко відщеплюються, швидко рухаються між ядрами і називаються вільними. Наявність у металах таких електронів зумовлює електропровідність і теплопровідність.

В окремих кристалах властивості (в основному механічні) різні в різних напрямках. Таку властивість кристалів називають анізотропністю. Анізотропність кристалів пояснюється особливостями розташування атомів у просторі.

Аморфні речовини ізотропні, тобто всі властивості в них однакові у всіх напрямках.

1.4 Кристалізація реальних металів

Кристалізацією називається утворення кристалів у металах (сплавах) при переході з рідкого стану в твердий (первинна кристалізація). Процес кристалізації складається з двох етапів: утворення центрів кристалізації і росту кристалів.

Процес кристалізації металу найлегше простежити за допомогою лічильника часу і термоелектричного пірометра.

Покази пірометра автоматично записуються в часі, і за цими даними будуються криві охолодження в координатах температура - час (рис. 5).

Перехід з рідкого стану в твердий при охолодженні супроводжується утворенням кристалічної решітки. Щоб розпочалася кристалізація, рідкий метал необхідно перехолодити дещо нижче від температури плавлення.

На кривій охолодження (металів) можна відмітити горизонтальну площадку (ав). Точка а - початок, в - завершення кристалізації. Ділянка ав вказує на незмінність температури у часі під час плавлення. Це показує, що теплова енергія витрачається на внутрішні перетворення у металі.

В аморфних речовинах криві охолодження плавні, без площадок і уступів. Тому, якщо метали мають температуру кристалізації і температуру плавлення, то аморфні речовини мають інтервал затвердіння і розрідження. Якщо метали на кривій охолодження мають одну площадку (ав), то сплави - декілька площадок і уступів.

1.5 Алотропні перетворення у металах

Алотропія металів (або поліморфізм) - це властивість перебудовувати решітку при певних температурах у процесі нагрівання або охолодження. Алотропія властива всім елементам, які змінюють валентність при зміні температури (залізо, марганець, нікель, олово та ін.). Кожне алотропне перетворення проходить при температурі 1184 0К, нижче від якої атоми складають решітку центрованого куба, а вище - решітку гранецентрованого куба.

Структура, що має ту чи іншу решітку, називається алотропною формою або модифікацією. Різні модифікації позначаються грецькими буквами a, b, g і т.п. Алотропні перетворення супроводжуються віддачею (зменшенням) або поглинанням (збільшенням) енергії.

1.6 Загальні відомості про вади будови металів

Реальні метали складаються з кристалів з певними вадами.

Вади бувають:

- точкові - це пусті вузли, або вакансії (рис. 6а) та міжвузлові атоми (рис. 6б); кількість цих вад зростає з підвищенням температури;

- лінійні - це дислокації (крайові та гвинтові), які є ніби зсув частини кристалічної решітки (по лінії АВ рис. 6в). Дислокації характеризуються великою протяжністю в одному напрямі;

- поверхневі - це наявність субзерен або блоків 1,2 всередині кристала (рис. 6г), а також різною орієнтацією кристалічних решіток зерен 1, 2 (рис. 6д).

Вади кристалів істотно впливають на всі властивості металів.

1.7 Властивості металів

Властивості металів поділяють на фізичні, механічні, хімічні та технологічні.

До фізичних властивостей належать: колір, густина, температура плавлення, електропровідність, магнітні властивості, теплопровідність, теплоємність, відносне видовження і зменшення по довжині при дії різних факторів.

До механічних - міцність, твердість, пружність, пластичність, в'язкість, крихкість.

До хімічних - окислюваність, розчинність, корозійна стійкість, луготривкість, кислотостійкість, жаростійкість.

До технологічних - рідинотекучість, ковкість, зварюваність, оброблюваність різанням, прогартовуваність.

Всі ці властивості мають важливе значення при виборі металів для виготовлення того чи іншого виробу.

Кожну властивість металу необхідно технічно грамотно сформулювати. Наприклад, міцність - це властивість металу чинити опір руйнуванню і появі залишкових деформацій під дією зовнішніх сил.

1.8 Основні методи дослідження властивостей металів

На даному етапі для дослідження всіх властивостей металів розроблені відповідні методики та устаткування.

Для дослідження механічних властивостей використовують механічні випробування. Найбільш поширеними є випробування на твердість, статичний розтяг, динамічні випробування, на втомленість, повзучість та зношування, які свідчать про властивості металів.

Статичні - це такі випробування, при яких метал, що випробовують піддають дії постійної сили або сили, яка зростає дуже повільно.

Динамічними називають випробування, при яких метал піддають впливу удару або сили, яка зростає дуже швидко. Статичне випробування на розтяг - поширений спосіб механічних випробувань металів. Для цього випробування виготовляються спеціальні зразки, які розриваються на спеціальних розривних машинах. На розривних машинах одержують діаграму розтягу, по якій можна визначити: межу текучості, межу міцності, відносне видовження і відносне звуження.

Межею текучості називається найменше напруження, при якому без помітного збільшення навантаження продовжується деформація досліджуваного зразка.

Межу текучості визначають за формулою:

Gт = Pт / F0 ,

де Pт - навантаження текучості;

F0 - поперечний переріз робочої частини зразка до випробування.

Умовне напруження, яке відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності і визначається за формулою:

Gв = Pв / F0,

де Pв - навантаження, що передує розриву зразка.

По відносному видовженні і звуженні оцінюють пластичність металів. Відносне видовження і звуження вимірюють у відсотках (%).

Відносне видовження визначають за формулою:

G = l1 - l0 / l0 · 100(%),

де l1 - довжина зразка після розриву; l0 - довжина зразка до розриву.

Відносне звуження визначають за формулою:

Х=F0 - F1 / F0 ·100(%),

де F0 - початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка; F1 - площа поперечного перерізу після розриву.

Твердість визначають за такими методами: методом Брінелля, методом Роквелла, методом Віккерса.

Метод Брінелля заснований на вдавлюванні твердої кульки у досліджуваний метал. Твердість по Брінеллю розраховується за формулою:

НВ = Р/F

де P - навантаження на кульку; F - величина поверхні відбитка.

