В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис.1).

Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).

Алюминиевые сплавы обычно легируют Си, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.

Деформированные алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой

К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Ми (рис.1).

Рис.1. Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”:

1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;

2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.

Рис.2. Диаграмма состояния “алюминий – марганец”:

–концентрация Mn в промышленных сплавах.

Рис.3. Микроструктура сплава АМЦ

Рис.6. Микроструктура дюралюмина после:

а) закалки в воде с температуры Т2;

б) закалки и искусственного старения при Т3

(справа – схематическое изображение)

Структура сплава Амц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl (рис.3).В присутствии железа вместо MnAl образуется сложная фаза (MnFe) Al, практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав Амц и упрочняется термической обработкой.

Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1-1,7% Мп;

0,05 – 0,20% Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.

Допускается до 0,6–0,7% Fe и. n 0,6-0,7% Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.

При понижении температуры прочность быстро растет.Поэтому сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.

Сплавы АМг (магналий) относятся к системе А1 – Mg (рис.4). Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4% Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией–нагартовкой.

Сплавы систем А1– Мn. и А1–- Mg используются в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. В промышленных сплавах магний содержится в пределах от 0,5 до 12... 13%, сплавы с низким содержанием магния обладают наилучшей способностью к формообразованию, сплавы с высоким содержанием магния имеют хорошие литейные свойства (табл.5) приложения.

На судах из сплавов этой группы изготовлены спасательные боты, шлюпбалки, забортные трапы, дельные вещи и т.п.

Деформированные алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

К этой группе сплавов относятся сплавы высокой и нормальной прочности. Составы некоторых деформируемых термически упрочняемых сплавов приведены в таблице 6 приложения. Типичными деформируемыми алюми-ниевыми сплавами являются дуралюмины (маркируют буквой Д) – сплавы системы А1 – Си – Mg. Очень упрощенно процессы, проходящие при упрочняющей термической обработке дуралюмина можно рассмотреть, используя диаграмму Al – Си (рис.5).

Рис.4. Диаграмма состояния “алюминий – магний”.

‚ – концентрация Mg в промышленных сплавах.

Рис.5. Фрагмент диаграммы состояния “алюминий – медь”:

Т1 – температура оплавления;

Т2 – температура закалки;

Т3 – температура искусственного старения.

Рис.7. Диаграмма состояния “алюминий – кремний”:

а) общий вид;

б) после введения модификатора.

При закалке, которая заключается в нагреве сплава выше линии переменной растворимости, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении, фиксируется структура пересыщенного a – твердого раствора (светлый на рис.6а) и нерастворимых включении железистых и марганцовистых соединений (темные). Сплав в свежезакаленном состоянии имеет небольшую прочность s6 = 30 кг/мм3 (300 Мпа); d = 18%; твердость НВ75.

Пересыщенный твердый раствор неустойчив. Наивысшая прочность достигается при последующем старении закаленного сплава. Искусственное старение заключается в выдержке при температуре 150 - 180 градусов. При этом из пересыщенного a – твердого раствора выделяются упрочняющие фазы CuAl2, CuMgAl2, Al12Mn2Cu.

Микроструктура состаренного сплава представлена на рис.6б. Она состоит из твердого раствора и включений различных вышеперечисленных фаз.

Обработка алюминия

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

Деформируемые алюминиевые сплавы - предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

а) Упрочняемые термической обработкой:

Дуралюмины, «дюраль» (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца ) - удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.

Сплав авиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.

Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.

Сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой.

б) Не упрочняемые термической обработкой:

Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.

Литейные алюминиевые сплавы - предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Жаропрочные алюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.

С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки, алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости

обработки:

Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы при обработке резанием:

а) Отожженные: Д16, АВ.

б) Не упрочняемые термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.

Сравнительно твердые и прочные алюминиевые сплавы, которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент):

а) Закаленные и искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ.

б) Ковочные: АК6, АК8, АК4-1.

в) Литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.

Вопрос 1. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-медь. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

Наиболее важной примесью в дуралюмине является медь.

Диаграмма состояния сплавов А1-Си (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твер-дый раствор с

ограниченной растворимостью, уменьшающейся с по-нижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная

кристаллизация, связанная с ча-стичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно под-вергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке

Диаграмма состояния сплавов алюминий - медь.

и ста-рению.Из диаграммы состояния А1 - Си следует, что наибольшая рас-творимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет

5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алю-минии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%. Если сплавы с содержанием меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть за-калке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 - Си), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах А1 - Си, является твердое и хрупкое хими-ческое соединение СиА1 2 .

Распад пересыщенного твердого раствора может протекать в течение длительного времени при вылеживании сплава при ком-натной температуре (естественное старение) и более быстро при повышенной температуре (искусственное старение). В результате старения твердость и прочность сплава повышаются, а пластич-ность и вязкость снижаются.

Согласно теории старения , наиболее полно разработанной с помощью правил Курнакова, процесс старения в сплавах протекает в несколько стадий. Упрочнение сплавов, наблюдающееся в результате старения, соответствует периоду выделения избыточных фаз в высокодисперсном состоянии. Происходящие в структуре изменения можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа . Обычно эта стадия процесса протекает у закаленных сплавов при естественном старении. При этом твердость и прочность сплава повышаются.

При нагреве закаленных сплавов до сравнительно низких температур, разных для различных сплавов (искусственное старе-ние), протекает вторая стадия, состоящая в укрупнении частиц выделившихся фаз. Этот процесс можно наблюдать при помощи оптического микроскопа. Появление в микроструктуре укрупнен-ных выделений фаз-упрочнителей совпадает с новым изменением свойств - снижением прочности и твердости сплава и повышением его пластичности и вязкости. Старение наблюдается только у спла-вов, которые имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимо-стью, уменьшающейся с понижением температуры. Так как большое количество сплавов имеет диаграмму этого типа, то явление старе-ния весьма распространено. На явлении старения основана термиче-ская обработка многих цветных сплавов - алюминиевых, медных и др.

В рассмотренных выше сплавах А1 - Си этот процесс протекает следующим образом. При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование зон (дисков) с повышенным содер-жанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье - Престона, равна двум-трем атомным слоям. При нагреве до 100° и выше эти зоны превращаются в так называемую Ө - фазу, являю-щуюся неустойчивой аллотропической модификацией химического соединения СиА1 2 . При температуре выше 250° фаза 9" превращается в фазу Ө (СиА1 2). Дальше происходит укрупнение выделений фазы Ө (СиА1 2). Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.

В дуралюмине марки Д1 в процессе распада твердого раствора выделяется также фаза Ө, а в дуралюмине марки Д16 таких фаз несколько.

Технология термической обработки деталей из дуралюмина состоит из закалки, проводимой с целью получения пересыщенного твердого раствора, и естественного или искусственного старения. Для закалки детали нагревают до 495° и охлаждают в холодной воде.

Закаленные детали подвергают естественному старению путем выдерживания их при комнатной температуре. После 4-7 суток вылеживания детали приобретают наиболее высо-кую прочность и твердость. Так, предел прочности дуралюмина марки Д1, находящегося в отожженном состоянии, составляет 25 кг/мм 2 , а твердость его равна Н В = 45; после закалки и естест-венного старения предел прочности равен 40 кг/мм 2 , а твердость повышается до Н в = 100.

Время, необходимое для распада твердого раствора, может быть сокращено до нескольких часов путем нагрева закаленного дуралюмина до 100 - 150 ◦ (искусственное старение), однако значения твердости и прочности при искусственном старении несколько ниже, чем при естественном. Несколько снижае5тся и коррозионная устойчивость . Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6.Дуралюмины марок ДЗП и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью.

Дуралюмины получили широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиастроении, вследствие малого удельного веса и высоких механических свойств после термической обработки.

При маркировке дуралюмининов буква Д обозначает «дуралюмин», А цифра - условный номер сплава.

2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Сплавы железа с углеродом условно относят к двухкомпонентным сплавам. В их составе, кроме основных компонентов - железа и углерода , содержатся в небольших количествах обычные примеси- марганец , кремний , сера , фосфор , а также газы - азот , кислород , водород и иногда следы некоторых других элементов. Железо с углеродом образует устойчивое химическое соединение Fe 3 C (93,33% Fe и 6,67% С), называемое кар-бидом железа или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с кар-бидом железа (система Fe -Fe 3 C ), в которых вторым компонентом является цементит.

При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет сво-бодного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут являться карбид железа и углерод ; сплавы будут относиться ко второй системе Fe 3 C -С, которая исследована недостаточно. Кроме того , железо-углеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% обладают большой хрупкостью и практически не применяются.

Сплавы Fe -Fe 3 C (с содержанием С до 6,67%), наоборот, имеют большое практическое значение. На рис. 2 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe -Fe 3 C , построенная в координатах температура - концентрация. По оси ординат отложены темпера-туры нагрева сплавов, а по оси абсцисс - концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует 100% содержанию железа, а правая ордината-содержанию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe 3 C ).

На правой ординате отложена температура плавления Fe 3 C , соответствующая 1550° (точка D на диаграмме).

В связи с тем что железо имеет модификации, на левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка А на диаграмме), отложены также температуры аллотропических превращений же-леза: 1390° (точка N ) и 910° (точка G ).

Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компо-нентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точ-ки, соответствующие сплавам разной концентрации от 0 до 6,67% С

Рис. 2. Структурная диаграмма состояния сплавов Fe - Fe 3 C .

В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образоваться , что зависит от содержания кремния, мар-ганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe -Fe 3 C и Fe 3 C -С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой сплавов Fe -С, не имеющей химических соединений.

2.1 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Микро-скопический анализ показывает, что в железоуглеродистых сплавах образуется шесть структурных составляющих, а именно: феррит, цементит, аустенит и графит, а также перлит и ледебурит.

Ферритом называют твердый раствор внедрения углерода в Fe a . Так как растворимость углерода в Fe « незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fe a . Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроско-пом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен раз-личной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25 кг/мм 2 , твердость Н В = 80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768° (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше - пара-магнитен.

Цементитом называют карбид железа Fe 3 C . Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен раз-личной величины. Цементит тверд (Н В > 800 ед.) и хрупок, а от-носительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выде-ляющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (пер-вичный цементит или Ц 1), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц 2). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц 3 . Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц - пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210° (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее - парамагнитен.

Аустенитом называют твердый раствор внедрения углерода в Fe Y . Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двой-никами). Твердость аустенита равна Н В = 220. Аустенит парамаг-нитен.

Графит имеет неплотноупакованную гексагональную решетку со слоистым расположением атомов. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок различной формы и величины в серых чугунах, хлопьевидную форму в ковких чугунах, шарообразную форму в высокопрочных чугунах. Механические свойства графита чрезвычайно низки.

Все перечисленные четыре структурные составляющие одновре-менно являются также фазами системы сплавов железа с углеродом, так как они однородны - твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) или элементарное вещество (гра-фит).

Структурные составляющие ледебурит и перлит не однородны. Они представляют собой механические смеси, обладающие особыми свойствами (эвтектику и эвтектоид).

Перлитом называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при вторичной кристалли-зации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723°. Эту критическую температуру, наблюдаемую только у стали, назы-вают точкой А±. Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок, или зернистое, когда цементит имеет форму зерен. Механические свойства пластинчатого и зерни-стого перлита несколько отличаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности 82 кг/мм 2 , относительное удлинение 15%, твер-дость Н в = 190-^-230. Предел прочности зернистого перлита равен 63 кг/мм 2 , относительное удлинение 20% и твердость Я» = = 1.60-г- 190.

Ледебуритом называют эвтектическую смесь аусте-нита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристалли-зации при 1130°. Это наиболее низкая температура кристаллизации в системе сплавов железа с углеродом. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 723° превращается в перлит. Поэтому ниже 723° и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Он очень тверд (Н в ^ 700) и хрупок. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов. Механические свойства железоуглеродистых сплавов изме-няются в зависимости от количества структурных составляющих, их формы, величины и расположения.

Структурная диаграмма состояния Fe -Fe 3 C является сложной диаграммой, так как в сплавах железо - углерод происходят не только превращения , связанные с кристаллизацией, но и превра-щения в твердом состоянии.

Границей между сталями и белыми чугунами является концентрация углерода 2%, а структурным признаком - наличие или отсут-ствие ледебурита. Сплавы с содержанием углерода менее 2% (у кото-рых ледебурита нет) называют сталями, а с содержанием углерода свыше 2% (в структуре которых есть ледебурит) - белыми чугунами.

В зависимости от концентрации углерода и структуры стали я чугуны принято подразделять на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура - феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура - перлит;

заэвтектоидные стали (свыше 0,8 до 2% С); структура - перлит в вторичный цементит;

доэвтектические белые чугуны (свыше 2 до 4,3% С); структура - ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит;

эвтектический белый чугун (4,3% С); структура-ледебурит;

заэвтектические белые чугуны (свыше 4,3 до 6,67% С); структура- ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.

Это подразделение, как видно из диаграммы состояния Fe -Fe 3 C , соответствует структурному состоянию этих сплавов, наблюдаемому при комнатной температуре.

Вопрос 3.

Выберите инструментальный твердый сплав для чистового фрезерования поверхности детали из стали 30ХГСА. Дайте характеристику, расшифруйте выбранную марку сплава, опишите особенности структуры и свойства сплава.

Инструменты подразделяются на три группы: режущие (резцы, сверла, фрезы и др.), измерительные (калибры, кольца , плитки и др.), и инструменты для горячей и холодной обработки металлов давлением (штампы, волочильные доски и др.). В зависимости от вида инструментов требования, предъявляемые к сталям для их изготовления, разные.

