Конструкційні матеріали

За походженням конструкційні матеріали розподіляються на:

• Метали;

• Чорні;

• чавуни та сталі;

• кольорові;

• неметалеві матеріали;

• природні;

• органічного та неорганічного походження;

• штучні (реактопласти, термопласти, компаунди, гума і т.п.).

Характеристики металів

Всі метали поділяються на дві великі групи: чорні і кольорові.

Чорні метали - це сполуки елемента заліза з вуглецем та іншими домішками: марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою тощо.

Сплав заліза з вуглецем, вміст якого не перевищує 2%, називають сталлю, а понад 2% до 4,27% - чавуном.

Чавун в розплавленому стані текучий, тому добре заповнює ливарні форми і на виробництві широко використовується для виготовлення деталей литвом.

Є сірий чавун (СЧ), білий (БЧ), ковкий (КЧ), високоміцний (ВЧ), жаростійкий (ЖЧХ, ЖЧС, ЖЧЮ тощо), жароміцний та стійкий проти корозії (ЧН), антифрикційний (АЧС). При маркуванні після букв стоять цифри, які означають міцність чавуну або ж вміст окремих елементів.

Наприклад: СЧ20, ВЧ40, КЧ38

З сірого чавуну виготовляють більшість деталей, що не несуть ударного навантаження (станини, кронштейни тощо), через те що від крихкий і погано працює на розтяг і згин.

Білий чавун утворюється, якщо розплавлений сірий чавун виливати у металеві форми, які швидко охолоджуються. Цей чавун має білий колір, дуже міцний на стирання, але він крихкий і не обробляється різальним інструментом.

Ковкий чавун одержують, якщо виливки з білого чавуну витримати деякий час в печах при високій температурі. Після охолодження такі деталі можна згинати на невеликий кут. Наприклад, зігнуті пальці різальних апаратів, косарок, жаток можна вирівняти ударами молотка.

З високоміцного чавуну виготовляють більш відповідальні деталі (колінчасті вали автомобілів «Запорожець», тощо), з чавуну ЧН - випускні колектори двигунів, гільзи циліндрів тощо. Антифрикційний чавун використовують для виготовлення втулок тертя замість бронзи та інших кольорових металів.

Сталь - істотно змінює свої властивості залежно від вмісту вуглецю, технології виготовлення та вмісту домішок.

Вуглецеві сталі звичайної якості позначаються буквами Ст та цілими цифрами, наприклад СтЗ, Ст4, які вказують номер цієї марки згідно ГОСТ. Якісні вуглецеві сталі позначаються Сталь 50, Сталь 70 тощо. Тут цифри вказують вміст вуглецю в сотих долях процента. Так ще позначають і автоматні сталі, лише починають з букви А, наприклад А12. Ці сталі добре обробляються і частіше всього на верстатах-автоматах. Подібно позначаються і вуглецеві інструментальні сталі, лише перша буква у них У, наприклад У8, У12А, лише цифри в цьому випадку вказують вміст вуглецю в десятих долях процента, а буква А говорить, що сталь – підвищеної якості.

Якісні леговані сталі з домішками марганцю (Г), молібдену (М), хрому (X), вольфраму (В), нікелю (Н), кобальту (К), алюмінію (Ю), кремнію (С) та інші називаються легованими. Якщо в кінці марки стоїть буква А (якісна, щодо вмісту шкідливих домішок), то сталь має зменшену кількість сірки та фосфору, а якщо стоїть Ц, то така сталь цементується (поверхневе зміцнення). В марці сталі вміст легуючого елемента в % вказується цифрою, що стоїть після його умовного позначення. Якщо вміст не перевищує 1% , то цифра не ставиться взагалі.

Наприклад: Сталь 18Х2Н4ВА містить 0,18% вуглецю, 2 - хрому, 4 - нікелю і до 1 % вольфраму. Така сталь якісна і містить менше шкідливих домішок.

