Диафильмы

1)Кристаллическое строение веществ, дислокации в кристаллах. 2) Цветные металлы и сплавы. 3) Пластмассы. 4) Производство лаков, красок, технология покрытия. 5) Электросварка в судостроении. 6) Геометрия резцов. 7) Способы обработки цилиндрических, торцовых поверхностей и канавок на токарных станках. 8) Способы обработки конических поверхностей на токарном станке. 9) Износ и способы восстановления деталей при ремонте промышленного оборудования. 10) Ремонт осей, валов, шпинделей, подшипников. 11) Восстановление деталей гальваническими покрытиями.

4. Плакаты

1)Некоторые типы кристаллической решетки. 2) Влияние содержания углерода на механические свойства стали. 3) Преобразование при отпуске стали. 4) Химико-термическая обработка. 5) Цементация. 6) Легированные стали.7) Классификация способов сваривания.8) Сварочная дуга.9) Схема изменения структуры в зоне термического влияния при сваривании низкоуглеродистой стали. 10) Деформация и напряжения при сварке. 11) Дефекты сварных швов. 12) Основные схемы резания металлов на станках. 13) Процесс образования стружки. 14) Тепловые явления при резании металлов. 15) Износ инструмента. 16) Технологическая карта. 17) Зависимость микротвердости образцов с сталью 20ХМЛ от глубины поверхностного слоя и его микроструктура при разных способах укрепления.

Контрольные вопросы.

1. Что понимают под материаловедением и технологией материалов и какая связь между этими науками?

2. В чем состоит основная задача дисциплины при подготовке судового инженера-механика?

2. Что должны знать и уметь курсанты после изучения дисциплины МиТМ?

Лекция 2. Общие сведения о производстве черных и цветных металлов и неметаллических материалов.

План лекции: Структура металлургического производства и его продукция. Производство чугуна и стали. Производство цветных металлов и неметаллических материалов

Применяемые в технике металлические материалы (металлы) принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.

Металлические материалы получают в основном непосредственно из руды. В большинстве случаев руды представляют собой оксиды, сульфиды или карбонаты: магнитная железная руда – Fe₃O₄, серный колчедан – FeC₂, железный шпат – FeCO₃, боксит - смесь из 55 – 65% Al₂O_3, до 28% Fe₂O_3, до 24% SiO₂, медный колчедан – CuFeS₂,

Металлосодержащие полезные ископаемые в земной коре содержат одновременно и нежелательные минеральные составные части, безрудную или жильную породу. Поэтому методами флотации, измельчения, агломерации руды должны быть сначала приведены к состоянию, удобному для дальнейшей металлургической переработки.

Чтобы добыть чистые металлы из руд, их подвергают соответствующему химическому разложению. В качестве примера возьмем оксид, из которого путем восстановления вначале получают черновой загрязненный материал, который далее путем рафинирования перерабатывают до чистого или особо чистого металла.

Далее оксиды металлов можно восстановить веществом, обладающим большим сродством к кислороду, чем получаемый материал. К ним относятся, например, углерод или его оксид при высоких температурах (карбометрический метод), алюминий (алюмотермия) или кремний (кремнетермия). Эти способы объединены под общим понятием пирометаллургии. Существует и ряд других методов: избирательного окисления, электролитические, выпариванием и и др.

На основании этих принципов были разработаны самые разнообразные технологические варианты получения металлов.

Таким образом, металлургическое производство - это сложная система различных производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали пере-рабатывают в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.

Основная продукция черной металлургии: чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железорудные металли-зованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Mn, Si, V, Ti и т.д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката, листа, труб и т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства сортового проката (уголки, полосы, прутки и т.д.); слитки цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок.

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если их содержание в руде составляет: железа не менее 30-60%, меди - 3-5%, молибдена 0,005-0,02%.

Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т.д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Бедные руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO, и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000⁰C (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88% углерода, 8-12% золы, 2-5% влаги, 0,5-1,8% серы, 0,02-0,2% фосфора и до 1-2% летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Огнеупорность кислых составляет 1700⁰С, основных – 2000⁰С, нейтраль-ных, содержащих большое количество Al₂O₃ и Cr₂O₃ – 2000⁰C.

В начале железо получали непосредственно из руды восстановлением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался сплав хрупкий, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. С ХIII в. чугун начали перерабатывать в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержанием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов, обладающий высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадийная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.

Для производства чугуна используются преимущественно оксидные руды в виде агломерата (кусковой пористый офлюсованный материал, полученный спеканием шихты, состоящей из железной руды, известняка, возврата, коксовой мелочи, влаги), или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида.

Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900⁰С вступают в реакцию с восстановлением железа по следующим формулам:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂; Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO +CO = Fe + СO₂.

Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, образуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1000-1100⁰С науглероживается:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂; 3Fe + C = Fe₃C.

Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, кремнием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные чушки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.

Доменная печь имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. Она работает непрерывно 10 - 15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,5-4,3% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,05-0,1% серы, фосфора, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента, шлаковой ваты.

