CТРОИТЕЛЬНАЯ (повышенной прочности)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научить студентов путем использования знаний, приобретенных на лекциях или при изучении учебника, определить химический состав материала по его марке, а по нему устанавливать область его применения для изделий различного назначения.

В зависимости от назначения материалы принято делить на две большие группы – конструкционные и инструментальные. Каждая из этих групп материалов подразделяется на три большие группы: сплавы на основе железа (сталь и чугун), цветные металлы (медь, алюминий, титан, олово и др.) и сплавы на их основе, например сплавы на основе меди (латуни, бронзы и др.), сплавы на основе алюминия (дуралюмины, силумины и др) и т.п.. В зависимости от состава, структуры и назначения конструкционные материалы подразделяются на несколько групп.

В работе рассматриваются металлы и сплавы, которые в настоящий момент нашли наиболее широкое применение в общем машиностроении для изготовления деталей машин и оборудования, а также для изготовления инструментов, используемых для обработки материалов: сплавы на основе железа (стали и чугуны), цветные металлы (медь, алюминий, титан, олово), сплавы на основе цветных металлов.

2.1. Классификация, маркировка и применение конструкционной стали

Конструкционную сталь подразделяют на две большие группы – углеродистую и легированную. Стали, как правило, являются деформируемыми. Заготовки из них изготавливают обработкой давлением.

Углеродистая, в свою очередь, подразделяется на несколько подгрупп. (см. табл. 1).

Таблица 1. Сталь конструкционная углеродистая (некоторые марки и область применения)

 

Обыкновенного качества ГОСТ 380-94	Качественная (машиностроительная)	Автоматная ГОСТ 1414-75Е
Номер: 0, 1, 2, 3, 4, 5. Степень раскисления: кп - кипящая; пс - полуспокойная; сп - спокойная. Индекс сп может не указываться. Некоторые марки сталей: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2сп, Ст2пс, Ст3сп, Ст5сп, Ст6пс и др. № 0 - для неответственных деталей: арматура, шайбы, перила, кожухи, обшивки; № 1 - для изделий ширпотреба (замки, дверные ручки, шпингалеты и др.); № 2, 3, 4 - преимущественно в строительстве; № 5, 6 - для неответственных деталей машин (тяги, оси, кронштейны, пальцы, крышки)	ГОСТ 1050-88 Низкоуглеродистая (С < 0,3 %): Некоторые марки сталей: 05кп; 08 пс; 10; 20, 25 и др. Для изделий, изготавливаемых глубокой вытяжкой, и для изделий, подвергаемых цементации. Среднеуглеродистая (С = 0,3-0,5 %). Некоторые марки сталей: 30, 35, 40, 45, 50. С повышенным содержанием углерода (0,5 % < C < 0,65). Некоторые марки сталей: 55, 58, 60. Среднеуглеродистые и с повышенным содержанием углерода - для ответственных деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Могут применяться в улучшенном состоянии (после закалки и высокого отпуска). ГОСТ 14959-79 Рессорно-пружинная: Некоторые марки сталей: 65, 70, 75, 80, 85. Для пружин и рессор небольшого сечения, в котором обеспечивается сквозная прокаливаемость.	Некоторые марки сталей: А11, А20, А30, АС14, АС40 и др. Для неответственных изделий массового производства, изготавливаемых на станках-автоматах. Низкоуглеродистые (C < 0,3 %) применяют без термической обработки; среднеуглеродистые (С = 0,3-0,5 %) могут применяться после улучшения.

 

Самая дешевая – сталь обыкновенного качества. Она содержит наибольшее количество вредных примесей (серу и фосфор) и поэтому более хрупкая по сравнению с качественной. Применяют ее без упрочняющей термической обработки в основном в строительстве и для неответственных деталей машин, а также для изготовления изделий, используемых в быту: сковородки, ручки, замки и другие изделия ширпотреба. Сталь обыкновенного качества маркируют в соответствии с ГОСТ 380-88 по буквенно-цифровой системе. В начале марки пишут две буквы Ст, что сокращенно обозначает слово сталь. Затем пишут цифру (от 0 до 6), которая обозначает условный номер стали. Номер стали зависит от ее химического состава. За номером указывается степень раскисления (кп – кипящая, пс – полуспокойная или сп – спокойная). Сталь Ст0 не подразделяется по степени раскисления. Иногда в некоторых марках стали после номера может стоять буква “Г”. Это означает, что сталь содержит повышенное содержание марганца, по сравнению с аналогичной маркой без этой буквы.