Швидкоріжучі леговані сталі позначаються першою буквою Р, після якої вказують процентний вміст вольфраму, а далі легуючі елементи, як у звичайних сталях. Буква П в кінці позначає підвищену міцність сталі, яка була одержана методом порошкової металургії.

Наприклад Р18, Р6М5

Електротехнічні сталі - буквою Э, наприклад Э1100.

Із сталі Ст 2, Ст 3 виготовляють кутники, швелери, дріт, прутки; із Сталі 40 - вали машин, з Сталі 45 - деталі підвищеної міцності; Сталь 65Г - стійка проти стирання, має пружні властивості, наприклад прутки елеватора картоплекопачів та картоплекомбайнів; із Сталі П, Сталі Н - виготовляють пружини холодним способом, а Сталі 60СЗА (кремниста) - пружини та ресори з наступною термообробкою.

Сталі У7 - У12 використовують для ручних інструментів, молотків та зубил, свердел та вимірювального інструменту включно. Із Сталі Х12М виготовляють інструмент, який працює в легких умовах; з 9ХС - мітчики, штампи, з Р9 до Р18 свердла, фрези.

Ножівки по дереву, пили поперечні, пили лучкові виготовляють із сталі У8ГА, У10А; пили до пилорами - 85Х; циркулярні пили - 85ХФ; надфілі, рашпілі, напилки, полотна ручних ножівок - У7, У12, полотна верстатних ножівок - Р9.

Марку сталі та її якість на промислових підприємствах визначають спектрографічним шляхом та пробами на твердість.

Кольорові метали - це мідь, алюміній, цинк, олово, свинець, нікель, хром, срібло та інші. Вони мають загальну властивість утворювати на поверхні окисну плівку, яка запобігає дальшій корозії металу.

Мідь - позначається від МОО (99,99 % чистої міді) до М4 (вміщує 99,0 % чистої міді). Мідь марок МФІ, МФ2 та МФЗ має домішку фосфору, який надає їй пружних властивостей та доброї текучості у розплавленому стані.

Латунь - це сплав міді з цинком. Вона має жовтуватий колір. Позначається звичайна латунь буквою Л з цифрою, яка вказує на процентний вміст у латуні міді, а решта - цинк. Наприклад, Л62 (62 % міді), Л90 (90 % міді).

Спеціальні латуні випускаються з домішками легуючих елементів (алюміній - А, залізо - Ж, марганець - Мц, нікель - Н, свинець - С, олово - О, кремній - К та ін.), крім букви Л, містять букви позначень легуючих елементів, далі цифру - вміст міді і через рисочку вміст легуючих елементів.

Наприклад, латунь ЛМцЖ-57-3-1 містить міді 57 °/о, марганцю 3 %, заліза 1 %, а решта цинк. Ця латунь стійка проти дії морської води.

Домішки кремнію, олова, алюмінію підвищують міцність, антифрикційні властивості та корозійну стійкість латуні на повітрі, в морській воді та атмосфері. Марганець надає жаростійкості, а залізо твердості. Свинцеві латуні добре поліруються, а домішка до алюмінієвої латуні миш"яку, нікелю та заліза підвищує її стійкість проти розведених кислот і лугів.

Бронза - це сплав міді з оловом (олов"янисті бронзи) або іншими елементами, крім цинку (хоча цинк може входити від З - 5 % і в олов"янисті бронзи). Останні називають без олов"яними або спеціальними. Позначають бронзи буквами Бр, а далі йдуть елементи, які входять до її складу і процентний вміст (крім міді). Наприклад, БрОф8,0 - 0,3 містить 8 % олова і 0,3 % фосфору, решта мідь; БрС30 - З0 % свинцю, решта мідь. Порівняно з латунню бронзи міцніші, корозієстійкі, мають антифрикційні властивості. З бронз виготовляють крани, вентилі, втулки навантажених підшипників тощо.