Сущность получения стали состоит в том, что путем избирательного окисления из доменного чугуна удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы. Важным процессом в производстве стали поэтому является так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для окисления углерода воздуху примешиваются топочные газы и кислород.

Сталь получают различными способами: в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.Все важнейшие в настоящее время способы производства стали можно разделить на: горновые (мартеновский и электроплавильный), конверторный (нижнего дутья:Томаса, Бессемера) и прямое восстановление (верхнего (кислородного) дутья).

Кислородно-конверторный процесс получения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃, переходящие в шлак.

Мартеновский процесс получения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома) по формулам:

3Si + 2Fe₂O₃ = 3SiO₂ + 4Fe, 3Mn + Fe₂O₃ = MnO + 2Fe,

6P +5Fe₂O₃ = 3P₂O₅ + 10Fe, 3C + Fe₂O₃ = 3CO + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью : FeS + CaO= FeO + CaS. Оксиды SiO₂, MnO, P₂O₅, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи. Вместимость мартеновских печей составляет от 10 до 600 т. стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5 - 20 часов.

Производство стали с помощью электроэнергии происходит чаще всего в электродуговых и реже в индукционных печах. Между тремя вводимыми сверху графитовыми электродами и металлической шихтой возникают электрические дуги. В конвертере металлическая шихта постоянно находится в жидком состоянии. Кислород поступает либо из воздуха, который продувается снизу через расплав (нижнее дутье), либо в виде чистого кислорода через небольшую форсунку нагнетается поверх металла (верхнее или кислородное дутье). Вследствие очень интенсивной окислительной реакции необходимая теплота выделяется в ходе процесса в конвертере так, что отпадает необходимость в подводе дополнительного горючего. Вместимость таких конвертеров лежит в пределах от 5 до 100 т, а время изготовления стали составляет от 20 до 60 минут.

Производство стали в электропечах обладает рядом преимуществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной температуры в пределах до 2000⁰С, возможностью создания окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуума. Это позволяет получать стали с минимальным количеством примесей и оптимальным содержанием компонентов, отличающуюся высоким качеством и обладающую специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение содержания всех компонентов до заданного. Физическая сущность химических реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.

Большая часть нелегированной стали производится в настоящее время мартеновским способом. Вместе с этим современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность получать нелегированные высококачественные стали, а также низко- и высоколегированные.

Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электропечах для получения стали. Добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши (шихта из измельченных концентратов, флюсов, топлива - шарики диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200–1350⁰С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми). Окатыши поступают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу подают смесь природного и доменного газов, подвергнутого конверсии. В результате этого смесь разлагается на водород и окись углерода. В восстановительной зоне печи создается температура 1000–1100⁰С, при которой водород и окись углерода восста-навливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа, содержащего 90 - 95% железа. Охлажденные окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах.

Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Кипящей называют сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, которые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наиболее дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает выход годного металла.

Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В нижней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верхней - кипящей.

Производство цветных металлов, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми разнообразными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов.

Алюминий получают из бокситов - руды, содержащей около 55-65% Al₂O_3, не более 28% Fe₂O₃ и до 24% SiO₂. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного, либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах. Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300- 1400°С превращается в чистый глинозем (Al₂O₃). После растворения глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% алюминия). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% алюминия).

Медь получают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S, CuFeS₂ и др. Процесс выплавки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта - штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой - рафинированием.

Титан получают из ильменитовой руды TiO₂*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным способом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуговой печи для удаления оксидов железа.

Производство неметаллических материалов основано на использовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

В судостроении и судоремонте нашли применение следующие неметаллические материалы: пластмасса, резина, клей, лаки и краски.

Пластмассы получают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.

Резину получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический материал она отличается высокими эластическими свойствами.

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластификаторы и др.

Более полная информация о производстве материалов приведена в следующих диафильмах.

1.15 Производство чугуна

2.486 Производство стали в электропечах

3.52 Производство стали в конверторах

4.28 Дуговая сталеплавильная электропечь, 2 части

5.494 Основное технологическое оборудование и плавильные печи для производства цветных металлов, 2 части

6.783 Разливка стали

7.7 Непрерывная разливка стали

8.23 Ведение мартеновской плавки

9.462 Методы и средства контроля электросталеплавильного производства и др.

Диафильмы выделенные курсивом рекомендуются курсантам для просмотра

Лекция 3. Конструкционные материалы и способы получения заготовок.

План лекции: Общие сведения о строениии металлов и сплавов и неметаллических материалов. Стали обыкновенного качества и качественные; чугуны серые, ковкие и высокопрочные. Классификация и маркировка сталей и чугунов. Черные и цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы. Получение отливок и поковок.

Все металлы имеют кристаллическое строение. При этом подавляющее большинство из них имеют кубические решетки (объемноцентрированную и гранецентрированную), и гексагональную плотноупакованную, т.е. соответст-венно ОЦК (Cr, M₀, W), ГЦК (Ni, Al, Cu) и ГПУ (Zn, Mg).

Некоторые металлы и в первую очередь железо, при различной температуре имеют различную кристаллическую форму (модификацию), которые обозначаются греческими буквами a, b, g, d и т.д. Существование металла в различных кристаллических формах называется полиморфизмом, а переход из одной модификации в другую - полиморфным превращением. Это положение имеет большое значение для понимания основ металловедения и в первую очередь термической обработки.

Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковы, поскольку число атомов и расстояние между ними в кристаллах различны. Такое явление, как зависимость свойств металлов от направления, назвали анизотропией, имеющей большое значение в технике.

Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют много дефектов: точечные - вакансии, смещенные атомы, атомы примесей и линейные - дислокации (краевые и винтовые). Эти дефекты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, имеет место так называемый поверхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях. Эти дефекты называют еще, соответственно: нульмерные, одномерные и двумерные.

Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним - оси высших порядков (рис. 3.1,а). Такие первичные кристаллы, напоминающие внешним видом дерево, получили название дендритов. Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла, заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случайную внешнюю форму (рис. 3.1,б). Такие кристаллы назвали зернами.

Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: числом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. скоростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а следовательно и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК, поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 3.2.

Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов - к металлам. Сплавы или их части могут быть одно- или двухфазными (фаза - однородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они образуются в виде твердого раствора (компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии), механической смеси и химического соединения. Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют один тип кристаллической решетки, а механическая смесь, например, двух компонентов двухфазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее.

Представление о взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фазовом составе можно получить из диаграммы состояния представляющей собой графическое изображение всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от концентрации его компонентов и температуры. Диаграмма состояния определяется экспериментально по критическим точкам превращений в сплавах при их нагреве и охлаждении.

В основестроения неметаллических материалов лежат полимеры - вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи - несколько ангстрем, а длина - несколько тысяч ангстрем. Поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость, являющаяся одной из отличительных свойств полимеров. Гибкость полимеров ограничена размером сегментов - жестких участков, состоящих из нескольких участков. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью, а силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10-50 раз) меньше. Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах и относительно слабыми между ними.

Полимеры встречаются в природе - натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания новых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Примером термореактивных смол могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Основными конструкционными материалами, применяемыми в судостроении и судоремонте, являются стали и чугуны, цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы.

Сплавы железа с углеродом с содержанием последнего до 2,14% называются сталями, а более 2,14% - чугунами.

Углеродистые стали, применяемые на практике, содержат кроме углерода: 0,4%Si, 0,5-0,8%Mn и по 0,02-0,05% S и P. Кремний и марганец являются полезными примесями; растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Сера образует соединение FeS и вызывает красноломкость, а фосфор - хладноломкость стали.

Углеродистые конструкционныестали бывают обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами, группы Б - химическим составом, а группы В - механическими свойствами и химически составом. По степени раскисления они бывают кипящими (кп), полуспокойными (пс) или спокойными (сп), а в зависимости от нормируемых показателей механических свойств их подразделяют на ряд категорий.

Конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрой - номером стали. Группа указывается соответствующей буквой в начале марки (для группы А буква не ставится). В конце марки указывается степень раскисления и номер категории (первая категория не указывается). Например, Ст1кп, БСт1пс, ВСт1кп3, ВСт6 и т.д. Стали обыкновенного качества применяются для изготовления малоответственных или малонагруженных деталей: валиков, болтов, крышек подшипников и др.

Качественные конструкционные стали отличаются меньшим содержанием вредных примесей (серы и фосфора,0,04%). Они подразделяются на стали с нормальным содержанием марганца, около 0,6% (I группа) и повышенным, около 1,2% (II группа), а по содержанию углерода: на малоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,60% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Качественные конструкционные стали маркируются следующим образом: стали I группы - числами 08, 10, 25... 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, а для сталей II группы - дополнительно в конце цифр ставится буква Г, указывающая на повышенное содержание марганца. Стали I и II групп применяются для изготовления широкого круга ответственных деталей. При этом средне- и высокоуглеродистые стали подвергаются как правило термической обработке.

Углеродистые инструментальные стали подразделяют на качественные: У7... У12, У13 и высококачественные: У7А... У12А, У13А. Числа в марке указывают на содержание углерода в десятых долях процента, а буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, т.е. содержащую меньший процент вредных примесей (S и P).

Чугуны подразделяются на белые и серые. В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии, в цементите, а в серых - в свободном, в графите. При этом графит в чугуне выделяется в виде пластин, хлопьев или шаров. Серые чугуны, применяемые на практике, содержат: 3-3,5% C, 1,5-3% Si, около 0,5% Mn, до 0,12% S и 0,3-0,8% Р). Чугуны с пластинчатым графитом обычно называют серыми, с графитом в виде хлопьев – ковкими и с графитом шаровидной формы – высокопрочными.

Углеродистые стали и чугуны находят широкое применение для изготовления деталей СТС.

Основными из них являются:

Сталь 15 - вкладыши рамового опорного и установочного подшипников судовых среднеоборотных двигателей (СОД), подшипник рамовый с заливкой Б83; шпиндель, ось ролика регулятора с цементацией 0,8-1,2 мм; шайба кулачная, втулка топливной шайбы и топливная шайба c последующей цементацией 1,2-2,0 мм судовых малооборотных двигателей (МОД).

Сталь 25Л - нижняя головка шатуна СОД, рама фундаментная, ползун крейцкопфа с заливкой Б83 или БН и корпус толкателя привода распредвала.

Сталь 35 - вал коленчатый, стержень шатуна рабочего цилиндра и груз распределительного вала судовых СОД, связь анкерная, вал коленчатый, шатун рабочего цилиндра, болт шатунный, крейцкопф, вал распределительный, корпус главного пускового клапана.

Сталь 45 - вал распределительный, шестерни и другие детали СОД; болт, гайка и контргайка рамового подшипника; звездочки после литья и оси привода распредвала, корпус форсунки, шестерни, вал приводной и муфты регулятора с приводом.

СЧ 21 - рама фундаментная, крышка рамового подшипника, блок цилиндров, а также корпус, верхняя и нижняя крышка регулятора числа оборотов судовых двигателей, крышка подшипника, блок цилиндров, маховик, уплотнение поршневого штока корпус сальника; корпуса топливного насоса, подшипника регулятора с приводом, сервомотора регулятора.

СЧ 24 - корпус привода топливного насоса, крышка рабочего цилиндра, кольца уплотнительные и маслосъемные, вставка головки поршня.

СЧ 28 - крышка-втулка рабочего цилиндра и поршень судовых среднеоборотных двигателей, параллель и тронк поршня.

Легированными называют стали, в которые специально вводят (леги-рующие) элементы. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются Cr, Ni, Si, Mn, а такие элементы как W, Mo, V, Ti и другие вводят в сталь в сочетании с основными для дополнительного улучшения свойств.

Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и углеродом.

Легирующие элементы в марках стали обозначают соответствующими буквами: Х – хром, Н – никель, С - кремний, Г – марганец, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, А - азот, Б - ниобий, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, П - фосфор, Р - бор, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные материалы. Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв - среднее содержание элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В означает, что это сталь со средним содержанием 0,18% С, 2% Cr, 4% Ni и около 1% W.

При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей отходят от этого правила. Для них содержание углерода указывается в десятых долях процента. Например, марка 9ХС означает, что это сталь с содержанием 0,9% углерода, около 1% хрома и 1% кремния, а при отсутствии цифры - содержание углерода от 1 до 1,5%.

Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш- шари-коподшипниковые, Р - быстрорежущие, Е - магнитные и др.

Легированные стали находят широкое применение для изготовления деталей СТС. Основными из них являются:

Сталь 15Х, 18Х, 20Х, 18ХГ с цементацией и термообработкой - толкатели топливного насоса и клапанов газораспределения, ролик, ось ролика судовых СОД, ролик пускового золотника, ось ролика привода топливного насоса, топливная и пусковая кулачные шайбы, корпус клапана, подпятник и ролик топливного насоса МОД.

Сталь 38ХМЮА с азотированием и термообработкой - корпус и плунжер топливного насоса СОД.

Сталь ШХ15 - клапан нагнетательный топливного насоса судовых СОД, плунжер и седло клапана топливного насоса СОД, сопло форсунки топливного насоса МОД.

Сталь 18Х2Н4ВА с цементацией на глубину 0,5-0,9 мм и термообработкой HRC 60 - направляющая иглы форсунки СОД.

Сталь 4Х9С2 - клапаны впускной и выпускной СОД и клапан пусковой МОД.

Сталь Р18 - игла форсунки СОД.

Сталь 3Х13 - клапаны предохранительный и воздухораспределителя СОД, Сталь 35ХМ - головка поршня МОД.

Сталь ХВГ - клапан и втулка топливного насоса МОД.

Сталь 40Х с закалкой ТВЧ на 1,5-2,5мм НRС54 - корпус форсунки МОД. Сталь 3Х13 - рубашка и корпус поршня, верхний и нижний штоки поршня и золотник сервомотора регулятора. седло главного пускового клапана МОД.

Стали Х12ВНМФ и 2Х18Н9М - наружное и внутреннее кольца, лопатки турбонагнетателя МОД.

Сталь 3Х19Н9МВБТ - лопатка ротора турбонагнетателя МОД.

Цветные металлы и главным образом их сплавы имеют сравнительно большое применение в судостроении и судоремонте. В некоторых конструкциях судна, механизмах и приборах они пока являются незаменимыми.

Все цветные металлы по сравнению с черными имеют общий недостаток: высокую стоимость. На практике чаще всего прибегают к использованию цветных металлов в случаях, когда требуется материал, обладающий высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами, а также с целью снижения массы конструкций, машин и т.д.

Медь и ее сплавы, благодаря их высокой электро- и теплопроводности, пластичности, химической и коррозионной стойкости, хорошей полируемости широко используются для изготовления труб судовых систем, проводников тока, подшипников скольжения и др. В большом количестве медь используется для изготовления важнейших конструкционных сплавов: латуней и бронз.

Латуни- сплавы меди с цинком - используют для изготовления судовых систем и гребных винтов. В простых (двойных) латунях содержание цинка не превышает 38%. В специальные латуни кроме цинка вводятся Al, Fe, Sn, Pb, Si и другие элементы. Легирующие добавки оказывают различное влияние на свойства латуней. Так, добавки свинца улучшают обрабатываемость, марганца - повышают механические и коррозионные, а в сочетании со свинцом - антифрикционные свойства, железа - улучшает пластичность в холодном и горячем состояниях, алюминия (до 6%) - повышает прочность и коррозионную стойкость. Кремний вводится с целью улучшения литейных свойств.

Латунь, содержащая до 39% цинка хорошо поддается обработке давлением в горячем и холодном состояниях, сварке, пайке и лужению.

Марку латуни обозначают буквой Л, затем начальной буквой русского названия легирующего элемента, за которыми следуют цифры, указывающие среднее содержание в % меди и легирующих элементов. Например, сплав ЛМц 58-2, из которого изготавливают корпус клапана управления пуском, корпус индикаторного крана судовых МОД, содержит 58% меди и 2% марганца; ЛАМцЖ67-5-2-2, применяемая для изготовления гребных винтов, содержит 67% меди, 5% алюминия и по 2% марганца и железа.

По технологическому признаку латуни подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни обрабатывают прессованием, прокаткой и штамповкой. Применяют их для изготовления деталей арматуры и трубопроводов, деталей иллюминаторов и др.

Литейные латуни применяют для изготовления фасонных отливок арматуры, дельных вещей и гребных винтов.

Литейные латуни в движущейся морской воде в разной степени подвержены коррозионному разрушению - обесцинкованию – электрохимичес-кой коррозии. Все литейные латуни могут свариваться и паяться мягким и твердым припоями.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием и другими элементами, являющимися легирующими компонентами. Они делятся на две основные группы: оловянистые (основной легирующий компонент - олово) и специальные (основные легирующие компоненты - алюминий, марганец, кремний и др.).

Бронзы обозначают буквами Бр, затем начальными буквами русского названия легирующих элементов, за которыми следуют цифры, показывающие их процентное содержание. Например, сплав Бр.АМц10-2, применяемый для изготовления поворотной втулки топливного насоса, содержит 10% алюминия и 2% марганца, остальное медь; Бр.ОЦС5-5-5 - втулки регулятора числа оборотов, содержит по 5% олова, цинка и свинца, остальное медь; Бр.АЖМц 10-3-1,5 - золотника клапана управления пуском СОД, содержит 10% алюминия, 3% железа и 1,5% марганца, остальное медь.

Оловянистые бронзы по технологическому признаку разделяют на литейные и деформируемые.

Оловянистые литейные бронзы обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, легко обрабатываются резанием, хорошо лудятся и имеют красивый цвет в готовых изделиях. Их коррозионная стойкость в морской воде обусловлена образованием на поверхности устойчивой плотной пленки окиси олова. Из оловянистой бронзы Бр.ОФ 10-1 изготавливается втулка верхней головки шатуна СОД, из БрОЦСН3-7-5-1 и БрОЦС8-4-3 - литая тонкостенная арматура, облицовки валов, корпусов насосов, работающих в морской и пресной воде, топливе и паре и др.

Деформируемые бронзы применяют для изготовления различных видов проката, поковок и штамповок.

Кроме указанных марок бронз, для деталей СОД и МОД нашли применение также Бр.АМЦ 9-2 - для стержня клапана, БрОСН5-23-1 - направляющего пояска, Бр.АЖ 9-4Л, Бр.ОФ10-1 - втулки ролика и др.

Алюминий и его сплавы обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, устойчивостью механических свойств при низких температурах, высокой технологичностью, эстетичностью в конструкциях и неограниченными запасами сырья для их производства.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые в свою очередь подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые термообработкой.

К неупрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относят алюминиево-магниевый сплав АМг (магналий) и АМц.

К упрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относятся дуралюмины.

Литейные алюминиевые сплавы для фасонного литья используются для изготовления деталей оборудования, арматуры, деталей электрооборудования. Наиболее широкое применение нашли алюминиево-кремнистые сплавы (силумины), имеющие хорошую жидкотекучесть, небольшую усадку, возмож-ность получения мелкозернистой структуры путем модифицирования, равномер-ность механических свойств по сечению отливки и др. Недостатки силуминов - низкая пластичность и коррозионная стойкость в морской воде, плохое сопро-тивление ударным нагрузкам. В качестве примеров применения силуминов: АЛ2 и АЛ9 - для изготовления диффузора и корпуса турбонагне-тателя МОД.

Титан имеет серебристо-белый цвет, его плотность около 4510 кг/м³ и температура плавления 1725⁰С. Свойства титана существенно зависят от чистоты. Титан обладает весьма высокой коррозионной стойкостью, что в сочетании с низкой плотностью и высокими механическими свойствами предопределило его широкое применение для судовой арматуры подводных лодок и др. Надежную защиту титана и его сплавов от коррозии обеспечивает нерастворимая пассивная пленка, образующаяся на поверхности изделий при воздействии агрессивной среды.

Титан используют в основном для производства конструкционных сплавов. Сплавы на основе титана с добавками алюминия, хрома, молибдена и других элементов обладают более высокими механическими свойствами, чем технический титан. В судостроении наиболее перспективно использование титана и титановых сплавов для плакирования стальных листов, изготовления гребных винтов, крыльевых устройств, различных деталей судовой арматуры, работающих в морской воде, агрессивных и кавитирующих средах. Однако широкое внедрение титана и титановых сплавов ограничено их высокой стоимостью (они во много раз дороже низколегированной стали).

Антифрикционными называют сплавы, предназначенные для изготовления подшипников скольжения. Эти сплавы обладают малым коэффициентом трения, пластичностью, микрокапиллярностью, а также неоднородной по твердости структурой (твердые включения в мягкой основе). Такое сочетание свойств можно получить у двухфазных сплавов, у которых одна фаза - твердые кристаллы, а другая - мягкая основа. Твердые кристаллы обеспечивают хорошую сопротивляемость трению, а мягкая основа - хорошую прирабатываемость вкладыша к валу. При вращении в подшипниках мягкая основа, соприкасаясь с валом, изнашивается и образует сеть микрокапилляр, по которым циркулирует смазка. К металлическим антифрикционным материалам в судостроении относятся баббиты, бронзы (оловянистые и безоловянистые) и латуни.

Баббиты представляют собой сплавы из легкоплавких цветных металлов на основе олова или свинца и предназначены для заливки подшипников (при 300-420⁰С). Баббиты имеют минимальный коэффициент трения и хорошо удерживают смазку. Баббиты на оловянной основе состоят из пластичной основы и распределенных в ней твердых металлических соединений олова с сурьмой и медью (SnSb, Cu₆Sn₅), которые играют роль опорных частиц, воспринимающих основную нагрузку вала.

В судостроении применяются в основном оловянистый баббит Б83 и свинцово-никелевый БН. Так, ползун и кольцо уплотнительное поршневого штока МОД изготавливаются наплавкой Б83 и БН на сталь 25. Сплав Б83 применяется для заливки вкладышей, работающих при более высоких удельных нагрузках и окружных скоростях, чем сплав БН.

Основой неметаллических материалов являются синтетические и природные полимеры. Первые являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев, а вторые, встречающиеся в природе - натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит.

Из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. получают различные искусственные материалы. Основные из них, пластмассы, лакокрасочные и склеивающие материалы, резина, асбест, нашли применение в судостроении и судоремонте.

Пластмассы широко используются как конструкционные материалы. Их свойства определяются физико-механическими характеристиками основы - смолы. В зависимости от ее поведения при нагреве пластмассы подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные пластмассы (термопласты) при каждом нагреве размягчаются, переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении отвердевают. К таким материалам относятся: оргстекло, полиэтилен, винипласт и др.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве вначале размягчаются, а затем при определенной температуре переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое соединение, поэтому они не могут повторно перерабатываться. К ним относят пластики на основе фенолоформальдегидной, полиэфирной и других смол.

Для расширения свойств пластмасс в ее состав вводят наполнители (порошки, волокна, листы и пр.), пластификаторы (глицерин, парафиновое масло и др.) и другие добавки (стабилизаторы, смазки, красители).

Пластмассы обладают большим разнообразием свойств: малая плотность, высокая коррозионная стойкость, высокие электроизоляционные характеристики, хорошие антифрикционные свойства, высокий коэффициент трения, большой диапазон твердости и эластичности, возможность обработки различными способами и др. Вместе с этим необходимо учитывать, что им присущи: малая прочность, жесткость и твердость; большая ползучесть, особенно у термопластов; низкая теплостойкость (от -60 до +200⁰С); низкая теплопроводность; старение - потеря свойств под действием тепла, света, воды и других факторов.

Резина обладает весьма ценными свойствами: эластичностью, упругостью и др. Ее получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. В судостроении она применяется для уплотнительных элементов (сальников, прокладок, манжет), подшипников, электроизоляционных элементов, водоплавательных средств и др.

Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластификаторы и др.

Лакокрасочные материалы широко применяются для защиты корпуса судна и его оборудования от коррозии, обрастания и с декоративными целями. Классификация лакокрасочных материалов по составу и назначению, совместимость их с грунтовками и технологические схемы окраски наружных и внутренних поверхностей корпуса судна, его трюмов, отсеков, цистерн и т.п. приведены в [9, с.51-61].

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам. Основные марки клея, рекомендуемые для склеивания различных судостроительных материалов, типовые режимы склеивания и рабочие температуры приведены в [9, с.72-76]. Там же приведена рецептура и режимы отверждения эпоксидных клеев.