В начале марки стали обыкновенного качества могут стоять буквы А, Б или В.

Стали группы А поставляются с определёнными регламентированными механическими свойствами. Их химический состав не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке — ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатанной стали сохраняются.

Стали группы Б поставляются с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В поставляются с регламентируемыми механическими свойствами и химическим сооставом. Эти стали применяются для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей.

Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-88) маркируется двузначным числом, которое обозначает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (08, 10, 10кп, 15, 15пс, 20, 25 и так далее до 60). После числа указывается степень раскисления (кп или пс). Отсутствие индекса, обозначающего степень раскисления, означает, что сталь спокойная. Качественная конструкционная углеродистая сталь применяется в основном для изготовления ответственных деталей машин; низкоуглеродистая – в основном для деталей, изготовляемых глубокой вытяжкой (так как обладает высокой пластичностью) или подвергаемых цементации; среднеуглеродистая – для деталей, работающих в тяжелых условиях. Детали небольших размеров могут подвергаться улучшению (закалке и высокому отпуску), а детали сечением более 20 мм обычно применяются после нормализации (иногда в отожженном состоянии). Конструкционная сталь с повышенным и высоким содержанием углерода (равным или превышающим 0,65 %) применяется в основном для изготовления рессор и пружин.

Сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали) маркируется буквой А и числом, которое указывает на содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали предназначены для изготовления изделий на станках-автоматах. Отличительной особенностью автоматных сталей от других конструкционных является повышенное содержание в них серы (до 0,3 %) и фосфора (до 0,5 %). Кроме того, в некоторых случаях добавляют свинец (0,1 – 0,2 %). Тогда в марке пишут букву С. Все это способствует облегчению обработки резанием (повышает стойкость режущего инструмента и обеспечивает лучшее качество обрабатываемой поверхности), однако ухудшает механические свойства (понижает пластичность и вязкость) и коррозионную стойкость. Иногда для повышения механических свойств и прокаливаемости автоматные стали легируют хромом, марганцем, никелем, молибденом. В этом случае в марке пишут соответствующие буквы (см. ниже). Автоматные стали применяют для изготовления крепежа, а также деталей машин. Изготавливают такие изделия на станках-автоматах.

Легированная конструкционная сталь маркируется по химическому составу. (см. табл. 2).

 

 

Таблица 2. Сталь конструкционная легированная (некоторые марки и область применения)

Некоторые марки Применение

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ

Цементуемая

ГОСТ 4543-71

15Х, 25ХГНМ, 12Х2Н4А, 20ХН3А и др. Для деталей машин, работающих в условиях трения. Для упрочнения поверхностного слоя применяется цементация, закалка и низкий отпуск.

Улучшаемая

ГОСТ 4543-71

40Х, 40ХНМА, 30ХН2ВФ, 40ХН, 30ХН3 и др. Для ответственных деталей машин. Применяется после улучшения (закалки и высокого отпуска)

Рессорно-пружинная

ГОСТ 4543-71

50ХГ, 50ХФА, 60Г, 60С2Г, 70Г и др. Пружины, торсионные валы, пружинные кольца, шайбы пружинные. Применяется после закалки и среднего отпуска.

Подшипниковая

ГОСТ 801-78

ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и др. Для деталей подшипников качения. Применяется после закалки и низкого отпуска.

Жаростойкая окалиностойкая)

ГОСТ 5632-72

15Х25Т, 12Х18Н9, 40Х9С2, 12Х17, 40Х10С2М и др. Для изделий, работающих при повышенных и высоких температурах.

Жаропрочная

ГОСТ 5632-72

12ХМФ, 12Х2МФБ, 45Х4Н14В2М, 40Х15Н7Г2Ф2М и др. Для изделий, сохраняющих свойства при повышенных и высоких температурах.

Износостойкая

ГОСТ 5632-72

95Х18, 110Г13Л и др. Для изделий, работающих в условиях трения при сильных ударах (железнодорожные стрелки, траки гусеничных машин, била камнедробилок и др.)

