Материаловедение 5

Введение.

Материаловедение — наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием механических, физико-химических и других видов воздействий.

Свойства материалов определяются не только химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико- термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов помимо этого оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.

Материаловедение базируется на научных основах физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Основы современного материаловедения были заложены выдающимися русскими учеными в области металлургии П.П Ломоносовым (1799—1855), впервые установившим связь между строением стали и ее свойствами, и Д.К.Черновым (1839—1921), который в 1868 г. открыл структурные превращения в сталях при их нагреве и охлаждении. Д.К. Чернов по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюма ва и др.

Наука о металлах развивается динамично, используя электронные микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую современную аппаратуру. Все это позволяет более глубоко и полно изучить строение металлов и сплавов, находить новые пути повышения их механических и физико-технических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, многослойные композиции с широким спектром свойств, металлические, алмазные и керамико-металлические материалы. В то же время в строительстве и прокладке газопроводов все большее применение получают полимерные материалы, обладающие совокупностью необходимых свойств и высокой долговечностью.

Знание основ материаловедения необходимо каждому специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно обоснованно выбрать их для использования, правильно разработать технологический процесс обработки.

Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем бронзовым и железным веками.

Изготовив первые орудия труда из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры, освоил обжиг глины. Следующим этапом освоения материалов стало плавление и литье меди,-затем открытие оловянной бронзы и освоение железа. Совершенствовалась технология переплавки металлических руд, прокаливанием и ковкой полуфабрикатов стали получать кузнечное железо.

Новую эпоху в развитии материалов открыло использование энергии падающей воды для привода машин. Появилась возможность нагревать металл до температур, превышающих температуру плавления железа, перерабатывать расплав в ковкое железо, очищать металлы от примесей. Эти достижения в области производства материалов определяли уровень технического развития на протяжении многих веков.

Возрастание спроса на машины привело к возникновению машиностроения как отрасли промышленности. В то время мануфактурным производством была освоена лишь немногочисленная группа материалов, что ограничивало возможности развития машин.

Превращение ручных мануфактур в фабричную систему использования машин привело к изменению уровня техники и технологии материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в сталь.

Рост промышленности требовал больших объемов материалов. В связи с этим возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Начиная с XIX века материаловедение стало прикладной наукой.

Научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлургического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки. После открытия бензола началось развитие новой отрасли промышленности, вырабатывавшей красители, медикаменты и множество синтетических машиностроительных материалов. На основе теории химического строения вещества разработаны и получены полимеры. Новый материал бакелит стал первым продуктом промышленности пластических масс.

В XX веке разрабатываются и бурно развиваются новые технологические процессы: кислородно-конвертерный, электрометаллургия стали и ферросплавов; электросварка; термомеханическая обработка металлов и многие другие.

Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет число сплавов, обладающих специфическими свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми магнитными, «памятью» механической формы и т.д.; создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники и др.

Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной техники.





















































































Раздел 1. Металлургия черных и цветных металлов. Тема 1.1. производство чугуна и стали. 

Тема 1.1 Производство чугуна.

ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих печей имеют полезный объем 1300—* 2300 м3 — объем, занятый загруженными в них материалами и продуктами плавки, и высоту примерно 30 м и предназначены для выплавки в сутки до 2000 т чугуна. В мире работает пока немного печей объемом более 2600 м3. В 1974 г. в нашей стране вступила в строй первая доменная печь объемом 5000 м3. Эта печь существенно отличается от печей, построенных ранее. На основе опыта ее работы в Череповце в 1986 г. вошла в строй действующих еще более мощная доменная печь объемом 5600 м3. В нее внесены серьезные конструктивные изменения, облегчающие труд доменщиков и повышающие производительность печи.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагреве шихты за счет горения кокса, обеспечиваемого вдуваемым в горн горячим воздухом, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя — чугун и шлак.

На рис. 3.5 показана схема современной доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3 доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16—20 шт), через которые в печь под давлением 300 кПа подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3—2 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекрывающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи изготовляют из прессованных углеродистых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5 м, а лещади — 4 м. Печь полезным объемом 2700 м3 имеет высоту 80 м и массу с механизмом 200 000 т. Печь работает непрерывно в течение 4—8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые, академики А. А. Байков, М. А. Павлов и другие обстоятельно занимались их изучением и создали капитальные труды по этим вопросам.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление оксидов; науглероживание железа; шлакообразование. Эти этапы процесса проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.





Рис. 3.5. Схема доменной печи объемом 2700 м8 и ее примерный с)'точ- ныи баланс:

1 — воздухопровод дутья; 2 — шлаковая летка; 3 — шлаковоз; 4 — лещадь; S шё чугуновоз; 6 — летка для чугуна; 7 — фурменный прибор; 8 — газоходы; 9 — засыпное устройство



Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—• 1200 °С кислородом воздуха, поступающим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции С02 -f С 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево — при понижении.

Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, реагируя с раскаленным коксом, окисляет его при высоких температурах:

н20пар + стп = со + н2.

Разложение компонентов шихты протекает различно — в зависимости от ее состава. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхней части печи являются разрушение гидратов оксида железа, оксида алюминия и разложение известняка флюса по реакции:

СаС03 = СаО + С02.

Если в печь подается уже отфлюсованный агломерат, эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут.

Б0

Восстановление оксидов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса — восстановление железа из его оксидов. Согласно теории акад. А. А. Байкова восстановление оксидов железа идет ступенчато по следующей схеме:

Fe203 -> Fe304 -> FeO Fe.

Главную роль в восстановлении оксидов играет угарный газ:

3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02 + Q.

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития процесса восстановления необходимы температура не ниже 570 °С и значительный избыток СО в газах:

Fe3G4 + СО =га= 3FeO + С02 + Q.

Затем происходит образование твердой железной губк i по реакции:

3FeOTB + СО FeTB + С02 + Q.

Развитие реакции вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают исследования, в печи для этого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазе присутствует только СО (С02 не образуется).

Наряду с СО в процессе восстановления железа из оксидов значительную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие происходит за счет непосредственных контактов оксидов руды с восстановителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа. Начало и скорость этих реакций в доменной печи зависят от физического состояния руды, состава газов, их давления и ряда других факторов.

Аналогично протекает и восстановление оксидов железа водородом. Водород заметно ускоряет восстановление оксидов, хотя роль его в доменном процессе не является первостепенной.

Восстановление оксидов марганца происходит также ступенчато, главным образом за счет СО:

Мп02 Mn2Os Mn304 -> МпО;

восстановление закиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода, видимо, при его соприкосновении с расплавленным шлаком по схеме

MnO + Ств = Mn + СО — Q,



Рис. 3.6. Высокотемпературный воздухонагреватель:



1 — поднасадочная решетка из жаропрочного чугуна; 2 — насадка; 3 — под- купольное устройство; 4 — патрубок горячего дутья; 5 — штуцер горелки; 6 — газовые клапаны; 7 — патрубок колодного дутья; 8 — огнеупорный высокоглиноземистый кирпич; 9 — стальной кожух

так как количество марганца в шлаке доменной печи бывает значительно больше, чем в металле. Эта реакция требует и в 2 раза больше теплоты, чем восстановление железа, а поэтому повышенного расхода топлива.

Восстановление кремния в доменной печи происходит преимущественно твердым углеродом с образованием силицида железа условно по следующей схеме:

Si02 + 2С + Fe = FeSi + 2СО + Q,

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиеся силициды железа растворяются в чугуне.

Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде минералов ЗСаО • Р205 и 3FeO • Р205 • 8Н20.

При высокой температуре эти соединения восстанавливаются, фосфор взаимодействует с железом, а образующийся фосфид переходит в чугун:

Р + 3Fe = Fe3P.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устойчивых сульфидов. Часть серы окисляется и удаляется с газами в виде S02, а часть — растворяется в чугуне и шлаке.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество СО:

                      3Fe + 2СО = Fe3C + С02.

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления оксидов железа в доменной печи. Шлак состоит из оксидов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает восстановиться значительная часть оксидов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли, и доменный процесс осложняется. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), оксид кальция (40— 50 %), глинозем (10—25 %). Состав шлака зависит от пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы (см. ниже).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности. На большинстве заводов их гранулируют, выливая расплавленный шлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образом шлаковые гранулы перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шлаковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные продукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ними вместе из печей выносится огромное количество пыли (50 кг на 1 т чугуна). Газ состоит из 26—32 % FeO, 9—12 % Fe02 и 54—58 % N2. Теплота сгорания такого газа 4000 Дж на 1 м3, поэтому его широко используют после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи, а также в других печах металлургического завода.

Важнейший продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, кремнием и марганцем, обычно содержащий примеси серы и фосфора. Количество этих компонентов в чугуне лимитируется ГОСТами.

В доменных печах главным образом выплавляют передельный чугун, предназначенный для переработки в сталь. Эти чугуны обычно содержат 3,5—4,5 % С, 0,5—1,2 % Si, 0,2—1,2 % Мп, до 0,2 % Р и сотые доли процента серы.

В значительных количествах в доменных печах выплавляют и литейные коксовые чугуны, маркируемые ЛК, отличающиеся повышенным содержанием фосфора (0,1—1,2 %) и обязательно значительным количеством кремния (0,8—3,75 %).

В отдельных доменных печах иногда выплавляют ферросплавы. К доменным ферросплавам относят ферросилиций с 9 до 18 % Si, ферромарганец с 70—75 % Мп и зеркальный чугун с 10—« 25 % Мп и около 2 % Si.

Одним из главных показателей работы доменных печей принято считать коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИНО), равный отношению полезного объема W (м3) к суточному выпуску чугуна QT; К = W/Q и достигающий 0,35. Так как производительность печи Q стоит в формуле в знаменателе, то чем меньше коэффициент использования полезного объема доменной печи, тем лучше она работает.

Для производства чугуна кроме доменных печей необходимо и другое технологическое оборудование. Наибольшее значение имеют воздухонагреватели. Для успешной работы современной доменной печи объемом 2700 м3 в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок ~8 млн. м3 воздуха и 500 000 м3 кислорода в сутки. Нагрев этой массы кислородно-воздушной смеси до температуры 900—1200 °С осуществляется попеременно в четырех цилиндрических башенных воздухонагревателях (рис. 3.6) высотой 40—50 м и диаметром 8—10 м. Внутри воздухонагреватель разделен на две части: полую камеру горения и насадочное пространство, заполненное решетчатой огнеупорной кладкой разной формы со сквозными вертикальными каналами. Очищенный доменный газ смешивают в горелке с воздухом и пламя направляют в вертикальную камеру горения. Горячие продукты горения, изменив направление под куполом, опускаются сквозь насадку, отдавая ей теплоту. Охлажденные газы выпускаются через нижнюю часть воздухонагревателя в дымовую трубу. После нагрева купола до температуры 1200—1400 °С подачу колошникового газа в этот нагреватель прекращают и в воздухонагреватель снизу вверх пропускают воздушно-кислородную смесь, которая нагревается, проходя через горячую насадку. После охлаждения насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в соседний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи шлак по желобам поступает в литые стальные шлаковые ковши, а чугун — в чугуновозные ковши вместимостью 80—100 т, футерованные шамотным кирпичом; их устанавливают на железнодорожных платформах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер — цилиндрическое хранилище жидкого чугуна, вмещающее иногда до 2000 т. Миксер выложен шамотным кирпичом; он может наклоняться, а в случае необходимости и обогреваться газовыми форсунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разливают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере. Чтобы ускорить охлаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чугуна орошают холодной водой, и затем при повороте конвейера пятидесятикилограммовые чушки выпадают из изложниц на железнодорожные платформы.

Тема 1.2. Производство стали.

Виды сталей

Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.

Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.

По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами — спе- циальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой—отО,ЗдоО,5% С, пружинные —от 0,5 до 0,8% С, инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.

Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавительных агрегатов.

 Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

-  Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается изношенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их наплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.

Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), потопывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добав- лением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в кипящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и по- пуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. ( таль СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали ука- и.мтюттолько содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р<0,07%). В остальных марках регламентировано содер- жиние С, Mn, Si, S, Р, атакже As и Р (табл. 3.1).

Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая форму- па: С(%) « 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание ( < 0,07 х 3 я 0,21 % (фактически 0,14-0,22%).

Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до (1,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г и марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: v кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет—10; —10 и 0 соответственно. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.

Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).

Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.

3.2.2. Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10,15,20,...,60, обозначающими среднее содержание \ I порода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). 

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и I мнящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими производят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 0,8 пс,10пс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05—0,17%.

Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, пе- рерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.

ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высокого отпуска.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:

	малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной деформацией и сваркой;

	цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от —40 до +425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 3.2).

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50.

Производство стали

Наиболее перспективными являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный способы получения стали.

3.4.2. Производство стали в кислородных конвертерах

Основой конвертерного получения стали является обработка жидкого чугуна газообразными окислителями. Химическая теплота экзотермических реакций окисления примесей и физическая теплота жидкого чугуна полностью обеспечивают этот процесс.



Рис. 3.1. Схема  кислородного конвертера с рабочим объемом 270 м3

Современные кислородные конвертеры (преобразователи) изготовляются из стального листа. В зависимости от вида футеровки конвертеров различают два процесса: бессемеровский и томасовский. При бессемеровском процессе (кислом) футеровку в конвертерах выполняют из кислых материалов (динасовый кирпич или кварцит), при томасовском процессе (основном) — из основных материалов (обожженный доломит). Кислая футеровка выдерживает 1000— 2000 плавок, а основная 300—400. Днища конвертера меняют чаще, так как они разрушаются быстрее (рис.3.1). Конвертеры имеют горловину J в виде усеченного конуса с леткой 7; цилиндрическую часть 4 и сферическое днище 6. Нижний усеченный конус конвертера служит ванной для металла. Цилиндрическая часть является рабочим пространством, заполняемым металлом, шлаком и газом при продувке. Оно в 7— 10 раз больше объема, занимаемого спокойным металлом. Верхний усеченный конус сокращает потери металла и теплоты. Через горловину загружают шихтовые материалы, отводят образующиеся газы, сливают шлак и ремонтируют футеровку. Слив стали проводят через отверстие для выпуска сташ. Раздельный слив металла и шлака необходим, так как при этом исключается переход из шлака в металл серы и фосфора. Конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной оси на цапфах 5при помощи приводных механизмов. Рабочее положение конвертера вертикальное. По вертикальной оси конвертера сверху опускается охлаждаемая водой фурма 2, по которой под давлением 1,6—1,8 МПа подается технически чистый кислород. Вместимость кислородных конвертеров 50—500 т.

В конвертерном производстве стали 70-85% металлошихты составляет жидкий чугун, остальное —лом.

Технологический процесс начинается с загрузки скрапа. Затем заливается необходимое количество жидкого чугуна с температурой более 1320 °С. Загрузка и заливка конвертера вместимостью 300 т продолжаются 5 мин.