Принцип вимірювання твердості по Роквеллу заснований на вдавлюванні у досліджуваний метал стальної кульки Ш = 1,58 мм або конуса з кутом 1200 .

Метод Віккерса дає можливість вимірювати твердість як мўяких так і дуже твердих металів і сплавів. Він придатний для визначення твердості тонких поверхневих шарів. За цим методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 1360.

Крім цього, для визначення механічних властивостей металів використовують такі випробування:

- випробування на ударний згин;

- випробування на втомленість.

Випробування технологічних властивостей найбільш прості. Вони визначають можливість проводити ті чи інші технологічні операції з даним металом або застосовувати його у тих чи інших умовах. З них найбільш поширеними є випробування: на вдавлювання, на перегин, на іскру, зварюваність, ковкість, рідинотекучість та ін.

Для дослідження мікро- і макроструктури, а також визначення вад внутрішньої будови металів, використовують такі методи: макроаналіз, мікроаналіз, рентгеноструктурний аналіз, магнітна дефектоскопія, застосування радіоактивних ізотопів тощо.

1.9 Основи теорії сплавів

Металевими сплавами називають речовини, які складаються не менше, як з двох компонентів і одним з них обов'язково повинен бути метал. Компонентами називають хімічні елементи або їх сполуки у складі сплаву. За кількістю компонентів сплави поділяють на подвійні, потрійні і т.д. Залежно від природи компонентів, з яких складається сплав, розрізняють:

1) сплав - механічна суміш компонентів;

2) сплав - необмежений твердий розчин компонентів;

3) сплав - обмежений твердий розчин компонентів;

4) сплав - хімічна сполука компонентів.

Механічні суміші неоднорідні, вони є найдрібнішою сумішшю кристалітів компонентів. Тверді розчини і хімічні сполуки однорідні. Перші можуть утворюватися при різному співвідношенні компонентів, а другі тільки при чітко визначеному ваговому співвідношенні компонентів, як будь-яка хімічна сполука.

У твердих розчинах атоми розчиненої речовини заміщають атоми розчинника у кристалічній решітці (рис. 7а) або проникають у неї (рис. 7б); хімічні сполуки утворюють нову відмінну кристалічну решітку. Після кристалізації сплаву утворюється або одна фаза (твердий розчин, хімічна сполука), або сплав, який містить суміш фаз.

Фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших складових (фаз) поверхнею розподілу.

1.10 Діаграми стану подвійних сплавів

Діаграма стану подвійних сплавів - це рисунок у площині, побудований у залежності між хімічним складом і температурою (від кімнатної до температури плавлення). Вони характеризують процеси кристалізації та структурної зміни різних сплавів і дають наочне уявлення про фази в будь-якому сплаві однієї системи. По діаграмі стану сплавів можна заздалегідь робити висновки про властивості всіх сплавів системи. Діаграма стану дає можливість вибирати температуру нагрівання сплаву при термічній обробці, обробці тиском, температуру нагрівання для лиття.

Діаграми стану будують по кривих охолодження, одержаних у результаті термічного аналізу.

Термічний аналіз зводиться до виявлення критичних точок при нагріванні та охолодженні металів і сплавів і, звичайно, супроводжується побудовою кривих у координатах температура-час. Якщо при охолодженні сплаву в ньому відбуваються фазові перетворення, які супроводжуються виділенням тепла, то на кривій появляються горизонтальні ділянки або зломи. Такі зломи і горизонтальні ділянки дають змогу визначити температуру перетворень.

Для подвійних сплавів існує чотири типи діаграм стану:

- діаграми стану механічних сумішей;

- діаграми стану з необмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з обмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з хімічними сполуками.

Розглянемо діаграму стану подвійних сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.

Такого типу діаграму утворює сплав свинець-сурма. Для побудови даної діаграми побудуємо шість кривих охолодження для сплавів із вмістом сурми 5, 10, 13, 20, 40 і 80 % (рис. 8). На цих кривих охолодження ми бачимо по дві критичні точки (а, б, г, д, е) і тільки на одній кривій (в) для сплаву з 13 % одну критичну точку. Верхні критичні точки відповідають початку кристалізації, нижні - завершенню кристалізації.

Діаграму будують так: відкладають у масштабі по абсцисі точки за складом сплавів, приймаючи, що ліворуч буде чистий свинець, а праворуч - чиста сурма (рис. 9). По вертикалі розмітимо шкалу температури і відкладемо критичні температури зазначених сплавів. Свинець має температуру плавлення 600 0К, сурма - 903 0К. Сполучивши нижні критичні точки, маємо пряму ДВЕ, а сполучивши верхні точки - криву АВС.

Вище лінії АВС усі сплави перебувають у рідкому стані. Лінія АВС називається лінією ліквідус. Нижче від лінії ДВЕ усі сплави перебувають у твердому стані. Вона називається лінією солідус.

У точці В при вмісті 13 % , 87 % і при температурі 519 0К кристалізація свинцю та сурми відбувається одночасно; утворюється тонка механічна суміш кристалів свинцю і сурми (двох фаз). Ця суміш називається евтектикою. Евтектика - сплав з найменшою температурою плавлення. Сплави, які містять менш як 13 % , називаються доевтектичними, а які містять більше як 13 % - заевтектичними. Точку В називають евтектичною точкою.

Узагальнюючи викладене, можна зробити такі висновки:

- по лінії АВ починається випадання кристалів свинцю;

- в області АВД містяться кристали свинцю і рідкий розчин;

- по лінії ВД кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу;

- нижче лінії ВД містяться тверді доевтектичні сплави, які складаються з кристалів свинцю та евтектики;

- по лінії ВС починається випадання кристалів сурми;

- в області СВЕ містяться кристали сурми і рідкий розчин;

- по лінії ВЕ кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу, що залишається;

- нижче від лінії ВЕ містяться тверді заевтектичні сплави, які складаються з кристалів сурми та евтектики.

1.11 Зв'язок між діаграмами стану і властивостями сплавів

У сплавах, які створюють одноманітні діаграми стану, властивості змінюються ідентично. Були розроблені спеціальні діаграми склад - властивість. Такі діаграми є цінним доповненням до діаграм стану сплавів, тому що вони для кожної системи характеризують зміну тієї або іншої властивості сплаву в залежності від складу.

На рис.10 у верхньому ряду зображені діаграми стану, у середньому - діаграма зміни твердості, у нижньому - діаграма зміни електропровідності.

У сплавах типу Рв-Sв (діаграма стану з механічними сумішами) властивості змінюються прямолінійно від одного компонент до іншого.

Крім твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначити ливарні властивості, здатність піддаватися гарячій механічній обробці, обробці різанням та ін.

Величина перепаду температур між точками ліквідус і солідус визначає ступінь ліквації та можливої неоднорідності сплаву; евтектичні сплави мають кращі ливарні властивості та оброблюваність різанням; сплави - тверді розчини, які добре обробляються тиском.

Побудовою кривих у координатах температура-час. Якщо при охолодженні сплаву в ньому відбуваються фазові перетворення, які супроводжуються виділенням тепла, то на кривій появляються горизонтальні ділянки або зломи. Такі зломи і горизонтальні ділянки дають змогу визначити температуру перетворень.

Для подвійних сплавів існує чотири типи діаграм стану:

- діаграми стану механічних сумішей;

- діаграми стану з необмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з обмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з хімічними сполуками.

Розглянемо діаграму стану подвійних сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.

Такого типу діаграму утворює сплав свинець-сурма. Для побудови даної діаграми побудуємо шість кривих охолодження для сплавів із вмістом сурми 5, 10, 13, 20, 40 і 80 % (рис. 8). На цих кривих охолодження ми бачимо по дві критичні точки (а, б, г, д, е) і тільки на одній кривій (в) для сплаву з 13 % одну критичну точку. Верхні критичні точки відповідають початку кристалізації, нижні - завершенню кристалізації.

Діаграму будують так: відкладають у масштабі по абсцисі точки за складом сплавів, приймаючи, що ліворуч буде чистий свинець, а праворуч - чиста сурма (рис. 9). По вертикалі розмітимо шкалу температури і відкладемо критичні температури зазначених сплавів. Свинець має температуру плавлення 600 0К, сурма - 903 0К. Сполучивши нижні критичні точки, маємо пряму ДВЕ, а сполучивши верхні точки - криву АВС.

Вище лінії АВС усі сплави перебувають у рідкому стані. Лінія АВС називається лінією ліквідус. Нижче від лінії ДВЕ усі сплави перебувають у твердому стані. Вона називається лінією солідус.

У точці В при вмісті 13 % , 87 % і при температурі 519 0К кристалізація свинцю та сурми відбувається одночасно; утворюється тонка механічна суміш кристалів свинцю і сурми (двох фаз). Ця суміш називається евтектикою. Евтектика - сплав з найменшою температурою плавлення. Сплави, які містять менш як 13 % , називаються доевтектичними, а які містять більше як 13 % - заевтектичними. Точку В називають евтектичною точкою.

Узагальнюючи викладене, можна зробити такі висновки:

- по лінії АВ починається випадання кристалів свинцю;

- в області АВД містяться кристали свинцю і рідкий розчин;

- по лінії ВД кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу;

- нижче лінії ВД містяться тверді доевтектичні сплави, які складаються з кристалів свинцю та евтектики;

- по лінії ВС починається випадання кристалів сурми;

- в області СВЕ містяться кристали сурми і рідкий розчин;

- по лінії ВЕ кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу, що залишається;

- нижче від лінії ВЕ містяться тверді заевтектичні сплави, які складаються з кристалів сурми та евтектики.

1.12 Зв'язок між діаграмами стану і властивостями сплавів

У сплавах, які створюють одноманітні діаграми стану, властивості змінюються ідентично. Були розроблені спеціальні діаграми склад - властивість. Такі діаграми є цінним доповненням до діаграм стану сплавів, тому що вони для кожної системи характеризують зміну тієї або іншої властивості сплаву в залежності від складу.

На рис.10 у верхньому ряду зображені діаграми стану, у середньому - діаграма зміни твердості, у нижньому - діаграма зміни електропровідності.

У сплавах типу Рв-Sв (діаграма стану з механічними сумішами) властивості змінюються прямолінійно від одного компонент до іншого.

Крім твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначити ливарні властивості, здатність піддаватися гарячій механічній обробці, обробці різанням та ін.

Величина перепаду температур між точками ліквідус і солідус визначає ступінь ліквації та можливої неоднорідності сплаву; евтектичні сплави мають кращі ливарні властивості та оброблюваність різанням; сплави - тверді розчини, які добре обробляються тиском.

2. Залізовуглецеві сплави

2.1 Діаграма стану "залізо - вуглець"

Діаграма стану залізо-вуглець є фундаментом науки про сталь і чавун (сплав заліза з вуглецем). Вуглець із залізом утворюють хімічну сполуку (цементит) або може перебувати у сплаві у вільному стані у вигляді графіту.

Сторінка 4

Відповідно є дві діаграми сплавів залізо-вуглець: цементитна і графітна. На рис.11 приведено спрощений вигляд цементитної діаграми стану системи залізо-вуглець. Найбільша кількість вуглецю, за цією діаграмою, 6,67 % відповідає вмісту вуглецю у хімічній сполуці-цементиті. Отже, компонентами, з яких складаються сплави цієї системи, будуть, з одного боку, чисте залізо (Fe), з іншого - цементит (Fe3C).

Розглянемо характерні лінії і точки на діаграмі стану.

Характерні лінії: АСД - ліквідус; АЕСF - солідус. Вище лінії АСД сплави системи перебувають у рідкому стані. По лінії АС з рідкого розчину починають випадати кристали твердого розчину вуглецю в g - залізі, який називається аустенітом, отже, в області АСЕ буде суміш двох фаз - рідкого розчину і аустеніту; по лінії СД з рідкого розчину починають випадати кристали цементиту; в області СЕF міститься суміш двох фаз - рідкого розчину і цементиту.

Перетворення у твердому стані (вторинна кристалізація) проходить по лініях GSE, PSK і GPQ .

Перетворення у твердому стані відбуваються внаслідок переходу заліза з однієї модифікації в іншу, а також у зв'язку із зміною розчинності вуглецю в залізі.

В області діаграми AGSE міститься аустеніт. При охолодженні сплавів аустеніт розпадеться з виділенням по лінії GS фериту (твердий розчин вуглецю в a - залізі), а по лінії SE - цементиту (хімічна сполука Fe3C). Цементит, що випадає з твердого розчину, називається вторинним, на відміну від первинного, який випадає з рідкого розчину. В області діаграми GSP міститься суміш двох фаз - фериту і аустеніту, а в області SЕЕ1 - суміш вторинного цементиту і аустеніту. По лінії PSK відбувається розпад аустеніту з утворенням перліту; тому ця лінія називається лонжею остаточного перетворення аустеніту в перліт або перлітною.

Характерні точки. У точці С при вмісті 4,3 % вуглецю і температурі 1420 0К відбувається одночасно кристалізація аустеніту і цементиту і утворюється їх тонка механічна суміш евтектика, яка називається ледебуритом. Точку С називають евтектичною точкою. Ледебурит є у всіх сплавах, які містять від 2,14 до 6,67 % вуглецю. Такі сплави є чавунами. Точка Е відповідає граничному насиченню заліза вуглецем (2,14 %). Сплави, які лежать ліворуч від цієї точки, належать до сталей.

У точці S при вмісті 0,8 % вуглецю і температурі 1000 0К аустеніт розпадеться і кристалізується тонка механічна суміш фериту та цементиту вторинного - евтектоїд, який називається перлітом. Провівши аналіз перетворень на діаграмі стану Fe-Fe3C, можна зробити висновок про структуру сталей та чавунів у нормальних умовах. Сталі із вмістом вуглецю від 0,0 до 0,8 % мають структуру ферит + перліт; із вмістом 0,8 % вуглецю - чистий перліт; із вмістом від 0,8 до 2,14 % вуглецю - перліт + цементит вторинний. Чавуни із вмістом від 2,14 до

4,3 % вуглецю мають структуру перліт + цементит вторинний + ледебурит; із вмістом 4,3 % вуглецю - чистий ледебурит; із вмістом вуглецю від 4,3 до 6,67 % - цементит первинний і ледебурит.

Слід відмітити, що у залежності від умов виплавляння та термічної обробки, сталі і чавуни можуть змінювати свою структуру. У сірих, ковких та високоміцних чавунах є така фаза, як графіт у різних модифікаціях.

2.2 Класифікація, маркування і застосування вуглецевих сталей

Сталь - це сплав заліза з вуглецем і домішками (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази), в якому вуглецю не більше, ніж 2,14 %.

Сталі можна класифікувати за різними принципами, єдиної класифікації у світі немає.

Попробуємо провести класифікацію сталей таким чином:

- за вмістом вуглецю (низьковуглецеві - вміст вуглецю від 0,08 до 0,25 %, середньовуглецеві - від 0,25 до 0,60 %, високовуглецеві - від 0,60 до 2,14 %);

- за структурою (доевтектоїдні із вмістом вуглецю від 0,08 до 0,8 %, структура ферит + перліт; евтектоїдні із вмістом вуглецю 0,8 %, структура перліт; заевтектоїдні із вмістом вуглецю від 0,8 до 2,14 % структура перліт + цементит вторинний);

- за способом виробництва (конверторні, мартенівські сталі, виплавлені в електропечах і сталі після електрошлакового переплавлення);

- за призначенням (конструкційні, інструментальні та спеціального призначення).

Конструкційні сталі бувають звичайної якості і якісні. Конструкційні сталі звичайної якості, залежно від призначення, поділяють на три групи: А - що постачаються за механічними властивостями, Б - що постачаються за хімічним складом, В - що постачаються за хімічним складом і механічними властивостями.

Дані сталі маркуються таким чином:

Група А - Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Група Б - БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.

Група В - ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Букви Ст означають сталь, цифри - умовний порядковий номер марки залежно від хімічного складу сталі і механічних властивостей, але не вказують на кількісний вміст вуглецю. Букви Б і В визначають групу сталі, буква А перед позначенням марки не вказується.

Щоб показати ступінь розкислення, до позначення марки після номера добавляють індекси “КП” - кипляча, “ПС” - напівспокійна, “СП” - спокійна, наприклад, Ст3пс, БСт3сп. Сталі звичайної якості випускають у вигляді листового і сортового прокату. Вони призначені для виготовлення будівельних конструкцій, арматури, кріплень деталей машин, які не несуть підвищених навантажень. Сталі групи А призначені для виробів, які при виготовленні не піддаються гарячій обробці (зварюванню, куванню), сталі групи Б - для виробів із застосуванням гарячої обробки, сталі групи В широко застосовують для виготовлення зварних конструкцій, при розрахунку яких важливо знати також і механічні властивості.

Вуглецеву якісну сталь виплавляють у кисневих конверторах, мартенівських та електричних печах. Якісна конструкційна сталь постачається як за механічними властивостях, так і за хімічним складом.

Якісна сталь перевищує сталь звичайної якості за однорідністю, є чистішою за вмістом сірки і фосфору, неметалевих включень і має вужчі межі вмісту вуглецю. Із цієї сталі виготовляють відповідальні деталі машин і механізмів, коновки, штампові, калібровані трубки і т.п.

Вони маркуються: сталь 08кп, сталь 08пс, сталь 10сп, 10, 25, 45, 85 і т.п. Двозначні цифри у маркуванні сталі визначають середній вміст вуглецю у сотих долях відсотка.

Інструментальні сталі виплавляють у мартенівських та електричних печах і використовують для виготовлення інструментів (різальних, вимірювальних, ударних тощо). Інструментальну сталь поділяють на якісну і високоякісну. Сталь якісну позначають літерою У і цифрою, що вказує на вміст вуглецю у десятих долях відсотка. Наприклад, У7, У8, аж до У13.

Сталь інструментальна високоякісна містить менше домішок (сірки, фосфору), ніж якісна; при її маркуванні додають букву А, наприклад, У8А.

Сталі спеціального призначення почали використовувати тоді, коли були впроваджені нові технологічні процеси і специфічні види промисловості.

Наприклад, сталі А1, А2, які використовуються для обробки різанням на верстатах-автоматах; СВ08 - для виготовлення зварювального дроту і зварювальних електродів; сталь 08кп - для листового штампування та ін.

Властивості сталей залежать від їх складу і структури.

Із збільшенням у сталях вмісту вуглецю, сталь стає твердішою і міцнішою, пластичність падає. Кремній і марганець у межах (0,5 - 0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не виявляють.

Сірка є шкідливою домішкою, утворює з залізом хімічну сполуку FeS. Сірчисте залізо з залізом у сталях утворює евтектику з температурою плавлення 1258 0К. Це є причиною червоноламкості при обробці тиском з підігріванням. Вказана евтектика при певних температурах розплавляється, у результаті чого між зернами втрачається зв'язок і утворюються тріщини. Крім цього, сірка знижує пластичність і міцність сталі, опір стиранню і корозійну стійкість.

Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при знижених температурах). Це пояснюється тим, що фосфор спричиняє сильну внутрішню кристалічну ліквацію.

Ферит - фаза м'яка і пластична; цементит, навпаки, надає сталі твердості та крихкості; перліт містить 1/8 цементиту і тому має підвищену міцність і твердість порівняно з феритом. Тому доевтектоїдні сталі набагато еластичніші, ніж заевтектоїдні.

2.3 Класифікація, маркування і застосування легованих сталей

Легована сталь - це сплав заліза з вуглецем та легуючими компонентами (Сr , Nі, W, Mo, Tі, V, Со та ін.), в якому вуглецю не більше, як 2,14 %. Вуглецева сталь часто не відповідає вимогам сучасного машинобудівного та інструментального виробництва. У таких випадках використовують леговану сталь. Легуючі компоненти, що вводяться у сталь, змінюють її механічні, фізичні та хімічні властивості. Для легування сталі застосовують хром, нікель, марганець, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан, алюміній, мідь та ін.

Найпростішою і оптимальною класифікацією легованих сталей є класифікація за:

1. Вмістом легуючих компонентів:

- низьколеговані (сумарний вміст легуючих компонентів до 5 %);

- середньолеговані (5-10 %);

- високолеговані (до 10 %).

2. Структурою (на п'ять класів: перлітний, мартенситний, аустенітний, карбідний і феритний).

3. Призначенням. Залежно від призначення леговану сталь поділяють на конструкційну, інструментальну і спеціального призначення.

Конструкційну сталь використовують для виготовлення будівельних конструкцій, деталей машин.

Для конструкційної легованої сталі прийнято маркування, за яким перші дві цифри вказують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, букви - наявність відповідних легуючих компонентів, а цифри, що стоять за буквами, процентний вміст цих компонентів. Якщо після якоїсь букви немає цифри, то це означає, що сталь містить даний елемент у кількості біля 1 %.

Для позначення легуючих компонентів взято такі букви:

Х - хром, Н - нікель, Г - марганець, С - кремній, В - вольфрам, М - молібден, Ф - ванадій, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь, Р - бор, Б - ніобій, А - азот, Е - селен, Ц - цирконій.

Наприклад, марка 30ХН3 означає хромонікелеву сталь, що містить 0,3 % С, до 1 % Сr та 3 % Nі.

Для позначення високоякісної легованої сталі у кінці маркування додають букву А, наприклад, 30ХГСА, для позначення особливо високоякісної сталі - букву Ш.

Для сталей інструментальних порядок маркування за легуючими компонентами такий самий, як і для конструкційної, але кількість вуглецю зазначається першою цифрою у десятих частках відсотка. Якщо цифри немає, то сталь містить більше 1 % вуглецю.

Наприклад, сталі для ударно-штампового і вимірювального інструменту 20Х12 (містить 2,0-2,2 % С і 11,5-13,0 % Сr), Х12Ф1, сталі для різального інструменту 9ХС містить 0,9 % С, по 1 % хрому і кремнію).

На відміну від попередніх маркується швидкорізальна сталь. Встановлені такі марки швидкорізальної сталі: Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р18М, Р9М, Р9Ф5, Р14ФА, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р6М5, Р18К5Ф2. Буква Р вказує про наявність у сталях карбіду вольфраму, цифра після букви Р вказує на вміст карбіду вольфраму в відсотках. Наприклад, сталь марки Р6М5 містить до 6 % карбіду вольфраму і до 5 % молібдену.

Сталі спеціального призначення. Багато машин, приладів та іншого устаткування мають деталі, до яких ставляться особливі вимоги:

- опір дії хімічних, агресивних середовищ;

- збереження міцності при високих температурах;

- стійкість проти окислення при високих температурах;

- зносостійкість, магнітні, теплові та інші властивості.

Маркуються вони за принципом конструкційних сталей. Наприклад, жаростійка легована сталь Х25Н20С2 (містить до 1 % С, до 25 % Сr , до 20 % Nі і до 2 % Sі).

2.4 Класифікація, маркування і використання чавунів

Чавун - це сплав заліза з вуглецем та домішками (Sі, Mn, S, P, O2 , Н2 , N2), в якому вуглецю більше як 2,14 %.

Чавуни доцільно класифікувати за призначенням на: білі, сірі, ковкі, високоміцні і антифрикційні.

Білі чавуни - це чавуни, в яких вуглець перебуває у зв'язаному стані, у вигляді цементиту (Fe3C). Їх можна класифікувати за структурою: до евтектичні (вміст вуглецю від 2,14 до 4,3 %); евтектичні (вміст вуглецю 4,3 %); заевтектичні (вміст вуглецю від 4,3 до 6,67 %).

Білі чавуни в основному використовують для переробки у сталь. В окремих випадках для виготовлення виробів, які не піддаються високим навантаженням.