Электротехническая

ГОСТ 21427-72

1211, 1212, 1311, 2211, 3311 и др. Магнитомягкая сталь для электромагнитов.

Для постоянных магнитов

ГОСТ 6862-72

ЕХ, ЕХ3, ЕХ9К15М и др. Магнитотвердая сталь для постоянных магнитов.

В марке указывается среднее содержание углерода в сотых долях процента (двузначное число в начале марки) и легирующие элементы (буквы русского алфавита с цифрами после соответствующей буквы, которые указывают примерное содержание данного элемента в процентах). Химические элементы в марках стали обозначаются следующими буквами:

А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец; М – молибден; Д – медь; Н – никель; Е – селен; Т – титан; П – фосфор; К – кобальт; Р – бор; Х – хром; С – кремний; Ц – цирконий; Ф – ванадий; Ю – алюминий.

Часть обозначений совпадает с начальными буквами русских названий этих элементов, а в остальных случаях не совпадает.

Буква А имеет тройное значение:1) если стоит в начале марки, то обозначает автоматную сталь, предназначенную для изготовления мелких неответственных изделий на станках-автоматах; 2) внутри марки указывает на легирование стали азотом; 3) стоящая в конце марки обозначает высококачественную сталь, т.е. с минимальным количеством вредных примесей.

Стали и сплавы, полученные специальными методами, дополнительно обозначают через тире в конце марки следующими буквами: ВД – вакуумно-дуговой переплав, Ш – электрошлаковый переплав, ВИ – вакуумно-индукционная плавка.

Если после буквы, обозначающей определенный химический элемент в стали, не стоят цифры, то его содержание примерно равно 1 %.

Примеры:

15ХСНД (сталь содержит 0,15 % углерода, около 1 % хрома, кремния, никеля, меди каждого).

08Х18Н10Т (сталь содержит 0,08 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, 1 % титана). Сталь является высоколегированной, т.к. суммарное содержание легирующих элементов более 10 %.

Область применения легированной конструкционной стали существенно зависит от ее химического состава (содержания углерода и легирующих элементов).

Так,низколегированная сталь, содержащая дешевые элементы (Cr, Si, Mn) и менее 0,25 % углерода, хорошо сваривается, незначительно дороже углеродистой и поэтому используется в основном в строительстве. Применяется без термической обработки. За счет легирования ее прочность примерно на 25 % выше по сравнению с углеродистой. Это позволяет существенно экономить металл и облегчить конструкцию. По ГОСТ 19281-89 она называется сталь повышенной прочности.

Строительные стали могут также маркироваться буквой С и цифрой, показывающей категорию прочности, например С235: строительная сталь, имеющая предел текучести 235 МПа. в конце марки может стоять буква "К". Это значит, что сталь котельная.

Низкоуглеродистую конструкционную сталь применяют также для изготовления деталей машин, которые подвергают цементации.

В отличие от строительной, цементуемая сталь может содержать большее количество легирующих, прокаливаемости, что обеспечивает более высокую прочность сердцевины детали (по сравнению с углеродистой, содержащей аналогичное количество углерода).

Среднеуглеродистая легированная сталь, содержащая 0,3 – 0,45 % С, применяется в основном для изготовления сильно нагруженных деталей машин, работающих при динамических нагрузках. Детали машин, изготовляемые из такой стали, обязательно подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению) для обеспечения оптимального сочетания механических свойств. Основная цель легирования такой стали – повышение прокаливаемости.

Конструкционная легированная сталь с более высоким содержанием углерода (равным или превышающим 0,5 %С) применяется в основном для пружин и рессор. Ее чаще всего легируют кремнием (для повышения жесткости и упругости), а также другими элементами (Cr, Ni и пр.) с целью повышения прокаливаемости. Изделия из такой стали чаще всего подвергают закалке и среднему отпуску. Это обеспечивает максимальную упругость стали.

Высоколегированная сталь (содержащая более 10 % легирующих элементов, относится в основном к сталям со специальными свойствами: жаростойкой, жаропрочной, коррозионно-стойкой и другим.