В поставленный вертикально конвертер заводится фурма и начинается продувка металла кислородом. Подвод кислорода интенсивен, поэтому реакции окисления примесей в конвертере протекают с высокой скоростью. Начало продувки совмещается с загрузкой в конвертер флюсов и металлодобавок. При окислении примесей под фурмой развивается температура до 2500 °С, что способствует более быстрому протеканию окисления и шлакообразования.

Более прогрессивной является комбинированная продувка: через днище, верхнюю и боковые фурмы, что позволяет перерабатывать больший процент скрапа.

При воздействии струи кислорода в основном окисляется железо (в ванне его 95%, остальное — примеси) по реакции (3.1). Образующийся оксид железа, растворяясь в шлаке, постоянно перемешивается с металлом. Вследствие этого примеси чугуна на границе металл — шлак интенсивно окисляются оксидом железа по реакциям (3.8)—(3.10). Часть оксида железа растворяется в металле, обогащая его кислородом:

[FeO] = [Fe] + [О].

Поэтому окисление примесей может проводиться также кислородом, вдуваемым в конвертер через фурму, по реакциям (3.2)—(3.4) и кислородом, растворенным в металле, по реакциям (3.5)—(3.7).

В кислородном конвертере благодаря наличию основных шлаков, в которых наряду с СаО имеется оксид железа FeO, и перемешиванию металла и шлака достаточно легко протекает реакция дефосфорации (3.11), образующийся фосфат кальция удаляется в шлак.

Продукты реакции десульфурации (3.18) — сульфиды также удаляются в шлак. Основной шлак в конвертере вследствие значительных количеств в нем оксида железа FeO затрудняет процесс десульфурации. Дополнительно около 10—20% серы в процессе плавки удаляется в газовую фазу.

Продувка конвертера прекращается по достижении заданного химического состава и требуемой температуры металла. Время продувки конвертера вместимостью 300 т составляет 12—20 мин. Для отбора проб конвертер наклоняют, на это отводится 6 мин.

Одновременно с выпуском стали проводится ее раскисление и легирование ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, атакже легирующими элементами. Эти операции проводятся либо в конвертере, либо в ковше. Иногда раскислители вводят в струю металла при выпуске плавки (реакции раскисления (3.12)—(3.17)).

Последними операциями плавки являются слив металла и затем шлака, а также осмотр футеровки, их продолжительность 5—10 мин.

Таким образом, передел чугуна в сталь в кислородном конвертере емкостью 300 т составляет в среднем 35—40 мин, что обеспечивает очень высокую производительность процесса — 400—500 т/ч стали. Производительность мартеновских печей и электропечей составляет около 80 т/ч. В кислородно-конвертерных цехах выпуск стали на одного работающего на 30—50% больше, чем в мартеновских цехах.

В настоящее время разработаны модели и алгоритмы конвертерного процесса, позволяющие контролировать и регулировать ход плавки.

3.4.3. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс более универсальный по составу металлошихты, значительно уступает кислородно-конвертерному по производительности, трудоемкости и капитальным затратам.

Мартеновский процесс передела чугуна в сталь осуществляется в пламенной отражательной печи, оснащенной системой регенерации, направленной на использование теплоты отходящих при горении газов для подогрева воздуха и газообразного топлива.

Устройство мартеновской печи схематически показано на рис. 3.2. Передняя стенка с завалочными (рабочими) окнами 2, задняя стенка со сталевыпускным отверстием, подом (подиной) и сводом образуют рабочее (плавильное) пространство печи 7.





С торцов плавильного пространства расположены головки 3 для смешивания топлива с воздухом (кислородом), подачи горючей смеси в плавильное пространство и отвода продуктов сгорания. Головки с помощью вертикальных каналов 4 соединены со шлаковиками 5, регенераторами 6и боровами (каналами) 7.

Топливом для мартеновских печей служит природный газ или мазут. На схеме воздух и газ поступают с правой стороны печи. Проходя через предварительно нагретые насадки, воздух и газ нагреваются до 1000—1200 °С. При сгорании топлива в рабочем пространстве возникает факел с температурой 1800—1900 °С, достаточной для расплавления шихты. Кроме того, температура факела обеспечивает нагрев металла до 1600— 1650 °С, что создает условия для выпуска стали и разливки ее. Раскаленные продукты сгорания (дымовые газы) проходят через левую головку, попадают в шлаковики, в которых улавливаются частицы плавильной пыли и шлака, а затем в левые регенераторы. В них газы разогревают насадки. Охлажденные до 500—600 "С дымовые газы из регенераторов проходят по боровам, через котел-утилизатор 9и устройство для очистки газов 10, а затем удаляются с помощью дымовой трубы 11. При достаточном охлаждении насадок правых регенераторов и нагреве левых изменяют направление движения газов с помощью перекидных клапанов 8. Циклы повторяются.

В зависимости от огнеупорных материалов, из которых выполнены пол, стены и свод рабочего пространства, мартеновские печи делятся на основные и кислые.

Наибольшее распространение получила плавка стали в мартеновских печах с основной футеровкой, так как в них можно перерабатывать металлошихту со значительным содержанием серы и фосфора и получать качественную сталь.

В зависимости от загружаемых в печь материалов мартеновский процесс делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

Более прогрессивный скрап-процесс характеризуется применением шихты следующего состава: стальной скрап (основная часть), чушковый чугун (25—45%) и другие компоненты.

На под печи с помощью завалочных машин загружают скрап и вперемежку с ним известняк или известь. После этого загружается чугун.

При завалке печи и расплавлении шихты окисляются часть углерода, кремний, большая часть марганца и часть железа. Оксиды кремния, марганца и железа с поднявшейся вверх жидкой известью образуют большое количество основного шлака. Роль шлака при мартеновской плавке велика. Еще при плавлении шихты из печи выпускается так называемый первичный «сбегающий» шлак, уносящий образовавшиеся оксиды.

Главной операцией плавки в мартеновских печах является кипение металла вследствие окисления углерода. Избыточный углерод вводится в ванну с чугуном. Кипение приводит к выравниванию температуры и химического состава ванны, удалению из металла газов, вредных примесей и неметаллических включений. Также поднимается уровень шлака. Тогда отключают подачу топлива, над ванной снижается давление, что позволяет проводить «скачивание» шлака более высокой основности, вместе с которым уходит большая часть фосфора и часть серы. Через некоторое время в печь подается топливо и шлак оседает. Для более полного удаления фосфора и серы вновь наводится, уже высокоосновный, шлак. В случае необходимости сталь легируют. Периоды кипения, раскисления и легирования называют еще общим периодом рафинирования стали.

Общая продолжительность плавки в основных мартеновских печах вместимостью 180—600 т составляет 6—10,5 ч.

3.4.4. Производство стали в электропечах

Электросталеплавильный процесс более совершенный, чем кислородно-конвертерный и мартеновский, поэтому он находит все большее применение. Это определяется возможностью получения качественной и высоколегированной стали, практически неограниченным сортаментом выплавляемой стали, использованием для нагрева металла электрической энергии.

Корпус дуговой электрической печи (рис. 3.3) состоит из кожуха 5 (части корпуса выше порога рабочего окна 3), днища 2 и сливного носка 10. Корпус состоит из наружной стальной обечайки с внутренней футеровкой (основной или кислой). В корпусе печи имеются два отверстия: рабочее окно 3 — для управления ходом плавки, загрузки ферросплавов, взятия проб и скачивания шлака, а также летка для слива готовой стали и шлака. Рабочее окно закрывается заслонкой 4. Наклоны печи в сторону рабочего окна (10—15°) или сливного желоба (40—45°) осуществляются с помощью специального механизма 11 с гидравлическим приводом 1.

Съемный свод Охарактеризуется наименьшей долговечностью футеровки. В своде имеются отверстия, через которые пропускаются три графитизированных электрода 7диаметром 300—610 мм. В электропечах электрический ток (напряжением 115—600 В и силой 10—50 кА) подводится к электродам электрододержателями 8и гибкими кабелями 9. Емкость печей составляет 0,5—200 т.В дуговых электропечах прямого нагрева (рис. 3.3, а) дуга горит между электродами и расплавляемым металлом. Часть энергии дуги выделяется непосредственно на металле. Большая часть лучистой энергии дуги также попадает на поверхность металла. Таким образом, в малых объемах концентрируются большие мощности, что приводит к нагреву металла до высоких температур. При этом легко контролируются и регулируются расход теплоты и изменения температуры.



Рис. 3.3. Схемы дуговых электропечей: а — прямого нагрева; б — косвенного действия 













Электродуговые печи прямого нагрева характеризуются значительным испарением легкоплавкого металла в зоне дуги, поэтому наиболее пригодны для плавления стали.

Кдуговым также относятся печи косвенного нагрева (рис. 3.3, б), где часть энергии дуги между двумя электродами передается металлу излучением. Сравнительно низкие температуры металла препятствуют применению этих печей для переплава черных металлов, они используются в основном в цветной металлургии.

При производстве стали в электропечах используются следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживающие компоненты. Основную часть металлошихты составляет металлический лом.

В производстве реализуются две основные технологии плавки в электродуговых печах: на углеродистой или свежей шихте (с окислением примесей); на шихте из отходов легированных сталей (метод переплава).

В состав углеродистой шихты входят стальной лом (около 90%), передельный чугун в чушках (< 10%), железная руда, агломерат или окалина (1,0-1,5%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2—3%). После загрузки шихты электроды опускают вниз, включают ток и шихта плавится.

На металл уже в периоды завалки и плавления шихты воздействует окислительная печная атмосфера (реакции (3.1)—(3.4)). Затем примеси металла окисляются оксидами шлака и железной руды по реакциям (3.8)—(3.10).

Образовавшиеся оксиды примесей металла совместно с СаО из извести формируют высокоосновной шлак, обеспечивающий дефос- форизацию стали по реакции (3.11). Уже при плавлении окисляется более 50% фосфора.

Шлак играет важную роль в окислительных процессах. Он обеспечивает передачу кислорода металлу из печной атмосферы и оксида железа FeO. Растворяющийся в металле кислород участвует в реакциях окисления (3.5)—(3.7).

Интенсивное окисление железа, а также кремния, марганца, углерода и других примесей по реакциям (3.1)—(3.4) происходит в результате продувки ванны кислородом. При этом выделяется значительное количество теплоты, быстро завершается процесс плавления шихты.

После полного расплавления шихты и перемешивания содержимого ванны берут пробу на полный химический анализ, затем скачивают шлак с фосфором, наводят новый шлак и начинается окислительный период плавки.

Для дальнейшего окисления углерода и фосфора проводят неоднократную загрузку руды и извести. Кислород руды через шлак окисляет углерод по реакции (3.7). Окисление интенсифицируется продувкой кислородом, при этом протекает реакция (3.4). Выделяющиеся пузырьки оксида углерода СО заставляют кипеть металл, что ускоряет прогрев ванны и удаление из металла газов и неметаллических включений, а также фосфора.

Шлак скачивают 2—3 раза, и содержание фосфора доводится до 0,01%. Когда содержание углерода в стали становится равным нижнему пределу его содержания в выплавляемой марке стали (%), кипение, а вместе с ним и окисление заканчиваются.

Затем проводят раскисление стали двумя методами: глубинным раскислением без восстановительного периода; раскислением в восстановительный период.

Первый метод применяют при выплавке углеродистой и низколегированной конструкционной стали, а также стали с последующим внепечным рафинированием. Сталь выплавляют под одним шлаком, без наведения последующего восстановительного шлака. В металл вводят ферросилиций, ферромарганец, феррохром. После 10—20 мин раскисления в печи (по реакциям (3.12)—(3.14)) сталь выпускают в ковш, где проводится окончательное раскисление ферросилицием и алюминием.

Второй метод, когда раскисление проводят под восстановительным шлаком, наводимым после скачивания окислительного шлака, применяется при получении сталей с заданными свойствами, пониженным содержанием примесей или легируемых легкоокис- ляемыми элементами. Восстановительный период плавки направ лен на раскисление металла, удаление серы, доведение стали до заданного химического состава, регулирование температуры металла. Сначала в печь подают кокс или электродный бой. В результате присадки металл науглероживается. После этого в печи наводится известковый восстановительный шлак из смеси извести, плавино вого шпата и шамота в количестве 2,0—3,5% от массы металла. За тем проводят диффузионное раскисление под белым шлаком. С этой целью на шлак подают порошок кокса и ферросилиция; шлак свет леет за счет уменьшения содержания в нем оксидов. Восстановлю ние оксида железа в шлаке происходит по реакциям (3.15) и (3.16), Содержание оксида железа в шлаке снижается, и оксид из металла начинает переходить в шлак. Во время восстановительного периода сера удаляется из металла по реакции (3.18). Когда достигнуты заданные состав металла и температура, выполняют конечное раскисление стали. После этого выпускают металл из печи в ковш.

Вторая разновидность плавки (метод переплава) в электропечи  основывается на рациональном использовании содержащихся в шихте  легирующих элементов, поэтому она проводится без окисления или с частичным окислением. Шихта для такой плавки помимо пониженного содержания фосфора должна иметь меньшее, чем в  выплавляемой стали, количество марганца, кремния и углерода. 

К роме того, с целью наведения шлака для защиты металла от окисления кислородом атмосферы и науглероживания электродами имеете с шихтой во время завалки вводят шлакообразующие вещества. Во время плавки удаляются фосфор и сера. Поскольку часть цементов окисляется в период плавки, необходимо проводить раскисление. Оксиды легирующих элементов восстанавливаются ферросилицием, алюминием, молотым коксом.

Чтобы интенсифицировать процесс переплава, применяют частичное  окисление газообразным кислородом.

Общая продолжительность выплавки стали в дуговых электропечах вместимостью 5—100 т составляет  3,5—6,5 ч.

Сравнение отдельных способов производства стали показывает,  что выход годного металла в электропечах составляет 92—93%, и конвертерах с комбинированной продувкой — 91—92%, в обычных конвертерах с продувкой сверху и мартеновских печах — 90%, и двухванных печах и мартеновских печах с продувкой кислородом - 87—88%.

Способы повышения качества стали.

Качество стали определяются: прочность, пластичность, минимальное газосодержание, содержание вредных примесей. 

Основным критерием оценки качества является соединение серы и фосфора.

Для повышения качества применяются следующие методы:

обработка металла синтетическим шлаком. При перемешивании расплавленного шлака и металла реакция раскисления стали ускоряется в стали скитается соединение вредных примесей и кислорода.

Ваакумная дегозация заключается в том, что ковш с жидкой сталью помещают в герметичную камеру в которую насосами создается разряжение из стали удаляется азот и водород закладывают.

Электрошлаковый переплав, металл является электродом, который помещают в шлаковую ванну. Конец электрода оплавляется, капли металла проходя через шлак очищаются от серы газов. Этим способом получают высококачественные стали, которые используются для производства ответственных деталей (шарикоподшипников).

Вакуумно дуговой переплав получают еще более чистые стали которые используются для особо ответственные деталей.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слишком усадочной раковины.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.











































Раздел 2. Металловедение и термическая обработка.

Тема 2.1. Внутреннее строение и кристаллизация металлов.

