Курс лекций по дисциплине "Материаловедение"

Наиболее оптимальным сырьём для производства чугуна является красный железняк, т.к. в нём максимальное содержание железа и минимум примесей серы и фосфора, снижающих качество чугуна.

Каменно-угольный кокс – продукт спекания специальных углей без доступа кислорода, топливо при выплавке чугуна.

 Флюс – горные породы, содержащие минералы, снижающие температуру плавления пустой породы, руды и золы топлива, а так же способствующие переходу вредных для металла примесей в шлак.

Флюс: - известняк (доломит), - квартиты (песчанник).

Выплавка чугуна производится в доменных печах. Доменный чугун представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Свойства чугунов зависят от их химического состава.

Углерод с железом образуют цементит Fe3C, который придаёт чугуну хрупкость при этом значительно повышая твёрдость. Чугун, имеющий в изломе блестящий металлический оттенок, называют белым. Он не обрабатывается режущим инструментом.

Присутствие свободного графита придаёт чугуну серый цвет в изломе, - серый чугун.

Кремний – улучшает литейные свойства чугуна, понижает его твёрдость.

Марганец – повышает твёрдость чугуна и при определённом содержании углерода увеличивает прочность.

Фосфор – повышает хрупкость и твёрдость чугуна, увеличивая его износостойкость. Фосфор – вредная примесь в чугуне.

Сера – снижает механические свойства, способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может быть нейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера образует тугоплавкое соединение.

(2 час!)

Классификация чугуна

В зависимости от назначения чугун подразделяют на

- предельный,

- литейный.

Предельный чугун – используется в большей степени для выплавки стали. Как правило является белым.

Химический состав:

- содержание углерода  не нормировано;

- кремний Si – не более 1,4%;

- марганец Mg – не более 1,5%;

- фосфор P – не более 0,3%;

- сера – не более 0,06%.

Литейный чугун – используется для производства чугунный отливок. Серые чугуны.

Химический состав:

- углерод С – 3,5 - 4, 5%;

- кремний Si – 1 – 3,6%;

- марганец Mg – 0,5 – 1,5%;

- фосфор P – 0,08 – 1,2%;

- сера – 0,02 – 0,06%.

 Маркировка серых чугунов: СЧ12-28,

где СЧ – серый чугун,

12 – соответствует пределу  прочности на растяжение, равному 120 кН/мм2,

28 - соответствует пределу  прочности на изгиб, равному 280 кН/мм2.

 Для изготовления отливок, обладающих прочностью на растяжение  до 250 кН/мм2 используют обычные серые чугуны.

Для изготовления отливок повышенной прочности – чугуны с добавками хрома, никеля и иных элементов – легированные чугуны.

В зависимости от технологии производства серые чугуны подразделяют на

- высокопрочные – получают путём введения в жидкий металл магния и редкоземельных элементов (цезий), что повышает показатели механических свойств чугуна. Процесс введения добавок с целью изменения структуры – модифицирование.

Высокопрочные чугуны применяют для изготовления коленчатых валов двигателей, тяжелонагруженных отливок деталей строительных и дорожных машин.

- ковкие – получают путём термической обработки отливок из доэвтектического белого чугуна (концентрация железа до 4,3%), в структуре которого присутствует большое количество цементита.

Т.к. отливки из доэвтектического белого чугуна обладают очень высокой твёрдостью, то их невозможно обрабатывать режущим инструментов. С целью снижения твёрдости и повышения пластических свойств отливки из белого чугуна подвергают длительному нагреванию при высоких температурах в специальных термических печах, т.е. происходит процесс отжига. В этом процессе цементит разлагается на углерод (графит), который выделяется в виде хлопьев, и железо.

Если после отжига чугуна металлическая основа состоит из феррита, то чугун – ферритный ковкий, если же из перлита – перлитный ковкий.

Маркировка ковкого чугуна: КЧ37-12,

Где КЧ – ковкий чугун,

37 – соответствует пределу  прочности на растяжение, равному 370 кН/мм2,

12 - соответствует относительному  удлинению, равному 12%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Занятие 4. (1 час!)

Медь и её сплавы

Медь – металл розово-красного цвета, вязкий, хорошо поддающийся штамповке, прокатке и волочению. Обладает высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью. В природе медь встречается в основном в виде медного колчедана.

Различаю виды меди в зависимости от химического состава и назначения:

1. Катодная медь. Характеризуется низким содержанием примесей – 0,003 – 0,1%.

Из катодной меди марок МООк, МОКу, М1к делают электрические провода и токопроводящие детали оборудования.

2. Раскисленная медь. М1р, М1ф, М3р – используется для изготовления труб путём прокатки, прутков, листов.

3. Медь огневого рафинирования – М3, М4 используется для получения медных сплавов, применяемых для изготовления трубной и санитарно-технической арматуры.

Медные сплавы.

Латуни – сплавы меди с цинком.

Бронзы – сплавы меди с оловом и иными элементами.

В зависимости от технического использования медные сплавы, т.е. латуни и бронзы, подразделяют на

- литейные (изготовление отливок деталей машин методом литья);

- деформируемые (производство поковок и штамповок методами обработки под давлением).

Латуни обладают высокой прочностью, которая увеличивается при повышении содержания цинка, однако уменьшается температура плавления. Обрабатывается латунь под давлением методами: - волочения, - прокатки, штамповки, горячего прессования.

Маркировка латуней: ЛС60-2,

Л – латунь , 60% меди, С – свинец 2%. Содержание цинка не указывается. Подразумевается что остальные 100-60-2=38%.

• буква А указывает наличие в латуни алюминия;
• Ж — железа;
• Мц — марганца;
• К — кремния;
• С — свинца;
• О — олова;
• Н — никеля

Литейные латуни обладают более высокими литейными свойствами по сравнению с литейными бронзами. Применяют их для отливок сложной конфигурации, коррозионно-стойкой арматуры, работающей при повышенных температурах.

Латуни с добавками алюминия и железа характеризуются хорошей коррозионной стойкостью.

Латуни с добавками кремния хорошо свариваются и имеют высокие механические свойства.

Марки литейных латуней: ЛК80-3Л (Л – латунь, 80% меди, К – кремний 3%), ЛАНСМц 66-6-3-2 (Л-латунь, содержащая А – алюминия 66%, Н – никеля 6%, С – свинец 3%, Мц – марганец 2%.)

Деформируемые латуни – латуни с высоким содержанием меди – 90-97% и малым содержанием цинка – 3-7% называют томпаком. Маркировка: Л96, Л90. Они высокопластичны.

При содержании меди 80-85% и цинка 15-20% - полутомпак. Маркировка: Л85, Л80.

Бронзы обладают коррозионной стойкостью, тепло и электропроводностью.

Маркировка: Бр.АЖМц – 10/3 – 1,5

Бр. – бронза, содержащая 10% А – алюминия, 3% Ж – железа и 1,5% Мц – марганца.

Группы бронз:

- оловянные – содержат олово, цинк, свинец, фосфор. Хорошо поддаются обработке, сварке, пайке. Обладают антифрикационными свойствами (т.е. обладают низким коэффициентом трения, снижают трение). Механические свойства бронз зависят от содержания олова: при его увеличении прочность возрастает, снижается относительное удлинение. Маркировка: Бр.ОФ-6,5-0,15 (Бр – бронза, содержащая О – олово 6,5%, Ф – фотфор 0,15%), Бр.ОФ4-0,25.

Оловянные бронзы используются для изготовления антифрикационных деталей, пружин, мембран, трубок для аппаратов.

- безоловянные – содержат в качестве присадок (препарат, который добавляется к металлу в небольших количествах для улучшения его эксплуатационных свойств) алюминий, бериллий, никель, кремний и иные компоненты. Отличаются высокими пределами упругости и прочности, высокой коррозионной стойкостью, меньшим износом, более высокимимеханическими свойствами, чем оловянные. Маркировка: - Бр.АЖ-9-4Л

(Бр – бронза, с содержанием алюминия 9%, железа 6%, Л – литейная)

Краткий справочник машиностроителя Сальников Г.П. Государственное издательство технической литературы УССР Киев 1963 г.

Используются для отливки корпусов насосов и арматуры. В связи с высокими прочностными и упругими свойствами, хорошей обрабатываемости безоловянные бронзы используют при изготовлении труб, пружин и других деталей.

(2 час!)

Алюминий и его сплавы. Свинец.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета.  Хорошо проводит тепло и электрический ток, высокопластичен. Окисляется на воздухе, покрываясь плёнкой окиси алюминия, которая служит защитой от дальнейшей коррозии.

Основная руда для производства алюминия – бокситы.

Этапы получения алюминия:

1. получение глинозёма  Al2О3 из руд,

2. получение алюминия  из глинозёма,

3. рафинирование алюминия.

Способы получения алюминия.

- электролиз. Полученный с помощью электролиза алюминий содержит ряд примесей, ухудшающих его свойства: металлические, неметаллические, газообразные и др.

- электролитический способ  рафинирования. Применяется для  получения алюминия более высокой  чистоты – 99,996% и более.

Марки алюминия:

- А-999 ( алюминий чистоты 99,999%) – особой чистоты;

- А-995, А-99, А-97, А-95 – высокой чистоты;

- А-8, А-7, А-6, А-5 – технической чистоты.

Алюминий используется для изготовления электропроводов, труб, фольги, теплотехнической и химической аппаратуры.

Сплавы алюминия - получают путём добавки к алюминию различных металлов (медь, цинк, магний, литий и иные) с целью улучшения его свойств.

Сплавы алюминия легче, повышается коррозионная стойкость в атмосферных условиях, увеличивается прочность.

Сплавы алюминия в зависимости от технического использования бывают

- деформируемые,

- литейные.

Дюралюмины – сплавы алюминия с медью (до 5,2%), магнием (до 2,7%), марганцем (до 1%). Эти сплавы являются деформируемыми.

За счёт добавок меди и магния увеличивается прочность сплава, марганца – коррозионная стойкость.

Маркировка дюралюминов: Д1, Д2,.., Д16 и т.д. (Д – дюралюмин, 1, 2, …, 16 и т.д. – номер сплава)

Из дюралюминов изготавливают листы, ленты, прутки и т. д.

Свинец – металл голубовато-серого цвета достаточно высокой плотности (11340 кг/м3).

Руда для получения сырья – минерал геленит.

Метод получения – флотационное обогащение (Флотационное обогащение (флотация) - это процесс обогащения полезных ископаемых, основанный на избирательном прилипании частиц минералов к поверхности раздела двух фаз; жидкость - газ; жидкость - жидкость и др. В зависимости от участвующих в процессе фаз флотация может быть масляной, пенной, на гидрофобной твердой поверхности, на жировой поверхности.).

Марки свинца в зависимости от чистоты химического состава: СОООО, СООО, СОО, СО – содержит малое количество примесей (не более 0,0001%), С3 – не более 0,5%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Занятие 5. (1 час!)

 

Коррозия стали и сплавов. Типы коррозии. Способы защиты

Коррозия - (от лат. corrosio — «разъедание»)  самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

ЗНАЧЕНИЕ КОРРОЗИИ

1. Вызывает серьезные экологические последствия: утечка нефти, газа, других химических продуктов.

2. Недопустима во многих отраслях промышленности: авиационной, химического, нефтяного и атомного машиностроения.

Типы коррозии:

- химическая коррозия – разрушение металлов и сплавов в результате их окисления в окружающей среде; в данном случае окисляющийся металл отдаёт электроны окружающей среде.

Наиболее широко распространена химическая коррозия при взаимодействии металлов с такими газами как О2 - кислород, SO2 – сернистый газ , CO2 -     , водяные пары при высоких температурах и с жидкостями органического происхождения – спирт, бензин, нефть, мазута и т.д.

- электрохимическая  коррозия – разрушение металла при взаимодействии с жидкостями, проводящими электрический ток – водные растворы солей, кислот, щелочей. Этот вид коррозии протекает во влажном воздухе – атмосферная коррозия, в минерализованных или кислых водах – подводная коррозия, во влажных грунтах – почвенная коррозия.

УСЛОВИЯ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ

1. Положение металла в ряду активности металлов.

2. Чистота металла: примеси ускоряют коррозию.

3. Неровности поверхности металла, трещины.

4. Грунтовые воды, морская вода, среда электролита.

5. Повышение температуры.

6. Действие микроорганизмов (грибы, бактерии и лишайники воздействуют на металл с высокой коррозионной стойкостью)

 

 кислородная коррозия железа в воде: