Материаловед

1. Чугун является  наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

Серый чугун – наиболее распространенный литейный сплав, из него получают самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5  раза дешевле, чем стальные, в несколько раз дешевле, чем из цветных металлов).

Серый чугун имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора и понижается с увеличением серы. Особо высокую жидкотекучесть имеет  чугун для тонкого художественного литья (1,0…1,2 % серы).

Модифицирование обеспечивает получение наиболее благоприятной структуры с мелкими включениями графита завихренной формы и применяется для получения чугунов с перлитной основой.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают  модифицированием магнием или церием. Свойства чугуна в основном определяются его металлической основой и могут быть значительно улучшены термической обработкой. Из высокопрочных чугунов изготавливают коленчатые валы, детали турбин и другие ответственные детали.

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают отжигом отливок из белого чугуна. Механические свойства чугуна зависят от металлической основы. Перлитные чугуны имеют более высокую прочность при пониженной пластичности. Ферритные чугуны,  имея меньшую прочность, обладают более высокой пластичностью. Ковкий чугун применяют для получения отливок с  с толщиной стенки до 40 мм.

Легированные чугуны хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения.  Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан. Низколегированные чугуны с содержанием легирующих элементов до   3 %  применяют в машиностроение. Широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например кислотостойких (26…36 % Cr), немагнитных (до 12 % Mn, до 2 % Cu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик.

2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 т, иногда несколько сотен тонн) – до  60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются:  углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ,  110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Углеродистые стали. Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Это объясняется высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом. Усадка сталей составляет до 2,5 %.

Литые углеродистые стали по литейным свойствам уступают чугуну, но из них можно получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок.  Наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,45 %.

Отливки из низкоуглеродистых сталей применяют в электротехнике.

Легированные стали. Легирование стали является одним из средств увеличения надежности, долговечности и снижения массы литых деталей, а также придания им специальных свойств. Выбор легирующих элементов обусловливается назначением отливки, ее конструктивными и технологическими особенностями.

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.

Легирующие элементы  вызывают образование новых структурных составляющих и изменение свойств существующих фаз.

Наибольшее распространение получили стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, ванадием, молибденом, медью в различных комбинациях и соотношениях.

3. Медные сплавы – бронзы и латуни. Их применяют для отливок, которые должны иметь хорошую износостойкость и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в атмосфере, технической и морской воде. Медные сплавы немагнитны, хорошо полируются и обрабатываются резанием. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.

Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морского судостроения, работающей при температуре 300 ºС, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

Простые латуни находят ограниченное применение. При затвердевании в них образуются концентрированные усадочные раковины, что вызывает необходимость устройства больших прибылей.

Обычно литейные латуни являются более сложными сплавами. Входящие в состав этих латуней алюминий, железо, марганец и другие элементы улучшают литейные свойства. Большинство латуней имеют линейную усадку 1,6…1,7 %, малую склонность к образованию газовой пористости, так как хорошо дегазируются при выплавке в результате образования паров цинка. Поэтому из латуней легче получить плотные, герметичные отливки.

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка.

Оловянные бронзы содержат 2…14 % олова и другие компоненты.

Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки, работающие в условиях истирания, повышенного давления воды и пара.

Линейная усадка оловянной бронзы  менее  1 %, отливки могут быть получены без прибылей.

Высокооловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства, но из-за дефицитности и высокой стоимости олова применяются только для отливок ответственного назначения.

Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже.

Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и во многих агрессивных средах, хорошо сопротивляются удару. Свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марганцем, никелем и другими элементами.

В процессе выплавки алюминиевые бронзы склонны к окислению, сопровождающемуся загрязнением расплава дисперсными оксидами алюминия. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической промышленности.

Свинцовые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами при  больших удельных нагрузках и высоких скоростях скольжения. Их используют как заменители оловянной бронзы при изготовлении вкладышей подшипников. Особенностью свинцовых бронз является предрасположенность к ликвации свинца. Дисперсное распределение свинца может быть получено только при больших скоростях кристаллизации.

4. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Их высокая жидкотекучесть обеспечивает получение тонкостенных и сложных по форме отливок. Линейная усадка составляет 1,0…1,25 %. Сплавы имеют невысокую температуру плавления (550…650 ⁰С).

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si)   – силумины (АЛ2, АЛ9). Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.

Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ19)  имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость, склонны к образованию трещин и рассеянной усадочной пористости. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства, тепловую прочность.

Сплавы алюминия с медью и кремнием (АЛ3, АЛ6, АКМ4) широко используют в промышленности для изготовления деталей достаточной прочности и твердости, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих хорошее качество обработанной поверхности.

Сплавы алюминия с магнием (АЛ8, АЛ13) обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для сильно нагруженных деталей, но они плохо работают при повышенных температурах.

Сложнолегированные сплавы применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях (АЛ1), с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием (АЛ11, АЛ21).

5. Магниевые сплавы обладают  высокими механическими свойствами, но их литейные свойства невысоки. Применяют  в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.

Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец  предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5, МЛ6.

Сплавы магния с цинком и цирконием являются высокопрочными, характеризуются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченное зерно, способны упрочняться при термической обработке. Из них получают отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях. Изготавливают отливки, работающие при температурах 200…250 ⁰С и высоких нагрузках.

Сплавы магния, легированные редкоземельными металлами, обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Их применяют для изготовления отливок, работающих под действием статических и усталостных нагрузок при длительной работе при 250…350 ⁰С и кратковременной  при 400 ⁰С.