 В технике наиболее распространены металлы и сплавы физические и химические свойства которых определяются строением их атомов. Типовая модель атома представляет собой положительно заряженное ядро окруженное облаком отрицательно заряженных электронов. Электроны расположены на внешних оболочках или орбитах слабее связаны с ядром, чем те, что на внутреннем и во многом определяют свойства металлов. Они легко отделяются от атома, чем и обусловлена высокая электро и теплопроводность металла. Атомы с недостающими электронами превращаются в положительно заряженные ионы, благодаря чему являются сильными восстановителями. За счет того, что электроны равномерно распределены между ионами металл имеет высокую пластичность. Атомы  металла расположены в определенной последовательности образуют правильные пространственные фигуры – кристаллические решетки.

В отличае от металла, материал которых не имеет кристаллической решетки называется аморфными.

Наибольшее распространение получили кристаллические решетки:

- объемно центрированный куб (хром, вольфрам, малибден),

- гранецентрированный куб (алюминий, медь, никель, золото, серебро), (железо при тем-ре свыше 910 градусов) До 910 градусов – одну решетку, свыше 910 – другую решетку.

- гексоганальная решетка (магний, цинк, титан)

Реальные металлы применяемые при изготовлении деталей имеют нарушения вышеописанных решеток, которые называются дефектами. В реальных условиях дефекты кристаллических  решеток во многом определяются механическими свойствами металлов.

Деффекты классифицируются по геометрической форме и размерам на следующие группы:

- точечные дефекты (несовершенство) – это вак5ансии, т.е. узлы решетки в которых атомы отсутствуют, либо дополнительные атомы внедренные в межузловое пространство.

- линейные дифекты(дислокация – это смещение одной части кристалла по отношению к другой).

Объемные дефекты – это трехмерное нарушение структуры макроразмеров (поры, раковины, трещины),

Поверхностные дефекты, образуются на границах зерен металла. В процессе кристаллизации, как правило это различные не металлические примеси аксидные клепки и др.

Кристаллизация металлов и сплавов: образование кристаллической решетки происходит в процессе охлаждения металла и переходе его из жидкого состояния в твердое.

Это явление происходит при температуре  кристаллизации или критической точки.

Температура кристаллизации зависит от частоты металла, скорости охлаждения, давления и др. факторов.

Процесс кристаллизации металла, состоит из  двух:

Зарождение центров кристаллизацией (зародышей)

Рост кристалла от центра кристаллизации с образованием зерен.

От размера зерна в значительной степени зависит свойство металла, чем меньше зерно, тем лучше металл.

С целью получения мелкого зерна при кристаллизации до 3% от массы жидкого металла вводят тугоплавкие (измельченные) вещества, которые создают большое число дополнительных центров кристаллизации.

Такие  металлы называются модифицированными, а тугоплавкие вещества – модификаторами.

При формировании слитка процесс кристаллизации начинается у стенок формы и движется в направлении обратном отводу тепла.

Слиток не имеет однородной структуры у поверхности мелкие кристаллы, а затем древовидные кристаллы.

В середине где тепло отводится образуется зона неориентированных кристаллов.

При затвердевании слитка имеет место сокращение его объема. 

Для изучения состава структуры и свойства металлов применяются следующие методы:

*Химический и спектральный анализ. Позволяет определить химический состав.

*макроскопический анализ – исследование металла невооруженным глазом или с помощью лупы.  Данным способом можно определить способ производства, вид термообработки, размер зерна, причину излома, наличие пор, раковин, трещин.

*микроскапический анализ – проводят с помощью микроскопа с увеличением от 50 до 2000 раз. Для исследования готовят специальные образцы, поверхность которых шлифуют, полируют и протравливают с целью увидеть границы между зернами.

*рентгеновский анализ – этот метод позволяет контролировать качество сворных швов.

*магнитный анализ – основан на изменении магнитных свойств металла, связанных со структурой кристаллической решетки.

*ультрозвуковой анализ – проникновение в материал.

*термический анализ – заключается в определении тепловых эффектов, при изменениях структуры.

* Дилатометрический анализ – основан на изменении объема образца в результате фазовых превращений.

* метод электросопротивления – в зависимости от материала увеличивается или уменьшается сопротивление.



Тема 2.2. Основные механические свойства металлов.

Основными характеристиками механических свойств металлов являются: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность металла или сплава — это его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость металлов.

Для испытания на растяжение из металла или сплава изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТом,

Испытание производится на разрывных машинах. В верхний и нижний захваты закрепляют головки, образца. Верхний захват закреплен неподвижно, а нижний — с помощью специального механизма медленно опускается, растягивая образец до его разрыва. Развиваемое машиной усилие достигает 50 т.При испытании на растяжение показатели прочности могут быть получены из диаграммы растяжения, которая автоматически вычерчивается на барабане разрывной машины. Эта диаграмма характеризует поведение материала при разных нагрузках. По горизонтальной линии диаграммы откладывается абсолютное удлинение образца в миллиметрах, а по вертикальной линии — нагрузка в килограммах. Наибольшая нагрузка Рв, когда образец металла начинает сужаться (образуется шейка), называется нагрузкой предела прочности при растяжении, а напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется пределом прочности при растяжении —и определяется как отношение наибольшей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца. 

Пластичность — это способность металла, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять измененную форму после снятия нагрузки.

Пластичность металлов определяется также при испытании на растяжение. По величине удлинения образца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности материала. Чем больше удлиняется образец, тем более пластичен металл. Пластичные металлы и сплавы хорошо подвергаются обработке давлением.

Характеристикой пластичности металлов является относительное удлинение и относительное сужение.

Относительным удлинением называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

Относительное сужение — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после испытания к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах.

Ударная вязкость — это способность металлов и сплавов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Для испытания материала на ударную вязкость изготовляют стандартные образцы с надрезом в виде брусков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытания проводят на специальном устройстве — маятниковый копер. Маятник с закрепленным грузом, массой 10, 15 и 30 кг поднимают на определенную высоту и закрепляют в этом положении защелкой. После освобождения маятник падает и производит удар по образцу со стороны, противоположной надрезу.

Разрушение образцов имеет различный характер. У хрупких металлов образцы разрушаются без изменения формы, у вязких металлов они подвергаются значительному изгибу в месте излома.

Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы того или иного механизма испытывают кратковременную ударную нагрузку (например, коленчатые валы двигателей, валы и шестерни коробок передач, полуоси колес и др.). Вязкость — свойство, противоположное хрупкости.

Твердость — это свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточных деформаций.

Твердость тесно связана с такими важными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износоустойчивость.

Есть несколько методов определения твердости (рис. 10), наиболее широкое распространение получили следующие:                -вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля);

	вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);

	вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса).

Метод Бринелля заключается в том, что шарик из закаленной стали под действием нагрузки вдавливается в зачищенную поверхность металла.

Испытание на твердость металла по методу Бринелля проводят на приборе ТБ . Стальной шарик закрепляется в шпинделе прибора. Испытуемый образец ставят на предметный столик, который подводят к шпинделю вращением маховика. При включении электродвигателя наложенный груз опускается и стальной шарик с помощью рычажной системы вдавливается в образец. Сначала вдавливание производится медленно, затем нагрузка постепенно увеличивается и выдерживается определенное время для получения четких границ отпечатка. Испытуемый образец снимают со столика и измеряют диаметр полученного отпечатка (лунки) при помощи специальной лупы со встроенной шкалой (цена деления 0,1 мм).

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определяется как отношение нагрузки Р (кг), приходящейся на 1 мм2 сферической поверхности отпечатка F, по формуле:

НВ = —  , кг/мм2.

F

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глубина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого образца (рис. 12).

Алмазный конус (или стальной шарик) вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной нагрузки, равной 10 кг, а затем полной (предварительная плюс основная) нагрузки 60 кг (шкала А) или 150 кг (шкала С).

На приборе TP величину вдавливания определяют непосредственно по шкалам А, В и С циферблата индикатора (без измерения отпечатка и математических расчетов).

При измерении твердости стандартной нагрузкой 150 кг значение твердости HR отсчитывается по шкале С индикатора, к обозначению твердости добавляется индекс шкалы, т. е. HRC.

При измерении твердости тонких образцов или поверхностного слоя металла со стандартной нагрузкой 60 кг отсчет ведется по шкале А; к обозначению твердости добавляется индекс данной шкалы, т. е. НР.А.

При измерении твердости мягких металлов стальным шариком со стандартной нагрузкой 100 кг отсчет ведется по шкале В и к обозначению твердости добавляется индекс данной шкалы, т. е. HRB.

Метод Виккерса применяется для испытания металлов и сплавов высокой твердости, деталей малых сечений и твердых поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой (цементированных, азотированных и др.).

Этот метод дает очень точные показатели и применим к металлам любой твердости. Преимуществом метода Веккерса является возможность испытания тонкого поверхностного слоя металла после различных видов обработки.

Твердость металла определяется отношением нагрузки Р в кг, создаваемой прибором, к площади отпечатка F в мм2, вычисленной по его диагонали, и обозначается HV.

Усталость металлов — это явление их разрушения при многократном нагружении.

Повторение нагрузок значительно уменьшает прочность металлов и сплавов. В технике для характеристики усталости металлов принято понятие выносливость — это то наибольшее напряжение, которое выдерживает металл, не разрушаясь после заданного числа переменных нагрузок (циклов).

Причиной разрушения металлов от усталости является охрупчивание, которое объясняется появлением в ослабленных местах металла постепенно увеличивающихся микротрещин.

Усталостному разрушению под действием часто повторяющихся переменных нагрузок подвержены шатуны двигателей, коленчатые валы, поршневые пальцы, поршни и др.





Раздел 3. Конструкционные материалы.

Тема 3.1.Чугуны.

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы в которых содержится более 2,14 % С. По степени эвтектичности чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14—4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (>4,3 % С).

По степени графитизации чугуны подразделяют на белый (не графитизированный), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (FesC) или в карбидах других элементов (Cr, Mo, V, Ti и др.); отбеленный или половинчатый (частично графитизированный).

Графитизированные чугуны подразделяют на серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ) и ковкий (КЧ). Ковким (КЧ) называют чугун за его повышенную пластичность, его получают из белого чугуна путем графитизации в твердом состоянии при высокотемпературной термической  обработке.

По твердости чугуны классифицируют на мягкий (<НВ 149), средний (НВ 149—197), повышенной твердости. (НВ 197—269) и твердый (>НВ 269).

По прочности чугуны классифицируют на обыкновенной прочности (Qв < 200 МПа), повышенной прочности (Qа = 200-380 МПа) и высокой прочности (Qв > 380 МПа).

По пластичности чугуны классифицируют на непластичные (б < 1 %), малопластичный (б = 1÷5 %), пластичный (б = 5÷10  %) и повышенной пластичности (б > 10 %)

По эксплуатационным характеристикам чугуны подразделяют на износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, немагнитные.

По форме графита различают чугуны с пластинчатым (СЧ), шаровидным или глобулярным (ВЧ), хлопьевидным или гнездообразным графитом (КЧ) и вермикулярным графитом (ЧВГ).

По структуре металлической матрицы чугуны делятся на феррйтные, перлитные, аустенитные, белые и со смешанной структурой — перлитно-ферритные, половинчатые (перлит -j- цементит), аустенитно-мартёнеитные и др.

Стандартами регламентированы не все конструкционные чугуны. Маркировку чугунов проводят по их механическим свойствам, а химический состав является факультативным показателем, кроме аустенитных и специальных чугунов.

Серые чугуны маркируют только по пределу прочности на разрыв (ав) с размерностью кгс/мм2, но при указании механических свойств той или иной марки чугуна используют размерность в МПа. ГОСТ предусматривает следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45.

Серые чугуны нашли широкое применение в станкостроении (станины, детали станков, суппорты, бабки, люки, крышки), в двигателестроении, авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распределительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, диски сцепления, картеры коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, электромашиностроении, при производстве компрессоров, насосов, воздуходувок, для изготовления санитарно-технических изделий.

Ковкие чугуны маркируют по пределу прочности на разрыв (Qв) с размерностью кгс/мм2 и относительному удлинению (6) в процентах. ГОСТ предусматривает следующие марки ковких чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-15.

Металлическая основа ковких чугунов может быть перлитной или ферритной. Все марки чугуна получают графитизирующим отжигом белого чугуна. По своим литейным и механическим свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами и литыми сталями. Ковкие чугуны, особенно ферритные, широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки храповики, ступицы), в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, картеры дифференциалов, детали рулевого управления, рычаги, катки, втулки), вагоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в электропромышленности и станкостроении, текстильном машиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.

Высокопрочные чугуны в соответствии с ГОСТ имеют следующие марки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра, следующая за буквами ВЧ, означает предел прочности на разрыв в кгс/мм2.

Высокопрочные чугуны изготовляют из низкосернистых и низкофосфористых серых чугунов путем модифицирования их или магнием, или церием, или иттрием для получения графита шаровидной формы. Высокопрочные чугуны в литом состоянии получают ферритными, перлитными, аустенитными или половинчатыми, а после дополнительной термической обработки — мартенситными или бейнитными. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом используют очень широко в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, картерные детали, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали). В тяжелом машиностроении (шаботы молотов, детали турбин, прокатные валки), в металлургии (изложницы), в транспортном машиностроении, в сельскохозяйственном машиностроении (прицепные скобы, шестерни и звездочки, ступицы колес, диски муфт, рычаги и педали, шкивы, зубья борон, стойки корпусов плугов, опорные катки).

Белые чугуны используют как износостойкие конструкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами. Наиболее дешевым и очень эффективным карбидообразующим элементом является хром. Кроме хрома в белые чугуны часто вводят в небольших количествах другие карбидообразующие: марганец, бор, титан, ванадий, молибден. При введении 5—8 % Сг образуется карбид цементитного типа (Fe, Сг)3С, а при содержании более 10 % Сг образуются сложные и твердые карбиды (Сг, Fe)7C3 и (Сг, Fe)23Ce. Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель и медь.

Износостойкие чугуны обозначают буквами ИЧ, и они маркируются по содержанию легирующих элементов, как стали. Чугуны марок ИЧХ4Г7Д, ИЧХЗТД,

ИЧХ28Н2, ИЧХ15МЗ, ИЧХ12М, ИЧХ12Г5, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ12ГЗМ и другие применяют для изготовления лопаток дробеметных турбин, шаров и броневых плит для мельниц, элементов конструкций пневмотранспорта, деталей насосов, перекачивающих абразивную среду, деталей пескометов, лопастей шнеков и др.

Антифрикционные чугуны имеют в маркировке букву А. Они предназначены для работы в узлах трения в паре с закаленными, нормализованными или без термической обработки контртелами. Антифрикционные чугуны изготовляют на основе серых, ковких и высокопрочных чугунов.

Серые антифрикционные чугуны АСЧ-1 (с добавками хрома и никеля), АСЧ-2 (с добавками хрома, никеля, титана и меди) предназначены для работы с термически обработанным (закаленным, нормализованным) контртелом; чугун АСЧ-3 (с добавками титана и меди) предназначен для работы с незакаленным контртелом.

Ковкий антифрикционный чугун АКЧ-1 (перлитный или перлитно-ферритный) предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АКЧ-2 (перлитно-ферритный или ферритно-перлитный) — для работы в паре с незакаленным контртелом.

Высокопрочный антифрикционный чугун АВЧ-1 предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АВЧ-2 — для работы в паре с незакаленным контртелом.

Жаростойкие чугуны — стойкие к окалинообразованию и росту. Эти чугуны выпускают с пластинчатым и шаровидным графитом с добавками хрома, кремния и алюминия и в маркировке имеют букву Ж-

Хромистые чугуны ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 применяют для элементов конструкций доменных, термических и мартеновских печей, колосников агломерационных печей, работающих при температуре до 650 °С. Высокохромистые чугуны, например ЖЧХ-30 (28—30 % Сг), применяют для изготовления горелок, фурм, колосниковых решеток, коробов для отжига, работающих при температурах до 900 °С.

Кремнистые чугуны изготовляют с пластинчатым и шаровидным графитом. Детали из этих чугунов работают без повышенного окалинообразования и роста при температурах 800—900 °С. Из них отливают детали арматуры мартеновских печей, детали котлов, реторты, детали газовых турбин.

Алюминиевые чугуны обладают большой окалиностойкостью и сопротивлением к окислению. Их изготовляют с пластинчатым и шаровидным графитом. Эти чугуны могут быть легированы кремнием, никелем, хромом и медью для повышения окалино- и износостойкости. Алюминиевые чугуны обладают -высокой эксплуатационной стойкостью в среде печных газов при температуре 1100— 1150 °С, в среде перегретых паров серы и сернистых газов при температуре 1000 °С. Их применяют для шлаковых фурм доменных печей, плавильных тиглей, для футеровки камер сгорания.

Коррозионно-стойкие чугуны легируют хромом, никелем, медью, молибденом и кремнием. Эти чугуны стойки в щелочах, растворах соды, морской воде. Чугуны СЧЩ-1 и СЧЩ-2 применяют при изготовлении котлов для плавки каустика. Чугуны ЧНХТ, ЧН1Х/ЧД, ЧН1МШ применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок цилиндров, выпускных патрубков, поршней и гильз паровых машин, судовых дизелей, газокомпрессоров и других деталей.

Высококремнистые чугуны (ферросилиды) применяют для поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для оборудования по производству концентрированных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фитинги, втулки, реакционные аппараты, трубопроводы). Высокохромистые сплавы обладают коррозионной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кислотах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Из этих чугунов изготовляют детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, трубы, мешалки для химической промышленности.

Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они могут иметь пластинчатую -или шаровидную формы графита; металлическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19ХЗШ, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышленности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрессоров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей.

Немагнитные коррозионно-стойкие аустенитные чугуны, аустенитная основа которых сохраняется при положительной и отрицательной температурах, получают легированием высокопрочных и серых чугунов никелем в количествах более 12 % или марганцем в количествах более 9 %. Форма графита этих чугунов может быть пластинчатая и шаровидная. Кроме никеля и марганца аустенитные чугуны легируют хромом, медью, молибденом. Для снижения стоимости чугуна никель частично заменяют марганцем. Аустенитные слабомагнитные чугуны применяют в электротехнической промышленности и приборостроении. Как жаростойкие, коррозионно- и износостойкие чугуны применяют в химическом машиностроении, двигателёстроении (седла клапанов, выпускные патрубки, гильзы цилиндров, втулки направляющие), в турбостроении, для деталей насосов, перекачивающих щелочи, кислоты, морскую воду, для деталей, работающих при тепловых ударах.

Легированные чугуны

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно - стойкие легированные чугуны,

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные  ЧНПГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500—600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 — АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Тема 3.2. Углеродистые  стали.

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

3.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.

Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в кипящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. Сталь СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р < 0,07%). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, Р, а также As и Р (табл. 3.1).

Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая формула: С(%) и 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание С « 0,07 х 3 * 0,21% (фактически 0,14-0,22%).

Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до 0,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г в марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости /50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпсиСтЗкпон составляет—10; —10 и 0 соответственно. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.

Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).

Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.

3.2.2. Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10, 15, 20,...,60, обозначающими среднее содержание углерода в сотыхдолях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45—0,45% С и т.д.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими производят стали 08кп, Юкп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 08пс, Юпс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05—0,17%.

Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.

ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высокого отпуска.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:

	малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной деформацией и сваркой;

	цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемое™ упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от —40 до +425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 3.2).

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50.

















































































Раздел 4. Коррозия металлов.

Тема 4.1. Коррозия металлов и методы борьбы с ней.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Под воздействием внешней среды многие металлы и сплавы постепенно окисляются и разрушаются. Разрушение начинается с поверхности и с течением времени распространяется в глубь металлического изделия. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию среды. Процессы коррозии в таких металлах протекают с малой скоростью. Антикоррозионная защита металлов имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку обусловливает надежность и долговечность эксплуатации машин, механизмов, различных металлических сооружений (нефте- и газопроводов, железнодорожных мостов, опор линий электропередач и др.).

Практически все металлы (кроме золота, платины и серебра) под действием влаги, воздуха, газов, растворов кислот и щелочей корродируют и разрушаются. Различают два основных вида коррозии — электрохимическую и химическую.

Электрохимической коррозией называют процесс самопроизвольного взаимодействия металла с коррозионной средой, в ходе которого последовательно протекают окисление металла и восстановление окислительного компонента. Она развивается во влажной атмосфере и почве, в морской и речной воде, водных растворах солей, щелочей и кислот. При электрохимической коррозии возникает коррозионный ток и происходит растворение металла вследствие его электрохимического взаимодействия с электролитом. Электролитами при этом могут быть любые жидкости, проводящие электрический ток.

Коррозия большинства металлов протекает по электрохимическому механизму. Примерами могут быть ржавление металлических конструкций в атмосфере, корпусов судов в речной и морской воде, коррозия оборудования химических предприятий, стальной арматуры гидросооружений.

При соприкосновении металла с электролитом положительно заряженные ионы металла с поверхности переходят в электролит. При этом электролит становится положительно заряженным, а поверхность металла — отрицательно. Между металлом и электролитом возникает электродвижущая сила. Вследствие постоянного перехода ионов с поверхности металла в электролит будет происходить его постепенное растворение, т.е. коррозия.

Количество электролита при коррозии может быть весьма незначительным. Например, для начала процесса коррозии достаточно конденсации влаги из воздуха на поверхности металла, поэтому электрохимическая коррозия наблюдается и в закрытых помещениях.

В зависимости от условий, в которых протекают коррозионные процессы, различают атмосферную, морскую, почвенную, кислотную и щелочную, по характеру разрушения — равномерную и местную коррозию. Кроме того, выделяют другие виды коррозионного разрушения.

Кавитационая коррозия — это разрушение металла в результате электрохимической коррозии и ударного воздействия кавитационных пузырьков электролита при его движении с большой скоростью.

Точечная коррозия — вид местной коррозии в электрохимически неоднородной коррозионной среде. Это наиболее опасный вид коррозии, так как распространяется на значительную глубину и быстро приводит изделие в негодность. Чаще всего точечная коррозия наблюдается в местах механических повреждений поверхности изделия (риски, царапины, задиры), поэтому она особенно опасна для герметичных конструкций (трубопроводы, емкости, аппараты химической промышленности и т.п.), поскольку контроль за состоянием их поверхностей затруднен.

Межкристаллитная коррозия представляет собой хрупкое коррозионное разрушение по границам кристаллов, возникающее в результате структурных превращений в процессе эксплуатации.

Коррозия начинается с поверхности и распространяется в глубь изделия, в основном по границам зерен. Этот вид коррозии имеет место также при термической обработке стали или при обработке давлением, если неправильно выбраны режимы нагрева. Такая коррозия мало заметна при визуальном осмотре, поэтому представляет определенную опасность.

Коррозионная усталость — это разрушение металла при одновременном воздействии циклических нагрузок и агрессивной среды. Установлено, что разрушение металлов при коррозионной усталости более значительно, чем при раздельном воздействии циклических нагрузок и коррозионной среды. Вследствие этого выносливость металлов в коррозионной среде существенно уменьшается.

Химическая коррозия — разрушение металла вследствие химического взаимодействия с внешней коррозионной средой. Продуктами химической коррозии являются химические соединения металла с окислительными компонентами среды, например образование ржавчины, вызванное действием кислорода и влаги:

4Fe + 2Н20 + 302 = 2(Fe203 Н20)

Химическая коррозия развивается при воздействии на металл сухих газов (например, продуктов сгорания топлива), сухого водяного пара, кислорода, а также жидкостей, не проводящих электрический ток.

В чистом виде химическая коррозия наблюдается, например, при высокотемпературном нагреве стали для горячей обработки давлением или термической обработки (образование окалины), на деталях топок и котлов, тепловых двигателей, газо- и нефтепроводов.

В отдельных случаях пленки из образовавшихся при химической коррозии соединений предохраняют металлы от дальнейшего разрушения. Например, плотная оксидная защитная пленка образуется на поверхности алюминия, никеля, хрома и некоторых других металлов. Пленки оксидов железа на стальных деталях непрочные, они неплотно прилегают к поверхности металла и не препятствуют проникновению коррозии в глубь деталей.

Для оценки степени разрушения металлов в процессе коррозии принят показатель, называемый коррозионной стойкостью. Коррозионную стойкость металлов можно оценить внешним осмотром, при этом определяют характер распространения коррозии, особенности продуктов коррозии, прочность их сцепления с поверхностью металла и т.п.

Мерой коррозионной стойкости металлов может быть скорость коррозии, которую определяют по изменению массы металла в результате коррозии, отнесенной к единице площади поверхности, в единицу времени. В частности, скорость коррозии выражают массой (в граммах) металла, превращенного в продукты коррозии за единицу времени (1 ч) и отнесенной к единице его поверхности (1 м2).

На скорость коррозии влияет состав металлов, их механическая и термическая обработка, состояние поверхности, а также температура, характер среды и нагрузки. С повышением температуры скорость коррозионных процессов возрастает. Полированные поверхности окисляются медленнее, так как пленка оксидов более равномерна по толщине и поэтому более прочно сцеплена с поверхностью металла.

По способности противостоять коррозионному воздействию внешней среды металлы подразделяют:

	на коррозионно-стойкие, обладающие стойкостью к электрохимической коррозии (например, высоколегированные хромистые стали);

	жаростойкие, способные сопротивляться коррозионному воздействию агрессивных газов в ненагруженных или слабо нагруженных конструкциях, при высоких температурах (выше

550 °С);

	жаропрочные, работающие в нагруженных узлах машин и длительно сохраняющие работоспособность при высоких температурах;

	кислотостойкие, не разрушающиеся в агрессивных кислотных средах.

Все конструкционные и инструментальные материалы в большей или меньшей степени подвержены коррозионному действию внешней среды. Большая часть изделий в машиностроении изготовлена из сталей и чугунов, поэтому их защита от коррозии представляет наибольший интерес.

Существует много способов защиты металлов от коррозии. Выбор того или иного способа определяется конкретными условиями работы или хранения изделия. В настоящее время с целью увеличения срока службы изделий и обеспечения надежности их работы используют следующие способы защиты от коррозии: нанесение металлических и неметаллических покрытий, применение ингибиторов коррозии, химическая и электрохимическая защита.

Металлические покрытия применяют для защиты от коррозии деталей машин и приборов, а также различных металлоконструкций. При этом выбирают металл, обладающий достаточной коррозионной стойкостью в данной среде. В ряде случаев нанесенные покрытия могут повысить износостойкость не только отдельных деталей, но и изделия в целом.

Различают два типа металлических покрытий — анодное и катодное. При анодном покрытии изделие защищают металлом с большим отрицательным электродным потенциалом. Срок службы анодных покрытий возрастает при увеличении их толщины. Анодное покрытие защищает основной металл готовых изделий электрохимически. Для железоуглеродистых сплавов в качестве анодного покрытия может быть использован цинк или кадмий. Покрытие из цинка наносят также на медь, латунь, алюминий. Цинковые покрытия широко применяют для защиты листовой стали, а также водопроводных труб и различных резервуаров от действия воды и других жидкостей.

Катодные покрытия производят металлами, электродный потенциал которых в данном электролите выше потенциала основного металла. Катодные покрытия создают механическую защиту основного металла. Нарушение сплошности покрытия (например, механическое повреждение) приводит к усилению электрохимической коррозии основного металла. Для сталей катодным покрытием может быть олово, медь, никель.

Металлические покрытия наносят различными способами. Наиболее часто применяют горячий способ, гальванизацию, а также напыление и плакирование.

При горячем способе получения покрытия изделие погружают в расплавленный металл, который смачивает поверхность и покрывает ее тонким слоем. Затем изделие вынимают из ванны и охлаждают. Горячий способ применяют для нанесения тонкого слоя олова (лужение) или цинка (цинкование).

Лужение применяется в производстве белой жести, для покрытия внутренних поверхностей пищевых котлов и для других целей, цинкование — для защиты проволоки, кровельного железа, труб.

Гальванизация, т.е. нанесение металлических покрытий гальваническим путем, основана на физических законах о прохождении постоянного электрического тока через жидкую среду- электролит. При этом в качестве анода применяют металл, который необходимо нанести в качестве покрытия. Катодом служит изделие. При пропускании тока через электролит анод растворяется в электролите и наполняет его катионами, которые затем разряжаются на катоде (изделии). Гальванизация обеспечивает нанесение покрытия практически из любого металла на заготовки также из любого металла. Толщину гальванического покрытия можно регулировать в достаточно широких пределах.

Напылением плазменной струей наносят антикоррозионные покрытия из расплавленного металла (металлизация), оксидов, боридов, нитридов и других соединений. Они могут применяться в виде проволоки, прутков или порошков. Аппараты для напыления называются металлизаторами. Преимуществом плазменного напыления является формирование покрытий высокой плотности при хорошей сцепляемости с основанием.

Плакирование (термомеханическое покрытие) заключается в совместной горячей прокатке основного и защитного металлов. Сцепление между металлами осуществляется в результате диффузии под влиянием совместной деформации горячей заготовки. Защищаемый металл покрывают с одной или с обеих сторон медью, медными сплавами, алюминием или нержавеющей сталью.

Неметаллические покрытия выполняются из лаков, красок, эмалей, смазок, пластмасс и других органических и неорганических веществ.

Наиболее распространенным способом защиты металлоконструкций, машин и механизмов от воздействия различных агрессивных сред являются лакокрасочные покрытия, которые имеют значительные преимущества перед металлическими. Они легко наносятся на изделие, хорошо закрывают поры, не влияют на свойства металла и являются сравнительно недорогими. При правильном подборе лаков и красок и соблюдении технологии их нанесения срок службы покрытий около 5 лет.

Технологический процесс нанесения лакокрасочного покрытия включает подготовку поверхности, приготовление лакокрасочных материалов, нанесение покрытий и их сушку.

При длительном хранении и транспортировке металлические изделия покрывают специальными консервационными смазками и жирами. При необходимости смазки периодически обновляют.

Ингибиторы коррозии — это органические и неорганические соединения, которые вводят в небольших количествах в агрессивную среду для предотвращения коррозии или уменьшения ее скорости. Ингибиторы коррозии используют, например, для защиты различных трубопроводов, теплообменных аппаратов, нефтедобывающего и химического оборудования.

Химическая защита заключается в искусственном создании на поверхности изделия защитных пленок. Защитные пленки получают при воздействии на металл сильных химических реагентов. Наведение оксидных пленок называют оксидированием. Наиболее широко применяют оксидирование для защиты от коррозии алюминия, магния и их сплавов.

На стальных изделиях наводят также пленки из фосфатов марганца и железа. Этот процесс называют фосфатированием. Получаемые при этом пленки прочнее оксидных.

Электрохимическая защита — защита металлов от коррозии при помощи протекторов. Протекторы применяют для защиты конструкций, соприкасающихся с электролитом. Протекторы. — пластины из металла, имеющего в данной среде меньший электродный потенциал, чем потенциал основного металла. Протекторы прикрепляют к поверхности защищаемого изделия, в результате образуется гальваническая пара, в которой анодом является протектор, а катодом — изделие. В таких условиях протектор будет постепенно разрушаться, защищая основной металл. После полного разрушения протектор заменяют. Таким способом защищают, например, подводные части морских судов, прикрепляя к ним цинковые протекторы.

Катодную защиту применяют для защиты подземных металлических сооружений (трубопроводов, кабелей и др.), которые присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а положительный полюс заземляют.

Следует заметить, что значительное повышение антикоррозионных свойств сталей достигается введением в их состав некоторых легирующих элементов. При оптимальном сочетании таких элементов можно создать композиции, практически не корродирующие в данной среде. Так, сталь, содержащая 12 % хрома, коррозионно-стойкая в атмосфере и других средах. Введение в сталь никеля повышает ее кислотостойкость, дополнительная присадка меди повышает антикоррозионность в кислых средах при повышенных температурах.































































































Раздел 5. Основные способы обработки металлов и сплавов.

Тема 5.1.Понятие о литейном производстве.

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения. Продукция литейного производства — отливки, могут быть как готовыми деталями, так и заготовками для последующей обработки в механических цехах. В последнем случае на отливках (литых заготовках) предусматриваются припуски на обработку. Припуск — это часть металла, который снимается в процессе обработки отливки на металлорежущих станках.

Сущность литейного производства заключается в том, что расплавленный металл определенного химического состава заливают в специальную литейную форму, в которой он при охлаждении затвердевает и потом сохраняет очертания этой формы, т.е. конфигурацию пи размеры будущей детали.

В современных машинах масса отливок составляет около 50 % от их общей массы. Широкое использование отливок обусловлено рядом преимуществ литейного производства: возможностью получения разнообразных по массе и конфигурации фасонных отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов; сравнительной простотой и невысокой стоимостью изготовления литых заготовок; возможностью максимального приближения размеров и формы заготовок к готовым деталям; высоким коэффициентом использования металла.

Толщина стенок отливок колеблется в довольно широких пределах — от 0,5 до 500 мм, масса — от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Литьем можно получать отливки как простой, так и достаточно сложной формы, которые невозможно получить другими технологическими методами: поршни и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, рабочие колеса центробежных насосов, лопатки турбин, станины металлорежущих станков, кузнечных прессов и др.

Основные задачи литейного производства: повышение размерной точности отливок и снижение припусков на обработку; повышение производительности и улучшение условий труда; экономия материальных и топливно-энергетических ресурсов; более широкое использование в производстве цветного литья вторичного сырья.

Литейное производство — это технологический процесс получения металлических заготовок (отливок) путем заливки расплавленного металла в специально приготовленные формы. Система каналов, через которые литейная форма заполняется жидким металлом, называется литниковой системой.

Литейные формы могут использоваться только один раз или многократно. В связи с этим различают разовые и постоянные формы. Разовые формы разрушаются при извлечении из них отливок. Они могут быть изготовлены из песчано-глинистых, пес- чано-смоляных и песчано-керамических формовочных смесей, выполняются они объемными (большой толщины) или оболочковыми (небольшой толщины). Постоянные формы, обычно выполненные из металла, выдерживают многократную заливку (от сотни до тысячи раз).

В литейном производстве применяются сплавы, обладающие высокими литейными качествами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, небольшой ликвацией и малым газопоглощением. Основными литейными сплавами являются чугуны и стали, которые используются наиболее широко, а также бронзы, латуни, сплавы магния и цинка. Масса чугунных отливок составляет около 75 % от общего объема производимого литья, а стальных — более 20 %.

Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления различных материалов. Для выплавки чугуна и стали в качестве исходных материалов (шихты) используют литейные или передельные чугуны, чугунный или стальной лом, отходы собственного производства (литники, бракованные отливки, прибыли ) и ферросплавы; цветных сплавов — как первичные металлы и сплавы, производимые на металлургических заводах, так и вторичное сырье, полученное переплавкой цветного лома.

В литейном производстве широко применяют индукционные высокочастотные печи, позволяющие регулировать состав газовой атмосферы или создавать вакуум, индукционные печи промышленной частоты, электрические дуговые печи и печи сопротивления. Для плавки чугуна применяют также вагранки, представляющие собой шахтные печи, выложенные изнутри огнеупорным кирпичом. Производительность вагранок от 1 до 20 т/ч. В них переплавляется более 80 % чугуна для производства отливок. В зависимости от масштабов производства, размеров и форм отливки могут быть получены различными способами. Основными являются литье в песчано-глинистые формы, литье по выплавляемым моделям, в постоянные металлические формы (литье в кокиль) и в оболочковые формы, литье под давлением и центробежное литье.



Тема 5.2. Прокатное производство.

Прокатка — это процесс обжатия заготовки между вращающимися валками прокатного стана с целью придания ей требуемой формы и размеров (см. рис. 52, а).

Продукцией прокатного производства является металлопрокат различных профилей, размеров и назначения.

Форму поперечного сечения проката называют профилем. Профиль по длине изделия может быть либо постоянным, либо переменным (периодическим). Перечень наименований профилей, содержащих сведения об основных их размерах и технических характеристиках, называют сортаментом. Наличие сортамента позволяет использовать металл непосредственно в том состоянии, в котором он поставлен предприятию металлургическим заводом. При этом затраты на последующую механическую обработку будут минимальными. Поэтому широкое применение проката является одним из важнейших путей более эффективного использования металла.

Сортамент проката делится на следующие основные группы: сортовой прокат, листовой прокат, трубы и профили специального назначения. Исходной заготовкой для проката служат стальные слитки массой до 25 т. Из слитков на обжимных прокатных станах получают заготовки квадратного профиля — блюмы, используемые для изготовления сортового проката, и слябы — заготовки прямоугольного профиля, из которых получают лист и полосы. 

Сортовой прокат подразделяют на простой и фасонный (сложного профиля). К простому прокату относят профили с простой геометрической формой сечения — круг, квадрат, шестигранник и др., к прокату фасонного профиля (рис. 53) — сталь угловую, тавр, швеллер и др

Листовой прокат разделяется на тонколистовую и толстолис товую сталь. Листовой прокат толщиной менее 4 мм называют тонколистовым, а более 4 мм — толстолистовым. Ширина листов тонколистовой стали 600...2200 мм. К этому виду продукции относится, например, сталь оцинкованная, жесть белая (покрытая оловом), трансформаторная сталь, стальная лента.

Трубы в зависимости от технологии их производства делят на бесшовные и сварные. Трубы стальные бесшовные прокатываются с наружным диаметром от 30 до 650 мм и толщиной стенок от 2,5 до









			                                                                   б               л	               м	            н

Рис. 53. Виды сортового проката общего назначения: а — круг; б — квадрат; в — шестигранник; г — лист; д — сталь сегментная; ж — сталь трехгранная; з, и — сталь соответственно угловая равнобокая и неравнобокая; к — тавр; л — швеллер; м — двутавр; н — рельс











55 мм. Трубы сварные с наружным диаметром до 1420 мм изготавливают из полосы толщиной до 20 мм. В настоящее время осваивается производство сварных труб для магистральных газопроводов диаметром до 2200 мм.

К профилям специального назначения относятся, например, заготовка вагонной оси, цельнокатаные колеса для вагонов, зубчатые колеса. Этот вид проката чаще всего применяется как фасонная заготовка для последующей штамповки или как заготовка под механическую обработку.

Все геометрические параметры стального проката регламентированы соответствующими стандартами.

Технологический процесс прокатного производства включает следующие обязательные операции: подготовка исходного материала, его нагрев, удаление окалины, прокатка и отделка. Иногда прокатную продукцию подвергают различным операциям термической обработки.

Нагрев металла перед прокаткой повышает его пластичность и улучшает физико-механические свойства. Однако в обычных пламенных печах на поверхности многих металлов и сплавов образуется окалина, которая в процессе прокатки вдавливается в поверхность металла, что существенно ухудшает качественные характеристики проката. Поэтому удаление окалины перед прокаткой является одной из основных операций прокатного производства. Наилучшим способом удаления окалины является гидроочистка. С этой целью на рабочих клетях устанавливают сопла для подачи на заготовку воды под давлением до 10 МПа. Для снижения окалинообразования нагрев ведут в электрических печах.

Прокатка листов, полос и фольги производится в валках с гладкой рабочей поверхностью. Для получения фасонного проката используют калиброванные валки с ручьями (канавками) по окружности. Совмещенные ручьи одной пары валков образуют калибры. Пример калибровки валков для прокатки балок двутаврового сечения показан на рис. 54. При пропускании прокатываемой заготовки через серию калибров постепенно происходит



Рис. 54. Калибры валков для прокатки балок двутаврового сечения

Для обработки поковок используют кувалды, ручники, гладилки, прошивки, зубила, обжимки и другие инструменты. К инструменту для удержания относятся различные клещи и наковальни. Для измерения поковок применяют линейки, угольники, кронциркули, шаблоны и др.



Рис. 56. Инструмент для ручной ковки: а — кувалды; б — ручники; в — гладилки; г — прошивки; д — зубила; е — обжимки; ж — подбойки; з — вершник; и — гвоздильни; к — скоба; л —

клещи



Технологический процесс свободной ковки состоит из подбора и нагрева заготовки, собственно ковки на молоте или прессе, отделки и контроля полученной поковки. В случае серийного производства разрабатывают технологические карты на каждую операцию, в которых отражается последовательность процесса изготовления поковки с расчетом норм времени на обработку.

Для механизации тяжелых и трудоемких операций ковки применяют различные краны, кантователи и манипуляторы, создают кузнечные машины с программным управлением, автоматизируют управление ковочными машинами.

Тема 5.3. Физические основы процесса. Электродуговая сварка.

Важнейшим промышленным видом сварки металлов в настоящее время является электродуговая сварка. Она используется для получения неразъемных соединений черных и цветных металлов. При этом способе сварки кромки деталей и конец электрода разогреваются до плавления электрической дугой.

Электрическая дуга — это длительный мощный электрический разряд в газовой среде между двумя электродами. Дуга загорается при кратковременном соприкосновении электрода и .основного металла и последующем их разъединении. При соприкосновении электрода с изделием устанавливается режим короткого замыкания, а после отвода электрода от изделия на 3...4 мм зажигается дуга (рис. 66). При установившемся режиме дуга 

Технологическими параметрами режима сварки являются сила сварочного тока, напряжение и скорость процесса. Сила сварочного тока согласуется с толщиной свариваемых деталей и выбирается в зависимости от типа и толщины электрода. Обычно она не превышает 250 А. Рабочее напряжение при установившейся дуге не превышает 25 В, хотя для зажигания дуги требуется напряжение 45...50 В. Следствием неправильно выбранного режима могут быть различные дефекты сварных швов — непро- вары, трещины, шлаковые включения, поры, пережог и др. Силу сварочного тока регулируют изменением воздушного зазора S в магнитопроводе дросселя (см. рис. 67). При максимальном S магнитное сопротивление будет наибольшим, магнитный поток — наименьшим. Так как э.д.с. самоиндукции определяется исключительно магнитным потоком, то она в данном случае будет минимальной. Следовательно, приложенное напряжение будет гаситься в меньшей степени, что обусловит й цепи максимальный ток.

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой металлические стержни диаметром от 1 до 12 мм и длиной до 450 мм. Их изготавливают из специальной сварочной проволоки марок Св08, Св08Г, Св10Г2 и др. Содержание углерода в проволоке, как правило, ограничивается, что улучшает пластичность наплавленного металла. Электроды диаметром 1...2 мм применяют для сварки металла толщиной до 2 мм. С увеличением толщины свариваемого металла диаметр электродов увеличивают, например при сварке металлов толщиной 5... 10 мм используются электроды диаметром 4...5 мм.

Стальные электроды для ручной дуговой сварки покрывают специальными обмазками для обеспечения более устойчивого горения дуги и повышения качества сварного шва. Применяют электродные обмазки двух видов — тонкие и толстые. Тонкие обмазки (обычно мел и жидкое стекло) используют только для обеспечения устойчивости горения дуги. Их применяют для сварки малоответственных изделий из углеродистой стали. Для сварки ответственных изделий применяют электроды с толстой обмазкой (покрытием). В их состав входят шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, ионизирующие и связующие компоненты.

Для сварки высоколегированных сталей применяют электроды из электродной проволоки, имеющей примерно такой же состав, как и свариваемая сталь.

Сварочный пост организовывается, как правило, в отдельной кабине и огораживается от остальной части цеха плотной ширмой. Он должен иметь рабочий стол, сборочно-сварочные приспособления, контрольно-измерительные инструменты и приборы, элек- трододержатель, гибкий кабель для подвода тока, электроды и др. Сварщики обеспечиваются спецодеждой и спецобувью, а также предохранительными щитками или шлемами со специальными светофильтрами для защиты глаз и лица от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, излучаемых электрической дугой.

Ручная дуговая сварка достаточно трудоемка, для ее проведения требуются высококвалифицированные сварщики, поскольку качество сварных швов во многом зависит от их навыков и способностей. Скорость ручной дуговой сварки не превышает 1,6 м/ч.

При автоматической сварке обеспечивается автоматическое зажигание дуги, автоматически поддерживается стабильный режим ее горения в процессе сварки. Кроме того, механизируются подача электродной проволоки в сварочную ванну по мере расходования электрода и передвижение дуги вдоль шва. Если механизировано только одно движение, а второе — выполняет сварщик, то имеет место полуавтоматическая сварка.

Наиболее часто применяется автоматическая сварка под слоем флюса (рис. 68). Дуга при этом горит в газовом пузыре, образованном парами металла и компонентами флюса. Флюс поступает в зону сварки из бункера. Часть флюса, окружающего дугу, расплавляется, образуя на поверхности расплавленного металла ванну жидкого шлака.

2



Рис. 68. Схема автоматической сварки под слоем флюса: 1 — свариваемый металл; 2 — стержень электрода; 3 —• расплавленный флюс; 4 — сварной шов; 5 — шлаковая корка

	

	Образовавшаяся после затвердевания расплава шлаковая корка легко удаляется. Благодаря такой защите снижаются потери тепла на излучение, уменьшаются угар и разбрызгивание металла, снижаются термические напряжения. Кроме того, флюс защищает дугу и сварочную ванну от влияния окружающей атмосферы и обеспечивает хорошее формирование шва. При автоматической сварке под слоем флюса производительность повышается в 5... 10 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.

Сварку под слоем флюса проводят автоматическими сварочными аппаратами (рис. 69), перемещающимися непосредственно по изделию. Сварочная головка 5 подает с катушки 3 в зону горения дуги 1 электродную проволоку 4. Сварочная дуга образуется между основным металлом и электродной проволокой. По мере образования сварного шва сварочная головка автоматически перемещается вдоль стыка свариваемых изделий. Гранулированный флюс из бункера 2 непрерывно засыпается в разделку шва перед дугой. При горении дуги основной металл и электродная проволока расплавляются под слоем флюса. Часть флюса от соприкосновения с дугой расплавляется и при остывании образует твердую корку, покрывающую шов. Флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается обратно в бункер через трубку 6.

Автоматическую сварку под слоем флюса применяют преимущественно для сварки прямолинейных и кольцевых швов. При этом толщина свариваемых металлов составляет 2...100 мм. Сваривать можно углеродистые и легированные стали, медные и алюминиевые сплавы, титан.

Электродную проволоку выбирают в зависимости от марки и состава свариваемого материала. Скорость сварки 30...50 м/ч. Напряжение на дуге 22...55 В.

Флюс для автоматической сварки должен обеспечить устойчивое горение дуги, хорошее формирование и достаточные механические свойства сварного шва. При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым. Для сварки, например, низкоуглеродистых сталей применяют флюсы, содержащие марганцевую руду, плавиковый шпат, кварцевый песок и ферросилиций. Иногда в состав флюсов для улучшения их технологических свойств вводят фторид кальция CaF2.

                                                                 1 — зона горения дуги; 2 — бункер для гранулированного флюса; 3 — катушка с электродной проволокой; 4 — электродная проволока; 5 — сварочная головка; 6 — трубка для отсоса флюса; 7 — шлаковая корка



Для защиты свариваемого металла от воздействия кислорода и азота воздуха часто применяют дуговую сварку в защитных газах. В качестве защитных газов используют аргон, гелий, углекислый газ. Эти способы обеспечивают лучшее качество сварных швов, чем при сварке на открытом воздухе.

Аргон и гелий — инертные газы, которые химически не взаимодействуют с расплавами металлов и не растворяются в них. Их используют для сварки химически активных металлов (магния, титана, алюминия и др.), а также высоколегированных сталей.

Сварку в углекислом газе применяют для соединения заготовок из конструкционных углеродистых сталей. В отдельных случаях используют смеси газов, которые обеспечивают лучшие технологические свойства сварных швов.

Защитные газы поставляют в баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа (аргон, гелий) и 6...7 МПа (углекислый газ).

Наибольшее промышленное применение имеет аргонодуговая сварка. Обычно она выполняется неплавящимся вольфрамовым электродом 3 (рис. 70), установленным в мундштуке 4 специальной горелки. Через горелку пропускают аргон (или гелий), который создает вокруг зоны сварки защитную газовую оболочку. Возбуждение электрической дуги 6 происходит между электродом и свариваемой деталью 1. Для заполнения жидким металлом ванны в зону сварки вводят присадочный пруток 2, химический состав которого близок к составу свариваемой стали. Аргон подается в горелку под давлением 0,3...0,5 МПа.



.3



Рис. 70. Схема аргонодуговой сварки: 1 — свариваемая деталь; 2 — присадочный пруток; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — мундштук; 5 — поток аргона; 6 — электрическая дуга; 7 — расплавленный металл



Большинство металлов сваривают на постоянном токе прямой полярности. Такое включение («плюс» на изделии) обеспечивает более высокую стойкость вольфрамового электрода. Поэтому, например, при диаметре электрода 3 мм при прямой полярности допускается сила тока 140...280 А, а при обратной — только 20...40 А. При обратной полярности резко повышается нагрев электродов и их расход. Это объясняется тем, что в электрической дуге наибольшее количество теплоты выделяется на аноде. Поэтому для сварки многих цветных металлов используют переменный ток.

Сварка вольфрамовым электродом может выполняться в ручном режиме или же с помощью специальных полуавтоматических и автоматических установок. Напряжение на дуге 12...16 В, сварочный ток 120...160 А, расход аргона 6...7 л/мин. Автоматическую сварку вольфрамовым электродом применяют для соединения заготовок сравнительно небольшой толщины — до 4 мм, без разделки кромок.



Тема 5.4. Газовая сварка и резка металла.

	При газовой сварке кромки металла и присадочный материал нагреваются пламенем, получаемым при сгорании горючих газов в кислороде.

	В качестве горючих можно использовать ацетилен, природные газы, пары бензина и керосина и др. Сварочное пламя должно иметь максимально высокую температуру, быть экономичным и нейтральным по отношению к жидкому металлу. Наиболее часто используют ацетилен С2Н2, поскольку он имеет наибольшую теплоту сгорания, температура пламени при горении в чистом кислороде 3150 °С.

	Кислород, необходимый для проведения газосварочных работ, получают обычно из воздуха методом его сжижения при очень глубоком охлаждении. Хранят и транспортируют кислород в специальных баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа. В одном баллоне содержится около 6 м3 кислорода. Кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет. Баллоны подлежат испытанию каждые 5 лет.

	Обычно ацетилен получают непосредственно на месте производства сварочных работ из карбида кальция при взаимодействии его с водой по реакции

	СаС2 + 2НаО = С2Н2Т + Са(ОН)2

	Из 1 кг карбида кальция можно получить около 320 л ацетилена. Для получения ацетилена используются специальные ацетиленовые генераторы.

	Для сварки можно использовать и ацетилен из баллонов, где он находится в растворенном виде. Баллоны для ацетилена заполняют специальным активированным древесным углем, пропитанным ацетоном. Ацетилен хорошо растворяется в ацетоне и перестает быть взрывоопасным. В баллонах ацетилен находится под давлением 1,5... 1,6 МПа. При избыточном давлении выше 1,75 МПа ацетилен взрывоопасен. Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет.

	Сварку проводят при непосредственном питании от генератора или от ацетиленового баллона. Для понижения давления сжатого газа, забираемого из баллонов, применяют специальные редукторы. Они поддерживают давление на выходе из баллона постоянным независимо от давления газа в баллоне. Кислородные редукторы могут устанавливать давление от 0,3 до 1,5 МПа, ацетиленовые — от 0,02 до 0,05 МПа. Редукторы, применяемые при газовой сварке, обычно имеют два манометра, один показывает давление газа в баллоне, а другой — давление газа на выходе из редуктора, т.е. рабочее давление газа.

	Посты газовой сварки бывают стационарными и передвижными. Питание стационарных постов осуществляется обычно от ацетиленового генератора и баллонов с кислородом, а передвижных — от баллонов с кислородом и ацетиленом.

	Схема оборудования для передвижного газосварочного поста показана на рис. 75, а. Ацетилен и кислород по специальным шлангам 1 и 3 от баллонов, снабженных регуляторами давления газа (редукторами и манометрами) 2, подводятся к газовой горелке .

	

	

	             

	

	Рис. 75. Оборудование для передвижного газосварочного поста (а) и схема инжекторной горелки (б): 1,3 — шланги подачи соответственно ацетилена и кислорода; 2 — регуляторы давления газа; 4 — сварочная горелка; 5 — вентили; 6 — инжектор; 7 — смесительная камера; 8 — наконечник горелки; 9 — мундштук

	Дозировка и смешивание кислорода и ацетилена происходит в сварочной горелке. Наибольшее распространение в промышленности получили инжекторные горелки, работающие на принципе засасывания ацетилена (рис. 75, б).

	Кислород под давлением 0,3...0,4 МПа поступает в горелку и через регулируемый вентиль 5 попадает к инжектору 6. Выходя с большой скоростью из сопла инжектора, кислород создает значительное разрежение в смеситеной камере 7 за инжектором и засасывает ацетилен в каналы горелки. Образовавшаяся в смесительной камере горючая смесь по трубке наконечника 8 поступает к выходному отверстию мундштука 9.

	Основным технологическим параметром газовой сварки является мощность сварочного пламени, которая подбирается по толщине свариваемых деталей, измеряется расходом газа и регулируется сменными наконечниками газовой горелки, имеющими различные диаметры выходных отверстий инжектора и мундштука, что дает возможность регулировать мощность сварочного пламени. Присадочный металл в виде прутков или проволоки вводят в пламя горелки.

	Сгорание смеси происходит на выходе из мундштука. Ацети- ленокислородное сварочное пламя (рис. 76) состоит из трех зон: ядра пламени 1, сварочной (восстановительной) зоны 2 и факела (окислительной зоны) 3.

	В зависимости от соотношения (по объему) ацетилена и кислорода в горючей смеси пламя может быть нормальным, окислительным и науглероживающим. Регулируют характер пламени визуально по его цвету. Газовое пламя считается нормальным, когда соотношение газов 02 : С2Н2 = 1 или несколько больше. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей. При увеличении содержания кислорода в смеси пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет четко очерченное ядро. Такое пламя является окислительным и его используют при сварке латуней. При недостатке 02 (избытке ацетилена) пламя становится коптящим, удлиняется и приобретает красноватый оттенок. Такое пламя называется науглероживающим, его используют для сварки чугуна.

	

	

	t,° С 3000

	2000

	1000

	, см

	Рис. 76. Схема ацетиленокислородного сварочного пламени и график изменения температуры пламени: 1 — ядро пламени; 2 — сварочная (восстановительная) зона; 3 — факел (окислительная зона); d — расстояние от мундштука горелки до зоны

	пламени

	Газовой резкой называется процесс сгорания металла в струе кислорода. Резка может быть ручной и машинной. Для ручной резки применяют резак (рис. 77), имеющий сменные мундштуки.

	Конструкция резака отличается от конструкции сварочной горелки наличием дополнительного канала 2 для подачи режущего кислорода. Мундштук резака 1 имеет центральное отверстие для режущего кислорода.

	

	Рис. 77. Схема газового резака: 1 — мундштук; 2 — канал для режущего кислорода; 3, 4, 5 — вентили

	

	При кислородной резке металл в месте разреза нагревают газовым пламенем до температуры его воспламенения в кислороде, затем на нагретую поверхность направляют струю режущего кислорода. Воспламенившийся металл выделяет при горении большое количество теплоты, которое вместе с подогревающим пламенем разогревает следующие слои. Вследствие этого горение распространяется на всю толщину металла. Образующиеся при сгорании металла оксиды сдуваются струей кислорода.

	Газокислородной резке хорошо поддаются конструкционные стали с содержанием углерода до 0,7 %. Кислородная резка чугуна затруднена, так как чугун начинает плавиться раньше, чем успевает нагреться до температуры воспламенения в кислороде. По этой же причине не поддаются обычной резке медные и алюминиевые сплавы. Медные сплавы, кроме того, имеют высокую теплопроводность.

	Газокислородная резка позволяет резать листы металла толщиной до 300 мм простейшей аппаратурой, проводить резку на монтаже и в полевых условиях, широко используется почти во всех областях металлургической и металлообрабатывающей промышленности, применяется также при раскрое листовой стали, вырезке косынок, кругов, фланцев и других фасонных заготовок.

	Не поддающиеся обычной газовой резке высоколегированные стали, чугуны, некоторые цветные металлы и сплавы разрезают, используя способ кислородно-флюсовой резки.

	

	Раздел 6. Неметаллические материалы теплоэнергетического оборудования и трубопроводов.

	Тема 6.1. Теплоизоляционные материалы.

	

Теплоизоляционные материалы характеризуются низкой теплопроводностью, оценивающейся соответствующим коэффициентом, показывающим, какое количество тепловой энергии (Вт) пропускает 1 м2 материала толщиной в 1 м при перепаде температур в 1 °С в течение часа. Теплопроводность материалов в основном зависит от их пористости и влажности. Зависимость теплоизоляционных свойств материала от пористости обусловлена малой теплопроводностью воздуха, содержащегося в порах материала.

Теплоизоляционными материалами условно считаются те, пористость которых обеспечивает коэффициент теплопроводности меньше 0,21 Вт/(м • °С) и объемную массу не более 700 кг/м3.

Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам: негигроскопичность, так как при увлажнении повышается их теплопроводность; механическая прочность, которая должна обеспечивать надежность материала при монтаже и эксплуатации; высокая биостойкость, исключающая гниение и порчу грызунами; химическая стойкость, обеспечивающая неразрушаемость под действием жидкостей и газов.

Теплоизоляционные материалы и изделия классифицируются: по виду исходного сырья, форме и строению материала; по назначению и области применения.

По виду исходного сырья теплоизоляционные материала и изделия разделяют на две группы — органические и неорганические.

К органическим теплоизоляционным материалам относятся древесноволокнистые, древесно-стружечные, торфяные и камышитовые плиты, а также изделия из пластмасс.

К неорганическим теплоизоляционным материалам относятся минеральная вата и изделия из нее, стеклянная вата и изделия из нее, пеностекло, трепельные керамические изделия, асбестсодержащие изделия (асбестоцемештные, асбестодоломитовые, асбестомагнези- альные и т.д.), а также сыпучие теплоизоляционные материалы — керамзитовый гравий, вспученные вермикулит и перлит.

По форме теплоизоляционные материалы делят на штучные и сыпучие.



Штучные материалы (рис. 5.1) получают формованием и приданием им различных форм и размеров — плиты, маты, полуцилиндры, скорлупы, сегменты и др.





                 





Рис. 5.1. Форглованные теплоизоляционные изделия: а Полуцилиндры; б — сегмент; в — сегмент, выпиленный из плиты; г — кирпич; д — плита



Сыпучие материалы получают в виде бесформенных масс волокнистого строения или порошкообразных масс зернистого строения, а также в виде их смесей. Это керамзитовый гравий, вспученный вермикулит, необработанная (комковатая) или гранулированная минеральная вата, торфяная крошка, древесная шерсть.

Порошкообразные смеси, применяемые в виде мастик для теплоизоляции трубопроводов и оборудования, также относят к сыпучим материалам. Например, для этих целей используют асбозурит, ас- бестотрепельный порошок.

Штучные (формованные) изделия подразделяют на жесткие и гибкие. К первым относят плиты, блоки, кирпич, скорлупы и др. (см. рис. 5Д)5 ко вторым — маты, войлоки, шнуры и т.п.

По типу применения материалы разделяют на две группы: для тепловой изоляции холодных поверхностей в зданиях (стен, перекрытий) и для изоляции горячих поверхностей (теплопроводов, оборудования).

Деление теплоизоляционных материалов по виду применения можно считать условным, поскольку многие материалы, особенно неорганические, используют для теплоизоляции как строительных конструкций, так и промышленного оборудования. К таким материалам относят минеральную и стеклянную вату, пеностекло, ячеистые бетоны и др. Для теплоизоляции промышленного оборудования, работающего при более высоких температурах, чем строительные конструкции, применяют, как правило, эффективные материалы с меньшим значением теплопроводности.

По структуре вещества (его строению) теплоизоляционные материалы разделяют на несколько групп: ячеистые, волокнистые, зернистые, пластинчатые.

Строение материала влияет не только на его теплоизоляционные свойства, но и на другие показатели. На теплоизоляционные свойства материалов оказывает влияние их структура, особенно на материалы волокнистого строения, так как теплопроводность поперек волокон значительно меньше, чем вдоль них (древесины, например, в 2 раза).

5.1.1. Органические теплоизоляционные материалы

Органические теплоизоляционные материалы изготовляются из растительного, животного или синтетического сырья.

К теплоизоляционным материалам на основе растительного сырья относятся торфяные плиты, изготовляемые из слаборазло- жившегося торфа с добавками, повышающими водо- и биостойкость и понижающими горючесть.

Температура применения ограничена + 100 °С. Основное назначение торфоплит — тепловая изоляция строительных конструкций, холодильного оборудования и трубопроводов с температурой до -60 °С.

Торфоплиты изготовляются мокрым и сухим способом и формуются размером 1000 х 500 х 30 мм, толщиной 60 и 90 мм.

Выпускают торфоплиты обыкновенные и с повышенной водо- и биостойкостью (табл. 5.1).

Таблица 5.1  Технические характеристики торфяных теплоизоляционных плит

Показатель

Обыкновенные

Специальные

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ "С)

0,058

0,0559

Объемная масса при влажности 15%, кг/м3

170

220

Предел прочности при изгибе, кПа/см2

300*

300



Материал хранится и транспортируется в жесткой таре в условиях, исключающих его увлажнение, повреждение и возможность возгорания.

Древесно-волокнистые плиты изготовляют из древесного волокна с добавлением веществ, повышающих водостойкость, биостойкость и огнестойкость.

Древесно-волокнистые плиты подразделяются на мягкие, полутвердые, твердые и сверхтвердые.

Для целей теплоизоляции используют мягкие древесно-волокнистые плиты, так как они обладают малой теплопроводностью. Мягкие плиты выпускают следующих марок: М-4, М-12, М-20 (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Технические характеристики древесно-волокнистых мягких (изоляционных) плит

Показатель

М-4

М-12

М-20

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

0,047

0,06

0,08

Объемная масса при влажности 15% кг/м3

150

350

350

Предел прочности при изгибе, кПа/см2

400

1200

2000



Древесно-волокнистые плиты выпускают следующих размеров, мм: длина 1200,1800,2500,2700,3000; ширина 1200,1700; толщина 8, 10, 12, 16, 25.

Пробковые плиты изготовляют из отходов пробкового производства. Эти плиты обладают стойкостью против гниения, низким водопоглощением, малой объемной массой и достаточной огнестойкостью (не горят открытым пламенем, а лишь медленно тлеют), не поражаются домовым грибом и не повреждаются грызунами. Объемная масса пробковых плит 150—250 кг/м3, теплопроводность 0,047—0,093 Вт/(м • °С). Пробковые плиты вырабатывают размером 100 х 50 см, толщиной 25—125 мм.

Из-за высокой стоимости пробковых плит и дефицитности сырья (натуральная пробка — кора пробкового дуба) плиты применяют в особо ответственных случаях, например для теплоизоляции холодильников.

Теплоизоляционные материалы на основе синтетического сырья изготовляют различными способами из синтетических смол. Сырьем для их изготовления служат термопластичные (полистирольные, поливинилхлоридные, полиуретановые) и термореактивные (моче-виноформальдегидные) смолы, вспенивающие вещества, наполнители, пластификаторы и др.

Синтетические теплоизоляционные материалы делятся на дне группы в зависимости от структуры: пенопласты и поропласты.

Пенопласты характеризуются малой плотностью и наличием несообщающихся между собой полостей или ячеек, заполненных газом или воздухом. Поропласты имеют структуры пор, сообщающихся между собой.

Пенополистирол — теплоизоляционный материал из группы пенопластов, представляет собой твердую пену с равномерной пористой структурой. Пенополистирол выпускают в виде плит размером 1000 х 500 х 100 мм.

Наиболее часто применяются плиты ПСБС со следующими техническими характеристиками: коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/(м • °С); объемная масса 25-40 кг/м3; предел прочности при изгибе 70—180 кПа/см2; температура применения от—180 до +70 "С.

Эти плиты стойки к воде, кислотам, щелочам, растворимы в нитросоединениях (бензин, минеральные масла, эфир), сгораемы (самозатухающие). Применяются как эффективный утеплитель в холодильных установках, для теплоизоляции оборудования и строительных конструкций.

Пенопласт ФРП-1 относится к трудносгораемым теплоизоляционным материалам. Это жесткий газонаполненный пластик, изготовленный на основе фенолформальдегидной смолы, светло-корич- невого цвета, с мелкопористой однородной структурой.

Изделия из пенопласта ФРП-1 применяются для тепловой изоляции трубопроводов, прокладываемых в тепловых сетях подземных прокладок, и в холодильной технике (с защитой от увлажнения), а также в строительных конструкциях. Материал изготовляется путем смешения двух жидких, взрывобезопасных и трудно воспламеняемых компонентов в следующих соотношениях по массе: резольная смола (ФРВ-1) 4—6, отвердитель (ВАГ-3) — 1. Изготовленная таким способом композиция заливается в полости, образуемые между формой, устанавливаемой на участке трубопровода, или опалубкой и изолируемой поверхностью оборудования. Заливаемая композиция вспенивается и отверждается в результате химической реакции в течение 6—8 мин.

Технические характеристики изделий из пенопласта марки ФРП-1: коэффициент теплопроводности, при температуре 20 °С— 0,045 Вт/(м • °С); плотность 40-60 кг/м3.

Изделия из пенопласта ФРП-1 выпускают в виде: полуцилиндров внутренним диаметром 45—273 мм; трети цилиндра внутренним диаметром 325—920 мм; четверти цилиндра внутренним диаметром 920—1020 мм. Длина этих изделий 1500 мм. Применяются они для тепловой изоляции теплопроводов.

Изделия из пенопласта при хранении предохраняются от увлажнения. Они транспортируются в деревянных ящиках.

Пенопласт плиточный марки ПХВ — жесткая, пористая по своей структуре пластмасса с замкнутыми порами, изготовляется на основе поливинилхлорида. В зависимости от объемноймассы плиточный пенопласт ПХВ выпускается четырех марок (табл. 5.3).

Таблица 5.3.Технические характеристики пенопласта плиточного ПХВ

Показатель

ПХВ-1-85

ПВХ-1-115

ПХВ-2-150

ПХВ-2-195

Объемная масса, кг/м3

85

115

150

195

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

0,059

0,058

0,058

0,058

Предел прочности при изгибе, кПа/см2

400

700

800

1500



Размер поставляемых плит, мм: длина 520—750, ширина 520—750, толщина 35—70.

Плиты из пенопласта применяют для изоляции строительных конструкций и в холодильных установках (оборудование, трубопроводы). Температура применения от—180 до +70°С.

Пенопласт пенополиуретановый марки ППУ-ЗН6 — газонаполненная мелкопористая жесткая пластмасса, получаемая в результате реакций между несколькими химикатами. Вспененная масса посредством пистолета наносится на изолируемые поверхности. Материал самозатухающий (при изъятии из пламени не горит).

Технические харатеристики пенопласта пенополиуретанового марки ППУ-ЗН6: коэффициент теплопроводности 0,028-0,035 Вт/(м • °С); плотность 40—60 кг/м3; предел прочности при сжатии 200 кПа/см2 температура применения от—180 до +70°С.

Размеры выпускаемых плит 1000 х 1500 и 1000 х 2000 мм. Для снижения теплоотдачи лучистого тепла поверхность теплоизоляционных плит с одной или двух сторон защищают алюминиевой фольгой марок АО, АЮ толщиной от 5 до 40 мкм. Примером таких теплоизоляционных материалов с повышенным отражательным эффектом может служить Пенофол — полиэтиленовый вспененный лист (табл. 5.4).

  Таблица 5.4  Технические характеристики Пенофола

Тип

Толщина, мм

Плотность,

кг/м3

Ширина, см

Длина, м

Площадь,

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

А (односто

3





30

36



ронний)

4





30

36





5

44

120

30

36

0,037



8





15

18





10





15

18



В(двусто- '

3





30

36



ронний)

4





30

36





5

54

120

30

36

0,032



8





15

18





10





15

18



Тип

Толщина, мм

Плотность, кг/м3

Ширина, см

Длина, м

Площадь, м2

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

С (односторонний, самоклейка)

3

74

58

30

17,4

0,038



4





30

17,4





5





30

17,4





8





15

8,7





10





15

8,7





	Неорганические теплоизоляционные 

Теплоизоляционные материалы и изделия из неорганического сырья изготовляют из горных пород, шлаков, стекла и асбеста.

Минеральная вата — теплоизоляционный материал, получаемый из расплава горных пород и металлургических шлаков. Она состоит из тонких и гибких стекловидных волокон. Минеральную вату, получаемую из расплава горных пород, называют горной, а из расплава шлаков — шлаковатой. Процесс производства минеральной ваты состоит из двух основных операций: расплавления сырьевой смеси и превращения расплава в волокна.

Вследствие высокой пористости минеральной ваты, содержащей до 95% объема воздушных пустот, она имеет хорошие теплоизоляционные свойства. Длина волокон минеральной ваты в зависимости от способа производства 2—60 мм. Вата должна содержать не менее 80—90 % тонкого волокна диаметром менее 7 мкм, более толстые волокна диаметром до 60 мкм допускаются в пределах 10—20%.

Минеральную вату выпускают четырех марок: 75,100,125 и 150 (табл. 5.5).

Таблица 5.5Технические характеристики минеральной ваты

Показатель

Марка



75

100

125

150

Объемная масса под действием удельной нагрузки в 0,02 кгс/см2, кг/м3, не более

75

100

125

150

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С), не более, при tcр, °С:

25 100 300

0,036 0,05 0,092

0,038 0,05 0,088

0,04 0,052 0,09

0,042 0,054 0,094

Средний диаметр волокон, мкм, не более

. 6

8

8

8



Содержание серы в минеральной вате не должно превышать 1 %, влажность — не более 2%.

Помимо простоты производства и невысокой стоимости минеральная вата обладает рядом положительных качеств: она не горит, малогигроскопична и достаточно морозостойка; ее можно применять в качестве теплоизоляционного материала при температуре изолируемой поверхности до 600 °С.

Из-за хрупкости и склонности минеральной ваты к пылеобразованию ее россыпью, как правило, не применяют.

Ниже рассмотрены теплоизоляционные изделия из минеральной ваты, получившие наиболее широкое распространение.

Плиты минераловатные на битумной связке. Этот вид изделий представляет собой теплоизоляционный материал, получаемый в результате обработки волокон ваты битумом. В зависимости от уплотнения под удельной нагрузкой 2 кПа/см2 плиты разделяют на мягкие (войлок) и полужесткие. В соответствии с ГОСТ-10140—80 мягкие плиты выпускают длиной 1000, 1500 и 2000, шириной 450, 500 и 1000 и толщиной 50,60,70,80,90 и 100 мм. Полужесткие плиты имеют длину 500 и 1000, ширину 450 и 590 и толщину 50, 60, 70, 80, 90 и 100 мм.

Мягкие и полужесткие минераловатные плиты на битумной связке применяют для теплоизоляции в ограждающих конструкциях зданий, для теплоизоляции промышленных установок, трубопроводов и оборудования при температуре изолируемых поверхностей не выше 60 °С и для теплоизоляции ограждающих конструкций.

Плиты минераловатные на синтетическом связующем. Применение синтетического связующего, как правило, повышает стоимость минераловатных плит, однако они получают новые положительные качества. Важно то, что материал становится пригодным для теплоизоляции поверхностей строительных конструкций и промышленного оборудования с рабочей температурой от —60 до +400 °С. Производственные процессы изготовления плит на синтетическом связующем и на битумной связке во многом аналогичны.

Теплоизоляционные минераловатные плиты выпускаются квадратной и прямоугольной формы размером 1000 х 500 мм, толщиной 50, 75 и 100 мм, а также в форме матов в виде рулонов различных размеров.

Кроме плит разных видов и назначения из минеральной ваты изготовляют и другие теплоизоляционные изделия — скорлупы, сегменты, понуры и др.

Стеклянная вата и изделия из нее. Стеклянная вата представляет собой волокнистый материал, состоящий из тонких и гибких стеклянных нитей, получаемых из расплавленной стекломассы. Для изготовления ваты используют стеклянный бой или сырье, применяемое для производства стекла: кварцевый песок, известняк, кальцинированную соду и сульфат натрия. Стеклянная вата имеет более длинные волокна, чем минеральная, и отличается от нее большей химической стойкостью. Теплопроводность ее не выше 0,052 Вт/(м • °С) при температуре 25 "С, т.е. практически такая же, как и минеральной ваты. Стеклянная вата не горит и не тлеет, не гниет независимо от условий эксплуатации. Структура ваты должна быть рыхлой: количество прядей, состоящих из параллельных, плотно расположенных волокон, — не более 20% по массе. Плотность ее в рыхлом состоянии не должна быть более 130 кг/м3.

Для теплоизоляции стеклянную вату применяют в виде матов, полос, плит, скорлуп и других изделий.



Рис. 5.2. Мат из стекловаты со сквозной простежкой

Маты из стеклянной ваты (рис. 5.2). Маты изготовляют путем прошивки стеклянной ваты, покрытой сверху и снизу слоем проклеенных стеклянных волокон толщиной 1,5 мм. Этот слой скрепляет волокна изделия и предохраняет его от повреждений при транспортировании и монтажных работах. Маты выпускают в виде широких пластин прямоугольной формы длиной 1000—3000, шириной 200-750 и толщиной 10,15, 20,30 и 50 мм и в виде узких полос прямоугольной формы длиной 500-6000 (с интервалами через 500 мм), шириной 30-250 и толщиной 10—30 мм. Плотность матов достигает 170 кг/м3.



Маты изготовляют путем наложения друг на друга и скрепления прошивкой тонких слоев стеклянных волокон, пересекающихся под различными углами. Поверхностный слой из стеклоткани, покрывающий изделие сверху и снизу, должен быть проклеен 2—5%-ным раствором декстрина (клея).

Прошивают маты в продольном направлении асбестовыми или кручеными из стеклянного волокна нитями (рис. 5.3).

Маты используют для теплоизоляции плоских и цилиндрических поверхностей с большим радиусом кривизны.

Технические характеристики теплоизоляционных изделий представлены в табл. 5.6.

Таблица 5.6

Наименование, размеры в мм

Марка

Плотность, кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

Температура применения, °С

Маты из стеклянного волокна:









6000 х 1500 х 60, 50, 40

М25

21-29

0,044

От -60 до + 300

6000 х 1500 х 60, 50, 40

М35

30-41

0,044

От -60 до + 300

Плиты из стеклянного волокна:









1000 х 500 х 50, 75, 100 1000 x 500x50, 100 1000 х 500x50, 75, 100 1000 x 500x50, 100 1000 x 500 x50,100

П-75 П-60 П-45 П-30 П-20

66-84 51-66 36-50 27-38 18-26

0,041 0,042 0,042 0,044 0,044

От -60 до + 400 От -60 до + 375 От -60 до + 350 От -60 до + 300 От -60 до + 300

Холсты из супертонких базальтовых волокон

БСТВ

До 23

0,032

От -65 до + 300







Рис. 5.3. Последовательность простежки мата: 1 — петля простежки; 2 — игла; 3 — слой проклеенных волокон;

4 — перфорированная плоскость простежного стола



Плиты поставляют упакованными в термоусадочную или полиэтиленовую пленку, а также, по согласованию с заказчиком, упаковку плит производят поштучно.

Теплоизоляционные материалы на основе базальтового волокна (БТШ, ATM-IO, БЗМ). Базальтовое волокно образуется при ваграночной плавке из шихт, содержащих горные породы, — в основном базальт или диабаз.

Базальтовая вата отличается от других видов минеральной ваты малым диаметром волокон и их эластичностью, а также сравнительно высокой температуростойкостью. Базальтовая вата инертна к воздействию воды и слабых кислот, что обусловливает ее долговечность.

Шнуры теплоизоляционные базальтовые предназначены для тепловой изоляции поверхностей трубопроводов с температурой от —260 до +700 "С. Они состоят из сердцевины, изготовленной из супертонкого базальтового волокна, и оплетки сердцевины — базальтового жгута.

Шнуры в зависимости от диаметра маркируются от БТШ-6 до БТШ-40, где цифры обозначают диаметр шнура в мм. Коэффициент теплопроводности при средней температуре 5 ~ 25 °С не более 0,047 Вт/(м • °С).

Базальтовые шнуры поставляются в бухтах массой до 30 кг, упакованных в полиэтиленовую пленку или упаковочную бумагу и уложенных в фанерные ящики. Шнуры хранятся в закрытых сухих помещениях и предохраняются от увлажнения и загрязнения. Материал нетоксичен и негорюч.

Холсты из супертонких базальтовых волокон представляют собой слой перепутанных штапельных волокон, скрепленных между собой силами естественного сцепления. Плотность холстов до 23 кг/м3, коэффициент теплопроводности не более 0,032 Вт/(м • °С).

Холсты предназначены для изготовления высокоэффективных тепло-, звукоизоляционных и звукопоглощающих материалов; в строительных конструкциях — в качестве высокотемпературной изоляции в энергетическом и промышленном оборудовании печей; в жилищном, гражданском строительстве — в конструкциях легких многослойных перегородок и стен, в качестве звукоизоляционных слоев междуэтажных перекрытий, в конструкциях легких подвесных потолков для улучшения изоляции от ударного шума; в конструкциях глушителей шума установок вентиляции и кондиционирования воздуха; в качестве фильтров для очистки газовоздушных и жидких сред, а также других изделий со специфическими свойствами, обусловленными тонковолокнистой структурой.

Упаковка изделий производится в полиэтиленовую пленку.

Маты прошивные из минеральной ваты ВФ- 75 изготовляют прошивкой хлопчатобумажной нитью с обкладкой с одной стороны металлической сеткой. Эти маты применяют для теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов с температурой изолируемой поверхности до 600 °С.

Техническая характеристика матов прошивных из минеральной ваты ВФ-75: объемная масса не более 100 кг/м3; коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С — 0,032 Вт/(м • °С), а при 100 °С — 0,049 Вт/(м • °С); влажность не более 1%. Размеры, мм: длина 3000 и 5000, ширина 500 и 1000; толщина (под нагрузкой 0,017 кгс/см2) 50—100 с интервалом 10 мм.

Асбестсодержащие теплоизоляционные материалы обычно содержат хризолитовый асбест, обладающий высокой температуростой- костью. Включение хризолитового асбеста в теплоизоляционные изделия понижает их теплопроводность и повышает прочность. Эти изделия выдерживают высокие температуры при эксплуатации.

Асбестовая бумага — листовой или рулонный материал, изготовленный из асбеста с небольшой добавкой склеивающих веществ (обычно крахмала до 5 % массы асбеста). Асбест подвергают мокрой распушке, а затем из приготовленной массы изготовляют листы на листоформовочной машине. В зависимости от степени распушки асбеста и уплотнения массы на листоформовочной машине объемная масса асбестовой бумаги составляет 450-500 кг/м3, теплопроводность ее 0,12-0,174 Вт/(м • °С) при 0 °С и 0,14-0,198 Вт/(м • "С) при 100 "С.

При нагревании свыше 200 °С объемная масса и прочность асбестовой бумаги вследствие выгорания органических склеивающих веществ уменьшаются, а при температуре свыше 500 °С асбестовые волокна разрушаются вследствие дегидратации асбеста (удаления кристаллизационной воды). Масса 1 м2 асбестовой бумагиО,65—1,9 кг, влажность не выше 3%. Размеры листовой бумаги: длина 1000 и ширина 950 мм с допуском ~ 10 мм, толщина 0,3—1,5 мм. Jim. получения гофрированной бумаги гладкую бумагу пропускают между двумя обогреваемыми рифлеными барабанами. Гофрированная бумага служит для изготовления асбестового картона.

Асбестовый картон изготовляют из асбестовой бумаги или асбестового волокна, смешанного с наполнителем — каолином и связующим веществом — крахмалом. Ячеистый асбестовый картон состоит из чередующихся слоев гладкой и гофрированной бумаги, склеенных между собой жидким стеклом или клеем. Размер его листов 1000 х 1000 мм при толщине 5—50 мм. В зависимости от толщины бумаги и размеров воздушных прослоек его объемная масса составляет 250—600 кг/м3, теплопроводность 0,052-0,093 Вт/(м • °С) при 50 °С.

Картон из асбестового волокна и наполнителя изготовляют на листоформовочных машинах. Размер листов картона 1000 х 1000 мм, толщина 2—12 мм, объемная масса 900—1000 кг/м3, теплопроводность 0,157 Вт/(м • °С) при 0 °С и 0,182 Вт/(м • °С) при 100 °С.

Асбестовый картон в виде плит применяют для теплоизоляции плоских поверхностей, а в виде цилиндрических и полуцилиндрических скорлуп — для изоляции трубопроводов.

Асбестокремнеземистые порошкообразные смеси состоят в основном из распушенного асбеста и кремнеземистых горных пород.

Наиболее распространенный из этих материалов — асбозурит — смесь асбеста 6-го и 7-го сортов (не менее 15%) с трепелом или диатомитом. Применяется путем нанесения нескольких слоев мастики (после затворения водой) для изоляции горячих поверхностей (до 600 °С). Теплопроводность асбозурита в пределах 0,186-0,256 Вт/ (м • °С), объемная масса 150-850 кг/м3.

Асбозурит, смешанный с небольшим количеством воды, применяют в виде мастики для отделки поверхности изоляции, а также в качестве мастичной теплоизоляции поверхностей трубопроводов и промышленного оборудования при температуре до 900 °С.

В зависимости от объемной массы отформованных образцов асбозурит разделяется натри марки: 600, 700 и 800 (табл. 5.7).

Таблица 5.7Техническая характеристика асбозурита

Показатель

Марка



600

700

800

Плотность, кг/м3

600

700

700

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С) при температуре 25 °С

0,18

0,2

0,22



Асбозурит перевозят навалом и хранят в условиях, исключающих загрязнение и увлажнение.

Асбестомагнезиальныематериалы — смесь асбеста с солями магния и кальция. Наибольшее применение имеет совелит. Он состоит из порошкообразной смеси распушенного асбеста (20%) и доломита (80%).

Совелитовую смесь, смешанную с небольшим количеством воды, в виде мастики наносят на теплоизолируемые поверхности. Из со- велита изготовляют плиты шириной 170,250,500, длиной 500, толщиной 40-75 мм; полуцилиндры и сегменты длиной 500, толщиной 40—80 и внутренним диаметром 57—426 мм. Объемная масса совелитовых изделий в сухом состоянии не более 400 кг/м3, теплопроводность не более 0,08 Вт/(м • °С). На теплоизолируемые поверхности совелитовые изделия монтируют насухо или на мастике со смещением поперечных швов и крепят бандажными кольцами из оцинкованной проволоки. Поверхность совелитовой теплоизоляции должна быть обязательно защищена покровным слоем, например алюминиевой фольгой (рис. 5.4).



Пеностекло представляет собой вспененную стекольную массу с замкнутыми порами. Сырьем для его изготовления служит смесь тонкоизмельченного стекла и газонаполнителя (молотый известняк). Эту смесь засыпают в соответствующие формы и нагревают в печах до 900 °С, при этом происходит вспенивание расплавленной стекломассы за счет разложения газообразователя.

При охлаждении вспененная стекломасса превращается в прочный материал ячеистой структуры (объемная масса 200—600 кг/м3) с низкой теплопроводностью (0,09-0,14 Вт/м • °С) и пределом прочности 2—6 МПа.

Пеностекло в виде изделий (плиты, полуцилиндры, сегменты, скорлупы) используется для теплоизоляции теплопроводов, тепловых агрегатов, где температура поверхности не превышает 300-400 °С, а также для утепления ограждающих конструкций зданий и камер холодильников.

Вспученный перлит — сыпучий теплоизоляционный материал. Его изготовляют путем обжига (1000 °С) породы вулканического происхождения — перлита стекловидной структуры. При обжиге он многократно увеличивается в объеме. Перлит вспученный — пористый зерновидный материал белого цвета плотностью (насыпной) 250—600 кг/м3 для мелкокусковых фракций (5-20 мм) и 100-500 кг/м3 для зерновидных фракций (не менее 5 мм), теплопроводностью 0,076-0,093 и 0,047-0,09 Вт/(м • °С).

Вспученный перлит в виде мелкокусковых фракций (щебень) и зерновидных фракций (песок) используют в качестве заполнителя при изготовлении теплоизоляционных изделий. Обычно связующими материалами служат органические материалы (синтетические смолы, нефтяной битум) и неорганические (жидкое стекло, портландцемент).

Изделия из вспученного перлита (полуцилиндры, сегменты, плиты) применяют с учетом свойств связующих материалов. Изделия на органических связующих используют в качестве утеплителя холодильников и строительных конструкций, а неорганических — для тепловой изоляции трубопроводов, котлов и др.

Вспученный вермикулит. Вспученным вермикулитом называют сыпучий теплоизоляционный материал, получаемый путем измельчения и кратковременного обжига в течение 3—5 мин природного вермикулита. Вермикулит — сложный алюмосиликат магния (продукт изменения слюд, преимущественно биотита).

В процессе обжига при 800—1000 °С вермикулит вспучивается, увеличиваясь в объеме в 20 раз и более. Вспученный вермикулит обладает высокой пористостью, малой объемной массой, низкой теплопроводностью и значительной температуроустойчивостью.

Насыпная объемная масса его зависит от условий обжига и размеров зерен.

В зависимости от размеров зерен вермикулит делят натри фракции: крупную — 5—10, среднюю — 0,6—5 и мелкую — до 0,6 мм. В крупном и среднем вермикулите допускается наличие не более 15% по массе зерен большего или меньшего размера. С учетом объемной массы вермикулит вырабатывают трех марок — 100,150 и 200. По требованию заказчика предприятия могут выпускать более тяжелый вермикулит марок 250 и 300.

Обжигают вермикулит в шахтных или вращающихся печах. Наиболее эффективный способ вспучивания вермикулита — обжиг его во взвешенном состоянии. Вспученный вермикулит сортируют на фракции по крупности зерен и по объемной массе и упаковывают в плотные бумажные четырехслойные мешки. Хранят вермикулит в крытых помещениях в условиях, не допускающих его увлажнения, распыления, загрязнения и уплотнения.

Вспученный вермикулит — эффективный теплоизоляционный материал. Применяют его для засыпки при температуре изолируемых поверхностей от 260 до 1100 °С. Используют вермикулит и для изготовления теплоизоляционных изделий — при добавке вяжущих веществ из него формуют плиты, скорлупы и сегменты. Темпера- туростойкость изделий из вспученного вермикулита зависит от применяемого вяжущего вещества. Изделия на основе портландцемента имеют температуростойкость до 1000 °С, на основе глины с добавкой крахмала — до 900 °С и на основе полимерных связующих — не выше 200 °С. Вспученный вермикулит применяют также в качестве заполнителя для легких бетонов и приготовления штукатурных теплоизоляционных растворов.

Ячеистый бетон представляет собой искусственный камневидный материал с равномерно распределенными в нем порами диаметром не более 1—2 мм.

Сырьем для получения ячеистого бетона являются портландцемент, известь, песок, порообразователи и вода. Предварительно вспученная смесь минерального вяжущего, тонкодисперсного кремнеземистого компонента, порообразователя и воды помещается в автоклав, где происходит быстрое ее твердение. Твердение может происходить и в обычных условиях (на воздухе).

В объеме ячеистого бетона до 85% равномерно распределенных пор, разделенных тонкими и прочными перегородками из искусственного камня.

В зависимости от вида вяжущего материала различают ячеистые бетоны на портландцементе, на воздушной извести, на шлаковых вяжущих с активизаторами твердения и на гипсовых вяжущих.

По назначению ячеистый бетон разделяют на следующие виды: теплоизоляционный, плотностью 500 кг/м3, используемый для изготовления теплоизоляционных плит, скорлуп и конструкций плотностью 500—900 кг/м3 для ограждающих конструкций зданий.

Теплоизоляционные изделия в виде плит из ячеистого бетона выпускают длиной 2000, шириной 500 и толщиной 80-200 см с градацией через 20 см.

Теплопроводность этих плит должна быть в пределах 0,11— 0,13 Вт/(м • °С), влажность — не более 15%.

Плиты из ячеистого бетона применяют для теплоизоляции строительных конструкций и поверхностей промышленного оборудования при температуре изолируемых поверхностей до 400°С. В конструкциях, которые при эксплуатации подвергаются увлажнению, плиты надо надежно защищать от воздействия влаги, а при наличии агрессивной среды — и от ее воздействия.

Кроме указанных плит из ячеистого бетона вырабатывают и другие виды теплоизоляционных изделий, прочностные свойства которых можно повысить армированием.

	



Список используемых источников.

Технология металлов и конструкционные материалыю Под ред.Б.А.Кузьмина. М., 1989.

Материаловедение. Под ред. В.Т.Батиенкова. М., 2005 г.

Н.В.Акулич Материаловедение и технология конструкционных материалов. Мн., 2008 г.

К.С.Орлов Материалы и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата. М., 2005г.

Ф.Д.Гелин, А.С.Чаус. Металлические материалы. Мн., 2007 г.

Г.Т.Широкий, П.И.Юхневский, М.Г.Бортницкая Материаловедение в санитарно-технических системах.Мн., 2009 г.

М.Е.Дриц, М.А.Москалев. Технология конструкционных материалов и материаловедение.М., 1990 г.







40