Какие свойства относятся к технологическим свойствам материалов

Технологические свойства материалов определяют возможность получения заготовок и деталей выбранными методами и способами при условии обеспечения минимума затрат на конечный продукт — минимальной трудоемкости, материалоемкости, а также обеспечения экологии и эргономики.

В зависимости от способа производства заготовок и деталей определяющими являются следующие свойства.

Литейные свойства — способность жидких материалов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки.

Эти свойства характеризуются жидкотекучестыо материала, его усадкой и ликвацией.

Жидкотекучесть — способность материалов заполнять полости литейной формы и точно воспроизводить очертания этой формы. Жидкотекучесть определяется в соответствии с ГОСТ 16438—70 по спиральной пробе. Материал заливается в форму, имеющую вид спирального прутка, и жидкотекучесть оценивается длиной в сантиметрах части канала, залитого сплавом.

Усадка — свойство материалов уменьшаться в линейных размерах и в объеме при охлаждении от температуры заливки до комнатной. С усадкой связано появление в отливках усадочных раковин, пористости, рыхлости, коробления, трещин. Усадка определяется по ГОСТ 16817-71.

Ликвация — это неоднородность химического состава сплава, возникающая при кристаллизации. Различают зональную, внутрикри- сталлическую (дендритную) ликвацию и ликвацию по плотности. Зональная ликвация в отливках возникает из-за разности температур затвердевания отдельных составляющих и разной плотности этих составляющих сплавов. В чугуне и стали ликвируют сера, фосфор, углерод, располагаясь в верхней и центральной частях отливок. В сплавах, затвердевающих с мелкозернистой структурой, зональная ликвация уменьшается. Внутрикристаллическая ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок, она может быть уменьшена термической обработкой (отжигом) отливки. Ликвация по плотности возникает в сплавах, содержащих тяжелые металлы (например, в свинцовых бронзах); такая ликвация предотвращается перемешиванием сплава перед заливкой и ускоренным охлаждением при кристаллизации.

Деформируемость (ковкость, штампуемость) — способность материалов к значительным пластическим деформациям без разрушения и образования пороков.

Деформируемость проверяется технологическими пробами. Технологические пробы проводятся в соответствии с ГОСТ 8817—82 — на осадку в горячем состоянии; ГОСТ 10702—78 — на осадку в холодном состоянии; ГОСТ 1579—80, 13813—68 — на перегиб; ГОСТ 10447—80 — на навивку проволоки и др.

Свариваемость — способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам свариваемых материалов. Контроль свариваемости проводят по ГОСТ 23870—79, 3242— 79, 6996-66, 13585-68.

Обрабатываемость резанием — характеризуется качеством обработки (шероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров), стойкостью инструмента, сопротивлением резанию, видом стружкообразования. Практически обрабатываемость стали резанием определяют сравнительными испытаниями, путем обтачивания образцов испытуемой стали и стали 45 с определенными прочностными характеристиками (о„ 650 МПа, 170—180 НВ), принимаемой за эталон.

Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате термической обработай (закалки).

Прокаливаемость — способность стали получать при термической обработке (закалке) закаленный слой с определенной структурой на ту или иную глубину. Испытания на прокаливаемость проводят в соответствии с ГОСТ 5657—69.

К технологическим свойствам металлов относятся такие свойства, кото-рые требуются при разработке технологических процессов их обработки раз-личными способами и получения из них художественных изделий на практи-ке.

Ковкость – свойство металла изменять свою форму в больших пределах при действии динамических или статических нагрузок. Ковкость металлов требуется собственно при ковке, а также других видах обработки давлением (прокатке, волочении, прессовании, штамповке). Ковкость определяется двумя показателями – пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения и сопротивлением деформации – то есть уровнем внешних нагрузок, которые надо приложить для осуществле-ния деформации. У ковких металлов (сталь, латунь, дюралюминий и некото-рые другие – медные, алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы) относи-тельно высокая пластичность сочетается с низким сопротивлением деформа-ции. Степень ковкости зависит от собственно пластичности металла, степени его нагрева, величины прикладываемого усилия и скорости с которой это уси-лие прилагается, наличия примесей в металле, способствующих его хрупкости и т.д. Некоторые металлы показывают хорошую ковкость и в холодном состо-янии: медь, алюминий, свинец, олово и т.д. Другие (сталь) имеют высокую ко-вкость в горячем состоянии. Последний факт широко используется при изго-товлении художественных кованых изделий из малоуглеродистых марок ста-ли, которые ранее называли ковочным железом.

Свариваемость – способность металлов (и не только!) образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного/основ-ных металлов (материалов). При изготовлении художественных изделий из металлов иногда требуется сваривать их части, полученные методами обработ-ки давлением. Поэтому требуется, чтобы металлы хорошо сваривались станда-ртными способами (электросварка, пайка и т.д.). Кроме того, в процессе обра-ботки давлением, особенно в нагретом состоянии «свежие» (т.е. еще неокис-ленные на воздухе) поверхности металлов при соприкосновении также облада-ют свойством свариваемости (поверхностные слои атомов активно проникают друг в друга), образуя очень прочное соединение. Чистые металлы сваривают-ся легче, чем сложные сплавы. Отметим, что чем выше содержание углерода в стали, тем хуже ее свариваемость.

Закаливаемость – свойствометаллов значительно повышать свою тве-рдость и износостойкость после нагрева и последующего быстрого охлажде-ния в различных средах. В зависимости от скорости охлаждения, например, у стали можно получать различные структуры (см. далее), а следовательно и свойства. В качестве охлаждающих сред, как правило, используют воду и тра-нсформаторное масло. При температуре воды, равной 18 0С, а исходной темпе-ратуре металла 750 – 850 0С скорость охлаждения может достигать 600 0С/сек. При использовании масла скорость охлаждения существенно ниже – до 150 0С/сек. Естественно и структура и свойства получаются после этих видов зака-лки разными.

Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, воспроизводя в отливке контуры ее поверхности. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена. Таким образом, жидкотеку-честь сказывается на заполняемости формы расплавом, четкости воспроизве-дения рельефа полости формы.

Густоплавкость – свойство обратное жидкотекучести. Металлы и спла-вы, обладающие густоплавкостью, даже при высоком их нагреве остаются гус-тыми и при заливке форм плохо их заполняют. К густоплавким относятся чис-тое серебро, красная медь, сталь.

Литейная усадка – уменьшение объема при переходе из жидкого состо-яния в твердое. При охлаждении металла отливка сокращается по объему и как бы отходит от стенок формы. Т.е. отливка всегда меньше модели, по кото-рой сделана форма. Величина усадки для разных металлов различна. В табл. 4 приведены литейные усадки некоторых металлов и сплавов. Зная величину усадки можно рассчитать размеры модели с ее учетом, чтобы получить на выходе требуемые размеры изделия – отливки.

Спекаемость. Иногда изделия (и художественные, в частности) изготав-ливаются из металлического порошка. При этом металлы, предварительно из-мельченные в порошок, смешиваются и запрессовываются в специальные фор-

мы и подвергаются воздействию высокой температуры и давления до спека- ния. В конечном итоге из порошка получается твердое и прочное изделие. Ра-

зличные металлические порошки спекаются по разному – одни хуже, а другие лучше. Таким образом, желательно, чтобы порошок металла, в случае необхо-

димости, хорошо «спекался», как правило, при высокой температуре и доста-чном давлении. Такое технологическое свойство называют «спекаемостью».

Табл. 4. Величины усадки (%) для некоторых металлов и сплавов при

различных способах литья.