Жаростойкой называют сталь, устойчивую против окисления при нагреве свыше 500 ºС. Жаростойкость стали повышает хром, алюминий и кремний. Чем выше их содержание в стали, тем выше ее жаростойкость. Однако алюминий и кремний в больших количествах сильно повышают хрупкость стали. Поэтому жаростойкие стали легируют в основном хромом. Иногда для повышения пластичности добавляют никель. Сталь жаростойкая до 700, 800, 900, 1000, 1200 ºС должна содержать соответственно не менее 6, 10, 18, 25, 30 % хрома.

Жаропрочные стали способны противостоять механическим нагрузкам при высокой температуре. Жаропрочные стали, применяемые для работы при температурах выше 500 ºС, должны быть одновременно и жаростойкими. Поэтому они должны содержать необходимое количество хрома, который повышает не только жаростойкость, но и жаропрочность. В сталях перлитного класса существенно повышают жаропрочность молибден в небольших количествах (около 1 %) и ванадий.

Коррозионно-стойкие стали одновременно являются и жаростойкими. К коррозионно-стойким относят стали, содержащие 13 и более процентов Cr. Различают хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-марганцевые и др. виды коррозионностойких сталей. Легирование никелем (или заменителем никеля - марганцем) позволяет повысить коррозионную стойкость и получить аустенитную структуру. Такие стали обладают высокой пластичностью и вязкостью, а благодаря аустенитной структуре могут применяться при низких температурах.

Иногда сталь маркируют в зависимости от области ее применения. Каждая группа стали обозначается определенной буквой, которая ставится первой. За этой буквой ставят буквы и цифры, которые, как и в легированных сталях, обозначают легирующие элементы и их количество. Например, буквой Ш обозначают подшипниковую сталь, Е – сталь для постоянных магнитов, Э – электротехническая сталь.

Примеры:

ШХ15-В – подшипниковая сталь, легированная хромом примерно 1,5 % (в подшипниковой стали содержание хрома указывают в десятых долях процента). В – вакуумированная.

ЕХ3 - сталь для постоянных магнитов, легированная 3 % хрома.

Электротехнические стали маркируют по ГОСТ 21427.0-75 четырехзначным числом, например 1211 (Э11), 1213 (Э13), 1311 (Э21) и другие (в скобках приведена устаревшая маркировка). Первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки. Вторая – содержание кремния в процентах, третья – группу основной нормируемой характеристики. Четвертая – порядковый номер типа стали. Вместе первые три цифры означают тип стали.

Нестандартные стали, выпускаемые различными заводами, маркируют особыми буквами: ЭИ – электросталь исследовательская; ЭП – электросталь пробная. Стали, выпускаемые заводом “Днепроспецсталь”, маркируют ДИ, а Златоустовским металлургическим заводом – ЗИ. Во всех случаях после букв пишут порядковый номер (ЭИ417, ЭП67, ДИ8 и т.д.).

Стали имеют высокую пластичность, но низкие литейные свойства. Поэтому из сталей заготовки получают в основном обработкой давлением (ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением и другими способами).

Вместе с тем, стали используют для получения отливок достаточно часто. В этом случае используют литейные стали. В конце марки таких сталей ставят букву “Л”, например 25Л. Но и эти стали имеют литейные свойства хуже, чем чугуны и могут применяться только для толстостенных отливок.

2.2. Маркировка и применение чугунов

Литейные чугуны, применяемые для изготовления деталей машин, маркируются по механическим свойствам. Это связано с тем, что одному и тому же химическому составу могут соответствовать различные механические свойства, так как свойства чугунов зависят не только от состава, но и других факторов. Существенным недостатком белых и серых чугунов является высокая хрупкость. Ковкие и высокопрочные чугуны имеют более высокую пластичность, тем не менее они по пластичности заметно уступают стали. Чугуны хуже сталей работают на растяжение, особенно серые.

В начале каждой марки всегда пишут две буквы, которые означают вид чугуна:

СЧ – серый чугун,

КЧ – ковкий чугун,

ВЧ – высокопрочный чугун.

В марках чугунов после соответствующих букв указывается минимальное значение временного сопротивления на разрыв, а в ковких после тире ставят еще второе число, обозначающее минимальное относительное удлинение, т.е. пластичность. У серых чугунов пластичность (относительное удлинение) близко к нулю. В старом гос. стандарте второе число в марках серого чугуна соответствовало пределу прочности при изгибе в килограммах силы на миллиметр квадратный, а в марках высокопрочных чугунов – относительному удлинению.