Сірі чавуни - це чавуни, в яких вуглець перебуває як у зв'язаному стані (Fe3C) так і в вільному у вигляді графіту. Сірі чавуни маркуються буквами СЧ з цифрою, яка вказує мінімальну границю міцності на розрив або розтяг.

Згідно ДСТУ є такі марки сірого чавуну: СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ32, СЧ35, СЧ40, СЧ45. Сірі чавуни використовуються для виготовлення різних відливок для сільськогосподарських машин і побутової техніки. У структуру сірих чавунів обов'язково входить фаза графіт у вигляді пластинок. Це дозволяє в деякій мірі підвищити пластичність у порівнянні з білими чавунами.

Ковкий чавун - умовна назва м'якого і в'язкого чавуну, який одержують з білого чавуну шляхом відливанням з подальшою термічною обробкою. Його не кують, але він набагато пластичніший за сірий чавун. Ковкий чавун, як і сірий, складається із основи - сталі та містить частину вуглецю у вигляді графіту, проте графітові включення у ковкому чавуні інші по формі (у вигляді плям, а не пластин). Властивості ковкого чавуну залежать від металевої основи і розміру включень графіту, чим менші включення графіту, тим міцніший ковкий чавун.

Ковкий чавун позначають буквами КЧ і двома числами, з яких перше вказує мінімальну границю міцності на розтяг, друге - мінімальне відносне видовження d (%). Відомі такі марки ковкого чавуну: на феритній основі (3-10 % перліту ) КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, на перлітній основі (0-20 % фериту) КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3.

Ковкий чавун широко використовують у сільськогосподарському машинобудуванні, в автомобільній і тракторній промисловості, верстатобудуванні та в інших галузях промисловості.

Високоміцні чавуни. Підвищення міцності і пластичності чавунів досягають модифікуванням під час виплавляння, яке забезпечує одержання глобулярного (сфероїдального) графіту замість пластинчастого. Таку форму графіту одержують при введені присадок у рідкий чавун магнію або лігатури (20 % Mg + 80 % Nі).

Встановлені такі марки високоміцного чавуну у відливках: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100, ВЧ120. Число вказує мінімальну границю міцності на розрив або розтяг.

Міцність чавуну збільшується із збільшенням кількості перліту і дисперсності глобулів графіту.

Високоміцний чавун використовують замість сталі для відливання валів, зубчастих коліс, муфт, задніх мостів автомобілів, картерів та ін.

3. Термічна і хіміко-термічна обробка металів і сплавів

3.1 Основи теорії термічної обробки сталі

Термічна обробка полягає у зміні структури металів і сплавів при нагріванні, видержуванні та охолодженні, згідно спеціального режиму, і тим самим, у зміні властивостей останніх. В основі термічної обробки сталей лежить перекристалізація аустеніту при охолодженні. Перекристалізація може відбутися дифузійним або бездифузійним способами. У залежності від переохолодження аустеніт може перетворюватися у різні структури з різними властивостями.

Повний дифузійний розпад аустеніту відбувається при незначному переохолодженні. У даному випадку утворюється пластинчастий перліт (механічна суміш фериту і цементиту вторинного). Якщо переохолодження збільшити до 373-393 0К, пластинки фериту і цементиту встигають вирости тільки до товщини (0,25-0,30 мнм), таку структуру називають сорбітом. Твердість сорбіту вища за твердість перліту.

Коли переохолодження досягає 453-473 0К, ріст пластинок припиняється на товщині 0,1-0,15 мнм, така структура називається трооститом. Твердість трооститу вища від твердості сорбіту.

При значному переохолодженні аустеніту (до 513 0К) дифузійний розпад його стає неможливим, перекристалізація має бездифузійний характер. У такому випадку утворюється перенасичений твердий розчин вуглецю в a-залізі, який називається мартенситом. Твердість мартенситу вища від твердості трооститу.

Структура перліту є рівноважною, а структури сорбіту, трооститу і мартенситу є не рівноважними.

3.2 Види термічної обробки

Розрізняють такі види термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування і відпуск.

Відпал. Відпалом називають нагрівання до високих температур, видержування і повільне охолодження разом з піччю.

Розрізняють такі види відпалу: рекристалізаційний, дифузійний, на зернистий перліт, ізотермічний , повний і неповний. Відпал підвищує пластичність, зменшує внутрішні напруження, понижує твердість сталей.

Нормалізація. Нормалізацією називають нагрівання до високої температури, видержування і повільне охолодження на повітрі. Нормалізація доводить сталь до дрібнозернистої та однорідної структури. Твердість і міцність сталі після нормалізації вищі, ніж після відпалу.

Загартування сталі. Загартуванням називають нагрівання до високої температури, видержування і швидке охолодження (у воді, мінеральній оливі та інших охолоджувачах). Є такі види загартування: в одному охолоджувачі; перервне; ступінчасте; ізотермічне; поверхневе та ін. Загартування сталей забезпечує підвищення твердості, виникнення внутрішніх напружень і зменшення пластичності. Твердість збільшується у зв'язку з виникненням таких структур: сорбіт, троостит, мартенсит. Практично загартуванню піддається середньо- і високовуглецеві сталі.

Відпуск сталі. Відпуском називають нагрівання до температур нижче 973 0К, видержування і повільне охолодження на повітрі.

Розрізняють три види відпуску: низький (нагрівання до температури 473 0К; середній (573-773 0К); високий (773-973 0К). Після відпуску в деякій мірі зменшується твердість і внутрішні напруження, збільшується пластичність і в'язкість сталей. До цього приводить зміна структур після відпуску. Структура мартенситу сталі переходить відповідно в структуру трооститу і сорбіту. Чим вища температура відпуску, тим менша твердість відпущеної сталі і тим більша її пластичність та в'язкість.

Відпуск, в основному, проводять після загартування для зняття внутрішніх напружень. Низький відпуск застосовують при виготовленні різального інструменту, вимірювального інструменту, цементованих деталей та ін; середній - при виробництві ковальських штампів, пружин, ресор; високий - для багатьох деталей, що зазнають дії високих напружень (осі автомобілів, шатуни і т.п.).

3.3 Основи теорії хіміко-термічної обробки

Хіміко-термічною обробкою називають насичення поверхні виробу різними елементами. Мета хіміко-термічної обробки - надати поверхневому шару стальних деталей підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.).

Такі елементи найкраще поглинаються тоді, коли вони виділяються в атомарному стані при розпаді якої-небудь сполуки. Подібний розпад найлегше відбувається у газах, тому їх і намагаються застосовувати для хіміко-термічної обробки сталі. Активізований атом елемента, що виділяється при розпаді, проникає у решітку кристалів сталі і утворює твердий розчин або хімічну сполуку. Найпоширенішими видами хіміко-термічної обробки сталі є: цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементацією називається насичення поверхні стального виробу вуглецем. Після загартування такого виробу він стає твердим на поверхні і в'язким у серцевині. Цементації піддають в основному деталі, які працюють на стирання і удар одночасно. Цементація придатна для маловуглецевих сталей. Є два види цементації: цементація твердим карбюризатором і газова цементація.

Азотування - це насичення поверхневого шару виробу азотом, щоб надати йому високої твердості, підвищити зносостійкість та опір агресивним середовищем. Азотують леговану сталь, що містить алюміній, титан, ванадій, вольфрам, молібден або хром. Такі елементи, при взаємодії з азотом, утворюють тверді, стійкі в агресивних середовищах нітриди (TіN і т.п.).

Ціанування - насичення поверхневого шару виробів одночасно вуглецем і азотом. Воно буває рідинне і газове, низькотемпературне (773-973 0К), високотемпературне (1073-1123 0К). Ціанування в основному застосовують для обробки інструментів із швидкорізальної сталі, підвищується твердість і корозійна стійкість.

Дифузійна металізація - насичення поверхневого шару виробу різними металами. Найбільш поширені: алютування (насичення алюмінієм); хромування (насичення хромом); нікелювання (насичення нікелем); силіціювання (насичення кремнієм). Дифузійна металізація проводиться для підвищення твердості, корозійної стійкості, жаростійкості, блиску і естетичного вигляду. Цей спосіб насичення поверхневого шару проводиться, у твердому стані.

4. Кольорові метали та їх сплави

4.1 Мідь та основні сплави на її основі

Мідь - метал червонувато-рожевого кольору, температура плавлення 1356 0К, густина 8,9 г/см3, корозійностійкий, володіє: високою електропровідністю і теплопровідністю; високою пластичністю; малою міцністю і твердістю. В основному, чиста мідь використовується в електротехніці.

У промисловості використовують сплави міді з цинком, оловом, алюмінієм, берилієм, нікелем, марганцем, свинцем. Добавка до міді вказаних компонентів підвищує її механічні, технологічні і антифрикційні властивості.

Латуні. Латуні є прості та спеціальні. Прості латуні - це сплав міді з цинком. Спеціальні - це сплав міді з цинком та іншими компонентами. Вміст цинку в латунях не перевищує 43 %, так як більший вміст цинку приводить до зменшення міцності і підвищення крихкості латуні. Прості латуні маркуються, наприклад, Л62 (вона містить 62 % міді і решта - цинк). Спеціальні латуні маркуються, наприклад, ЛМЖ 55-3-1 (вона містить 55 % Си, 3 % Мn, 1 % Fе, решта - цинк/. Латуні використовують для виготовлення труб, прутків, дроту, фольги, втулок, підшипників, шестерень і арматури.

Бронза. Бронза - це сплав міді з будь-яким компонентом, навіть у бронзах може бути присутній у невеликих кількостях цинк, який суттєво не впливе на властивості останньої. Найважливішими бронзами є олов'янисті, алюмінієві, кремнієві, нікелеві, берилієві, хромисті, фосфористі. Олов'янисті і свинцеві бронзи мають високі антифрикційні властивості і використовуються як підшипники ковзання.

Алюміній у бронзах підвищує міцність і вони використовуються для виготовлення різних деталей і конструкцій.

Берилій підвищує у бронзах пружність, тому берилієві бронзи використовуються для виготовлення різних пружин.

Фосфор у бронзах підвищує рідинотекучість. Фосфористі бронзи використовують для різних відливок.

Хромисті бронзи використовують у зварювальному виробництві.

Бронзи маркуються таким чином: Бр.ОЦС 6-6-3 (у ній міститься 6 % Sn,6 % Zn, 3 % Pb , решта - мідь).

4.2 Алюміній та основні алюмінієві сплави

Алюміній - метал білого кольору, температура плавлення 933 0К, густина 2,7 г/см3, володіє високою корозійною стійкістю, електропровідністю, теплопровідністю, пластичністю; невисокою твердістю і міцністю. В основному, алюміній використовують в електротехніці.

Розділяють ливарні і деформовані алюмінієві сплави. Ливарні алюмінієві сплави - це найчастіше сплави, які містять кремній, мідь і магній.

Силуміни - це сплави алюмінію з кремнієм (від 6 до 13%). Вони маркуються АЛ2, АЛ9 і т.д. (букви свідчать, що це силумін, а цифри - порядковий номер). Силуміни використовують для виготовлення корпусів приладів, кронштейнів, фланців, картерів, поршнів тощо.

Алюмінієві сплави, що обробляються тиском (деформовані - дюралюмінії). Дюралюміній - це сплав алюмінію з міддю, магнієм і марганцем. Дюралюміній маркується так: Д1, Д16 (Д - вказує, що це дюралюміній, а цифра - порядковий номер). Наприклад, Д16 містить 3,8-4,9 % Си, 1,2-1,8 % Mg і 0,3-0,9 % Мп. Сплави дюралюмінію широко використовуються в авіаційній і ракетній промисловості.

На механічні властивості дюралюмінію інтенсивно впливає термічна обробка. У результаті загартування і старіння механічні властивості дюралюмінію підвищуються до показників середньовуглецевої сталі.

Слід відмітити, що в даний час розроблено багато інших алюмінієвих сплавів, які використовуються у сучасних галузях промисловості.

4.3 Сплави на основі магнію

Магній - метал білого кольору, густина 2,7 г/см3, температура плавлення біля 725 0К.

Із сплавів на основі магнію поширення у техніці набули його сплави з марганцем, алюмінієм і цинком. Для підвищення механічних властивостей магнієвих сплавів добавляють цирконій, церій, неодим, торій та ін. Крім цього, магнієві сплави зміцнюють загартуванням і дисперсним твердінням.

Сплави магнію використовують для виготовлення різних деталей літаків, вагонів, автомобілів тощо.

Магнієві сплави маркуються, наприклад, МА8 (1,3-2,2 % Мп, 0,15-0,35 % Zn), тобто МА - свідчить, що це магнієвий сплав, а цифра - порядковий номер.

4.4 Сплави на основі титану

Титан - метал білого кольору з високою температурою плавлення (1933 0К) і малою густиною (4,5 г/см3), стійкий в агресивних середовищах.

Чистий титан використовують у хімічному машинобудуванні, електроніці, ядерній та інших галузях техніки.

У промисловості використовують титанові сплави, які містять у собі: алюміній, олово, марганець, молібден, хром, ванадій, залізо.

Механічні властивості титанових сплавів можна покращити шляхом загартування і старіння.

Титанові сплави маркують, наприклад, ВТ16 (2,5% Al, 7,5% Мо), де ВТ вказує, що це є титановий сплав, а число - порядковий номер.

Титанові сплави знайшли широке застосування у реактивних авіаційних двигунах, обшивці надзвукових літаків, суднобудуванні, ракетобудуванні тощо.

5. Порошкові матеріали

5.1 Тверді сплави

Твердими сплавами називають зносостійкі та досить тверді металеві матеріали, що містять у структурі велику кількість карбідів вольфраму, титану, танталу, хрому, заліза та ін.

Розрізняють тверді сплави, литі та порошкоподібні, а також металокерамічні.

Розглянемо порошкоподібні.

Сормайти (залізо + 25-31 % Сz). Ним наплавляють зуби землечерпалок, ковшів екскаваторів, щоки дробарок для підвищення їх зносостійкості. Крім сормайту використовують велику кількість різних марок наплавлювальних сплавів: наприклад, порошковий дріт марки ПП - 20Х9Г9Т тощо.

5.2 Металокерамічні тверді сплави

Основною складовою таких сплавів є карбіди вольфраму, титану і танталу. Як зв'язуючий компонент використовують кобальт.

Металокерамічні сплави випускають трьох груп: вольфрамова - марки ВКЗ, ВК6, ВК10КС, ВК20, ВК25; титано-вольфрамова - марки Т3К4, Т15К6, Т5К12 та ін.; титано-тантало-вольфрамова - марки ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 та ін.

Вольфрамова група, наприклад, ВК6 містить 6 % Со, решта карбід вольфраму (WC).

Титано-вольфрамова, наприклад, Т15К6 містить 15 % ТіС, 6 % Со, решта WC.

Титано-тантало-вольфрамова, наприклад, ТТ20К9 містить 20 % карбіду титану і танталу, 9 % Со, решта WC.

Металокерамічні сплави використовують, як інструмент для обробки різанням металів, сплавів, пластмас, деревини, каменю. Також виготовляють філь'єри і матриці для волочіння та пресування.

5.3 Металокерамічні матеріали

Дані матеріали виготовляються з дрібних порошків різних речовин, у тому числі мінералів, які є здебільшого оксидами, карбідами, нітридами та ін. Зв'язуючою речовиною для виготовлення виробів є тонко подрібнені скловидні сполуки.

Мінералокерамічні вироби не втрачають твердості та можуть працювати при температурах до 1473 0К. Їх застосовують для оснащення різальних інструментів при чистовій обробці.

Алмаз має твердість значно більшу, ніж тверді сплави, а зносостійкість у десятки разів більшу. Проте алмаз крихкий, тому кристали алмазу використовують для тонкого, так званого алмазного точіння деталей з кольорових металів і неметалевих матеріалів. Теплостійкість алмазу невелика, до 873 0К. Для виготовлення різців використовують алмази масою понад 0,3 карата (карат = 0,2 г).

Ельбор (кристалічний нітрид бору) за твердістю близький до алмазу, а теплостійкість його перевищує 1473 0К, він хімічно інертний до вуглецю. Ельбор застосовують при чистому і точному точінні загартованих сталей, чавунів та інших важкооброблюваних матеріалів. Зносостійкість різців із вставками ельбору в 10 разів перевищує стійкість різців з пластинками з твердих сплавів і металокераміки.

Порошки алмазу та ельбору застосовують для виготовлення шліфувальних кругів, брусків, а також у вільному вигляді для притирання і полірування.

6. Антифрикційні сплави і матеріали

У машинах використовують не тільки підшипники кочення, але і ковзання. Оскільки вкладиші підшипників ковзання безпосередньо стикаються з валами, вони повинні бути досить пластичними і досить твердими, мати малий коефіцієнт тертя, бути мікропористими і мати невисоку температуру плавлення. Сплави, що відповідають переліченим вимогам, називають антифрикційними.

Антифрикційні сплави мають пластичну основу, в якій рівномірно розташовані більш тверді частинки.

Антифрикційні матеріали поділяють на такі групи:

- білі антифрикційні сплави на основі олова, свинцю і алюмінію;

- сплави на основі міді;

- чавуни сірі, модифіковані та ковкі;

- металокерамічні пористі матеріали;

- пластмаси.

6.1 Бабіти

У промисловості використовують олов'янисті та свинцеві бабіти.

В олов'янистому бабіті пластичною основою є твердий розчин - сурми і міді в олові, а твердими частинами - сполуки - SnSb і Cu3Sn. Бабіти маркуються, наприклад, Б83 (буква Б свідчить, що це бабіт, число 83 вміст олова в %).

У свинцевих бабітах з сурмою, наприклад, Б16, тверді частинки утворюють кристали сполук SnSb і Cи3Sn, розташовані в м'якій основі - розчині сурми і олова у свинці.