Берилієві бронзи після гартування за твердістю та пружними властивостями перевищують високоякісні сталі, а кадмієві та хромисті бронзи найбільш тепло- та електропровідні.

Мідно-нікелеві сплави мають високу корозійну стійкість та особливі електричні властивості, які змінюються залежно від вмісту нікелю. Крім нікелю, до складу сплаву можуть входити й інші елементи. Позначаються ці сплави МН0,6, МН16, тобто вміщують 0,6 % нікелю або 16 % нікелю і так далі. Деякі мідно-нікелеві сплави мають власні назви:

• константан (МНМц40-1,5) - вміщує марганець і характеризується високим електричним опором. Використовується для реостатів, нагрівних приладів (до 500 °С);

• манганін (МНМцЗ-12) також вміщує марганець. Використовують для електротехнічних виробів та опорів;

• копель (МНМц43-0,5) - для термопар;

• куніаль (МНАІЗ-З) - для машин підвищеної міцності;

• нейзільбер, «нове срібло» (МНЦ15-20) - для деталей електромашин, медичного інструменту, посуду;

мельхіор (МНЖМцЗО-0,8-1) - для труб термостатів, а МН19 - столового посуду.

Жароміцні сплави міді містять у невеликих кількостях кадмій - близько 1%, цирконій - до 0,5%, хром - до 1,0%, кобальт - до 2,7 %, берилій - до 0,7 %, титан - до 0,15%. Використовують ці сплави для електродів машин контактного і шовного зварювання, колекторів електродвигунів та інших деталей, які в процесі роботи нагріваються.

Алюміній (Аl) легкий та малоокислюваний метал, дуже поширений в домашньому побуті. Чистий алюміній позначається А з відповідною цифрою (А99 – А0). Проте здебільшого використовується алюміній з невеликими домішками. Так, є деформівний технічний алюміній АД1, корозієстійкі сплави з домішкою марганцю АМц та магнію АМг, конструкційні сплави (дюралюміній) ДІ - Д19, жароміцний з домішкою міді АК4, конструкційний високоміцний з домішкою цинку та міді В93 - В96ц; ливарний алюміній АЛ1 - АЛ21, ВАЛ1. З останніх двох відливають поршні, головки двигунів та інші деталі, що працюють при температурі до 350 °С. Дюралюміній широко використовують в авіації.

Цинк (Zn) у чистому вигляді - ЦВЧ, ЦО, ЦЗ використовують в основному як покриття чорних металів, щоб захистити їх від корозії. Оскільки чорні метали і цинк мають різний електричний потенціал, на поверхні виробу цинкове покриття тримається дуже міцно.

Крім сплаву цинку з міддю, що утворюють латунь, є сплави цинку з алюмінієм, міддю і магнієм - ЦАМ4-1 і з алюмінієм ЦА4, з яких відливають карбюратори автомобілів, рамки спідометрів, бензонасоси, деталі пилососів тощо. Є також антифрикційні сплави ЦАМ9-1.5, ЦАМІО-5 для виготовлення вкладишів, втулок та інших.

Магній (Мg) метал, який в чистому вигляді майже не використовують, але є магнієво-літієві сплави надлегкі ИМБ2, з високою звукопровідністю МА17, з високою демпфуючою здатністю МЦП, їх використовують у конструкціях, що піддаються вібрації.

Титан (Ті) - майже вдвоє легший за сталь, за такої ж міцності він має вищу температуру плавлення, низьку теплопровідність і погані антифрикційні властивості, але легко кується, штампується. При нагріванні до 500 °С на повітрі він не окислюється, а при вищій температурі на його поверхні утворюється міцна захисна плівка. Тому з титану та його сплавів виготовляють обшивку надзвукових літаків, компресори реактивних двигунів, в турбобудуванні - лопаті та диски турбін тощо. З листового титану можна виготовити (із застосуванням аргонового зварювання) легкі глушники для автомобілів, які не іржавіють і не прогоряють.

