Технология и температура закалки стали 45

Технология и температура закалки стали 45

Особенности закалки стали 45: цель проведения, область применения изделий, прошедших термообработку. Этапы технологии, способы нагрева, среды охлаждения. Особенности нагрева токами высокой частоты. Температурные режимы.

Закалка стали 45 выполняется с целью повышения твердости, износостойкости и прочностных характеристик поверхности заготовок и деталей.

Является разновидностью термообработки, с помощью которой им придаются необходимые эксплуатационные свойства. По содержанию углерода конструкционная сталь 45 (0,45 % С) относится к среднеуглеродистой, что затрудняет механическую обработку и свариваемость.

Применяется такая сталь для изготовления конструкций и устройств, противостоящих нагрузкам. У металла хорошие показатели прочности, износостойкости, он не поддается коррозионным процессам в процессе эксплуатации.

Закаливание улучшает эти показатели, что и определяет области применения стали 45. Из нее изготавливают валы, цилиндры, шпиндели, кулачки и другие детали машин и механизмов машиностроительной, сельскохозяйственной, строительной и другой техники, а также плоскогубцы, тиски и другой инструмент и приспособления, применяемые в промышленности и быту.

Технология закалки стали 45

Закалить сталь 45 – значит подвергнуть ее нагреву до необходимой температуры, выдержке в течение определенного времени и охлаждению. Здесь есть свои нюансы. Нагрев металла осуществляют двумя способами:

• в специальных электропечах непрерывного или периодического действия;
• токами высокой частоты (ТВЧ).

Эти способы отличаются технологией, а именно температурой закалки, временем выдержки и средой охлаждения.

При нагреве в печи температура нагрева не превышает 860 °C, обычно сталь 45 нагревают со скоростью не больше 3 °C в секунду выше 790 °C, а в устройстве ТВЧ она может доходить до 920 °C со скоростью 250 °C в секунду соответственно.

Именно эти режимы позволяют изменить атомную решетку железа. В результате нагрева (температура должна быть выше растворения феррита в аустените) и выдержки она из объемноцентрированной станет гранецентрированной. Для того чтобы в металле произошло выравнивание структуры, его выдерживают в печи или в установке какое-то время.

Это зависит от толщины заготовки. Только после этого ее подвергают охлаждению. В это время происходит обратный процесс, что в результате придает поверхности прочность и твердость.

Охлаждение производят в специальных средах до температуры 20÷25 °C. В качестве рабочей среды может служить вода, минеральные масла или смесь воды с солями или каустической содой.

Температура рабочей среды колеблется в пределах 20÷60 °C и указывается в технологическом процессе проведения закалки стали 45. Режимы устанавливают в зависимости от состава закалочной среды. Деталь при этом после нагрева может опускаться в емкость с рабочей средой или охлаждаться способом разбрызгивания.

Сталь 45 чаще всего после нагрева охлаждают в воде или масле, при этом масло охлаждает равномерно, что препятствует возникновению трещин. Затем заготовку или деталь подвергают низкотемпературному отпуску, что способствует выравниванию тепловых напряжений.

Это позволяет получить твердость рабочей поверхности 50 HRC, что для большинства деталей, работающих при нагрузках, более чем достаточно.

Особенности технологии закалки токами высокой частоты

Переменный ток, проходя через индуктор, вызывает возникновение вихревых токов (токи Фуко), благодаря чему происходит быстрый нагрев поверхности заготовки.

Изменяя параметры тока, можно регулировать глубину прогрева заготовки, а следовательно, и прочность. Твердость поверхности лежит в пределах 58÷62 HRC, в то время как сердцевина остается более мягкой. Таких показателей невозможно добиться, осуществляя нагрев в печи, т. к. он будет осуществляться по всему объему.

Сразу после закалки сталь 45 подлежит следующему этапу термообработки – нормализации или отпуску.

Процесс закалки ТВЧ стали 45 показан на видео:

Режим закалки может быть одновременным и последовательным. Это зависит от размеров детали, которая подлежит закалке. Первый случай используется для деталей небольших размеров, второй – для крупногабаритных.