Обрабатываемость резанием на различных станках (токарном, фрезер-ном и пр.), а также способность шлифоваться и полироваться – свойства, иг-рающие важную роль при изготовлении художественных изделий и особенно в отделке. Хорошо режутся бронзы, латуни, некоторые марки сталей, алюми-ния и даже чугуна. Особенно плохо обрабатываются на станках красная медь и свинец и его сплавы.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. К какому виду искусства относится памятник Петру I в Санкт-Петербур-ге и из каких материалов он изготовлен?

2.Какие материалы используются для изготовления художественных изделий прикладного искусства?

3. Какие этапы в создании и внедрении художественных изделий можно выделить?

4. Классификация металлов для художественных изделий.

5. Классификация художественных изделий.

6. Перечислите физические свойства металлов.

7. Перечислите механические свойства металлов.

8. Какой способ определения твердости наиболее предпочтителен для художественных изделий и почему?

9. Перечислите технологические свойства металлов.

10. В каких случаях нужна хорошая свариваемость металлов?

11. В каких случаях нужна хорошая жидкотекучесть металлов?

12.В каких случаях надо учитывать усадку металла при его затвердевании?

13.Окисление металла – это хорошо или плохо?

14.Что такое спекаемость металлических порошков и для чего она необходима?

15. Приведите пример художественного изделия, для материала которого нужна высокая выносливость.

16. Почему для определения механических свойств материалов применяют стандартные образцы?

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

o литейные свойства;

o деформируемость;

o свариваемость;

o обрабатываемость режущим инструментом.

Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы (жидкотекучесть), степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки (ликвация), а также величиной усадки – сокращением линейных размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Способность материала к обработке давлением – это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь (обработка без снятия стружки). Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

Свариваемость – это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества при сварке. Свойство оценивается по качеству сварного шва.

Обрабатываемость резанием – характеризует способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное производство, предъявляет к технологическим свойствам материала особые требования: проведение сварки на больших скоростях, ускоренное охлаждение отливок, обработка резанием на повышенных режимах и т. п. при обеспечении необходимого условия – высокого качества получаемой продукции.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях:

o износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;

o коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;

o жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;

o жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость при высоких температурах;

o хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;

o антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий. При выборе материала для создания конструкции необходимо учитывать конструкционные, технологические и эксплуатационные свойства.

Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Железо в чистом виде в машиностроении не применяется. Сталь многокомпонентный сплав с содержанием углерода до 2,14 %. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14 %.

Сталь. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

o малоуглеродистыми, содержащими углерода менее 0,25%;

o среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25…0,60%

o высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода
превышает 0,60%

Легированные стали подразделяют на:

o низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%

o среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

o высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Конструкционные стали предназначены для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь) или с малым коэффициентом линейного расширения (суперинвар).

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Качество стали зависит от содержания вредных примесей: серы и фосфора. Стали обыкновенного качества, содержат до 0.06% серы и до 0,07% фосфора; качественные – до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно; высококачественные – до 0,025% серы и фосфора; особо высококачественные – до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

o спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);

o кипящие стали – слабо раскисленные; маркируются буквами “кп”;

o полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами “пс”.

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

o сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

o сталь группы Б – по химическому составу;

o сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Конструкционные стали. Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества обозначают по ГОСТ 380-94 буквами “Ст” и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква “Г” после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Например:

Ст1кп2 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 1, кипящая второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г – углеродистая сталь с повышенным содержанием марганца, спокойная, номер марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Бст0 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории.

Содержание углерода в стали:

Нелегированные конструкционные качественные стали. в соответствии с ГОСТ 1050-88 эти стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05; 08; 10; 25; 40 и т.д. Так сталь с содержанием углерода 0,07…0,14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0,42…0,50% – 45 и т.д..

При этом для сталей с содержанием углерода меньше 0,2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются.
Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д. Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание марганца.
Например: 14Г, 18Г и т.д.

Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К.

Конструкционные легированные стали. В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Буквенные обозначения легирующих элементов приведены в таблице 3.1.

Таблица.3.1 . Буквенные обозначения легирующих элементов в сталях

Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа, при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра за соответствующей буквой не указывается.
Например, сталь состава: углерода C 0,09…0,15%, хрома Cr 0,4…0,7%, никеля Ni 0,5…0,8% обозначается 12ХН, а обыкновенного качества с повышенным содержанием легирующих элементов: сталь содержащая углерода C 0,27…0,34%, хрома Cr 2,3…2,7%, молибдена Mo 0,2…0,3%, ванадия V 0,06…0,12%.обозначается 30Х3МФ. Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S<0,03%, P < 0,03%) и сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А.

Особовысококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш.
Например: 12Х2Н4А, 15Х2МА, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.

Литейные конструкционные стали. В соответствии с ГОСТ 977-88 обозначаются по тем же правилам, что и качественные и легированные стали. Отличие заключается лишь в том, что в конце наименований литейных сталей приводится буква Л.

Например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35ХГЛ и др.

Шарикоподшипниковые стали по ГОСТ 801-78 маркируют буквами “ШХ“, после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире.
Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

Автоматные стали ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная). Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей.
Например: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ.

Инструментальные стали. Данные стали в соответствии с
ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали в десятых долях процента.
Например, сталь У7 содержит 0,65…0,74% углерода, сталь У10…0,95…1,04%, а сталь У13 – 1,2%.в обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца.
Например: У8Г, У8ГА.

Инструментальные легированные стали. Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-73 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, в десятых долях процента, а не в сотых, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1.0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования не указывают. Например: сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0,3…0,4%, Cr 2,2…3,0%, W 4,5…5,5%, Mo 0,6…0,9%,
V 0,6…0,9%, а сталь ХВГ…C 0,9…1,05%, Cr 0,9…1,2%, W 1,2…1,6%,
Mn 0,8…1,1%.

Быстрорежущие стали. Обозначают буквой “Р“, следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5%. В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав С 0,82…0,9%, Cr 3,8…4,4%,
Mo 4,8…5,3%, V 1,7…2,1%, W 5,5…6,5%, а сталь состава С 0,95…1,05%,
Cr 3,8…4,3%, Mo 4,8…5,3%, V 2,3…2,7%, N 0,05…0,1%, W 5,7…6,7% называется Р6АМ5Ф3.

Нержавеющие стали. Обозначения стандартных нержавеющих сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из букв и цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легированных сталей. В обозначения литейных нержавеющих сталей добавляется буква Л.

Например: нержавеющая сталь состава C < 0,08%, Cr 17,0…19,0%, Ni 9,0…11,0%, Ti 0,5…0,7% обозначается 08Х18Н10Т, а литейная сталь 16Х18Н12С4ТЮЛ имеет состав C 0,13…0,19%, Cr 17,0…19,0%, Ni 11,0…13,0%, Si 3,8…4,5%, Ti 0,4…0,7%, Al 0,13…0,35%.

В том случае, если стали получены методом электрошлакового переплава, к их наименованиям (также как и для легированных сталей) добавляется через тире буква Ш (06Х16Н15М3Б-Ш). к наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие следующее:
ВД – вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД),
ВИ – вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ),
ЭЛ –- электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ),
ГР – газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР),
ИД – ваккумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД),
ПД – плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД),
ИЛ – вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д.

Чугун

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2,14 %.

Классификация чугунов. Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения – цементита ), но также в свободном состоянии – в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугунов и их свойства.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по ГОСТ 3443–77. по следующим признакам:

o по состоянию углерода – свободный или связанный;

o по форме включений графита – пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный (рисунок 3.5);

o по типу структуры металлической основы (матрицы) – ферритный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например, феррито-перлитные;

o по химическому составу – не легированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

· − белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита ;

· − половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;

· − серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

· − отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого;

· − высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;

· − ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Серый чугун – это сплав системы Fe -C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна.