1.3. Технологические и эксплуатационные свойства
К технологическим свойствам относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.
Литейные свойства – способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.
Ковкость – способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит не только от структуры материала, но и от внешних факторов, например, температуры нагрева.
Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные сварные соединения. Материалы бывают хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит от структуры материала и технологии сварки.
Обрабатываемость – свойство материала поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.
Работоспособность любой детали во многом определяется эксплуатационными свойствами материала. Эти свойства учитывают особенности эксплуатации машины в конкретных условиях.
Прокаливаемость – способность стали воспринимать закалку; характеризуется глубиной проникновения закаленного (мартенсит, или полумартенсит) слоя в объем закаливаемого изделия. Прокаливаемость определяется критической скоростью закалки, зависящей от состава стали. Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость Mn, Mo, Cr, Ni. Существует много методик оценки прокаливаемости, наиболее применяемым из которых до настоящего времени является метод торцовой закалки, при котором определяют твердость, как функцию расстояния от охлаждаемого струей закалочной жидкости торца цилиндра с изолированной боковой поверхностью.
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению (истиранию) под действием внешнего трения.
Жаропрочность – способность сплава сохранять высокие механические характеристики (ползучесть и прочность) при высоких температурах.
Глава 2. Черные и цветные металлы и сплавы
2.1. Общие сведения о стали
В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов. Основными конструкционными материалами для машиностроительного производства служат сталь, чугун и сплавы цветных металлов на основе меди, алюминия, магния, титана.
Сталь – сплав железа с углеродом (массовая доля С не более 2,14 %), в который добавляют легирующие элементы для создания сталей с требуемыми механическими, технологическими и особыми эксплуатационными свойствами.
В сталях также содержатся и вредные примеси: сера (вызывает красноломкость) и фосфор (вызывает хладноломкость). Эти примеси не удается полностью удалить со шлаком по природным и технологическим причинам.
Красноломкостью называется свойство стали давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850-1150 °С). Красноломкость обусловливается главным образом распределением некоторых примесей (серы и меди) по границам зёрен металла.
Хладноломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры. Хладноломкостью обладают железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемно-центрированную кубическую или гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.
Рассмотрим влияние температуры Т (°C) на характер деформации материала, которая оценивается относительным удлинением δ (%) (рис. 5). При температурах материала менее значения Тн предел прочности на разрыв меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из хрупкого состояния в вязкое осуществляется в интервале температур от Тн до Тв, где Тн – нижняя, а Тв – верхняя границы интервала. При достижении температуры Тв и выше, предел прочности металла становится больше предела текучести, что приводит сначала к деформированию, а затем и к разрушению материала. Такое состояние называется вязким.
Основными способами выплавки стали являются: конверторный (55 %), в дуговых электропечах (25 %) и в мартеновских печах (20 %).
Рис. 5. Влияние температуры на состояние материала
Конверторный способ получения стали позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 % металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3-0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева шихты, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.
Производство стали в конверторах постепенно вытесняет производство ее в мартеновских печах. Вместимость современных конверторов достигает 600 тонн. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как использование кислорода обеспечивает резкое (на 40 %) повышение производительности. Недостатки способа: повышенный расход огнеупорных материалов и высокий угар (потеря) металлов.
Огнеупорные материалы – это материалы, отличающиеся повышенной прочностью при высоких температурах и химической инертностью. Они применяются для производства печей, используемых в металлургических процессах, и других высокотемпературных агрегатов (реакторов, двигателей, и т.д.). Состав огнеупорных материалов представляют собой керамическую смесь тугоплавких окислов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов, обладающих огнеупорностью не ниже 1580 °C.
Угар – уменьшение массы металлов в процессе плавки. При этом образуются химические соединения металла с веществами, находящимися в зоне плавления, которые переходят затем в шлак и газовую фазу.
Производство стали в электрических печах – наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи вместимостью до 270 тонн. При плавке стали в электропечах используют как стальной скрап (металлические отходы, поступающие в переплавку для изготовления годного металла) и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера.
Лом металлов (цветных, чёрных) – это различные металлические изделия и конструкции, подлежащие повторной переработке. Металлоломом называют также пришедшие в негодность металлические вещи либо специально собираемый на пунктах сбора и приема металлический мусор.