Характеристика и свойства стали 45 после закалки

Свойства стали 45 после закалки на предприятиях, выпускающих продукцию разного назначения, обязательно проверяются в первую очередь на твердость. Она становится намного выше, чем была у заготовки, и должна иметь твердость не менее 50 по Роквеллу.

Этот показатель свидетельствует о качестве проведенной термообработки. Закалка стали значительно расширяет область ее применения. Такие заготовки и детали износостойкие, прочные и могут выдерживать значительные нагрузки. Они с трудом поддаются коррозионным процессам.

Несколько слов о способе закалки стали 45 в домашних условиях. Ее можно выполнить, если соблюдать технологию выполнения работ и технику безопасности.

Главное – правильно осуществить нагрев, а поэтому не лишним будет посмотреть на шкалу зависимости цвета от температуры нагрева металла. Она подскажет, какого цвета должна быть сталь 45 при нагреве не выше 860 °C.

Просим тех, кто занимался закалкой стали 45 в производственных и домашних условиях, поделиться опытом в комментариях к тексту.

Термообработка Р18

Закалка производится при температуре 1280°С в масле. Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах-ваннах. Продолжительность выдержки в таких ваннах при закалочной температуре должна быть минимально необходимой. Ориентировочно она устанавливается из расчета 8—9 с на 1 мм наименьшей толщины или диаметра инструмента.

Мы заботимся о наших клиентах и предлагаем следующий комплекс услуг:

• производим отгрузку малотоннажными партиями;
• производим комплектацию сборных вагонов (до 50 наименований);
• осуществляем отгрузку на экспорт;
• ответхранение

Термообработка стали Р18

Твёрдость быстрореза Р18 после термообработки

Быстрорежущую сталь применяют для разнообразных инструментов, работающих при высоких скоростях резания (резцов, сверл, фрез и др.). Основное преимущество быстрорежущей стали заключается в том, что она обладает красностойкостью, т. е. не теряет твердость при больших скоростях резания, когда режущая кромка инструмента разогревается до 600 °С. При этом в темноте становится заметным ее свечение темно-карсным цветом. Наибольшее распространение на заводах получили три марки быстрорежущей стали: Р9, Р12 и Р18. Наряду с ними применяют стали, в которых дорогостоящий вольфрам частично заменен молибденом, кобальтом и др.: Р9Ф5, Р9К5, Р6М5 и др. Буква Р в обозначении марки стали взята из слова rapid (рапид), что в переводе с английского означает быстрый.

Стали Р9 и Р18 по красностойкости примерно равноценны. Сталь Р18 дороже, так как она содержит 18% W, в то время как в стали Р9 содержание его вдвое меньше. Однако сталь Р9 сложнее в обработке, или, как говорят, менее технологична: она склонна к обезуглероживанию, перегреву и хуже шлифуется.

Сталь Р12 при одинаковой по сравнению со сталью Р18 теплостойкости и шлифуемости в то же время обладает меньшей карбидной неоднородностью и более высокой пластичностью. К тому же она обеспечивает значительную экономию вольфрама (30%).

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали инструмент с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть — из быстрорежущей стали, а хвостовую, т. е. державку, — из углеродистой стали 40—45 или низколегированной 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки.

Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям, и потому после прокатки или ковки охлаждение ее даже на спокойном воздухе вызывает повышение твердости. Это затрудняет обработку резанием при изготовлении инструментов. Для снижения твердости и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру.

Температура закалки стали Р9 составляет 1220— 1240°С, а стали Р18 — 1270— 1290°С. При закалке инструментов сравнительно простой формы, таких как резцы, устанавливают температуру ближе к верхнему пределу, а при закалке фасонного инструмента — ближе к нижнему. Хотя указанная температура значительно выше критических точек для данных сталей, однако такой высокий нагрев необходим для более полного растворения карбидов в аустените. Благодаря этому аустенит насыщается легирующими элементами, без чего не могут быть получены необходимые свойства после закалки.

Быстрорежущая сталь имеет низкую теплопроводность, поэтому во избежание трещин инструмент сравнительно небольших размеров и несложной формы, как, например, резцы, плашки и др., вначале подогревают в одной печи до 800 °С, а затем переносят в другую печь, где происходит окончательный нагрев до закалочной температуры. Инструмент сложной формы с размерами сечения более 30 мм следует подогревать 2 раза; первый — до температуры 400—600°С, а второй — до 800 °С.

Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах-ваннах. Продолжительность выдержки в таких ваннах при закалочной температуре должна быть минимально необходимой. Ориентировочно она устанавливается из расчета 8—9 с на 1 мм наименьшей толщины или диаметра инструмента.

Для закалки инструментов из быстрорежущей стали применяют следующие способы:

1) охлаждение в масле до 150—200 °С и дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе; во избежание трещин можно перед погружением инструмента в масло подстуживать его на воздухе до 900—1000 °С; этому соответствует оранжевый цвет излучения;

2) охлаждение в струе вентиляторного воздуха; применяется для мелкого инструмента;

3) охлаждение в селитряной ванне с температурой 450—500 °С и последующее охлаждение на воздухе; применяется для инструмента сложной формы (фрез, протяжек), при этом уменьшается коробление.

Действенным средством по предупреждению трещин и уменьшению коробления является так называемая высокоступенчатая закалка. Она представляет собой ступенчатую закалку в ванне с температурой, повышенной по сравнению с обычной (600—675 °С). Выдержка в такой ванне дается до 30 мин.

Для удаления с поверхности инструмента соли и масла, остающихся после закалки, проводится промывка в водном растворе каустической соды, а для предотвращения ржавления после такой промывки — пассивирование путем обработки в горячем растворе нитрита натрия с добавкой кальцинированной соды.

После закалки в быстрорежущей стали получается много остаточного аустенита: в стали Р9 — 30—35%, а в стали Р18 — 25—30%. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости стали применяют трехкратный отпуск. Продолжительность каждого отпуска 45—60 мин, температура 550—570°С. После закалки твердость получается в пределах HRC 61—63, а после отпуска — HRC 63—65.

Температура нагрева под закалку должна быть выдержана с максимально возможной точностью. Если был допущен незначительный перегрев, то образуется повышенное количество остаточного аустенита, и твердость окажется пониженной. Для получения нормальной твердости можно осторожно повысить температуру отпуска. Если же был допущен недогрев, то это выявится в повышенной твердости после закалки. Если после отпуска твердость будет понижаться, то это подтверждает недогрев, и инструмент надо перезакалить. Перед повторной закалкой обязательно следует проводить отжиг. Этим ни в коем случае нельзя пренебрегать, иначе инструмент после окончательной термической обработки будет хрупким, а стойкость его снизится в несколько раз.

Термическая обработка стали Р6М5 имеет некоторые особенности. Продолжительность нагрева под закалку (1230°С) должна быть на 25% больше, чем для стали Р18, при этом необходимо принимать меры по защите от обезуглероживания путем раскисления ванн бурой или фтористым магнием. Режим отпуска: 1-й — при 350 °С, 2-й и 3-й — при 560—570 °С по 1 ч. Для инструментов, работающих без ударной нагрузки, с целью повышения твердости и теплостойкости рекомендуется 2—3-кратный отпуск при 540—550 °С.

Термическую обработку сварного инструмента необходимо проводить с таким расчетом, чтобы при переходе от рабочей части к месту стыка с хвостовиком твердость плавно снижалась до HRC 50—55. Это нужно для уменьшения хрупкости в месте сварки. С этой целью инструмент загружают в ванну так, чтобы место сварки не доходило до зеркала ванны на 15—20 мм. Рабочую часть и хвостовик закаливают раздельно.

Для повышения стойкости и антикоррозионных свойств инструмента проводят дополнительно цианирование и обработку паром. Цианирование проводят низкотемпературное жидкостное или газовое на слой глубиной 0,01—0,03 мм. Стойкость цианированного инструмента повышается в 1,5—2 раза.

Обработка паром создает на поверхности инструмента тонкую (2—5 мкм) пленку окиси железа Fe3O4. В результате этого предотвращается приваривание стружки к поверхности инструмента, повышается стойкость его на 25—30% и улучшается внешний вид: поверхность приобретает красивый темно-синий цвет.

Обработка паром может быть проведена в герметически закрывающейся шахтной печи типа цементационной. Ее можно совместить с отпуском. При отпуске в атмосфере пара очищенный сухой инструмент в корзинах загружают в печь с температурой 350—370 °С и выдерживают в течение примерно 1 ч до полного прогрева садки. После этого для вытеснения воздуха в печь подается сухой пар, перегретый до 300—400 °С. Спустя 20— 30 мин, температуру печи повышают до рабочей (550— 570 °С) и дают обычную при таком отпуске выдержку (45—60 мин). Давление пара поддерживается избыточное (в пределах 0,1—0,3 ат). Это предотвращает подсос воздуха в печь.

Для получения стабильных высоких свойств при термической обработке режущего инструмента, а также для обеспечения высокой производительности на отечественных заводах внедряются полуавтоматические и полностью автоматизированные агрегаты непрерывного действия.

Как закаливается сталь 45: процесс, способы, твердость после закалки

Термообработка представляет собой одну из необходимых и важных операций в процессе обработки стали. Ее широко использует металлургия и машиностроение. Технология термообработки стали 45 обеспечивает достижение высоких характеристик прочности. Это обстоятельство позволяет значительно расширить область применения обработанных подобным способом деталей. При использовании технологии закалки стали 45 твердость изделий становится существенно выше.

Особенности термообработки

Закалка стали 45 – метод, широко используемый в металлургии и машиностроении. Но как закалить сталь 45, чтобы получить ожидаемый результат? Чтобы изменить характеристики, необходимо провести термообработку. При этом должны соблюдаться определенные режимы воздействия. Этот процесс схематично можно представить следующими процессами:

• Отжиг.
• Нормализация.
• Старение.
• Закалка и отпуск.

Качество стали 45 при термообработке зависит от ряда факторов.

• Температурный режим.
• С какой скоростью повышается температура.
• Промежуток времени, в течение которого на металл воздействует высокая температура.
• С какой скоростью происходит процесс охлаждения.

Термическая обработка состоит в нагревании детали до заданной температуры. Охлаждают ее с той же либо несколько иной скоростью . Железоуглеродистые сплавы характеризуются превращениями при нагревании их до определенных температур. Они носят название критических точек. Эти превращения сопряжены с кристаллизационным характером. При закалке стали 45 твердость изделий значительно повышается.

Химический состав

Что для стали означает номер 45? Это говорит о том, что в данном сплаве содержится 0,45% углерода. Остальные примеси представлены в незначительном количестве. Среди основных ее заменителей можно выделить сталь 40 и 50. Их также характеризует высокая прочность. Если рассматривать химические соединения, входящие в состав стали в процентном отношении, то наибольшая доля приходится на железо. У него этот показатель достигает 97%. В различных количествах входят и другие химические элементы. Самый низкий показатель у фосфора. В ней его содержится всего 0,035%.

Структурные изменения металла

В исходном состоянии структура представляет собой две фазы, которые смешаны между собой – феррит и цементит. Если медленно нагревать до незначительных температур, то никаких изменений в ней не произойдет. Если вести дальнейшее нагревание, феррит растворится в аустените. При нагреве выше критической температуры, структура их примет однородный характер.

Атомная решетка железа имеет объемно-центрированный характер. При сильном нагревании она становится гранецентрированной по типу. До нагревания углеродные атомы входят в перлит (кристаллы цементита), после этого он примет иное состояние и станет твердым раствором. В этом случае его атомы окажутся в решетке железа. При резком охлаждении, например, при помощи воды, ее можно закалить.

В таком состоянии она приобретет величины, характерные для комнатной температуры. Казалось бы, все перестроится в обратном порядке. Но подобные температурные параметры не придадут углеродным атомам выраженной мобильности. Скорость в этом случае настолько незначительная, что атомы просто не успевают выйти из раствора, когда имеет место быстрое охлаждение. Они остаются в структуре решетки. При этом возникает сильное внутреннее напряжение металла. Использование закаленной стали существенно увеличивают возможность применения деталей, материалом для изготовления которых явилась именно такая сталь.

Закалка

Термообработка стали 45 предполагает нагрев выше критической температуры. В дальнейшем проводится ускоренное охлаждение, проще говоря, осуществляется закаливание. После этого закаленный материал приобретает повышенную прочность и твердость. Температурный режим при закалке стали 45 определяется тем, сколько углерода и присадок легирующего характера содержится в стали.

Технология должна осуществляться в соответствии с установленным регламентом, поскольку после того, как проведена закалка, на заготовке образуется слой окалины. При этом происходит частичная потеря углерода. Металл должен охлаждаться быстро . Это не даст аустениту преобразоваться с появлением сорбита или троостита. Деталь охлаждается в соответствии с точным графиком. Если он будет нарушаться, будут образовываться мелкие трещины. Охладив деталь до температуры 200-300 градусов, процесс искусственно замедляют. При этом проводят применение охлаждающих жидкостей.

Для нагревания используются специальные печи. Перед этим производят подогрев отдельных частей. При этом проводят использование:

• печей, где температура 500 градусов;
• специальных соляных ванн.

Деталь погружается на несколько секунд 2-3 раза. Непременное условие: прогрев всей детали должен осуществляться равномерно. Все заготовки погружаются одномоментно, далее необходима выдержка. Подробнее об этом можно посмотреть в видео.

Закалка с помощью ТВЧ

С использованием ТВЧ температура нагрева более высокая по своим показателям.

Подобное обстоятельство становится возможным благодаря наличию двух факторов:

Нагрев обусловливает ускоренное изменение и переход перлита в аустенит.
Процесс происходит в границах сжатых временных рамок. Температура при этом очень высокая о своей величине.
Но при этом заготовка не перегревается. При таких операциях характеристики металла, обусловливающие его твердость, становятся больше на 3 единицы по Роквеллу. С помощью такого способа закалить деталь можно весьма основательно.

Испытание твердости, а, следовательно, и закаливаемость деталей, определяют по методу Бринелля.

Отпуск

Этот процесс определяется той температурой, которая необходима. С этой целью используются:

• печи, имеющие принудительную циркуляцию воздуха;
• селитровый раствор в специальных ваннах;
• масляные ванны;
• ванна, заполненная щелочью.

Температуру отпуска определяет марка стали. Процесс позволяет изменить структуру и снизить напряженность в металле . При этом не наблюдается значительного снижения твердости. Затем заготовка попадает в поле зрения технического контроля, а после этого отправляется заказчику.

Меры предосторожности

Подобные операции представляют определенную опасность для жизни и здоровья человека. Электроустановки для нагрева связаны с опасным воздействием электрического тока. Работа с закалочными ваннами связана с выделением в окружающее пространство вредных паров и газов. В этом плане большое значение имеет оборудование и хорошая исправная работа локальных вытяжных вентиляционных систем. Помимо этого, подобные места оборудуются и общеобменной вентиляцией.

Если процесс осуществляется с использованием масла либо керосина, не исключена возможность, что воспламенятся их пары. Надо проводить защиту от химических ожогов. Хранение селитры осуществляется в соответствии с требуемыми правилами. Раствор селитры в расплавленном состоянии не должен быть температурой выше 60 градусов. Цианистые соли фасуются только при наличии местной вытяжной вентиляции. Все работы проводятся только с применением средств индивидуальной защиты. Чтобы не образовывалась ядовитая синильная кислота, нельзя допускать совместное хранение цианистых солей с растворами кислот.

Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь

1. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь твердость НRС28-35. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°Ствердость НВ не более 200 ед., при 400°С – не более 280 ед., а при 200°С – не более 450 ед.

Поэтому для получения твердости 28…30 HRC закаленную сталь подвергают среднему отпуску при температуре 380-420°С. Структура стали после высокого отпуска – троостит отпуска.

Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Высокий отпуск проводится при температуре 580-600˚С. В результате получаем структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости.