Основным требованием, предъявляемым к сталям для режущих инструментов, является наличие высокой твердости, не снижающейся при высоких температурах, возникающих в процессе обработки металлов резанием (красностойкости). Твердость для металлорежущих инструментов должна составлять R c = 60÷65. Кроме того, стали для режущих инструментов должны обладать высокой износоустойчивостью, прочностью и удовлетворительной вязкостью.

Наибольшее применение для изготовления режущих инструментов получили быстрорежущие стали. Быстрорежущая сталь является многокомпонентным сплавом и относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В ее состав, кроме железа и углерода, входят хром , вольфрам и ванадий . Основным легирующим элементом в быстрорежущей стали является вольфрам. Наибольшее распространение получили (табл. 3) марки быстрорежущей стали Р18 (18 % W ) и Р9 (9 % W ).

Высокую твердость R C = 62 и красностойкость быстрорежущая сталь приобретает после термической обработки, состоящей из закалки и многократного отпуска.

Таблица 1

Химический состав быстрорежущей стали

(по ГОСТ 5952-51)

На рис.3 приведен график термической обработки быстрорежущей стали Р18.

Мы выбираем ее в качестве инструментального твердого сплава для чистого фрезерования т.к. эта марка стали подходит нам по своим характеристикам.

Термическая обработка быстрорежущей стали имеет ряд особенностей, которые обусловли-ваются ее химическим составом. Нагрев быстрорежущей стали, при закалке производится до высокой температуры (1260-1280°), необхо-димой для того, чтобы растворить в аустените карбиды хрома, воль-фрама и ванадия. До 800-850° нагрев производится медленно, чтобы избежать больших внутренних напряжений в стали вследствие ее малой тепло-проводности и хрупкости, затем производят быстрый нагрев до 1260-.1280° с целью избежания роста зерна аустенита и обезуглерожива-ния. Охлаждение быстрорежущей стали производится в масле. Широкое применение получила также ступенчатая закалка быстро-режущей стали в солях при температуре 500-550°.

Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из мар-тенсита (54%), карбидов (16%) и остаточного аустенита (30%). После закалки быстрорежущая сталь подвергается многократному отпуску при 560°. Обычно производят трехкратный отпуск с выдержкой по 1 часу для того, чтобы уменьшить количество остаточного аустенита и повысить твердость стали. Во время вы-держки при температуре отпуска из аустенита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Происходит как бы вторичная закалка. Структура быстрорежущей стали после отпуска - мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и неболь-шое количество остаточного аустенита. Для еще боль-шего снижения количества остаточного аустенита быстрорежущие стали подвергают обработке холодом, которая производится перед отпуском. Весьма эффективно для повышения твердости и износо-стойкости применение низкотемпературного цианирования.

Быстрорежущие стали получили широкое распространение для изготовления различных режущих инструментов; изготовленные из этих сталей инструменты работают со скоростями резания, в 3-4 раза превышающими скорости резания инструментов из углеродистых сталей, и сохраняют режущие свойства при нагреве в процессе резания до 600 º - 620 º .

Вопрос. 4 Выберите наиболее рациональную и экономичную марку стали для изготовления пружины, которая после термической обработки должна получить высокую упругость и твердость не менее 44 …45 НRC Э. Дайте характеристику, укажите состав стали, выберите и обоснуйте режим термообработки. Опишите и зарисуйте микроструктуру и свойства стали после термообработки.

Пружины используют для накопления энергии (пружинные моторчики), для восприятия и амортизации ударов, для компенсации теплового расширения в механизмах клапанного распределения и пр. Деформация пружины может проявляться в форме ее растяжения, сжатия, изгиба или скручивания.

Зависимость между силой Р и деформацией пружины F называется характеристикой пружины.

Согласно справочника конструктора – машиностроения, авт. Анурьев. В.И., выбираем наиболее рациональную и экономичную марку стали:

Сталь – 65Г (марганцевая сталь), имеющую упругость и твердость равную 42…48 HRC Э. по Реквелю. Термическая обработка стали : температура закалки - 830 º С, (среда масло.), отпуск - 480 º С. Предел прочности (δ В) – 100 кг/мм 2 , предел текучести (δ т) – 85 кг/мм 2 , относительное удлинение (δ 5) – 7%, относительное сужение (ψ) – 25%.

Характеристика – ресорно-пружинная сталь, высокого качества с содержанием P – S не более 0,025%. Подразделяется на 2 – категории: 1 – обезуглероженного слоя, 2 – с нормированным обезуглероженным слоем

Вопрос 5. Для изготовления дисков компрессора авиадвигателя применили сплав АК4-1. Дайте характеристику, укажите состав и характеристику механических свойств сплава, способ и природу упрочнения сплава, способы защиты от коррозии.

АК4-1 – сплав на основе алюминия, перерабатываемый в изделие методом деформирования, упрочняемый термической обработкой , жаропрочный.

Состав сплава: Mg – 1.4…1.8%. Cu – 1.9…2.5%. Fe – 0.8…1.3%. Ni – 0.8…1.3%. Ti – 0.02…0.1%, примеси до 0,83%. Предел прочности сплава 430 МПа, предел текучести 0,2 – 280 МПа.

Легирован железом , никелем, медью, и др. элементами образующими упрочняющие фазы

Вопрос 6. Экономические предпосылки применения неметаллических материалов в промышленности. Опишите группы, свойства газонаполненных пластмасс, приведите примеры из каждой группы, их свойства и область применения в конструкциях летательных аппаратов.

В последнее время все более широкое применение в качестве конструкционных материалов находят неметаллические полимерные материалы . Главная особенность полимеров заключается в том, что они обладают рядом свойств не присущих металлам , и могут служить хорошим дополнением к металлическим конструкционным материалам либо быть их заменой, а многообразие физико-химических и механических свойств, присущих различным видам пластмасс, и простота переработки в изделия обуславливают широкое применение во всех отраслях машиностроения, приборостроения, аппаратостроения и быту. Пластические массы отличаются малым удельным весом (от 0,05 до 2,0 г/см 3 ), обладают высо-кими изоляционными свойствами, хорошо противостоят коррозии, отличаются широким диапазоном коэффициента трения и высоким сопротивлением истиранию.

В случае необходимости получения изделий, обладающих анти-коррозийной стойкостью, кислотоупорностью, бесшумностью в ра-боте с одновременным обеспечением легкости конструкции пласти-ческие массы могут служить заменителями черных металлов. Бла-годаря прозрачности и высоким пластическим свойствам некоторых видов пластмасс их широко применяют для изготовления небьюще-гося стекла для автомобильной промышленности. При изготовлении изделий с высокими электроизоляционными свойствами пластмассы заменяют и вытесняют высоковольтный фарфор, слюду, эбонит и прочие материалы. Наконец, паро-, бензо- и газопроницаемость, а также высокая водо- и светостойкость при хорошем внешнем виде обеспечивают широкое применение пластмасс в ряде отраслей про-мышленности.

Из пластмасс изготовляют вкладыши для подшипников, сепара-торы, бесшумные зубчатые колеса , лопасти вентиляторов, лопатки для моечных машин и мешалок, радиоаппаратуру, футляры для радио-приемников и часов, электрическую аппаратуру, дистрибуторы, шлифовальные круги, непромокаемые и декоративные ткани и разно-образные предметы широкого потребления.

Пенопласты представляют собой легкие газонаполненные пластические массы на основе синтетических смол. Пенопласты подразделяются на две группы: 1 – материалы с сообщающимися порами – губки (плотность менее 300 кг/м 3), 2 – материалы с изолированными порами – пены (плотностью более 300кг/м 3).

Свойства пенопластов очень разнообразны: одни обладают твердостью, как стекло , другие – эластичностью, подобно резине. Все пенопласты хорошо поддаются механической обработке столярным инструментом, легко прессуются в нагретом состоянии в изделия сложной формы и склеиваются. В авиастроении пенопласты применяют в качестве заполнителя между двумя обшивками в целях повышения жесткости и прочности конструкции, а также как тепло – и звукоизоляционный материал.

На основе алюминия производится большое количество разнообразных сплавов, отличающихся малой плотностью (до 3 г/см 3), высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хо­рошей светоотражательной способностью. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия, они легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы наряду с основным металлом-алюминием могут содержать один или бо­лее из пяти основных легирующих компонентов: медь, кремний, магний, цинк и марганец, а также железо, хром, титан, никель, кобальт, серебро, литий, ванадий, цирконий, олово, свинец, кадмий, висмут и др. Легирующие компоненты при достаточно высокой температуре полностью растворяются в жидком алюминии. Растворимость в твердом состоянии с образованием твердого раствора для всех элементов ограничена. Нерастворившиеся частицы или образуют в структуре сплава самостоятельные, чаще всего твердые и хрупкие кристаллы, или присутствуют в виде чистых эле­ментов (кремния, олова, свинца, кадмия, висмута), или в виде интерметаллических соединений с алюминием (А 2 Cu; Al 3 Mg 2 ; Аl 6 Mn; АlMn; Al 3 Fe ; А 7 Сг; Al 3 Ti ; Al 3 Ni ; AlLi ).

В сплавах с двумя или тремя легирующими компонентами интерметаллические соединения входят в состав двойных (Mg 2 Si , Zn 2 , Mg ), тройных [ α (AlFeSi )] и более сложных фаз.

Образующийся твердый раствор и наличие гетерогенных структурных составляющих опреде­ляют физические, химические и технологические свойства сплавов. Влияние легирования на структуру сплавов описывается диаграммой состояния, по которой определяется характер проте­кания процесса затвердевания, состав образующихся фаз и возможность различных превращений в твердом состоянии. На рис. 1 - 9 рассмотрены диаграммы состояния двойных и тройных алюминиевых сплавов.

Сплав системы Al -Cu. Из диаграммы видно, что при содержании меди от 0 до 53% имеет место простая эвтектическая система Аl(α ) – Аl 2 Cu(θ) с эвтектикой при температуре 548°С и содержании 33% Cu. Максимальная растворимость (при эвтектической температуре) меди в α -твердом растворе - 57%. Растворимость меди уменьшается с понижением температуры и при температуре 300°С составляет 0,5%. Нерастворившаяся медь находится в равновесном состоянии в виде фазы А 2 Cu. При средних температурах в результате распада пересыщенного твердого рас­твора образуются метастабильные промежуточные фазы (θ " и θ ").

Сплав системы Al - Si . Система чисто эвтектическая, существующая при температуре 577°С и содержании 12,5% Si . В α -твердом растворе при этой температуре растворяется 1, 6 % Si . На кристаллизацию эвтектического кремния может влиять незначительная добавка натрия. При этом происходит зависимое от скорости затвердевания переохлаждение и смещение эвтектической точки с соответствующим измельчением эвтектической структуры.

Сплав системны Al - Mg . Область содержания магния в сплаве от 0 до 37,5% является эвтектической. Эвтектика существует при температуре 449°С и содержании 34,5% Mg . Рас­творимость магния при этой температуре максимальная и составляет 17,4%. При температуре 300°С в α -твердом растворе растворяется 6,7% Mg ; при 100°С - l ,9% Mg . Нерастворившийся магний находится в структуре чаще всего в виде β -фазы (Al 3 Mg 2 ).

Сплав системы Al - Zn . Сплавы этой системы образуют эвтектическую систему при температуре 380°С с богатой цинком эвтектикой при содержании 97% Zn . Максимальная растворимость цинка в алюминии - 82%. В области α -твердого раствора ниже температуры 391°С имеется разрыв. Обогащенная цинком α -фаза при температуре 275°С распадается с образованием эвтектической смеси алюминия с 31,6% Zn и цинка с 0,6%Аl. Далее растворимость цинка понижается и при температуре 100°С она составляет всего 4%.

Диаграммы состояния сплавов систем Al -Mn , Al - Fe свидетельствуют о существовании эвтектики при очень малых концентрациях легирующих элементов. За исключением марганца растворимость элементов в твердом состоянии незначительна, например, железа < 0,05%.

В сплавах систем Al - Ti (см. рис. 1.14), Аl- C r растворимость элементов составляет десятые доли процента.

В сплаве системы Al -Рb с понижением температуры происходит разделение компонентов уже в расплаве с образованием двух жидких фаз. Затвердевание начинается практически при температуре плавления алюминия и заканчивается при температуре плавления легирующего элемента (моноэвтектическая кристаллизация).

Сплав системы Al - Mg - Si состоит из двух тройных эвтектик. Тройная эвтектика Al - Mg 2 S i - Si , содержащая 12% Si и 5% Mg , плавится при температуре 555°С. Эвтектика Al - Mg 2 Si - AlbMg 2 с температурой плавления 451°С почти не отличается от двойной системы Al - Al 3 Mg 2 . Линия ликвидуса, соединяющая обе тройные эвтектические точки, переходит через максимум при температуре 595°С точно по квазибинарному сечению (8,15% Mg и 4,75% Si ). Благодаря избытку магния (по отношению к Mg 2 Si ) растворимость кремния в α -твердом растворе сильно уменьшается. Сплавы Al - Mg , особенно литейные, содержат несколько десятых процента кремния и поэтому относятся к частичной системе Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .

Сплав системы Al - Cu - Mg . Диаграмма состояния этой системы показывает, что наряду с двойными фазами A 3 Mg 2 (β ) и Аl 2 Cu(θ) в равновесии с твердым раствором α могут находится две тройные фазы S и Т. За перитектическим превращением при высоком содержании меди образуется близко к квазибинарному сечение A l- S (температура эвтектики 518°С) и частичная эвтектическая область Al - S - Al 2 Cu (температура эвтектики 507°С). Богатая магнием фаза Т (Al 6 Mg 4 Cu ) возникает на основе фазы S в результате перитектической четырехфазной реакции при температуре 467°С. При температуре 450°С происходит последующая перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в β.

Сплав системы Al - Cu - Si . Диаграмма состояния сплава показывает, что алюминий образует с кремнием и фазой А 2 Cu простую тройную эвтектическую частичную систему (температура эвтектики 525°С). Совместное присутствие меди и кремния не влияет на взаимную растворимость их в α -твердом растворе.

Сплав системы Al - Zn - Mg . В построении алюминиевого угла системы участвуют двойные фазы Al 3 Mg 2 , MgZn 2 и тройная фаза Т, отвечающая среднему химическому составу Al 2 Mg 3 Zn 3 . Сечения Al - MgZn 2 и Al -Т остаются квазибинарными (температура эвтектики 447°С). В частичной области Al - T - Zn при температуре 475°С имеет место перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в фазу MgZn 2 . В дальнейшем при прохождении четырехфазной реакции при температуре 365°С из фазы MgZn 2 при высоком содержании цинка образуется фаза MgZn 5 , которая вместе с алюминием и цинком кристаллизуется по эвтектической реакции при температуре 343°С.

В сплавах на основе алюминия легирование основными компонентами предусматривается та­ким образом, чтобы их суммарное содержание находилось ниже максимальной растворимости. Исключение составляет кремний, который благодаря благоприятным механическим свойствам эвтектики используется в эвтектической и заэвтектической концентрациях.

Примеси и добавки могут видоизменить диаграмму состояния лишь незначительно. Эти элементы чаще всего слабо растворяются в твердом растворе и образуют гетерогенные выделения в структуре.

Вследствие неполного выравнивания концентрации внутри первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора во время его затвердевания в структуре могут появиться эвтектические участки при концентрации ниже максимальной растворимости, особенно в литом состоянии. Они располагаются по границам первичных зерен и препятствуют обрабатываемости.

Поскольку легирующие добавки растворяются в твердом растворе, гетерогенные структурные составляющие могут быть устранены длительным нагреванием при высоких температурах (гомо­генизации) дуффузионным путем. При горячем деформировании хрупкие выделения по границам зерен механически разрушаются и распределяются в структуре в строчечном режиме. Этот про­цесс характерен при превращении литой структуры в деформированную.

Алюминиевые сплавы по способу обработки подразделяются на деформируемые и литейные.

Алюминий является одним из важнейших материалов, используемых в электронной промышленности, как в чистом виде, так и в составе многочисленных типов сплавов на его основе. Чистый алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, составляющими 62-65% от аналогичных параметров для меди. Температура плавления алюминия - 660 °С, температура кипения - 2500 °С. Твердость чистого алюминия составляет 25 НВ по Бринелю. Алюминий легко обрабатывается резанием, волочением, давлением.

При контакте с воздухом на поверхности алюминия образуется бес- пористая защитная оксидная пленка толщиной примерно 2 нм (20 А), защищающая его от дальнейшего окисления. Алюминий обладает низкой коррозионной стойкостью в растворах щелочей, соляной и серной кислотах. Органические кислоты и азотная кислота на него не действуют.

Промышленность выпускает несколько марок алюминия: особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты. Алюминий особой чистоты марки А999 содержит не более 0,001% примесей; высокой чистоты марок А995, А99, А97 и А95 соответственно - не более 0,005; 0,01; 0,03 и 0,05% примесей; технической чистоты марки А85 - не более 0,15% примесей.

В электронике чистый алюминий применяют при производстве электролитических конденсаторов, фол ьг, а также в качестве мишеней при формировании алюминиевых токопроводящих дорожек микроэлектронных устройств с использованием методов термического, ионно-плазменного и магнетронного напыления.

Наибольший интерес для электронной техники представляют сплавы на основе систем «алюминий - медь» и «алюминий - кремний», составляющие две большие группы деформируемых и литейных сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов.

На рис. 2.7 приведена равновесная диаграмма состояния системы «алюминий - медь» со стороны алюминия. Эвтектический сплав в данной системе содержит 33% меди и имеет температуру плавления 548 °С. При повышении содержания в сплаве интерметаллида повышается прочность сплава, но ухудшается его обрабатываемость. Растворимость меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0,5% и достигает 5,7% при эвтектической температуре.

Сплавы с содержанием меди до 5,7% можно перевести в однофазное состояние путем их закалки с температуры выше линии BD. При этом закаленный сплав обладает достаточной пластичностью при умеренной прочности и допускает обработку деформацией. Однако образовавшийся после закалки твердый раствор является неравновесным, и в нем протекают процессы выделения интерметаллидов, сопровождающиеся повышением прочности сплавов. При комнатной температуре этот процесс протекает в течение 4-6 сут и называется естественным старением сплава. Ускорение процесса старения материала обеспечивают его выдержкой при повышенной температуре, такой процесс называют искусственным старением.