Асбестом называют группу минералов волокнистого строения, представляющих собой скопление тончайших волокон в виде кристалликов, удлиненных по одной из своих осей. По специальной технологии асбестовые минералы расщепляют на эластичные и прочные волокна. Эти волокна являются исходным сырьем для производства ряда асбестовых материалов: нитей, шнуров, листовых и фрикционных материалов, сальниковой набивки и т.д. Так, шнуры, сплетенные из асбестовой нити и пропитанные антифрикционным маслобензостойким составом или клеем на основе каучука и графита или прорезиненного и пропитанного графитом, применяются в качестве сальниковых набивок, работающих в различных средах (вода, пар, топливо, аммиак и др.) при температурах до 500⁰С [9, с.64].

Неметаллические материалы достаточно широко применяют в судостроении и судоремонте.

Так, коррозионные разъедания и раковины втулки цилиндра МОД заделываются составом на основе эпоксидных смол (МВР-134-67), включающие следующие компоненты.

Состав 1: эпоксидная смола ЭД-5 - 100 в.ч., пластификатор ДБФ - 15-20 в.ч., отвердитель ПЭПА - 12-14 в.ч., наполнитель: графит - 30 в.ч., тонкоизмельченные металлические порошки - алюминиевая или бронзовая пудра 15-20 в.ч., асбестовое волокно - 5-10- в.ч., портланд-цемент - 30-40 в.ч.

Состав 2: эпоксидная смола ЭД-6 - 100 в.ч., пластификатор ДБФ - 20-25 в.ч., отвердитель ПЭПА - 10-12 в.ч., наполнитель - тот же, что и в составе 1.

Состав 3: компаунд К -153 - 100 в.ч., отвердитель ПЭПА -12 в.ч., наполнитель - тот же, что в составе 1.

Для экрана турбонагнетателя используется теплоизоляция "Мамва", составляющими которой являются:

а) вата минеральная марки 100 ГОСТ 4640-66 - 10 частей б) асбест 7 сорта ГОСТ 12871-67 - 2 части в) вода - 2 части г) глина ФПС, ФВ или ФО ГОСТ3226-65 - 1 часть В качестве набивки и материала уплотнительных колец применяется резина и асбест и т.д.

Для изготовления деталей СТС используются заготовки, получаемые различными способами. Основными из них являются литейное производство и обработка металлов давлением. Путем литья получают различного вида отливки, а обработкой металлов давлением - поковки и различного вида продукцию прокатного производства. Этими способами получают также и готовые изделия, не требующие последующей обработки.

Из жидкого расплава можно отлить заготовку любой формы. Литейный способ позволяет изготовить изделия из материалов, не поддающихся обработке в твердом состоянии.

Благодаря интенсивному усовершенствованию способов литья все больше производится заготовок с улучшенными эксплуатационными характеристиками, например с тонкими стенками (0,5мм), с небольшими отклонениями от размеров, с лучшим качеством поверхности.

Суть литейного производства состоит в том, что фасонные детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла литую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки. Общая схема технологического процесса изготовления отливки приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4.Общая схема технологического процесса изготовления отливки

Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, землепригото-вительное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очистное. Названия отделений соответствуют технологическим операциям, которые в этих отделениях проводятся.

Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения сплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур.

Наибольшей жидкотекучестью обладают серый чугун, наименьшей -магниевые сплавы.

Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, до температуры окружающей среды.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для углероди-стых сталей 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9-1,5%, для медных 1,4 - 2,3%.

Объемная усадка - уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.

В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержня. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и др. примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переводы от тонкой части отливки к толстой, острые утлы, выступающие части и т.д.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин.

Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать значительное количество водорода, кислорода, азота и других и других газов из оксидов и влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающий среды, при заливке металла в форму и т.д. В результате этого образуются газовые раковины и пористость в отливках.

Современное литейное производство располагает многими способами изготовления отливок, область применения которых определяется многими факторами: типом производства, массой отливок, точностью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов, экономической целесообразностью использования того или иного способа.

В настоящее время около 90 % отливок изготавливают в разовых песчанно-глинистых формах.

Точность геометрических размеров, шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и др.

Литье в оболочковые формы. Разовую литейную форму изготовляют в виде оболочки, используя для формовочной смеси в качестве связующего материала фенольные термореактивные смолы, прочно цементирующие мелкий кварцевый песок, являющийся наполнителем. Изготовление оболочковой формы исключает потребность в опоках, резко снижает расход формовочной смеси, легко механизируется и автоматизируется.

Литье по выплавляемым моделям. Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в формы, изготовленные по выплавляемым моделям многократным погружением в керамическую суспензию с последующими обсыпкой и отверждением. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механической обработки уменьшается на 80 - 100 % и в 1,5 - 2 раза сокращается расход жидкого металла.

Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок массой от 0,02 до 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм из любых литейных сплавов.

Литье в кокиль. При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы - кокили. Обладая по сравнению с песчано-глинистыми формами приблизительно в 60 раз более высокой теплопроводностью, кокили обеспечивают мелкозернистую структуру отливок, что повышает их прочность.

Изготовление отливок литьем под давлением. Сущность заключается в том, что жидким металлом принудительно заполняют металлическую пресс-форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации отливки. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы, высокую точность и малую шероховатость поверхности отливки. Принудительное питание отливки жидким металлом исключает возможность образования усадочных раковин, пористости и не требует установки прибылей. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением обусловливает образование мелкозернистой структуры. Благодаря внешнему давлению растворенные в металле газы остаются в твердом растворе, что снижает газовую пористость металла. Отливки полученные этим методом, как правило, не имеют припусков на механическую обработку и после удаления из формы являются готовыми деталями. Литьем под давлением можно получать отливки с толщиной стенок до 0,5 мм, сложной конфигурации и с отверстиями диаметром до 1 мм.

Центробежное литье. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.Из всех литейных сплавов наилучшими литейными свойствами обладает серый обыкновенный чугун, содержащий 2,7-3,5 % углерода, 0,5-4,0 % кремния, 0,3-1,5 % марганца, до 0,2 % фосфора и менее 0,15 % серы.

Основным фактором, влияющим на структуру чугуна, является химический состав. Углерод обеспечивает хорошую его жидкотекучесть. Кристаллизация серого чугуна в форме сопровождается выделением графита. Выделение графита сопровождается увеличением объема отливки, что способствует заполнению форми и уменьшению усадки. Нижний предел содержания углерода (2,7 %) принимают для толстостенных отливок, а верхний (3,5 %) - для тонкостенных.

Кремний повышаем жидкотекучесть, способствует процессу графитиза-ции, уменьшает тем самым усадку чугуна и, следовательно, является одним из главных элементов в чугуне, улучшающих его литейные свойства.

Марганец отбеливает чугун, увеличивает усадку, нейтрализует вредное влияние серы, повышает прочность отливок.

Фосфор повышает жидкотекучесть чугуна, однако повышает хрупкость и твердость отливок.

Сера сильно ухудшает литейные свойства чугуна.

Изготовление отливок из ковкого чугуна, требует применения исходного чугуна такого химического состава: 2,5 - 3,2 % углерода, 0,9 -1,2 % кремния, 0,3 - 0,7 % марганца, до 0,2 % фосфора и до 0,12 % серы. Такой чугун обеспечивает получение отливок со структурой белого чугуна, подвергаемых длительному отжигу, при котором труднообрабатываемый белый чугун превращается в достаточно прочный, легко обрабатываемый резанием ковкий чугун. По механическим свойствам он занимает среднее положение между серым обыкновенным чугуном и углеродистой сталью.

Технология изготовления отливок из высокопрочного чугуна ничем не отличается от технологии получения отливок из серого чугуна. Если в перегретый до 1500⁰С жидкий серый чугун перед заливкой в литейную форму добавить менее 1 % (по весу расплава) смеси магния с ферросилицием или церий, то после кристаллизации получается структура высокопрочного чугуна с включениями графита шаровидной формы. Высокопрочным чугуном во многих случаях заменяют углеродистую сталь, ковкий чугун и цветные сплавы. Отливки из высокопрочного чугуна на 25-30 % дешевле стальных и в 3-4 раза дешевле отливок из цветных сплавов.

Изготовление отливок из стали. Литые изделия из стали имеют ряд преимуществ перед чугунными: обладают значительной прочностью, что дает возможность уменьшить сечение отливки и вес конструкции; хорошо свариваются, что позволяет получать сложные крупные отливки из нескольких литых свариваемых частей и легко исправлять литейные дефекты.

Технология изготовления форм для фасонного стального литья является наиболее сложной и трудоемкой операцией из-за плохих литейных свойств стали.

Малая жидкотекучесть требует перегрева металла и большего сечения каналов литниковой системы, чем для отливок из серого чугуна.

Отливки из сплавов алюминия, содержащие 5-13 % кремния (силумины), полученные литьем в разовые и особенно в металлические формы, отличаются высокими литейными и механическими свойствами. Присадка меди и магния позволяет упрочнить эти сплавы. Применяют их для литья высоконагруженных деталей двигателей.

Алюминиевые сплавы с добавкой меди (дуралюмины) обладают высокими механическими, ни низкими литейными свойствами.

Все литейные сплавы на алюминиевой основе имеют небольшую плотность (2,55-2,95 г/см²), невысокие температуры плавления (610–780⁰С).

Отливки из сплавов меди обладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими и антифрикционными свойствами, но имеют высокую плотность (8,9 - 9,2 г/см²).

Контроль отливок осуществляется визуально для выявления брака или отливок, подлежащих исправлению. Правильность конфигурации и размеров проверяют разметкой, плотность металла отливки - гидравлическими испытаниями под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализированных лабораториях.

Обработкой металлов давлением получают поковки и различного вида продукцию прокатного производства, а также и готовые изделия, не требующие последующей обработки.

Поиск по сайту: