Содержание:

Металлы и сплавы, используемые в машиностроении

Материалы, которые находят применение в качестве сырья для любого вида строительства или производства организованным способом инженерного применения, известны как инженерные материалы. Например, компьютер, соковыжималка, станок или ручка, которые мы используем, производятся с помощью контролируемых инженерных процессов. При этом используются такие материалы, как разнообразные пластмассы, медь, алюминий, олово и т. д.

Всё, что мы используем в повседневной жизни, может быть адаптировано для использования в конкретных случаях. Это можно сделать эффективно, если нам заранее известны свойства каждого материала. Таким образом, любое вещество тщательно тестируется на предмет характерных ему свойств, после чего может быть отнесено к одной из следующих групп:

  • металлы;
  • неметаллы;
  • полимеры;
  • нановещества;
  • композиты.

По совокупным свойствам представителей этих групп можно узнать о сферах их целесообразной применимости. Преобладающее положение в этой структуре занимают металлы – чёрные и цветные, а также их сплавы.

Металлы обычно характеризуются чётко выраженной кристаллической структурой и связаны между собой характерными связями, устойчивость которых поддерживается электронным облаком. Оно, в частности, определяет высокую электро- и теплопроводность, блеск, твёрдость и, в большинстве случаев – высокую пластичность.

Чугун

Чугун - это сплав железа с углеродом, при содержании последнего в металлической матрице свыше 2,14 %. Кроме углерода, в чугуне содержится также 1…3% кремния и ряд второстепенных элементов. Чугун также можно модифицировать путём легирования небольшими количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия и титана, которые добавляются в исходное сырьё перед литьём.

технология машиностроения материалы

В зависимости от содержания кремния в чугуне он подразделяется на белый или серый чугун, а также ковкий чугун, который отличается повышенной механической обрабатываемостью.

Широкое применение чугуна обусловлено его отличными литейными характеристиками и дешевизной. Кроме того, свойства чугуна можно легко изменить, регулируя состав и скорость охлаждения без значительных изменений в технологии производства.

Чугун имеет ряд преимуществ перед обычной сталью, среди которых:

  • простота обработки;
  • виброустойчивость;
  • стойкость против коррозии;
  • прочность на сжатие.

Для увеличения коррозионной стойкости чугун легируют кремнием, никелем, хромом, молибденом и медью.

Машиностроительные материалы на основе серого чугуна используются при изготовлении блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, массивных маховиков, картеров коробок передач, трубопроводов, роторов дисковых тормозов, кухонной посуды.

Из белого чугуна производят шламовые насосы, шаровые мельницы, подъемные штанги, экструзионные форсунки, миксеры для цемента, фитинги, фланцы, дробилки и пр. Благодаря хорошему пределу прочности на разрыв, вязкости и пластичности ковкий чугун используется для изготовления электрической арматуры и оборудования, ручных инструментов, шайб, кронштейнов, сельскохозяйственного оборудования, оборудования для горнодобывающей промышленности и т.п.

Сталь

Сталь - общий термин для большого семейства железоуглеродистых сплавов, которые являются пластичными в определённом температурном диапазоне сразу после затвердевания из расплавленного состояния.

В отличие от чугуна, в сталях всегда содержится менее 2,14 % углерода.

Основное сырье, используемое в сталеплавильном производстве, - это железная руда, уголь и известняк. Эти материалы в доменной печи превращаются в продукт, называемый «чушковым чугуном». Он содержит значительные количества углерода, марганца, серы, фосфора и кремния, а потому, хотя и твёрд, но также и весьма хрупок, что делает его непригодным для прямой переработки готовую продукцию.

Сталеплавильное производство - это процесс рафинирования передельного чугуна, а также чугунного лома путём удаления нежелательных элементов из расплава.

Первичной реакцией в большинстве сталеплавильных производств является соединение углерода с кислородом с образованием газа. Если растворённый кислород не удалить из расплава, то газообразные продукты продолжат выделяться во время затвердевания. Чтобы избежать этого, сталь раскисляют добавляя необходимые раскисляющие элементы. Тогда газ не выделяется, и такую сталь называют спокойной. Соответственно при неполном раскислении стали называют полуспокойными. Степень раскисления влияет на некоторые свойства стали.

Помимо кислорода жидкая сталь содержит соизмеримые количества растворённого водорода и азота. Для некоторых марок сталей могут использоваться специальные методы раскисления, а также вакуумная обработка, уменьшающие количество и состав растворённых газов.

Стали также содержат различные количества других элементов, в основном марганец (который действует как раскислитель и облегчает обработку), кремний, фосфор и серу. Последние два химических элемента считаются примесями, и их количество при выплавке ограничивают.

Все марки сталей отличаются отличными литейными характеристиками и деформируемостью. Поэтому технология машиностроения, материалы в которой изучаются наиболее тщательно, считает сталь наиболее универсальным продуктом.

Твердые сплавы

Твёрдые сплавы - это металлические композиции на основе Fe, Ni или Co, которые содержат до 50 % твёрдой фазы. Это делает их идеальными для изготовления изделий, которые подвергаются значительным эксплуатационным нагрузкам, например, рабочих деталей металлорежущего и штампового инструмента.

Твёрдые сплавы получают методами порошковой металлургии, что позволяет в широких пределах изменять гранулометрический состав и фракционирование конечного продукта.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Уникальное сочетание свойств делает алюминий и его сплавы одним из самых универсальных инженерных и строительных материалов. Простое перечисление эксплуатационных характеристик впечатляют: лёгкость, прочность, коррозионная стойкость, нетоксичность.

Алюминий и его сплавы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, а также высокой отражательной способностью для тепла и света. Данные металлы пластичны и легко принимают широкий спектр отделки поверхности.

Прочность чистого алюминия относительно невысока, поэтому для отвественных применений используют сплавы алюминия с марганцем, цинком, медью и кремнием, а также упрочняют полуфабрикат в процессе его пластической деформации или термообработки.

Другие металлы

Из остальных металлов применение в машиностроении находят:

  1. Медь и её сплавы (электротехническое и электронное машиностроение).
  2. Свинец (атомная энергетика).
  3. Олово (точное приборостроение).
  4. Хром, никель, молибден (производство нержавеющих сталей, энергетическое машиностроение).
  5. Титан (аэрокосмическая промышленность).
  6. Вольфрам (оборонная промышленность).

В качестве легирующих добавок используют также ванадий, ниобий, кобальт и ряд других металлов.

Неметаллические материалы в машиностроении

В основном, используются искусственно созданные композиции, например, полимеры. Они аморфны по природе, поэтому не имеют кристаллической структуры, отличаются низкой теплопроводностью, являются диэлектриками.

Полимеры термостойки и эластичны, при высокой молекулярной массе имеют низкую плотность. Находят применение в электротехнике, машиностроительных узлах, действующих в условиях повышенного трения, при производстве приборов.

Из материалов естественного происхождения необходимо выделить слюду, которая широко используется в радиоприборостроении.

Важно: все материалы, применяемые в машиностроении, должны отвечать экологическим нормам.