Рис. 2.7. Диаграмма состояния системы «алюминий-медь» Другую группу алюминиевых сплавов, называемых литейными сплавами алюминия или силуминами, составляют сплавы на основе системы «алюминий - кремний». Диаграмма состояния данной системы приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8.

Эвтектический сплав содержит 11,7% кремния и имеет температуру плавления 577 °С. В данной системе не образуется интерметаллических соединений. Эвтектические сплавы обладают хорошими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, которые улучшаются при введении в сплав до 1 % соединений натрия.

Необходимо иметь в виду, что эти соотношения отвечают равновесным условиям, которые имеют место при полном протекании диффузионных процессов.

Наряду с неограниченными растворами ряд металлов и элементов образуют друг с другом ограниченные твердые растворы, когда растворы образуются лишь в определенном диапазоне концентраций, а при более высоких концентрациях образуются другие структурные образования.

Специфика ограниченных твердых растворов состоит в том, что на диаграммах состояния область твердых растворов примыкает к чистым компонентам (небольшие концентрации легирующего элемента). Эти твердые растворы сохраняют структуру чистых металлов, а другие структурные образования на диаграмме состояния, называемые промежуточными фазами или интерметаллическими соединениями , имеют структуру, отличающуюся от основного и легирующего металла. На рис. 13 в качестве примера приведена двойная диаграмма состояния алюминий – магний (левая часть диаграммы). Предельная растворимость магния в алюминии при температуре 449°С равна 17,4 % (по массе), а минимальная растворимость при температуре 20°С составляет лишь 1,4 % Mg (для равновесного состояния). Только в этом интервале магний образует с алюминием твердый раствор – a. Свыше отмеченных предельных концентраций растворимости магния в алюминии появляется промежуточная фаза (интерметаллическое соединение) примерного химического состава .

Интерметаллические соединения, как правило, повышают твердость и снижают пластичность сплава.

Диаграмму состояния эвтектического типа образуют два металла, образующие в жидком состоянии взаимные растворы, но практически не растворимые в твердом состоянии. В твердом состоянии структура таких сплавов представляет эвтектику – механическую смесь зерен двух металлов.

Примером диаграммы эвтектического типа служит диаграмма состояния алюминий-кремний. Для такой системы сплавов характерно наличие чисто эвтектического состава – для сплава Al-Si эвтектический состав равен 11,7 % Si + Al – остальное.

Эвтектические сплавы имеют строго определенную температуру солидуса; в частности для сплавов Al-Si температура солидуса равна 588°С.

Именно при этой температуре происходит окончание затвердевания при всех концентрациях кремния. Чисто эвтектический сплав данной системы имеет концентрацию кремния 11,7 %, его затвердевание происходит при постоянной температуре – 588°С (без интервала затвердевания). Литейный сплав Ак12 считается чисто эвтектическим сплавом. Сплавы с концентрацией кремния менее 11,7 % Si являются доэвтектическими и имеют структуру: a + эвтектика, где a – твердый раствор кремния в алюминии имеет очень низкую концентрацию кремния и представляет почти чистый алюминий. Сплавы с концентрацией кремния свыше 11,7 % – заэвтектические и характеризуются структурой: кремний + эвтектика. Доэвтектические и заэвтектические сплавы затвердевают в температурном интервале, но при одинаковой температуре солидуса 588°С.

Значительно меньшее применение в технике имеют сплавы, характеризующиеся диаграммами состояния перитектического типа; равно как и сплавы с фазовыми диаграммами, имеющие химические соединения.

Кроме того, большинство сплавов являются многокомпонентными, т.е. содержат не один, а несколько легирующих элементов. В этом случае диаграмма состояния не может быть представлена плоским изображением. Так сплавы из трех элементов представляются диаграммой состояния в трехмерном изображении: равносторонним треугольником задается состав сплавов, а перпендикуляры в углах к плоскости треугольника отражают величину температуры; фазовые превращения в трехкомпонентном сплаве представляются поверхностями над плоскостью равностороннего треугольника. Для плоского изображения при анализе таких диаграмм пользуются политермическими разрезами (сечение вертикальной плоскостью) и изотермическими разрезами (сечение горизонтальной плоскостью). Однако чаще всего многокомпонентный сплав рассматривают как двухкомпонентный с плоским представлением диаграммы состояния. Легирующие элементы по своему действию на фазовые переходы учитываются путем введения коэффициентов приведения к основному легирующему элементу.