2. Для изготовления матриц штампов холодной штамповки выбрана сталь Х12Ф:

а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению;

б) назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки этой стали;

в) опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Легированная хромистая сталь, содержит около 1 % углерода. Состав: 1,4-1,6% С (углерода); 11,0-12,5% Сr (хрома); 0,20-0,40% V (вольфрама).

В составе стали, предназначаемой для изготовления штампов, содержание никеля не должно превышать: для стали марок Х12, Х12М, Х12Ф1 и Х12Ф 0,35%; для стали марок У10—У12, X, Х09, 6ХС 0,25%; для всех остальных марок стали 0,30%. Для стали 9Х.
назначаемой для изготовления валков холодной прокатки диаметром более 300 мм, содержание хрома может быть повышено до 1,9% при 0,78— 0,92% С.
Содержание углерода в стали 8ХФ может быть понижено до 0,65—0,8%

Рекомендуемые для штампов марки стали и нормы твердости

3. Для деталей, работающих в слабых коррозионных средах, используется сталь 1Х13:

а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению;

б) объясните причину введения хрома в эту сталь;

в) назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите микроструктуру после обработки.

Высоколегированная коррозионно-стойкая сталь.

Химический состав в % материала

Сталь коррозионно-стойкая жаропрочная

детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам; изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред при комнатной температуре, а также детали, работающие при 450-500 град; сталь мартенсито — ферритного класса

Механические свойства при Т=20oС материала

Закалка 1000 — 1050oC, воздух, Отпуск 700 — 790oC, воздух,

Твердость материала после отжига

HB 10 -1 = 121 — 187 МПа

Твердость материала после закалки

HB 10 -1 = 235 МПа

Твердость материала после закалки и отпуска

HB 10 -1 = 187 — 229 МПа

Физические свойства материала

Технологические свойства материала

склонность к отпускной хрупкости

Температура критических точек материала

Наибольшая коррозионная стойкость достигается после термической обработки (закалка с отпуском) и полирования.

Хром вводится в сатль для повышения коррозионной стойкости.

4. Назначьте марку алюминиевой бронзы для изготовления мел­ких ответственных деталей (втулки, фланцы):

а) расшифруйте состав и укажите ее механические свойства;

б) опишите структуру, используя диаграмму состояния медь — алюминий.

Алюминиевые бронзы (по ГОСТ 18175–72)

Алюминиевые бронзы высокой пластичности (однофазные)

Ленты, полосы, для пружин.

Алюминиевые бронзы высокой прочности (двухфазные)

Шестерни, втулки, арматура, в.т.ч для морской воды.

То же, при больших давлениях и трении.

Среди литейных безоловянных бронз наибольшее распространение получили
алюминиевые бронзы. Они отличаются высокой прочностью и хорошими антифрикционными и коррозионными свойствами. Алюминиевые бронзы применяются для изготовления деталей, работающих в особо тяжелых условиях, из них изготовляют гребные винты крупных судов, тяжелонагруженные шестерни и зубчатые колеса,
корпуса насосов, червяки, работающие в паре с деталями из азотируемых и цементируемых сталей, подшипники, работающие при высоких удельных нагрузках.
Благодаря хорошему комплексу свойств и меньшей стоимости алюминиевые бронзы постепенно вытесняют оловянные бронзы. Многие марки алюминиевых бронз используются, как деформируемые и как литейные сплавы. Деформируемые и литейные бронзы одной марки различаются по содержанию примесей. В литейных сплавах
допускается большее содержание примесей.
Литейные алюминиевые бронзы имеют ряд преимуществ перед оловянными.

Из-за малого интервала кристаллизации данные сплавы имеют меньшую склонность к дендритной ликвации, большую плотность отливок, лучшую жидкотекучесть. Кроме того, они имеют более высокую прочность и жаропрочность, меньшую склонность к хладноломкости.
Однако алюминиевые бронзы имеют ряд недостатков по сравнению с оловянными, затрудняющих получение из них герметичных отливок сложной конфигурации. Это прежде всего значительная усадка при кристаллизации, сильное окисление в расплавленном
состоянии и склонность к поглощению газов. Из-за повышенной по сравнению с оловянными бронзами усадки при затвердевании алюминиевые бронзы более склонны к трещинообразованию, что требует особых предосторожностей при получении качественного литья.
Эти бронзы применяют главным образом для получения литых деталей относительно простых форм.

5. Неорганическое стекло. Состав, свойства и область приме­нения.

СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

В современном понимании понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое особое стеклообразное состояние твердого тела. Стекло — это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях.

В стеклообразное состояние можно перевести вещества различной природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы — галогенидные, нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко могут быть получены и многие органические вещества. Стекла легко образуются водными растворами многих солей и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла, полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического типа, с самыми разными видами химических связей — ковалентных, ионных, металлических и разнообразными физико-химическими свойствами.

Впервые человечество познакомилось с природным стеклообразным веществом — обсидианом — в доисторические времена. Как искусственный материал стекло впервые открыто в Египте ок. 4000 до н. э. На протяжении тысячелетий люди, используя различные добавки, добились большого разнообразия классов и разновидностей стекол. До XIX в. стекло применялось главным образом в изготовлении предметов утилитарного назначения и художественного стекла. В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. Заслугой Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO2 и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное-неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.

Рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO4 (атом кремния, окружен четырьмя атомами кислорода), и отражают ближний порядок в структуре стекла. Рентгеновские и нейтронографические исследования показали, что наличие неупорядоченной сетки подтверждается применительно к структуре однокомпонентных стекол. В бездефектном кварцевом стекле существуют только мостиковые атомы кислорода. Для стекол, содержащих два или более компонентов, характерна химическая неоднородность. При введении в SiO2оксида натрия в результате взаимодействия оксидов, несмотря на сохранение координации атомов кремния относительно кислорода, непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-O-Si, соединяющих тетраэдры между собой.

Состав и свойства стекол

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO2, В2O3, GeO2, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO2) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных).

Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (

2,3 г/см3) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см3.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м2) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO2 и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок.

Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры

400°С, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Сырьем для изготовления стекла служат кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, поташ K2CO3, известняк CaCO3, доломит CaCO3.MgCO3, сульфат натрия Na2SO4, бура Na2B4O7, борная кислота H4BO3, сурик Pb3O4, полевой шпат Al2O3.6SiO2.K2O и др. Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают. Шихта, как правило, содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от целей дальнейшего использования стекла, окислители, красители, обесцвечиватели, осветлители, глушители, восстановители и окислители, ускорители варки или иные добавки. Красители придают стеклу нужный цвет. Для этого во время плавки в стеклянную массу добавляют окислы металлов. Например, железо сделает прозрачный материал голубовато-зеленым или желтым, марганец — желтым или коричневым, хром — травянисто-зеленым, уран — желтовато-зеленым (так называемое урановое стекло), кобальт — синим (кобальтовое стекло), коллоидное серебро — желтым, медь — красным. Полученную таким образом шихту загружают в стекловарочную печь. После этого шихту расплавляют при высокой температуре. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при температурах от 1200 до 1600°С в течение продолжительного времени — от 12 до 96 ч. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (H3O, CO2, SO3) из нее удаляются, а оставшиеся химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая идет на выработку листового стекла или стеклянных изделий. Стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия при этом обладают невысокой механической прочностью.

В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стекломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие температурам текучести Тт и стеклования Тс. При температурах выше Тт у стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состояния. Вязкость различных стекол при температуре Ттпримерно одинакова и равна 108 Па.с. Температуре стеклования Тс, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 1012 Па.с. Интервал температур между Тт и Тс называют интервалом размягчения, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Тс=400-600оС, а Тт=700-900оС, т. е. интервал размягчения составляет несколько сотен градусов. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, так как в этом случае легче отформовать изделия. Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу с целью устранения возникшего при неравномерном остывании напряжения.

Если в древности варка стекла осуществлялась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5–7 см, то в настоящее время для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава применяют шамотные горшки больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков, горшковые печи применяют для получения относительно небольшого количества стекла с точно выдержанным составом. В крупном производстве применяют ванные печи. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца. В таком режиме некоторые стекловаренные печи работают до пяти лет. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливают к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагревают сжиганием природного газа или мазута.