Теоретичні відомості. Усі метали поділяються на дві великі групи: чорні та кольорові

Усі метали поділяються на дві великі групи: чорні та кольорові.

Чорні метали (залізо, кобальт, нікель, марганець) мають темно-сірий колір, значну густину, високу температуру плавлення, віднос­но високу твердість. Найтиповіший і найпоширеніший представник чор­них металів – залізо (Fе). Це – сріблясто-білий поліморфний метал із густиною 7,86 г/см³ і температурою плавлення t_пл ≈ 1539 ºС, досить м'який, пластичний і маломіцний. У промисловості, в основному, використовують сплави на його основі: сталі та чавуни.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем (С), який містить до 2,14 % вуглецю.

За вмістом вуглецю сталі поділяють на низько -, середньо - та високовуглецеві. Низьковуглецеві сталі (до 0,3 % С) є мало­міцними та високопластичними. Вони застосовуються для виготовлення малонавантажених деталей (кріпильних виробів, втулок, осей тощо).

Середньовуглецеві сталі (03...0,6 % С) – міцніші та менш плас­тичніші і застосовуються для виготовлення деталей, що не зазнають значних напружень (зубчасті колеса, шатуни, важелі, стержні тощо).

Високовуглецеві сталі (вище 0,65 % С) – міцні, з високими пружни­ми властивостями, зносостійкі і застосовуються для виготовлення де­талей, що працюють в умовах значного тертя та високих статичних навантажень (пружини, ресори, різні інструменти, прокатні валки тощо).

Залежно від призначення всі вуглецеві сталі поділяються на кон­струкційні та інструментальні. Конструкційні сталі бувають звичайної якості та якісні. Сталі звичайної якості позначаються словом "сталь", буквами " С т" і цифрами, що вказують номер сталі. Наприклад: сталь С т 0, сталь С т 3. Якісні вуглецеві сталі позначаються словом "сталь" і цифрами, що вказують приблизний вміст вуглецю у сотих частках відсотка. Наприклад, сталь 30 (0,30 % С).

Інструментальні вуглецеві якісні сталі позначаються буквою "У" і ци­фрами, що вказують вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Наприклад, Сталь У11 (1,1 % С). Якщо сталь є високоякісною, то після цифр вка­зується літера "А". Наприклад, Сталь У11А.

Леговані сталі отримують введенням у вуглецеву сталь спеціальних легуючих домішок (Si, Mn, Cr, W, Ni, Mo, V, Al, тощо).

Для позначення таких сталей застосовується певне сполучення букв і цифр, що відбиває приблизний процентний вміст легуючих елементів. Наприклад, у сталі 30ХН3 міститься близько 0,3 % вуглецю, 1,0 % хрому та 3,0 % нікелю.

Чавун – сплав заліза та вуглецю – містить 2,14...6,67 % вуглецю. Залежно від вмісту зв'язаного у вигляді цементиту (FeC₃) вуглецю чавуни бувають білими (увесь вуглець знаходиться у зв’язаному стані), сірими (більша частина вуглецю знаходиться у вільному стані у вигляді графіту) та половинчастими (вуглець наполовину зв’язаний із залізом, а наполовину – виділений у вигляді графіту).

Маркуються чавуни буквами і цифрами (букви вказують вид чавуну, цифри – основні механічні властивості – межу міцності σ_в). Наприклад, чавун СЧІ2 – сірий, а найменша межа його міцності на розтяг σ _в =12 кГ/мм² (120 МПа). Кувальні та високоміцні чавуни маркуються буквами, що вказують вид чавуну, та цифрами – перші дві цифри вказують найменшу межу міцності на розтяг, а другі дві – відносне видовження. Наприклад, чавун КЧ33-2 – кувальний, причому найменша межа його міцності на розтяг σ _в ≈ 33 кГ/мм² (330 МПа), а відносне видовження – 2%; чавун ВЧ45-12 – високоміцний, найменша межа його міцності на розтяг σ _в = 45 кГ/мм² (450 МПа), відносне видовження становить 12% (відносне видовження – п’ятикратне!).

Доцільно відзначити, що на будову чавуну можна впливати, змінюючи його хімічний склад і умови кристалізації та термічної обробки, завдяки чому він стає універсальним ливарним матеріалом з широким комплексом експлуатаційних властивостей.

Чавуни широко використовуються у машинобудуванні для виготовлення станин, колінчастих валів, зубчастих коліс, циліндрів двигунів внутрішнього згорання, деталей, що працюють при температурі до 1200 °С в окиснювальних середовищах та ін. Міцність чавунів у залежності від легування становить від 110 МН/м² до 1350 МН/м² (легований магнієвий чавун).

Кольорові метали, як правило, мають характерне забарвлення (червоне, жовте, біле), велику пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються на такі групи: легкі, важкі, благородні та рідкісні.

До легких металів з густиною менше 5,0 г/см³ належать: магній (1,68 г/см³), берилій (1,8 г/см³ ), алюміній (2,7 г/см³), титан (4,5 г/см³ ), літій (0,543 г/см³), калій (0,862 г/см³), натрій (0,971 г/см³), кальцій (1,54 г/см³) та ін. На практиці ці метали застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.

Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору (t_пл.≈ 660 ºС), має високі електро- та теплопровідність, малу густину. Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці, як провідни­кового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні.

За технологічною ознакою алюмінієві сплави поділяються на де­формовані та ливарні. Серед деформівних відрізняють такі, що зміцню­ються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).

Одним з основних деформівних сплавів є дюралюміній – сплав, що містить систему елементів (Al-Cu-Mg) з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16, Д19. Дюралюміній часто застосовується в літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною, та в суднобудуванні (корпуси маломістких суден – баркасів).

Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідинотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю.

Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви озна­чають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів тощо.

До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см³, зокрема: свинець (11,3 г/см³), вісмут (9,84 г/см³), мідь (8,9 г/см³), олово (7,29 г/см³), хром (7,14 г/см³), цинк (7,1 г/см³), сурма (6,62 г/см³), та ін.

Один з найпоширеніших кольорових металів цієї групи – мідь. Це червоно-рожевий мономорфний метал (t_пл. = 1083 °С), який має високу електричну провідність, тому він широко застосовується в електротехніці. Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють, листи, прутки, дріт.

Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.). У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn). З латуні виготовляють листи, прокат, труби, втулки, деталі, що працюють в середовищі морської води тощо.

Бронза – це сплав міді з усіма елементами, крім цинку. Вона має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості (має низький коефіцієнт тертя), корозійну стійкість в прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температурах.

Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, сурми, дроти, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у поєднанні з достатньою значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво.

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний, вміст. Наприклад, Бр 0ЦС8-4-3 (8 % Sn, 4 % Zn, 3% Pb, решта – мідь).

Досить широко розповсюджені також сплави на основі олова та свинцю – бабіти. Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними та призначаються для виготовлення підшипників ковзання. Бабіти маркуються буквою "Б" і цифрами, що вказують процентний вміст олова у сплаві (наприклад, Б88, Б83 та ін.). Вони відрізняються достатньо високою припрацьо-ваністю та невеликим коефіцієнтом тертя.

В якості антифрикційних матеріалів використовуються також чавуни, олов'янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.

До благородних кольорових металів належать метали з високою корозійною стійкістю. Це – золото, платина, срібло, паладій, іридій, родій і ін. Вони використовуються для виготовлення сплавів необхідних в електротехніці, хімічному машинобудуванні, приладобуду­ванні, медицині, ювелірній справі, а також для антикорозійних покриттів.

До рідких металів належать кольорові метали з особливими властивостями: вольфрам, молібден, тантал, ванадій, індій, германій, цирконій та ін., що використовуються, як правило, у вигляді сплавів.