Олово (Sn) - важкий м"який метал сріблястого кольору з температурою плавлення 232°С. У чистому вигляді олово не окислюється, стійке проти дії харчових кислот. Раніше ним покривали кухонний посуд, молочні бідони. Тепер для цього переважно застосовують нержавіючу сталь або «харчовий алюміній».

Використовують олово для паяння у чистому вигляді або для приготування різних припоїв (переважно з свинцем). Днище та крила автомобіля, покриті оловом або його сплавом, не піддаються корозії, але цю луджену поверхню слід захистити від ударів камінців, піску тощо м"якою мастикою.

Пруток чистого олова при згинанні хрустить, бо відбувається розрив кристалів. Якщо олово зберігається при температурі нижче - 13°С, воно поволі перетворюється в сірий порошок. Таке явище називають «олов"яною чумою». Тому прутки чистого олова слід зберігати при вищій температурі.

Свинець (Рb) - м"який, важкий, синювато-сірого кольору, блискучий метал з температурою плавлення 327,4 °С. Він дуже пластичний, тому в чистому вигляді його використовують для захисту кабелів, які укладають у землю, для зачеканення з"єднань чавунних труб, де його запресовують за допомогою спеціальних оправок, для ущільнень кришок котлів, вода в яких не використовується для харчування. З нього також відливають рибацькі грузила. Свинець стійкий проти соляної та сірчаної кислот. Азотна та плавикова кислоти добре його розчиняють. В основному ж свинець використовують для приготування припоїв у сплаві з оловом та іншими легкоплавкими металами.

Хром (Сr) - блискучий метал з синюватим відтінком, за питомою вагою близький до заліза. Він досить твердий (на одиницю менше від алмаза), проте крихкий. Температура плавлення 1910 °С. Він стійкий проти окислення в атмосфері та у воді.

В чистому вигляді хром широко використовують для декоративного та антикорозійного покриття інших металів (хромування). Проте плівка хрому пориста, через неї проникає волога і чорні метали під хромом згодом іржавіють. Тому чорні метали спочатку вкривають міддю, зверху нікелем, а вже потім хромом, тобто робиться тришарове покриття. Інколи чорний метал вкривають нікелем, а вже потім хромом.

Хром досить міцний проти стирання, але на ньому погано утримується мастило, тому спочатку наносять плівку пористого хрому, яка добре утримує масло і досить добре захищає поверхню від стирання. В промисловості хром широко використовують для виготовлення легованих хромистих сталей високої міцності.

Нікель (Ni) - сріблясто-білий метал. Порівняно із хромом має жовтуватий відтінок. Температура плавлення 1455°. На повітрі та у вологому середовищі не окислюється і за цими властивостями наближається до благородних металів. Концентровані сірчана та соляна кислоти діють на нікель слабо, але азотна його розчиняє.

Використовують нікель для захисного та декоративного покриття металів (нікелювання), а також для приготування нержавіючих сталей. Сплав нікелю з хромом називають ніхромом. З нього виготовляють спіралі електронагрівальних приладів.

Срібло (Аg) - благородний метал білого кольору з синюватим відтінком. Температура плавлення 960 °С. Теплопровідність у срібла найвища серед металів. На повітрі і у вологому середовищі срібло не окислюється. Добре розчиняється у підігрітій сірчаній або азотній кислотах.

З срібла 916, 900, 875 та 800-ї проби виготовляють прикраси (персні, браслети, серги) та побутові предмети (виделки, ложки тощо). Контакти різних розмикальних пристроїв (наприклад, у переривника автомобіля), покриті тонким шаром срібла, працюють без «загорання» довго і надійно.

Іони срібла, розчиненого у воді, знезаражують її. Така «срібна вода» тривалий час зберігається без псування, а вживання її позитивно впливає на організм. У продажу є спеціальні апарати для «сріблення» води.

Срібло широко використовують у ювелірному виробництві для домішок до золота (у відповідності до проби), а також для приготування фотографічних матеріалів, припоїв тощо.