Примеры:

СЧ15 – серый чугун, σв ≥ 150 Н/мм2 (≈ 15 кгс/мм2).

КЧ30-6 – ковкий чугун, σв ≥ 300 Н/мм2 (≈ 30 кгс/мм2), δ = 6 %).

ВЧ70 – высокопрочный чугун, σв ≥ 700 Н/мм2 (≈ 70 кгс/мм2).

Чугуны, обладая хорошими литейными свойствами, широко применяются для деталей сложной формы, которые целесообразно изготавливать литьем.

Наиболее распространенным является серый чугун, т.к. он самый дешевый. Однако из-за высокой хрупкости его можно применять только для малонагруженных деталей, работающих при статической нагрузке, а также для деталей, работающих на сжатие (хрупкие металлы очень плохо работают на растяжение).

Для ответственных деталей, изготовляемых литьем и работающих в тяжелых условиях при динамических нагрузках, следует применять ковкий и высокопрочный чугун. Однако эти чугуны дорогие и их применение ограничено. В особых случаях для литых деталей могут применяться литейные сплавы на основе цветных металлов.

Для изготовления подшипников скольжения, работающих при больших нагрузках, применяют специальные антифрикционные чугуны. Их маркируют в соответствии с ГОСТ 1585-85 буквами АЧС, АЧВ, АЧК.

Буквы АЧ означают антифрикционный чугун. Последняя буква указывает на принадлежность чугуна к конкретной группе: С – серый, В – высокопрочный, К – ковкий. Через тире пишут цифру от 1 до 6, которая означает порядковый номер. Например, АЧС-5 (антифрикционный серый чугун № 5).

Следует иметь в виду, что чугуны имеют хорошие литейные свойства, но обладают низкой пластичностью. Поэтому из чугунов заготовки изготовляются только литьем. Даже высокопрочный чугун, имеющий наибольшую пластичность по сравнению с другими, не способен обрабатываться давлением.

2.3. Классификация, маркировка и применение цветных металлов и сплавов на их основе

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе – сталей и чугунов, которые называются черными. Сплавы на основе цветных металлов используют в основном как конструкционные материалы со специальными свойствами: коррозионно-стойкие, подшипниковые (обладающие низким коэффициентом трения), тепло- и жаропрочные и др.

В маркировке цветных металлов и сплавов на их основе нет единой системы. Во всех случаях принята буквенно-цифровая система. Буквы указывают на принадлежность сплавов к определенной группе, а цифры в разных группах материалов имеют разное значение. В одном случае они указывают на степень чистоты металла (для чистых металлов), в другом – на количество легирующих элементов, а в третьем обозначают номер сплава, которому по гос. стандарту должны соответствовать определенный состав или свойства.

Медь и ее сплавы

Техническая медь маркируется буквой М, после которой идут цифры, связанные с количеством примесей (показывают степень чистоты материала). Медь марки М3 содержит примесей больше, чем М000. Буквы в конце марки означают: к – катодная, б – безкислородная, р – раскисленная. Высокая электропроводность меди обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового материала. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является плохая обрабатываемость резанием.

К основным сплавам на основе меди относятся латуни и бронзы.

В сплавах на основе меди принята буквенно-цифровая система, характеризующая химический состав сплава. Легирующие элементы обозначаются русской буквой, соответствующей начальной букве названия элемента. Причем часто эти буквы не совпадают с обозначением тех же легирующих элементов при маркировке стали. Алюминий – А; Кремний – К; Марганец – Мц; Медь – М; Никель – Н; Титан –Т; Фосфор – Ф; Хром –Х; Бериллий – Б; Железо – Ж; Магний – Мг; Олово – О; Свинец – С; Цинк - Ц.

Порядок маркировки литейных и деформируемых латуней разный.

Латунь - сплав меди с цинком (Zn от 5 до 45%). Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), с содержанием 20–36% Zn – желтой. На практике редко используют латуни, в которых концентрация цинка превышает 45%. Обычно латуни делят на

· двухкомпонентные латуни или простые, состоящие только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей;

· многокомпонентные латуни или специальные – кроме меди и цинка присутствуют дополнительные легирующие элементы.

Деформируемые латуни маркируются по ГОСТ 15527-70.

Марка простой латуни состоит из буквы «Л», указывающей тип сплава - латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Например, марка Л80 - латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля. Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.

В многокомпонентных латунях после буквы Л пишут ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь. Затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие - каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее по нисходящей. Содержание цинка определяется по разности от 100%.

Латуни в основном применяются как деформируемый коррозионно-стойкий материал. Из них изготавливают листы, трубы, прутки, полосы и некоторые детали: гайки, винты, втулки и др.

Пример:

ЛМц58-2 – латунь: Cu – 58 %, Mn – 2 %, Zn – 40 %.

ЛС59-1 – латунь: Cu – 59 %, Pb – 1 %, Zn – 40 %.

Л90 – латунь: Cu – 90 %, Zn – 10 %.

Литейные латуни маркируются в соответствии с ГОСТ 1711-30. В начале марки тоже пишут букву Л (латунь), после которой пишут букву Ц, что означает цинк, и число, указывающее на его содержание в процентах. В легированных латунях дополнительно пишут буквы, соответствующие введенным легирующим элементам, и следующие за ними числа указывают на содержание этих элементов в процентах. Остаток, недостающий до 100 %, соответствует содержанию меди. Литейные латуни используют для изготовления арматуры и деталей для судостроения, втулок, вкладышей и подшипников.

Примеры:

ЛЦ40С – латунь содержит 40 % цинка и 1 % свинца (остальное – медь).

ЛЦ40МцЗЖ – латунь содержит 40 % цинка, 3 % марганца и 1 % железа (остальное – медь).

Бронзы (сплавы меди с различными элементами, где цинк не является основным). Они подобно латуням подразделяются на литейные и деформируемые. Маркировка всех бронз начинается с букв Бр, что сокращенно означает бронза.

В литейных бронзах после Бр пишут буквы с последующими цифрами, которые символически обозначают элементы, введенные в сплав (в соответствии с таблицей 1), а последующие цифры обозначают содержание этих элементов в процентах. Остальное (до 100 %) – подразумевается медь. Иногда в некоторых марках литейных бронз в конце пишут букву «Л», что означает литейная.

Большинство бронз обладает хорошими литейными свойствами. Их применяют для различного фасонного литья. Чаще всего их используют как коррозионно-стойкий и антифрикционный материал: арматура, ободы, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, червячные колеса и т.д. Все сплавы на основе меди имеют высокую хладостойкость.

Пример:

БрО3Ц7С5Н1 (Sn = 3 %, Zn = 7 %, Pb = 5 %, Ni = 1 %, Cu = 84 %).

В марках деформируемых бронз после Бр пишут буквы, обозначающие введенные элементы (в соответствии с таблицей 1), затем через тире – числа, которые в аналогичной последовательности означают содержание легирующих элементов в процентах. Деформируемые бронзы поставляются в виде прутков, труб и лент, используются для изготовления различных деталей с высокими упругими свойствами.

Пример:

БрОЦС4-4-2,5 (Sn = 4 %, Zn = 4 %, Pb = 2,5 %, остальное – медь).

Припои

В соответствии с ГОСТ 19248-73 подразделяются на группы по многим признакам: по способу расплавления, по температуре расплавления, по основному компоненту и др. По температуре расплавления они подразделяются на 5 групп:

1. Особолегкоплавкие (температура плавления tпл ≤ 145 °С);

2. Легкоплавкие (температура плавления tпл > 145 °С ≤ 450 °С);

3. Среднеплавкие (температура плавления tпл > 450 °С ≤ 1100 °С);

4. Высокоплавкие (температура плавления tпл > 1100 °С ≤ 1850 °С);

5. Тугоплавкие (температура плавления tпл > 1850 °С).

Первые две группы применяются для низкотемпературной (мягкой) пайки, остальные – высокотемпературной (твердой) пайки. По основному компоненту припои подразделяют на: галлиевые, висмутовые, оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, свинцовые, цинковые, алюминиевые, германиевые, магниевые, серебряные, медно-цинковые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденоыве, ванадиевые.

В данной работе будет рассмотрена маркировка и применение припоев оловянно-свинцовых, серебряных и медно-цинковых. Оловянно-свинцовые припои маркируются по ГОСТ 21930-76 тремя буквами ПОС, что означает припой оловянно-свинцовый, и числом, которое указывает на содержание олова в процентах. Иногда могут быть добавлены буквы: К, М или Су, что означает добавка кадмия, меди или сурьмы. Через тире пишут число, указывающее на количество этой добавки в процентах.

Примеры:

ПОСК50-18 (припой оловянно-свинцовый, 50 % олова, 18 % кадмия, остальное – свинец).

ПОССу5-1 (припой оловянно-свинцовый, 5 % олова, 1 % сурьмы, остальное – свинец).

Припои этой группы имеют низкую температуру плавления и применяются при мягкой пайке. В пищевой промышленности может применяться припой с содержанием олова не менее 90 % (ПОС90), так как свиней образует вредные соединения с пищевыми продуктами.

Серебряные припои маркируют ПСр (что означает припой серебряный) и числом, которое указывает на содержание серебра в процентах. Остальное может быть медь, цинк, свинец.

Примеры:

ПСр72 (72 % серебра, остальное – медь).

ПСр70 (70 % серебра, 26 % меди, остальное – цинк).

ПСр62 (62 % серебра, 28 % меди, остальное – олово).

Иногда в марке есть дополнительные буквы, которые указывают на присутствие некоторых элементов.

Примеры:

ПСр50Кд (50 % серебра, 16 % цинка, остальное – кадмий).

ПСр25Ф (25 % серебра, 5 % фосфора, остальное – медь).

ПСр12М (12 % серебра, 52 % меди, остальное –цинк).

Из приведенных примеров видно, что по марке припоя всегда можно установить количество серебра. Полный состав припоя по марке установить невозможно.

Наиболее широко применяемые припои для твердой пайки – среднеплавкие. К ним относятся медно-цинковые (латуни). Они маркируются в соответствии с ГОСТ 23137-78 ПМЦ (припой медно-цинковый) и числом, указывающим на содержание меди в процентах.

Пример:

ПМЦ36 (36 % меди, остальное – цинк). Припой ПМЦ36 применяют для пайки латуней, содержащих до 65 % меди, ПМЦ48 – для пайки медных сплавов, содержащих меди свыше 68 %, ПМЦ54 – для пайки меди, томпака, бронзы и стали. Серебряные припои применяют наиболее широко в приборостроении, где требуется повысить электропроводность спая.

2.4. Классификация и маркировка инструментальных материалов

Инструментальные материалы подразделяются по составу на три большие группы: сталь, твердые сплавы (спеченые из порошков карбидов вольфрама и титана с кобальтом) и сверхтвердые материалы. По применению инструментальные материалы делятся на материалы для режущих инструментов, для измерительных инструментов и штамповые материалы.

Инструментальную сталь принято делить на три группы: нелегированную, легированную и быстрорежущую. По теплостойкости инструментальные материалы бывают нетеплостойкие (выдерживают при работе нагрев до 200 градусов), полутеплостойкие (выдерживают при работе нагревдо 300 градусов) и теплостойкие (выдерживают при работе нагрев 600 и более градусов).

Нелегированная (углеродистая) сталь маркируется буквой У и числом, которое указывает на содержание углерода (в отличие от конструкционнх сталей) в десятых долях процента, например У7 (0,7 % С), У12 (1,2 % С). Высококачественная сталь, имеющая низкое количество вредных примесей, обозначается в конце марки буквой А, например У10А. В некоторых марках инструментальной нелегированной стали может быть повышено содержание марганца по сравнению с обычным его содержанием. В этом случае в марке пишут букву Г, например У8Г. Нелегированная инструментальная сталь имеет низкую теплостойкость и прокаливаемость. Относится к нетеплостойким материалам. Кроме того, для получения высокой твердости инструменты при закалке необходимо охлаждать в воде. Это приводит к сильной деформации, а иногда и к образованию трещин. Поэтому такую сталь применяют для инструмента небольшого размера, простой формы, который не нагревается при работе.

Легированная инструментальная сталь маркируется по буквенно-цифровой системе аналогично легированной конструкционной, с той лишь разницей, что содержание углерода указывается в десятых долях процента. Поэтому, если содержание углерода в инструментальной стали будет менее одного процента, то число в начале марки будет однозначное (в конструкционной – всегда двузначное).

Пример:

8ВФ (0,8 % С, хрома и ванадия менее или равно 1 % каждого). При содержании около 1 % углерода число в начале марки не пишут. Иногда отсутствует число, если содержание углерода и более 1 %.

Примеры:

ХВГ (около 1 % углерода, и до 1,5 % хрома, вольфрама, марганца каждого).

Х12 (2,1 % углерода и 12 % хрома).

В некоторых случаях при содержании углерода более 1 % пишут двузначное число, например 11Х (1,1 % С,1 % Cr), 13Х (1,3 % С, 1 % Cr).

Легированная инструментальная сталь по теплостойкости мало отличается от нелегированной (углеродистой) – до 250–300 °С. Однако, эта сталь обладает более высокой прокаливаемостью и охлаждается при закалке в масле. Поэтому легированную сталь, так же, как и нелегированную, применяют для инструментов, которые не испытывают существенный нагрев при работе. Однако, благодаря ее более высокой прокаливаемости и возможности охлаждать при закалке в масле, из такой стали можно изготавливать инструмент сечением более 15 мм и сложной формы. Сталь, содержащую углерода около 1 % и более обычно применяют для режущего и измерительного инструмента, а содержащую 0,3–0,6 % углерода – для инструмента, работающего при ударных нагрузках (для штампов и др.).

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, после которой число указывает на содержание вольфрама в прцоентах.

Пример:

Р18 (сталь быстрорежущая с содержанием 18 % вольфрама). Эта сталь содержит также примерно 1% углерода, около 4 % хрома и около 1,2 % ванадия. При содержании углерода более 1 % и наличии других элементов (отсутствующих в стали Р18 или содержащихся в других количествах) пишут соответствующие буквы и цифры.

Пример:

11Р3АМ3Ф2 (сталь быстрорежущая, содержит 1,1 % углерода, 3 % вольфрама, азот, молибден около 3 %, ванадий около 2 %, а также хром около 4 %).

Сталь, полученную методом электрошлакового переплава, обозначают буквой Ш, например Р6М5-Ш. Сталь, полученную из порошка, обозначают в конце марки через тире буквами МП. Например, Р9М4К8-МП.

Быстрорежущая сталь обладает повышенной теплостойкостью (до 600 °С) и применяется для изготовления всех видов станочных металлорежущих инструментов. Сталь, дополнительно легированные кобальтом и ванадием, обладает более высокой теплостойкостью (до 630-640 °С), например, Р9К5, Р6М5К5, Р12Ф2К10М3 и др.

Порошковая сталь обладает повышенной прочностью при изгибе, в 1,5–2 раза более высокой стойкостью по сравнению с быстрорежущей сталью обычного производства.

Разработаны стали (В11М7К23, В24М12К23 и др.), из которых изготавливаются инструменты высокой производительности (теплостойкость 700–725 °С). Стойкость на износ таких сталей при работе с некоторыми материалами до 30 раз выше по сравнению с обычной быстрорежущей типа Р18 и до 10 раз выше по сравнению с твердыми сплавами типа ВК8.

 

Создан новый класс инструментальной стали – карбидосталь. Это композиционный материал, в котором зерна тугоплавких карбидов (преимущественно TiC) равномерно распределены в связке из легированной стали. Их маркируют Р6М5-КТ20, где КТ20 означает карбид титана 20 %. Твердость таких материалов 87-89 HRA (приблизительно 70-72 HRC), теплостойкость 650–690 °С. Стойкость на износ в некоторых случаях в 2 раза выше, чем порошковой стали, и в 10 раз выше, чем стали Р18.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научить студентов путем использования знаний, приобретенных на лекциях или при изучении учебника, определить химический состав материала по его марке, а по нему устанавливать область его применения для изделий различного назначения.

В зависимости от назначения материалы принято делить на две большие группы – конструкционные и инструментальные. Каждая из этих групп материалов подразделяется на три большие группы: сплавы на основе железа (сталь и чугун), цветные металлы (медь, алюминий, титан, олово и др.) и сплавы на их основе, например сплавы на основе меди (латуни, бронзы и др.), сплавы на основе алюминия (дуралюмины, силумины и др) и т.п.. В зависимости от состава, структуры и назначения конструкционные материалы подразделяются на несколько групп.

В работе рассматриваются металлы и сплавы, которые в настоящий момент нашли наиболее широкое применение в общем машиностроении для изготовления деталей машин и оборудования, а так<