ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

В. А. РОГОВ, Г. Г. ПОЗНЯК

СОВРЕМЕННЫЕ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ И ЗАГОТОВКИ

Допущено

Министерством образования и науки Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки «Технология, оборудование
и автоматизация машиностроительных производств»,
«Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств»

ACADEMA

Москва
Издательский центр «Академия»
2008
УДК 621.01(075.8)
ББК 65.304.15я73

Р598

Рецензенты:

зав. отделом № 19 ОАО «ЭНИМС», д-р техн, наук С. А. Шевчук',
зав. кафедрой «Детали машин и основы конструирования»
ГОУ ВПО МГОУ, д-р техн, наук, проф. В. Г. Дмитриев

Рогов В. А.

Р598 Современные машиностроительные материалы и заго-
товки : учеб, пособие для студентов высш. учеб, заведений /
В. А. Рогов, Г. Г. Позняк. — М. : Издательский центр «Акаде-
мия», 2008. — 336 с.

ISBN 978-5-7695-4254-1

Рассмотрены конструкционные материалы, используемые в современ-
ном машиностроении при изготовлении различных деталей механизмов и
машин. Описаны особенности получения композиционных и нанострук-
турных материалов, виды и способы нанесения многофункциональных
покрытий. Приведены сведения, касающиеся штамповочного и литейно-
го производства.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезно специ-
алистам машиностроительного производства.

УДК 621.01(075.8)

ББК 65.304.15я73

Оригинал-макет данного издания является собственностью
Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом
без согласия правообладателя запрещается

© Рогов В. А., Позняк Г. Г., 2008

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2008

ISBN 978-5-7695-4254-1	© Оформление. Издательский центр «Академия», 2008
ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие машиностроения неразрывно связано с
производством новых материалов. Наука «материало-
ведение» уходит своими корнями в далекое прошлое.
Во все времена от использования природных и создан-
ных человеком материалов зависели прочность, на-
дежность и долговечность выполненных из них дета-
лей, изделий и машин.

Выпускаемые в настоящее время изделия работают
в очень тяжелых эксплуатационных условиях. Извест-
ные марки сталей и чугунов уже не удовлетворяют тре-
бованиям, предъявляемым к различным изделиям
многих отраслей техники. Условия работы современ-
ных машин и приборов выдвигают требования проч-
ности и стойкости материалов в широком диапазоне
температур от -269 до 1 000 °C и выше.

Необходимость решения важнейших технических
задач, связанных с экономным расходованием мате-
риалов для современной техники, обусловливает даль-
нейшее развитие науки о материалах.

Крупными достижениями в теории и практике ма-
териаловедения ознаменовался XX в.: были созданы
высокопрочные материалы для деталей и инструмен-
тов; разработаны композиционные и керамические
материалы, триплекс и ситаллы; открыты сверхпро-
водники, применяющиеся в энергетике и других от-
раслях техники; созданы материалы, с помощью на-
нотехнологий; широкое применение получили поли-
мерные материалы и др. Совершенствовались спосо-
бы упрочнения деталей пластическим деформирова-
нием, термической и химико-термической обработ-
кой.

Постоянно разрабатываются и все больше приме-
няются различные покрытия изделий и инструментов,
позволяющие значительно улучшить качество поверх-
ностей и их защиту от агрессивных сред.
В области получения заготовок разработаны новые
способы штамповки и успешно эксплуатируются но-
вые виды технологического оборудования: высокоско-
ростные молоты, молоты с противоударом, машины
для электрогидравлической штамповки.

Постоянно совершенствуются известные способы
литья, такие как литье под давлением, литье в кокиль
и в оболочковые формы.

Все большее распространение находят способы по-
лучения заготовок, параметры которых приближают-
ся к параметрам готовых деталей, заданных по черте-
жу, например штамповка в состоянии сверхпластич-
ности.

Для современных заготовительных технологий ха-
рактерно увеличение доли процессов прессования за-
готовок из порошковых материалов, позволяющих со-
здавать изделия с новыми свойствами.

В данном учебном пособии отражены как традици-
онные материалы и способы получения заготовок, так
и новые технические разработки в этой области.
РАЗДЕЛ I

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ

ГЛАВА 1

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ

1.1.	Традиционные металлические сплавы

1.1.1.	Классификация чугунов

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы с содержанием уг-
лерода в пределах 4,3...2,14 %.

Белый чугун в основном перерабатывают на сталь, поскольку он
обладает высокими твердостью и хрупкостью и плохо поддается
механической обработке. В таких чугунах углерод находится в свя-
занном состоянии в виде цементита Fe3C. Помимо углерода в со-
став чугуна входят марганец (0,5... 1,75 %), кремний (0,2... 1,75 %),
фосфор (0,15...2,0 %), сера (до 0,08 %) и другие химические эле-
менты.

Белый чугун используют также в качестве износостойкого кон-
струкционного материала. При введении в небольших количествах
марганца, бора, ванадия, молибдена, титана, хрома образуются
сложные и твердые карбиды, например (Cr, Fe)23C6.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ с указанием предела
прочности при растяжении <тв (кгс/мм2) и относительного удли-
нения 8 (%). В соответствии с ГОСТ 1215—79 существуют марки
ковких чугунов КЧ 30-6 — КЧ 80-15. По своим механическим и
литейным свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное
положение между чугунами и литыми сталями. Ковкие чугуны
нашли широкое применение при изготовлении деталей автомо-
билей, тракторов, текстильных и сельскохозяйственных машин,
металлорежущих станков (шестерни, ступицы, тормозные ко-
лодки, картеры дифференциалов, рычаги, звездочки, катки,
втулки, детали рулевого управления и др.), а также в вагоно- и
судостроении.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ с указанием предела проч-
ности при растяжении <т„ (кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ15
имеет <тв = 15 кгс/мм2. По ГОСТ 1412—85 предусмотрены марки
серых чугунов СЧ10 — СЧ45: СЧ10, СЧ15 (твердость по Бринеллю
до 229 НВ) — чугуны малой прочности; СЧ20—СЧ45 (твердость
до 241 НВ) — чугуны повышенной прочности. В чугунах повы-
шенной прочности большая часть углерода находится в виде пла-
стинчатого графита. Благодаря хорошим литейным и демпфирую-
щим свойствам серые чугуны нашли широкое применение в стан-
костроении (станины, стойки, траверсы, корпусы коробок ско-
ростей и подач, суппорты металлорежущих станков), в авто- и
тракторостроении (картеры коробок передач, блоки цилиндров,
поршневые кольца, диски сцепления, тормозные барабаны), в
химическом и электромашиностроении, при производстве дета-
лей насосов, компрессоров и других изделий.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7993—85) имеют следующие мар-
ки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80 и ВЧ 100.
Цифры обозначают предел прочности при растяжении в кгс/мм2.
В высокопрочных чугунах свободный графит находится в виде ша-
ровидных включений. Высокопрочные чугуны используют в тяже-
лом машиностроении (детали турбин, валки прокатных станов,
шаботы молотов), в автомобильной промышленности (блоки ци-
линдров, шестерни главных передач, коленчатые и распредели-
тельные валы, ступицы, поршневые кольца), в сельскохозяйствен-
ном и транспортном машиностроении (сцепки вагонов, ступицы
колес, диски муфт, опорные катки, корпусы плугов, зубья бо-
рон), а также при изготовлении других ответственных деталей.

При маркировке легированных чугунов используют следующие
обозначения: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марга-
нец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, М — молибден, Н —
никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф —
ванадий, X — хром, Ц — цирконий. Маркировка состоит из соче-
тания букв и цифр, указывающих содержание легирующего эле-
мента в процентах. Если цифры отсутствуют, то содержание леги-
рующего элемента составляет 1,0... 1,5 %.

Легированные чугуны подразделяют на износостойкие, корро-
зионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и антифрикцион-
ные.

Износостойкие чугуны, например ИЧХ4Г7Д, ИЧХ28Н2,
ИЧХ28Н2М2, ИЧХЗТД, ИЧХ15МЗ, используют для изготовле-
ния рабочих элементов дробеметных и пескоструйных машин, бро-
невых плит мельниц, лопастей шнеков, абразивных насосов и др.

Коррозионно-стойкие чугуны легируют медью, молибденом, хро-
мом, никелем и кремнием, что позволяет им работать в химичес-
ки агрессивных средах. Чугуны ЧНХТ, ЧН1МШ, ЧН1ХМД широ-
ко используют в двигателестроении для изготовления выпускных
патрубков, поршней и гильз паровых машин, газовых компрессо-
ров, судовых дизелей и других изделий.

Жаростойкие чугуны (ГОСТ 7769—82) обладают стойкостью к
образованию окалины. Их выпускают с добавками алюминия, хрома
и кремния. Алюминиевые чугуны обладают большой стойкостью к
окислению в среде печных газов при температуре 1 100... 1 150 °C,
паров серы при температуре 1 000 °C. Их используют при изготов-
лении тиглей, для футеровки печных камер, в доменных печах.
Хромистые чугуны ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 используют при
строительстве мартеновских, доменных и термических печей. Они
выдерживают температуру до 650 °C. Высокохромистые чугуны
(ЖЧХ-30) применяют при изготовлении колосниковых решеток,
горелок, коробок для отжига, работающих при температуре до
900 °C. Кремнистые чугуны работают при температуре до 900 °C;
из них изготавливают детали газовых турбин, котлов, мартенов-
ских печей и др.

Жаропрочные чугуны легируют никелем и хромом. Чугуны
ЧН11Г7Х2Ш, ЧН19ХЗШ используют при изготовлении деталей
печной арматуры, роликов листопрокатных станов, выпускных
патрубков дизелей, а также в нефтяной и химической промыш-
ленности.

Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585—85), например АСЧ-4,
АКЧ-1, АВЧ-2 (обозначение: А — антифрикционный, Ч — чу-
гун, С — серый, В — высокопрочный, К — ковкий), применяют в
узлах трения в паре с другими материалами для изготовления под-
шипников скольжения.

1.1.2.	Классификация сталей

Конструкционные стали применяют для изготовления различ-
ных по назначению деталей машин. Низкоуглеродистые стали обыч-
но подвергают цементации, среднеуглеродистые — улучшению.

Конструкционные стали обыкновенного качества имеют три
группы: группа А поставляется по механическим свойствам
(применяется для малоответственных деталей, армирования же-
лезобетонных конструкций); группа Б — по химическому со-
ставу (применяется для изготовления горячекатаной проволоки,
листа, холоднокатаной ленты); группа В — по химическому
составу и механическим свойствам (для изготовления судового ли-
ста, гнутого профиля при строительстве вагонов и др.).

Конструкционные качественные стали маркируют по среднему
содержанию углерода в сотых долях процента: 05; 08; 10; 20 — 45;
50. Их используют для изготовления средненагруженных деталей
машин различного назначения.

Среднелегированные конструкционные стали (табл. 1.1) в каче-
стве легирующих элементов содержат хром, марганец, никель,
молибден. Предел прочности при растяжении этих сталей <тв =
= 1400...2000 МПа. Наиболее широко применяют стали марок
30ХГСН2А, 30ХГСН2МА, 25Х2ГНТРА, 30Х2ГСН2ВМ и
40ХН2СМА.
Таблица 1.1

Свойства среднелегированных конструкционных сталей

Марка стали	Модуль продольной упругости  Е, ГПа	Предел прочности при растяже- нии ов, МПа	Предел пропорцио- нальности оп, МПа	Условный предел текучести о02, МПа	Предел выносли- вости  МПа
30ХГСН2А	195	1 600... 1 800	900	1 250	600
ВКС-8	200	1 800... 2 000	1 150	1 500	700
ВКС-9	200	1 950...2 150	1 250	1 600	660

Высокопрочные стали имеют повышенную чувствительность к
концентраторам напряжений, водородной хрупкости, коррозии
под напряжением, действию поверхностно-активных веществ и к
ряду других факторов.

Разработаны и применяются новые конструкционные стали
повышенной надежности и прочности (например, ВКС-8 и ВКС-9),
обладающие высокими физико-механическими характеристи-
ками.

Эти стали обладают высокими значениями вязкости разруше-
ния, сопротивления малоцикловой усталости и коррозии, что по-
зволяет использовать их для изготовления высоконагруженных свар-
ных деталей с высокой гарантией эксплуатационной надежности
и длительного ресурса.

Стали с особыми эксплуатационными свойствами подразделя-
ют на следующие группы. Подшипниковые стали применяют при
производстве деталей подшипников качения (кольца, ролики, ша-
рики, иголки). Для обычных подшипников используют стали ма-
рок ШХ6, ШХ9, ШХ10, ШХ15, ШХ15СГ, для прецизионных —
20Х2Н4А-Ш, ШХ15-ШД, получаемые вакуумно-дуговым пере-
плавом.

Стали для холодной листовой штамповки и высадки подразделя-
ют на следующие группы: для нормальной, глубокой, весьма глу-
бокой, сложной и особо сложной вытяжки.

При холодной штамповке используют листовую сталь марок
10кп, 20кп, 10пс, 20пс, легированную — 10Г2, 12Х2НМФА,
23Х2НВФА, 25ХГСА, 25ХГФ, ЗОХГС и др. Для высадки использу-
ют стали, обладающие в холодном состоянии хорошей пластич-
ностью: 08кп, 20кп, 15Х, ЗОХ, 12ХН, 18Х2Н4МА, 19ХГН,
20ХГСА, ЗОХ, ЗОХНМА.

Автоматные стали хорошо обрабатываются резанием, их де-
лят на следующие группы:

•	углеродистые сернистые — All, А20, АЗО, А35, А40Г;

•	углеродистые свинецсодержащие — АС 14, АС35Г2, АС45Г2,
АС40;
•	сернисто-селенистые и хромистые сернисто-селенистые —
А35Е, А45Е, А40ХЕ;

•	сернисто-марганцовистые свинецсодержащие и легирован-
ные свинецсодержащие — АС12ХН, АС14ХГЕ1, АС20ХГНМ и др.

Из этих сталей изготавливают втулки, болты, гайки, оси, тяги,
валики и другие малонагруженные детали автомобильного, тек-
стильного и сельскохозяйственного машиностроения.

Рессорно-пружинные стали обладают высокими пределом упру-
гости, выносливостью, пластичностью и вязкостью. Для изготов-
ления пружин, рессор, пружинных шайб, работающих в обычных
условиях, используют стали 65, 70, 75, 85, 60Г, 70Г, У7—У13,
У7А—У13А. Для изготовления тяжелонагруженных пружин и рес-
сор автомобилей и железнодорожных вагонов используют стали
55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70СЗА. Стали 50ХГ, 50ХГА, 55ХГР,
50ХФА, 50ХГФА используют для изготовления пружин, имею-
щих длительный цикл работы при высоких температурах. Стали
10X11H23T3MP, 12Х18Н9Т, 30X13, 36НХТЮ5М, 40X13,
40КХНМ, 40КНХМВТЮ, 42НХТЮА, 68НХВКТЮ используют
для изготовления пружинных деталей, которые работают в агрес-
сивных средах при высоких температурах.

Для изготовления деталей, предназначенных для работы в ус-
ловиях тяжелого нагружения, — зубчатых колес, валов, кресто-
вин, карданных валов, штоков и других используют стали 18ХГТ,
25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ, 25Х2ГНТА, 15ХГН2ТА, 20ХГНТР,
15Х2ГН2ТРА. При работе с ударными нагрузками применяются
стали марок 20ХГР, 20ХНР, 20ХГНР, 27ХГР, 40ХН, 45ХН, 50ХН,
30XH3A, 30ХГСН2А, 38ХГН.

Высоколегированные стали и сплавы являются труднообрабаты-
ваемыми и по назначению подразделяются на следующие группы:

•	хладостойкие стали, предназначенные для работы при
температуре-40...-80 °C, - 12ХНЗА, 15ХМ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР,
30ХГСА, 30ХГСН2А, 38Х2МЮА, 40ХН2МА и др.;

•	теплоустойчивые стали, предназначенные для рабо-
ты в течение длительного времени при температуре до 600 °C. Ста-
ли 12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф1ТР, 20Х1М1Ф1БР, 25Х1МФ,
25Х2М1Ф используют при изготовлении паровых котлов, деталей
трубопроводов, труб паронагревателей, деталей газовых турбин;
стали 12Х8ВФ, 15X5, 15Х5М, 15Х5ВФ используют для изготовле-
ния печей, труб, насосов, задвижек и других подобных деталей;

•	жаропрочные стали, способные работать при темпера-
туре 400...850°C. Стали 9Х16Н15МЗБ, 12Х8ВФ, 13Х14НЗВ2ФР,
14Х17Н2, 15X11МФ применяют для изготовления лопаток паро-
вых турбин, трубопроводов высокого давления, труб, печей, ра-
ботающих при температуре до 580 °C; стали 08Х16Н13М2Б,
11Х11Н2В2МФ, 12Х18Н12Т, 15Х5М, 16Х11Н2В2МФ,
18Х12ВМБФР — для изготовления литейных форм, лопаток тур-
бин, деталей насосов, задвижек, работающих при температуре до
600 °C; стали 09Х16Н4Б, 37Х12Н8Г8МБФ, 40Х9С2, 40Х10С2М,
45Х14Н14В2М — для изготовления труб парогенераторов, клапа-
нов двигателей, трубопроводов, работающих при температуре до
850 °C;

•	жаростойкие стали, способные работать без окисле-
ния и образования окалины при температуре до 1 250 °C. Стали
12X13, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 15X5, 08Х18Н10, 40Х10С2М
применяют для изготовления теплообменников, электродов за-
жигательных систем, муфелей, реторт, деталей котельных уста-
новок, работающих при температуре до 850 °C; стали 08Х18Т1,
08Х20Н14С2, 12X17, 10Х13СЮ, 20Х20Н14С2, 30Х13Н7С2,
45Х22Н4МЗ, 55Х20Г9АН4 — для изготовления печных рольган-
гов, теплообменников, деталей термических печей, труб, работа-
ющих при температуре до 1000 °C; стали 10Х23Н18, 15Х18СЮ,
15Х25Т, 15X28, 12Х25Н16Г7АР, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2,
36Х18Н25С2 — для изготовления труб пиролизных установок, де-
талей газовых турбин, подвесок и опор в котлах, работающих в
агрессивных средах при температуре до 1 150 °C;

•	коррозионно-стойкие стали используемые для из-
готовления деталей, работающих в агрессивных средах. Для слабо-
агрессивных сред (открытый воздух, пресная вода, пар) исполь-
зуют стали 08X13, 12X13, 20X13, 25Х13Н2; для изготовления ме-
дицинских инструментов — стали 30X13 и 40X13; для изготовле-
ния лопаток турбин, авиационных двигателей — стали 14Х17Н2,
20Х17Н2; для изготовления деталей дизелей, элементов судов, ра-
ботающих в морской воде, — стали 07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ,
09Х15Н8Ю, 09Х16Н4Б; для работы в средах с повышенной агрес-
сивностью — стали ХН65МФ, Н70МФ, 03Х18Н12, 04Х18Н10,
08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т.

Коррозионно-стойкие стали переходного класса обладают вы-
сокой надежностью, сопротивлением коррозии под напряжени-
ем, хорошей свариваемостью всеми видами сварки (причем свар-
ные соединения не требуют термической обработки).

Сталь 07Х16Н6 — одна из наиболее распространенных, выпус-
кается в виде листов, лент, прутков, поковок, сварочной прово-
локи. После закалки, обработки холодом и отпуска в интервале
температур 250... 400 °C сталь при параметре прочности ов =
= 1 100... 1 300 МПа имеет высокие значения вязкости разрушения
и пластичности; ее применяют для изготовления силовых деталей
и сварных узлов, работающих при низких температурах (до
-253 °C), в том числе деталей, подвергаемых действию большой
концентрации напряжений, а также сварных газовых емкостей,
работающих под давлением.

Сталь08Х17Н5МЗ с параметром прочности ов = 1 200... 1 400 МПа
применяют в качестве листового материала. Ее упрочняют холод-
10
ной деформацией и поставляют в виде листов и лент в мягком
или полунагартованном состоянии. Наиболее целесообразно ис-
пользование данной стали для изготовления тонкостенных объем-
ных деталей методом глубокой штамповки с умеренными степе-
нями деформации, с последующим упрочнением отпуском при
температуре 450 °C. Сталь хорошо поддается пайке. Детали, изго-
товленные из этой стали, могут длительно эксплуатироваться при
температуре 500 °C.

Сталь 13X15H4AM3 с параметром прочности о„ = 1 400... 1600 МПа
применяют для изготовления высоконагруженных деталей и свар-
ных узлов. Высокие параметры прочности этой стали обеспечива-
ются повышенным содержанием углерода и азота, а пластично-
сти и вязкости — наличием в структуре 15... 20 % равномерно рас-
пределенного остаточного аустенита. Данную сталь поставляют в
виде поковок, штамповок, прутков и горячекатаных листов. Ее
термическая обработка состоит из закалки при температуре
1 070 °C, обработки холодом и отпуска при 200 или 350 °C. При
параметре прочности ов = 1 600 МПа после отпуска при темпера-
туре 200 °C сталь 13X15H4AM3 имеет высокие значения вязкости
разрушения, пластичности, сопротивления к концентраторам на-
пряжений, в том числе к трещинам при длительно действующих
нагрузках в контакте с водой.

Сталь 13X15H4AM3 используют для изготовления накаткой вы-
соконагруженных болтов, работающих как на срез, так и на рас-
тяжение.

Наиболее высокопрочной из сталей переходного класса являет-
ся сталь 18Х14Н4АМЗ с параметром прочности ов = 1 600... 1 800 МПа.
Такую прочность обеспечивают повышенное содержание углеро-
да и изменение фазового состава в сторону большего количества
мартенсита. При этом сталь 18Х14Н4АМЗ имеет достаточно высо-
кие значения вязкости разрушения и сопротивления коррозион-
ному растрескиванию (табл. 1.2).

Сталь 18Х14Н4АМЗ предназначена для изготовления силовых
деталей и сварных узлов, работающих при температуре от -70 до
+ 200 °C в любых климатических условиях.

Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса применяют
для изготовления силовых деталей, имеющих сварную конструк-

Т аблица 1.2

Сравнительные свойства высокопрочных сталей

Марка стали	ав, МПа	Од 2; М П а	ап, МПа
18Х14Н4АМЗ	1 600... 1 800	1 200	940
30ХГСН2А	1 600... 1 800	1 250	900
цию без последующей термической обработки с обеспечением
о'в = 0,9 ов. Эти стали имеют высокую коррозионную стойкость и
малую чувствительность к концентраторам напряжений.

Широкое распространение получили стали марок 08Х15Н5Д2Т
и 06Х14Н6Д2МБТ с параметром прочности ов = 1 150... 1 400 МПа,
обладающие высокой технологичностью. Закалку деталей из этих
сталей можно совмещать с процессом формообразования, при
сварке самых сложных конструкций не требуется подогрева или
последующего отжига, внутренние напряжения минимальны. Сталь
06Х14Н6Д2МБТ в отличие от стали 08Х15Н5Д2Т обладает боль-
шей стойкостью сварных соединений к коррозионному растрес-
киванию под напряжением, а также более высоким пределом те-
кучести при низких (до -70 °C) температурах. Сварное изделие
по прочности практически не уступает прочности основного ме-
талла.

Для изготовления литых деталей из сталей мартенситного класса
применяют коррозионно-стойкую сталь 08Х14Н5ДМ2, обладаю-
щую сочетанием высоких прочностных и пластических свойств.

Сталь 08Х14Н5ДМ2 обеспечивает высокую прочность изделий
благодаря хорошему сопротивлению знакопеременным нагрузкам.
Она хорошо сваривается любыми видами сварки, в том числе и в
термоупрочненном состоянии.

Высокопрочные стали применяют в машиностроении для из-
готовления наиболее ответственных силовых элементов конструк-
ций, которые работают в широком диапазоне температур. Изде-
лия из высокопрочных сталей характеризуются высокой прочно-
стью и надежностью, технологичны и имеют умеренную стоимость.

1.1.3. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы подразделяют на сплавы, деформируе-
мые обработкой (ГОСТ 4784—74) и прессованием (ГОСТ 21488—
76), и литейные сплавы (ГОСТ 1583—89Е).

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы отличаются
хорошей пластичностью (относительное удлинение 8 до 40 %), но
невысокой прочностью. К ним относят сплавы алюминия с маг-
нием и марганцем. Это сплавы АМц, содержащие 1,0... 1,6 % Мп,
АМц2, АМц5, содержащие до 1,6% Мп и до 5,8% Mg. Данные
сплавы используют для изготовления сварных или штампованных
малонагруженных конструкций, они устойчивы к коррозии и мо-
гут быть упрочнены методами холодной деформации.

К прессованным сплавам относят сплавы системы Al—Си—Mg
с добавками других компонентов (например, марганца) — дур-
алюмины. Наибольшее применение имеют сплавы Д18 (2,2... 3,0 %
Си; 0,2...0,5% Mg) и Д16 (3,8...4,6% Си; 1,2...1,8% Mg и
0,3...0,9 % Мп).
Дуралюмины в любом состоянии хорошо деформируются, мо-
гут быть подвергнуты закалке в воде и старению. Сплавы типа В95
являются наиболее прочными и содержат в своем составе 6 % Zn,
2,3 % Mg, 1,7 % Си, 0,4 % Мп, 0,2 % Ст. Недостатки этих сплавов:
возможность применения при температуре ниже 150 °C и подвер-
женность коррозии. Для работы при повышенных температурах ис-
пользуются сплавы АК4, АКБ, АК8, АК4-1, хорошо подвергаю-
щиеся ковке и штамповке.

Алюминиевые деформируемые сплавы обладают высокими
физико-механическими характеристиками, технологичны при
изготовлении, используются в судо- и авиастроении, в строитель-
стве, сельском хозяйстве, производстве электро- и бытовой тех-
ники и электронном машиностроении. В авиастроении эти сплавы
являются основным конструкционным материалом (составляют
80... 85 % массы планера современного самолета).

С целью повышения надежности самолетов разработаны новые
высокопрочные алюминиевые деформируемые сплавы системы
Al—Zn— Mg—Си и среднепрочные сплавы системы Al—Си—Mg.
Эти сплавы имеют повышенные значения предела текучести и
трещиностойкости, сопротивления усталости и коррозионной
стойкости и обладают повышенными прочностными свойствами.
Наиболее перспективными для авиации являются следующие мар-
ки: В95пчТ2, В95очТ2, 1973, 1933 системы Al—Zn—Mg—Си и 1161,
1163 системы А1—Си—Мп. Сплавы 1973, 1933 и 1161 содержат цир-
коний Zr (табл. 1.3).

Сплавы, легированные литием, характеризуются пониженной
плотностью.

Сплав 1420 системы Al—Mg—Li—Zr отличается самой низкой
плотностью (р = 2 470 кг/м3) и обеспечивает высокую удельную
прочность (oB/(pg) = 17 км, где g — ускорение свободного паде-
ния), а также снижение массы конструкций на 20...25 %.

Предел прочности о„ сварных соединений составляет пример-
но 0,8о„ основного материала.

Для изготовления тонких листов на базе системы Al—Си—Li—Zr
разработаны сплавы 1450 и 1451, которые по основным техниче-
ским характеристикам не уступают сплаву В95, но позволяют на
10% снизить массу конструкции и на 10% повысить ее жест-
кость.

Сплавы 1430 и 1440, разработанные на базе системы Al—Mg—
Li—Си—Zr, имеют более низкую (на 7...8 %) плотность и более
высокий (на 10 %) модуль упругости и достаточно высокие значе-
ния сопротивления усталости и предела текучести по сравнению
со сплавами системы Al—Си—Mg типа Д16.

Алюминиево-литиевые сплавы по сравнению с традиционными
алюминиевыми довольно дорогостоящи и поэтому их применяют
только в тех конструкциях, где необходимо снижение массы.
Таблица 1.3

Свойства алюминиевых деформируемых сплавов

Марка сплава	Вид заготовки	Предел прочности при растяжении ов, МПа	Условный предел текучести Оо,2, МПа	Относительное удлинение 8, %
В95пчТ2	Лист	510...540	450...480	10...12
1973Т2	Лист	550...570	500...520	
	Плита	530	460	8
	Панель	540	480	
1933T3	Поковка	450	390	
1161НТМО	Плита	450	340	12
1161Т	Панель	450	340	
1163Т7	Плита	460	345	

Для изготовления корпусных деталей приборов используют
сплавы типа 1420, обладающие эффектом сверхпластичности, что
позволяет в 1,5 — 2 раза снизить трудоемкость без применения ме-
ханической обработки.

В автомобиле- и тракторостроении для деталей двигателей и
механизмов газораспределения, работающих при температуре до
500 °C, используют легированный алюминиевый жаропрочный
сплав (до 3 % С), обладающий высокими параметрами прочности
(ав = 470 МПа, ав50 = 190 МПа, = 110 МПа) и коррозионной
стойкостью. Благодаря высоким антифрикционным свойствам его
используют для изготовления деталей узлов трения, что позволя-
ет при замене деталей из стали и титана обеспечить снижение
массы на 30 %.

Алюминиевые литейные сплавы обозначают буквами АЛ и под-
разделяют на 5 групп.

Группа 1 — силумины — сплавы системы Al—Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9).
Эти сплавы устойчивы к коррозии, обладают хорошей текучестью
и малой усадкой. При модификации в них вводят металлический
натрий, в результате чего структура сплава становится мелкозер-
нистой, а сплав приобретает пластичность.

Группа 2 — сплавы системы Al—Si—Си (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а так-
же сплав АЛ32, содержащий дополнительно марганец и титан).

Группа 3 — сплавы системы А1—Си (АЛ7 и АЛ19), имеющие
повышенное содержание меди.

Группа 4 — сплавы системы Al—Mg (АЛ8, АЛ 13, АЛ22), обла-
дающие низкой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью
и высокими механическими характеристиками. Используют дан-
ные сплавы при изготовлении отливок в автомобильном произ-
водстве.

Группа 5 — сплавы на основе алюминия и других компонентов.
Например, сплав АЛ24 содержит марганец, магний, цинк, титан
и другие компоненты.

Среди последних разработок можно выделить сплавы ВАЛ 12,
ВАЛ 14, ВАЛ 16.

Высокопрочный сплав ВАЛ 12 на основе системы Al—Zn—Mg—
Си предназначен для изготовления деталей, к которым предъяв-
ляются повышенные требования по прочности и усталости. Он
может успешно конкурировать как с алюминиевыми деформиру-
емыми сплавами, так и с малоуглеродистыми сталями, некото-
рыми латунями и бронзами. Детали из сплава ВАЛ 12 могут дли-
тельно работать при 200 °C и кратковременно при 250 °C.

Детали, получаемые литьем по методу жидкой штамповки, при
которой кристаллизация происходит в металлической форме под
давлением, обладают особо высокими механическими свойства-
ми: ов = 550...600 МПа, о02 = 500...550 МПа, 8 = З...6%, съ, =
= 140... 160 МПа.

Высокопрочный и жаропрочный сплав ВАЛ 14 на основе сис-
темы А1—Си—Мп—Cd имеет высокие физико-механические ха-
рактеристики (ов = = 400...500 МПа, о.| = 104... 120 МПа, 8 =
= 7... 15 %), предназначен для деталей, испытывающих большие
динамические и вибрационные нагрузки. Детали из этого сплава
могут длительно работать при 300 °C и кратковременно при 350 °C.

Сплав ВАЛ 16 обладает высокой коррозионной стойкостью и
хорошей свариваемостью. Детали из этого сплава могут успешно
работать в любых климатических условиях при температуре до 150 °C.
Сплав характеризуется высокими механическими свойствами (ов =
= 300...350 МПа, 8 = 10... 15 %), что позволяет его применять для
изготовления сварных конструкций совместно с деформируемы-
ми сплавами типа АМгб.

В изделиях современного машиностроения алюминиевые ли-
тейные сплавы, обладающие высокой удельной прочностью, за-
меняют чугун и малоуглеродистые литейные стали. Свойства ли-
тейных алюминиевых сплавов, серого чугуна и стали, применяе-
мых для изготовления литых заготовок деталей машин, приведе-
ны в табл. 1.4.

Области применения алюминиевых литейных сплавов:

•	в авиастроении — силовые детали фюзеляжа, агрегатов, при-
боров;

•	судостроении — кронштейны палубных надстроек, корпуса
механизмов управления и компасов;

•	машиностроении — корпуса электродвигателей, роторов ком-
прессоров, насосов, редукторов, вентиляторов; крыльчатки, шки-
Таблица 1.4

Свойства литейных алюминиевых сплавов, серого чугуна и стали

Материал	Марка сплава	ав, МПа	8, %	р, кг/м’	GB/(pg>, км
Литейные	АЛ4	230...240	2,0...3,5	2 650	8,5...9,0
алюмини-	АЛ5	220...250	0,5...2,5	2 680	8,2...9,0
евые сплавы	АЛ9	210...230	1,0...3,0	2 660	7,7...8,6
	АЛ 9 —АЛ	240...300	2,0...5,0	2 690	8,3...11,2
	АЛ19	300...340	4,0...8,0	2 780	10,8...12,2
	АЛ32	250...270	1,5...2,0	2 650	9,4...10,1
	ВАЛ8	350...400	4,0...6,0	2 730	12,8...14,6
	ВАЛ12	550...580	3,0...5,0	2 820	18,7...20,5
	ВАЛИ	400...500	4,0...10,0	2 800	14,2...17,8
	ВАЛ16	300...350	10,0...15,0	2 570	11,7...13,6
Серый чугун	СЧ18	180	—	7 200	2,5
	СЧ28	280	—	7 500	3,7
Сталь	35	400	15,0	7 800	5,1

вы ременных передач, муфты сцепления, корпуса и крышки кар-
теров, коробки передач, редукторы, головки и блоки цилиндров,
поршни;

•	текстильной промышленности — станины ткацких станков,
бобины, корпуса и кожухи швейных машин;

•	пищевой промышленности — детали смесителей, просеива-
ющих агрегатов, разливочных машин;

•	электротехнической промышленности — детали контактных
соединений, панели, радиаторы охлаждения, платы и корпуса
приборов.

Алюминиевые литейные сплавы по сравнению с чугунами и
сталями обладают рядом важных преимуществ: возможностью по-
лучения более точных литых заготовок с малой шероховатостью
поверхности при использовании высокопроизводительных мето-
дов литья в металлические формы (в кокиль, под давлением, жид-
кой штамповкой), а также более высокой коррозионной стойко-
стью.

Замена чугуна и стали литейными алюминиевыми сплавами
позволяет получать значительный технико-экономический эффект
за счет следующих факторов: снижения массы (металлоемкости)
конструкций; повышения эксплуатационной надежности и дол-
говечности; уменьшения трудоемкости благодаря применению
более точных литых заготовок, а также более легкой обрабатыва-
емости резанием.
г

1.1.4.	Медные сплавы

В медных сплавах используют буквенные обозначения: С — сви-
нец, О — олово, Б — бериллий, Т — титан, Ф — фосфор, Ж —
железо, Мц — марганец, К — кремний, Ц — цинк, А — алюми-
ний, Н — никель.

!	Сплавы меди с цинком (до 50 %) и добавками алюминия, ни-

келя, кремния и марганца называются латунями. Различают лату-
ни, обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527—70), и литейные
(ГОСТ 177111-80).

Наиболее распространены латуни с содержанием цинка до 38 %.
Они коррозионно-стойкие, пластичные и в горячем состоянии
хорошо обрабатываются давлением. Латуни выпускают восьми
марок.

;	Максимальное содержание меди (96 %) в латуни марки Л96,

минимальное — в Л60. Добавки легирующих элементов улучшают
механические свойства и повышают коррозионную стойкость ла-
туни. Наприм.ер, марганцово-алюминиевая латунь ЛМцА-57-3-1
содержит 55,0... 58,5 % меди, 2,5... 3,5 % марганца, 0,5... 1,5 % алю-
миния, остальное — цинк.

Сплавы меди с оловом называются бронзами (ГОСТ 5017—74 —
оловянные и ГОСТ 18175—78 — безоловянные). Эти сплавы более
, прочные и коррозионно-стойкие по сравнению с медью, облада-
ют хорошими литейными свойствами, имеют малый коэффици-
ент трения, что позволяет использовать их при изготовлении вкла-
дышей подшипников, червячных колес, различных элементов
k точных измерительных приборов.

Бронза БрОЦС5-5-5 содержит 4...6 % олова, цинка и свинца,
остальное — медь. Поскольку олово дороже и дефицитнее меди,
то широкое распространение получили алюминиевые бронзы,
, например БрА5, БрАЖМц 10-3-1,5. Алюминиевые бронзы с до-
бавками алюминия до 10 % обладают хорошей жидкотекучестью,
в горячем и холодном состоянии хорошо обрабатываются давле-
нием, а добавки никеля, марганца, железа и свинца улучшают их
механические свойства.

Бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8...2,1 %
бериллия, 0,2...0,5% никеля, остальное — медь, обладают высо-
кой прочностью и упругостью, что позволяет использовать их для
изготовления пружин и пружинных контактов измерительных при-
боров.

Бронзы БрОЦС4-4-4, содержащие 3...5% олова и цинка,
3,5...4,5 % свинца, обладают высокими антифрикционными свой-
ствами.

Кремниевые бронзы, например БрКН-1-3, содержат 0,6..1,1 %
кремния, 2,4...3,4% никеля и 0,1 ...0,4% марганца, обладают вы-
сокой пластичностью и коррозионной стойкостью.
Технически чистая медь (ГОСТ 859—78) также применяется в
машино- и приборостроении: М00 (медь 99,9%), МО (99,95 %),
Ml (99,8%), М2 (99,7%), М3 (99,5%).

1.1.5.	Титановые сплавы

В промышленности применяют в основном титан двух марок:
ВТ1-00 и ВТ1-0. Для легирования титана используют алюминий,
который увеличивает прочность, жаропрочность и стойкость к
окислению при высоких температурах, но снижает пластичность.
Алюминий является «-стабилизатором. Для получения сплавов
смешанной структуры (а +13) титан легируют марганцем, хромом
и молибденом, что позволяет примерно вдвое увеличить проч-
ность по сравнению с чистым титаном, но при температуре не
выше 430 °C. Такие сплавы хорошо куются, штампуются и прока-
тываются, но плохо свариваются.

Широкое распространение имеет сплав ВТЗ-1 (5,5...7,0% AI,
0,8...2,3 % Сг, 2...3% Мо, 0,2...0,4 % Si), который обладает тер-
мической стабильностью при температуре до 400 °C.

Сплав ВТ9 (6...7 % А1, 3...4% Мо, 0,3 % Si, 0,8...2,0 % Zr)
может длительно работать при температуре до 450 °C.

Однофазный сплав ВТ5 (4,3...6,2 % А1) устойчив к коррозии,
хорошо сваривается, сохраняет высокую прочность при темпера-
туре до 650 °C.

Титановые сплавы используют в тех областях, где к коррози-
онной стойкости и прочности изделий предъявляются высокие
требования, например в химической и молочной промышленно-
сти. Длительный срок службы титановых изделий позволяет оку-
пать их повышенную по сравнению со сталями стоимость.

Области использования титановых сплавов:

•	химическое, нефтехимическое, молочное производство — ем-
кости, баки, трубопроводы, теплообменники, реакторные сосу-
ды, очистительные сооружения;

•	машиностроение — корпусные детали, клапаны, золотники,
пружины, коленчатые валы;

•	добыча топлива, производство ядерных силовых установок —
конденсаторы, лопатки турбин, изделия, работающие в соле-
ной морской воде, детали бурильного и нефтяного оборудова-
ния;

•	строительство — крыши, панели, элементы отделки, трубо-
проводы, оболочки;

•	судостроение — опреснители морской воды, глубоководные
спускаемые аппараты, подводные лодки, шельфовые нефтяные
платформы;

•	захоронение радиоактивных отходов — контейнеры, транс-
портные цистерны;
Таблица 1.5

Свойства листов и плит из титановых сплавов

Марка сплава	Толщина листа, плиты, мм	Предел прочности при растяжении ав, МПа	Относительное удлинение 8, %
ВТ 1-0	1 ...5  6...10  12...60	390...540	25  20  13
ВТ 1-00	1 ...5  6... 10  12...60	290... 440	25  20  14
ОТ4-1	1...5  6...10  10...60	490...640	25  11  11

•	медицинская промышленность — имплантанты, сердечные
клапаны, микрохирургический инструмент, протезы;

•	производство спортивного инвентаря — ракетки, клюшки,
детали велосипедов и др.

Поскольку титановые сплавы достаточно дороги и дефицит-
ны, то это сильно сдерживает их использование. Наиболее широ-
ко применяют титановый лист толщиной 1... 5 мм, хотя титан по-
ставляют и в виде плит, труб, прутков и поковок. Для снижения
себестоимости разработаны вторичные титановые сплавы — ВТВ1,
ВТВ2, ВТВЗ, ВТВ4. В качестве шихтовых материалов при выплав-
ке слитков используют отходы производства титановых сплавов.
Из вторичных титановых сплавов освоено производство листов тол-
щиной 1 ...5 мм и плит толщиной 6... 50 мм (табл. 1.5).

Изделия из вторичных титановых сплавов могут быть сварены
всеми видами сварки: аргонодуговой, электронно-лучевой, точеч-
ной и др. Операции листовой штамповки и гибки заготовок из
сплава марки ВТВ1 осуществляют без нагрева, а из сплавов ВТВ2,
ВТВЗ, ВТВ4 — при нагреве до 700 °C. Механическую обработку
(точение, фрезерование, строгание и др.) вторичных титановых
сплавов проводят инструментом с твердосплавными пластинами
типа ВК6 и ВК8. Режимы резания аналогичны режимам для реза-
ния обычных титановых сплавов.

1.1.6. Магниевые сплавы

Первичный магний имеет три марки: МГ90, МГ95 и МГ96, с
содержанием от 99,96 до 99,90 % магния. В магниевых сплавах со-
держится железо, кремний, алюминий, медь, никель, марганец
и хлор в незначительных количествах. По ГОСТ 2856—79 опреде-
лен состав магниевых сплавов, предназначенных для фасонного
литья, по ГОСТ 14957—76 — состав сплавов для получения изде-
лий методами горячей деформации. Различают литейные магние-
вые сплавы (МЛ) и сплавы, обрабатываемые давлением (МА).

Сплав МЛ2 (1 ...2 % Мп) имеет невысокие механические свой-
ства, но обладает хорошей антикоррозионной стойкостью.

Сплавы МЛ4 и МЛ5 содержат добавки алюминия и цинка,
имеют более высокие физико-механические характеристики, бла-
годаря чему их широко используют в промышленности, хотя стой-
кость к коррозии у них несколько ниже.

Сплав МЛ 10 содержит добавки неодима, цинка и циркония,
обладает хорошими литейными свойствами, жаропрочен и может
выдерживать рабочую температуру до 250 °C.

Магниевые литейные сплавы хорошо обрабатываются резани-
ем, обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью,
способностью к демпфированию колебаний. Изделия, изготовлен-
ные из этих сплавов, используют в различных отраслях народного
хозяйства:

•	авиастроении — детали пассажирских кресел, шасси, двига-
телей и силовых агрегатов;

•	транспортном машиностроении — детали двигателей автомо-
билей, диски колес, элементы подвески, корпуса лодок и лодоч-
ных моторов;

•	текстильной промышленности — детали ткацких станков и
бобины;

•	радиотехнической и электронной промышленности — детали
оптических приборов, радио- и киноаппаратуры.

Наиболее широко используют магниевые литейные сплавы
МЛ5, МЛ5пч, МЛ10 и МЛ 12. Сравнительные значения физико-
механических свойств магниевых литейных и алюминиевых спла-
вов приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Свойства магниевых литейных и алюминиевых сплавов

Сплавы	Марка	Рабочая температура, °C	Плотность р, кг/м3	Удельная прочность <V(pg), км
Магниевые	МЛ5, МЛ5пч	150	1 810	12,7...13,8
	МЛ12	200	1 810	12,7...13,8
	МЛ10	250	1 780	12,9...14,0
Алюминиевые	АЛ9, АЛ19, АЛ32	150...300	2 600...2 800	7,7...17,8
Таблица 1.7

Свойства гранулированных магниевых сплавов

Сплавы	Марка	Предел прочности при растя- жении ов, МПа	Услов- ный предел текучести °0,2, МПа	Услов- ный предел текуче- сти при сжатии °сж0.2,  МПа	Удельная прочность C„/(pg), км	Относи- тельное удлине- ние 5, %
Гранули- рованные	МА14гр	340	270	270	19	13
	МА2-1гр	310	230	230	17	8
Серийные	МА14Т1	310	240	150	17	7
	МА2-1	260	150	80	15	8

Из магниевых деформируемых сплавов изготавливают следую-
щие изделия: -

•	в авиастроении — детали бортовой аппаратуры, диски колес,
корпуса кресел;

•	при производстве товаров народного потребления — детали
велосипедов;

•	в медицине — детали инвалидных колясок, медицинской тех-
ники.

Благодаря малой плотности и значительной прочности таких
сплавов существенно снижается масса конструкции: для корпус-
ных деталей экономия по массе составляет 21, 57 и 111 % по срав-
нению с алюминиевыми, титановыми и стальными деталями соот-
ветственно.

Сплавы МА1 и МА8 обладают высокой пластичностью, хоро-
шей коррозионной стойкостью и свариваемостью, сплав МА2
обладает хорошей пластичностью, но меньшей коррозионной стой-
костью.

Для снижения стоимости готовых изделий используют техно-
логию их получения из гранул. Процесс состоит из отливки гра-
нул и их прессования в готовое изделие, например трубу. Возмож-
но также промежуточное изготовление заготовок с последующей
механической обработкой, прошивкой или прессованием готово-
го изделия. Свойства гранулированных магниевых сплавов пред-
ставлены в табл. 1.7.

1.1.7. Никелевые сплавы

Никелевые литейные жаропрочные сплавы широко использу-
ют для повышения ресурса и эксплуатационных характеристик
авиационных и ракетных двигателей. Сплавы ЖС6К, ВЖЛ12У и
ЖС6У применяют для изготовления литьем по выплавляемым
моделям с последующей термической обработкой рабочих лопа-
ток турбин и цельнолитых роторов. Они имеют равноосную кри-
сталлизацию (Ni—Со—Cr—Al—Ti—W— Мо) и представляют со-
бой у-твердый раствор, упрочненный фазой на основе алюмина-
та никеля Ni3Al. Сплавы предназначены для работы при темпе-
ратуре до 1 100 °C.

Для рабочих лопаток самолетов гражданской авиации исполь-
зуют сплавы с направленной и монокристальной структурой ЖС30,
ЖС26У, имеющие высокие пределы длительной прочности во всем
интервале рабочих температур, выносливости, термостойкости и
более высокую термостабильность, что позволяет увеличивать ре-
сурс двигателя в 4 —5 раз без промежуточного ремонта. Сплавы
ВЖЛ12У, ЖС6К, ЖС6У, обладающие плотностью соответствен-
но 7 900, 8 100 и 8 400 кг/м3, при равноосной кристаллизации
имеют предел прочности о^0 соответственно 150, 160 и 170 МПа.
Сплавы ЖСЗО и ЖС26У при монокристаллизации и направлен-
ной кристаллизации имеют а)“° = 200 МПа.

Литье лопаток методом направленной кристаллизации осуще-
ствляют в тонкостенные керамические формы толщиной 6... 7 мм,
выдерживающие температуру 1 750... 1 780°C.

Применение тонкостенных форм обеспечивает достижение за-
данного температурного градиента при литье лопаток с монокри-
сталлической структурой. Высокотермические плавильные тигли
изготавливают с применением высокоогнеупорных материалов —
электрокорунда, муллита, диоксида магния и специальных спе-
кающих добавок. Использование таких тиглей позволяет устранить
взаимодействие расплава с рабочей поверхностью, обеспечивая
сохранение исходной чистоты металла.

Никелевые деформируемые жаропрочные сплавы используют для
изготовления дисков турбин и последних ступеней компрессоров
газотурбинных двигателей. Для этих целей также успешно исполь-
зуют сплав ЭИ698 (Ni—Cr—Mo—Ti—Al—Mb) без содержания ко-
бальта и вольфрама, который выдерживает рабочую температуру
550... 700 °C при ресурсе 12 000 ч.

Для изготовления дисков турбины и последних ступеней ком-
прессора используют также сплавы ЭП742, ЭП648 с кобальтом,
дисков турбины и валов компрессора — порошковый сплав
ЭП741нп, обладающий более однородной структурой, а также
сплавы ЭК79 и ЗК79У.

Для деталей горячего тракта и жаровых труб современных газо-
турбинных двигателей с повышенным ресурсом создан объемно-
стабильный высокотехнологичный гомогенный свариваемый сплав
ВЖ145 (табл. 1.8). Детали из этого сплава могут быть в процессе
ремонта восстановлены любыми методами сварки.
Таблица 1.8

Свойства никелевых сплавов

Марка сплава	а800, МПа	а’00, МПа	а'000, МПа
ЭП648	420...500	220...230	НО...140
ВЖ145	450...480	270... 300	150... 170

Окончание табл. 1.8

Марка сплава	с®, МПа	«Ж, МПа	Сшо°’МПа
ЭП648	140... 160	40...50	20...25
ВЖ145	160... 170	70... 80	30...35

Примечание. В верхнем индексе предела прочности а указано время рабо-
ты в часах, в нижнем индексе — температура в градусах Цельсия.

1.2.	Металлы и сплавы с особыми свойствами

1.2.1.	Сплавы с особыми тепловыми и упругими
свойствами

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необ-
ходимо применение материалов со строго регламентированными
значениями в определенных температурных интервалах эксплуа-
тации таких физических свойств, как температурные коэффици-
енты линейного расширения а (ТКЛР) и модуля нормальной уп-
ругости р (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изме-
нения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

Сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом
линейного расширения. Основным представителем сплавов с ми-
нимальным ТКЛР является инвар — сплав 36Н. Инвар имеет са-
мые низкие значения а в интервале температур от -100...+100°C.
Высокий уровень механических свойств и технологичности инва-
ра позволяет использовать его в качестве конструкционного мате-
риала для деталей, от которых требуется постоянство размеров
при меняющихся температурных условиях эксплуатации. Из инва-
ра изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной про-
странственной формы, перекачивающие сжиженные газы в крио-
генных установках. Малая величина ТКЛР позволяет уменьшить
напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их раз-
рушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов
для компенсации деформации, что упрощает конструкцию и де-
лает ее более надежной.
Для обеспечения минимально возможного ТКЛР и наиболь-
шей стабильности размеров содержание углерода в сплавах ин-
варного состава не должно превышать 0,05 %. Более высокое со-
держание углерода приводит к изменению параметров кристалли-
ческой решетки и магнитострикции парапроцесса. Для спаев со
стеклом повышенное содержание углерода приводит к выделе-
нию диоксида углерода СО2 в процессе впаивания и образованию
газовых пузырей в стекле.

В табл. 1.9 приведены составы и свойства сплавов с регламенти-
рованными значениями ТКЛР, нашедших наибольшее примене-
ние.

Значение ТКЛР сплавов а зависит от предварительной обра-
ботки. Минимальное значение коэффициента а инвара достигает-
ся после закалки от 830 °C, в результате которой примеси перехо-
дят в твердый раствор, и отпуска при 315 °C. Холодная деформа-
ция также способствует снижению ТКЛР. В результате комбина-
ции обеих обработок а становится почти равным нулю.

Замена части никеля равным количеством кобальта и легиро-
вание малыми добавками меди позволяют дополнительно снизить
ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

В электровакуумных газоразрядных и полупроводниковых при-
борах широко используют спаи металлов с такими диэлектрика-
ми, как стекло и керамика. Для обеспечения герметичности и ва-
куумной плотности спаев необходимо соответствие ТКЛР мате-
риалов соединяемой пары в эксплуатационном интервале темпе-
ратур. Во избежание появлений напряжений и трещин значение
ТКЛР сплава должно быть максимально приближено к ТКЛР ди-
электрика и строго регламентировано. Для определения пригод-
ности спаев металлов со стеклом используют чувствительный ме-

Табл и ца 1.9

Состав и свойства сплавов Fe—Ni с регламентированным ТКЛР
(ГОСТ 10994-74)

Сплав	Марка сплава	Массовая доля элементов, %			Тепловые свойства	
		Ni	Со	Си	Интервал рабочих темпера- тур, °C	ТКЛР а, Ю^К1
Инвар	36Н	35...37	—	—	20... 80	1,5
Суперин- вар	32НКД	31,5 ...33	3,3.„4,2	0,6.„0,8	20... 100	1,0
Ковар	29НК	28,5...29,5	17...18	—	20.„400	4,5.„5,2
Платинит	47НД	46.„48	—	4,5 ...5,5	20 ...400	9,2 ...10,0
тод — измерение в поляризованном свете упругих напряжений,
имеющихся в спае.

Состав сплавов для пайки и сварки со стеклом подбирают та-
ким образом, чтобы ТКЛР стекла и металла были близки во всем
интервале температур вплоть до размягчения стекла. Ковар приме-
няют для соединения с термостойкими стеклами, а платинит —
с обычными легкоплавкими стеклами, применяемыми в электро-
вакуумной промышленности.

Стали с определенным тепловым расширением служат также
для изготовления термобиметаллов, когда слой с низким тепло-
вым расширением («пассивный слой») путем прокатки надежно
соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепло-
вым расширением («активный слой»). Биметаллические пластины
используют в качестве терморегулятора в приборостроении. На-
грев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяющему
замкнуть электрическую цепь.

Основным свойством термобиметаллов является термочувстви-
тельность, т.е.-способность изгибаться при изменении температу-
ры. В качестве пассивной составляющей обычно применяют инвар
36Н с ТКЛР а = 1,5 • 10 6 К"1, а в качестве активной — применяют
сплавы Fe—Ni с а = 20- 10~6 К4, содержащие 8...27 % Ni, допол-
нительно легированные Сг, Мп, Мо.

Сплавы с постоянным модулем упругости. Сплавы с заданными
свойствами упругости, помимо низких значений ТКМУ, должны
обладать высоким сопротивлением малым пластическим дефор-
мациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и
циклического нагружения.

У чистого железоникелевого сплава даже при небольших коле-
баниях концентрации никеля, неизбежных в сталеплавильном
производстве, уровень ТКМУ становится нестабильным и пре-
терпевает значительные изменения.

Легирование хромом повышает стабильность сплава. Элинвар,
содержащий 36 % Ni и 12 % Сг, характеризуется такими же значе-
ниями ТКМУ, как и чистый сплав Fe—Ni. Однако он имеет более
низкие механические свойства, которые нельзя улучшить терми-
ческой обработкой из-за стабильности аустенитной структуры.
Кроме того, температура Кюри этого сплава составляет около
100 °C, что ограничивает температурный интервал его примене-
ния.

Для повышения температуры Кюри в элинварах увеличивают
концентрацию никеля, а для улучшения механических свойств
элинвары дополнительно легируют титаном, алюминием или бе-
риллием и подвергают двойной закалке при 900...950°C в воду и
старению при 600...700 °C в течение 4 ч (табл. 1.10).

После первой закалки элинварные сплавы сохраняют высокую
пластичность. Относительное удлинение сплава 42НХТЮ состав-
ляет не менее 30 %, сплава 44НХТЮ — не менее 20 %. В этом
состоянии они могут подвергаться штамповке и механической об-
работке.

При повторной закалке избыточные фазы растворяются в аус-
тените, а при старении из твердого раствора происходит выделе-
ние упрочняющих дисперсных фаз (FeNi)3(TiAl), Ni3Ti. К наиболь-
шему упрочнению приводит сочетание низкотемпературной тер-
момеханической обработки с последующим старением.

Элинварные дисперсионно-твердеющие сплавы типа 42НХТЮ,
44НХТЮ применяют для изготовления упругих чувствительных
элементов прецизионных приборов: расходомеров, регуляторов
скорости и датчиков линейных ускорений, динамометров элект-
ронных весов, волосковых спиралей часовых механизмов.

Сплав 30Н25КТЮ относят к элинварам с наиболее высокой
температурой точки Кюри (470 °C). Благодаря этому он сохраняет
температурную стабильность упругих свойств и релаксационной
стойкости вплоть до 400 °C. Сплав рекомендуют применять после
низкотемпературной термомеханической обработки с последую-
щей закалкой и старением. Учитывая большое влияние предше-
ствующей обработки на свойства стали, конкретный режим де-

Таблица 1.10

Состав и свойства элинварных сплавов (ГОСТ 10994—74)

Марка сплава	Массовая доля элементов, %, остальное — железо			
	Ni	Сг	Ti	Al
42НХТЮ	41,5...43,5	5,3...5,9	2,4...3,0	0,5... 1,0
44НХТЮ	43,5...45,5	5,0...5,6	2,2...2,7	0,4...0,8
30Н25КТЮ*	29,5... 30,5	—	2,7...3,0	0,5... 1,0

Окончание табл. 1.10

Марка сплава	Механические свойства после термической обработки			ТКЛР а, 10 6 К 1	Температура эксплуатации, °C
	Условный предел текучести «ода, МПа	Относи-  тел ьное удлинение 5, %	Модуль упругости  Е, ГПа		
42НХТЮ	590...690	10... 15	177... 186	9,5	-269... + 100
44НХТЮ	590...640	10... 15	177... 181	8,0	-269...+200
30Н25КТЮ*	—	—	—	—	-269...+400

* Данный сплав содержит 25,5...26,5 % Со.
формации и термической обработки подбирают для каждой партии
сплава в зависимости от заданных механических свойств. Высокий
запас пластичности в горячем и холодном состоянии позволяет
изготавливать изделия сложной формы.

1.2.2.	Металлы с памятью формы

Долгое время неупругую деформацию считали полностью не-
обратимой. В начале 1960-х гг. был открыт обширный класс метал-
лических материалов, у которых элементарный акт неупругой де-
формации осуществляется за счет структурного превращения. Та-
кие материалы обладают обратимостью неупругой деформации.
Явление самопроизвольного восстановления формы — эффект
памяти формы (ЭПФ) — может наблюдаться как в изотермичес-
ких условиях, так и при температурных изменениях. При тепло-
сменах такие металлические материалы могут многократно обра-
тимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть
подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реак-
тивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может состав-
лять 1 000... 1 300 МПа.

Металлы, обладающие ЭПФ, относятся к числу наиболее яр-
ких представителей материалов со специальными свойствами.
Повышенный интерес к этому металлургическому феномену обус-
ловлен уникальным сочетанием высоких обычных механических
характеристик, сопротивления усталости, коррозионной стойко-
сти и необычных свойств, таких как термомеханическая память,
реактивное напряжение, основанных на термоупругом мартенсит-
ном превращении. Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко
выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Зна-
чения физико-механических характеристик меняются в несколь-
ко раз при обратимом фазовом переходе аустенит —мартенсит для
разных сплавов обычно в интервале температур -15О...+15О°С.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными
для практического применения являются сплавы Ti—Ni экви-
атомного состава (равного числа атомов), обычно называемые ни-
келидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые
сплавы на основе меди Си—Al—Ni и Си—Al—Zn.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий
определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной
температуре, деформируют при более низкой температуре мар-
тенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося
протеканием обратного превращения, исходная характерная форма
восстанавливается. Эффект памяти формы проявляется в сплавах,
характеризующихся термоупругим мартенситным превращением,
когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной
фаз, сравнительно небольшим гистерезисом превращения, а так-
же малыми изменениями объема при превращениях. В никелиде
титана объемные изменения составляют около 0,34%, что на по-
рядок меньше, чем в сталях (около 4 %).

Сплавы с ЭПФ часто относят к так называемым интеллекту-
альным материалам, позволяющим создавать принципиально но-
вые конструкции и технологии в разных отраслях машинострое-
ния, авиакосмической и ракетной техники, приборостроения,
энергетики, медицины и др. Рассмотрим некоторые объекты при-
менения сплавов с ЭПФ.

Освоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием
орбитальных станций и крупным космическим строительством.
Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнеч-
ные батареи и космические антенны. На рис. 1.1 приведена схема
космического аппарата с саморазворачивающимися элементами.
Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti—Ni, которые
свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусствен-
ном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту
антенна нагревается с помощью специального нагревателя или
теплоты солнечного излучения, в результате чего она выходит в
космическое пространство.

Для размещения различных технических объектов, жилых и
производственных модулей необходимо строительство в условиях
открытого космического пространства больших платформ. Доставка
в открытый космос громоздких агрегатов технически возможна
только по частям с последующими монтажными работами. Ис-
пользуемые в массовом производстве способы соединения дета-
лей, такие как сварка, пайка, склеивание, клепка и другие, не-

Рис. 1.1. Схема космического аппарата
с саморазворачивающимися элемен-
тами:

/ — антенна; 2 — солнечная батарея; 3 —
излучатель энергии; 4 — механический
стабилизатор
Рис. 1.2. Соединение трубчатых деталей (7) с помощью муфты (2)
из металла с памятью формы:
а — до сборки; б — после нагрева

пригодны в космических условиях. Особые требования предъявля-
ют к обеспечению исключительно высокой безопасности.

С учетом этих особенностей в нашей стране была создана уни-
кальная технология соединения элементов в открытом космосе с
использованием муфты из сплава ТН-1. Эта технология была ус-
пешно использована при сборке конструкции фермы из алюми-
ниевых сплавов общей длиной 14,5 м и поперечным сечением в
виде квадрата со стороной 0,5 м.

Ферма состояла из отдельных трубчатых деталей 1 диаметром
28 мм, которые соединялись между собой с помощью муфты 2 из
металла с памятью формы (рис. 1.2). Муфту с помощью дорна де-
формировали при низкой температуре таким образом, чтобы ее
внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяе-
мых элементов. После нагрева выше температуры обратного мар-
тенситного превращения внутренний диаметр муфты восстанав-
ливался до того диаметра, который муфта имела перед расшире-
нием. При этом генерировались значительные обжимающие ре-
активные усилия, соединяемые элементы пластически дефор-
мировались, что обеспечивало их прочное соединение. Сборка
фермы и установка ее на астрофизическом модуле «Квант» ор-
битального комплекса «Мир» была произведена в 1991 г. всего за
четыре выхода в открытый космос и заняла в общей сложности
около суток.

Эти же принципы строительства могут быть использованы для
монтажа на больших глубинах крупногабаритных морских подвод-
ных конструкций.

Муфты для термомеханического соединения труб применяют
во многих конструкциях (рис. 1.3). Их используют для соединения
трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14, при-
чем каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено.
Достоинством муфт, изготовленных из сплавов с памятью фор-
мы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высо-
котемпературного нагрева (в отличие от сварки). Поэтому свой-
ства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Муфты такого
^egflggggflgfisgggggggg^sg

Рис. 1.3. Соединение труб с исполь-
зованием эффекта памяти формы:



а — введение труб после расширения
муфты; б — нагрев

Нагрев



ggsgsessgggggggggaggggggg

типа применяются для трубопроводов атомных подводных и над-
водных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти
со дна моря, причем для этих целей используют муфты большого
диаметра — порядка 150 мм. В некоторых случаях для изготовления
муфт применяют также сплав Си—Zn—Al.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются
заклепки и болты. Однако, если невозможно осуществлять какие-
либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей
(например, в герметичной пустотелой конструкции), выполне-
ние операций крепления вызывает трудности.

Стопоры из сплава с эффектом памяти формы позволяют в
этих случаях осуществить крепление с использованием простран-
ственного восстановления формы. Стопоры изготавливают из сплава
с эффектом памяти формы, причем в исходном состоянии сто-
пор имеет раскрытый торец (рис. 1.4, а). Перед осуществлением
операции крепления стопор погружается в сухой лед или жидкий
воздух и в достаточной степени охлаждается, после чего торцы
стопора выпрямляются (рис. 1.4, б). Стопор вводится в непо-
движное отверстие для крепления (рис. 1.4, в), при повышении
температуры до комнатной происходит восстановление формы,
торцы штифта расходятся (рис. 1.4, г), и операция крепления
завершается.

Использование сплавов с памятью формы в медицине пред-
ставляет особый интерес. Их применение открывает широкие воз-

Рис. 1.4. Принцип действия стопора с эффектом памяти формы
можности создания новых эффективных методов лечения. Спла-
вы, используемые в медицине, должны обладать не только высо-
кими механическими характеристиками. Они не должны подвер-
гаться коррозии в биологической среде, должны обладать биоло-
гической совместимостью с тканями человеческого организма,
обеспечивать отсутствие токсичности, канцерогенности, оказы-
вать сопротивление образованию тромбов, сохраняя эти свойства
в течение длительного времени. Если имплантируемый орган, из-
готовленный из металла, является активным относительно био-
логической структуры, то происходит вырождение (мутация) био-
логических клеток периферийной структуры, воспалительный
прилив крови, нарушение кровообращения, затем омертвление
биологической структуры. Если имплантируемый орган инертен,
то вокруг него возникает волокнистая структура, обусловленная
коллагенными волокнами, образующимися из волокнистых заро-
дышевых клеток. Имплантируемый орган покрывается тонким сло-
ем этой волокнистой структуры и может стабильно существовать
в биологических организмах.

Специальные эксперименты, проведенные на животных, по-
казали, что сплавы на основе системы Ti—Ni имеют биологичес-
кую совместимость на уровне и даже выше обычно применяемых
коррозионно-стойких сталей и кобальтохромовых сплавов и мо-
гут быть использованы в качестве функциональных материалов в
биологических организмах. Использование сплавов с ЭПФ для
лечения показало их хорошую совместимость с тканями и отсут-
ствие реакций отторжения биологическими структурами челове-
ческого организма.

Коррекция позвоночника. Различные искривления позвоночни-
ка, как врожденные, так и обусловленные привычкой или болез-
ненным состоянием, приводят к сильной деформации при ходьбе.
Это не только вызывает сильную боль, но и оказывает вредное
влияние на внутренние органы. При ортопедической хирургичес-
кой операции коррекцию позвоночника обычно осуществляют с
помощью стержня Харинтона, изготавливаемого из коррозион-
но-стойкой стали. Недостатком этого метода является уменьше-
ние во времени первоначального корректирующего усилия. Через
20 мин после установки корректирующая сила уменьшается на
20 %, а через 10—15 дней — до 30 % от первоначальной. Дополни-
тельное корректирование усилия требует повторных болезненных
операций и не всегда достигает цели. Если для стержня Харинтона
применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно 1 раз, а
необходимость в повторной операции отпадает. Если после опера-
ции стержень Харинтона нагреть до температуры, несколько пре-
вышающей температуру тела, то можно создать необходимую кор-
ректирующую силу. Эффективны для этой цели сплавы на основе
Ti—Ni с добавками Си, Fe и Мо, проявляющие после восстанов-
ления формы высокую эластичность в интервале температур
35...41 °C.

Корректирующие устройства с такими сплавами создают по-
стоянное по величине напряжение воздействия на позвоночник в
течение всего периода лечения независимо от смещения точек
опоры устройства.

Пластинка для соединения кости. Методы медицинской помо-
щи в случае костных переломов заключаются в том, чтобы с по-
мощью пластинок из коррозионно-стойкой стали или сплавов Со—
Сг зафиксировать зону перелома в таком состоянии, когда на кость
действует сила сжатия.

Если для соединительной пластины применить сплав с эффек-
том памяти формы, то становится возможной прочная фиксация
зоны перелома путем внешнего нагрева пластинки до температу-
ры несколько выше температуры тела после операции, при этом
отпадает необходимость осуществлять продольное сжатие кости
во время операции.

Внутрикостные шпильки. Такие шпильки применяются при ока-
зании медицинской помощи при переломах большой берцовой
кости. Причем шпильки, главным образом из нержавеющей ста-
ли, вводят до костного мозга, тем самым фиксируя кость. При
применении этого метода кость фиксируется за счет упругих свойств
коррозионно-стойкой стали, поэтому необходимо ввести шпиль-
ку большего диаметра, чем диаметр отверстия, для создания боль-
шой степени деформации. В этой связи существует риск повредить
ткани в зоне, в которую вводится шпилька.

Хирургическая операция упрощается при использовании для
шпилек сплавов с эффектом памяти формы на основе Ti—Ni.
Предварительно охлажденные шпильки восстанавливают исход-
ную форму при температуре тела, что увеличивает степень фикса-
ции.

Устройства для скелетного вытяжения. Используется свойство
материала при восстановлении формы создавать в заданном тем-
пературном интервале значительные напряжения.

Устройства применяют для эффективного лечения переломов
костей путем как постоянного, так и дискретного скелетного вы-
тяжения.

Проволока для исправления положения зубов. Для исправле-
ния положения зубов, например неправильного прикуса, при-
меняют проволоку из коррозионно-стойкой стали, создающую
упругое усилие.

Недостаток корректирующей проволоки — малое упругое уд-
линение и, как следствие, пластическая деформация. При изго-
товлении проволоки из сплава Ti—Ni даже при упругой дефор-
мации 10% пластическая деформация не возникает, и оптималь-
ная корректирующая сила сохраняется.
1.2.3.	Радиационно стойкие материалы

Технический прогресс связан с непрерывным ростом потреб-
ления электроэнергии. Ограниченность запасов органического топ-
лива, преодоление энергетического кризиса и приемлемая сто-
имость производства электроэнергии обусловили необходимость
использования атомной энергии и широкомасштабного строитель-
ства атомных электростанций (АЭС) во всех развитых странах мира.
Ядерная энергетика — это энергетика будущего.

По принципу действия АЭС и тепловые электростанции (ТЭС)
мало отличаются друг от друга. На АЭС и ТЭС вода доводится до
кипения и образующийся пар подается на лопасти высокоскоро-
стной турбины, заставляя ее вращаться. Вал турбины соединен с
валом генератора, который при вращении вырабатывает электри-
ческую энергию. Различие АЭС и ТЭС состоит в способе нагрева
воды до кипения. Если в ТЭС для нагрева воды сжигается уголь
или мазут, то в АЭС для этой цели используют тепловую энергию
управляемой цепной реакции деления урана.

Для выработки электроэнергии в настоящее время в большин-
стве стран применяют легководные реакторы (LWR). Реакторы
этого типа имеют две модификации: реакторы с водой под давле-
нием (PWR) и кипящие реакторы (BWR), из которых имеют боль-
шее распространение реакторы с водой под давлением.

На рис. 1.5 представлена схема АЭС, оборудованной легковод-
ным реактором (с водой, находящейся под давлением). В корпусе
реактора 9 находятся активная зона 10 и первый контур. В первом
контуре циркулирует вода, являющаяся теплоносителем и замед-

Рис. 1.5. Схема передачи теплоты между элементами станции PWR:

1 — бетонная оболочка; 2 — оболочка из коррозионно-стойкой стали; 3 — тур-
бина; 4 — генератор; 5 — градирня; 6 — конденсатор; 7 — парогенератор; 8 —
циркуляционный насос; 9 — корпус реактора; 10 — активная зона; 11 — ком-
пенсатор давления; 12 — контейнер
лителем. Вода отводит теплоту от активной зоны к теплообменной
(парогенератору 7), где теплота передается второму контуру, в
котором вырабатывается пар. Преобразование энергии происхо-
дит в генераторе 4, где пар используется для выработки электро-
энергии. Первый контур со всеми трубопроводами и компонента-
ми заключен в специально созданный контейнер 12. Таким обра-
зом, любые радиоактивные продукты деления, которые могут
выйти из топлива в воду первого контура, изолируются от окру-
жающей среды.

В первом контуре вода находится под давлением 15,5 МПа и
при максимальной температуре 315 °C. Эти условия предохраняют
воду от кипения, поскольку точка кипения воды при давлении
15,5 МПа значительно выше 315 °C.

В каждом реакторе 16—25 ячеек (в зависимости от конструк-
ции) оставлены свободными для регулирующих стержней. Они
перемещаются с помощью управляющего стержня, проходящего
через крышку корпуса реактора. Пар, выходящий из турбины 3,
конденсируется в водоохлаждаемом конденсаторе 6, в котором
сбрасывается оставшаяся тепловая энергия. В некоторых системах
охлаждения используются градирни.

Стоимость оборудования станции, осуществляющего выработ-
ку и передачу энергии (корпус реактора, теплообменники, насо-
сы, емкости, трубопроводы) составляет около 90 % от стоимости
станции. Оборудование должно быть правильно сконструировано
и изготовлено из экономичных, но гарантированно надежных
материалов.

Ядерная энергетика предъявляет повышенные требования к
используемым конструкционным материалам, технологии их
производства и контролю работоспособности. Конструкционные
материалы под действием облучения испытывают структурные
превращения, оказывающие отрицательное влияние в первую
очередь на механические свойства и коррозионную стойкость.
Из всех видов облучения (нейтроны, а- и Р-частицы, у-излуче-
ние) наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облуче-
ние.

Радиационно стойкими материалами называют материалы, со-
храняющие стабильность структуры и свойств в условиях нейт-
ронного облучения (табл. 1.11).

Скорость коррозии сплавов на основе алюминия в водной сре-
де в условиях облучения возрастает в 2—3 раза. Аустенитные хро-
моникелевые стали во влажном паре подвержены межкристалли-
ческой коррозии и коррозионному растрескиванию.

Наиболее опасным следствием облучения является радиацион-
ное распухание. На рис. 1.6 представлены характеристики радиа-
ционного распухания ряда марок сталей и сплавов. Распухания
можно подавить путем структурно-принудительной рекомбина-
Таблица 1.11

Воздействие нейтронного облучения на различные материалы

Интегральный поток быстрых нейтронов, нейтрон/см2	Материал	Воздействие облучения
1014-1015	Политетрафтор- этилен, полиме- тилметакрилат и целлюлозы	Снижение прочности при растяжении
1016	Каучук	Снижение эластичности
1017	Органические жидкости	Газовыделение
1018— 1019	Металлы	Увеличение предела текучести
1018—1019	Полистирол	Снижение прочности при растяжении
Ю20	Керамические материалы	Уменьшение теплопровод- ности, плотности, кристаллич- ности
Ю20	Пластмассы	Непригодны для использова- ния в качестве конструкци- онного материала
Ю20	Углеродистые стали	Значительное снижение пластичности, удвоение пре- дела текучести, повышение перехода от вязкого разруше- ния к хрупкому
IO20—1021	Коррозионно- стойкие стали	Трехкратное увеличение предела текучести
1021	Алюминиевые сплавы	Снижение пластичности без полного охрупчивания

ции металлов за счет непрерывного распада твердого раствора с
определенной дилатацией на границе матрицы с образующейся
вторичной фазой. Возникающие при распаде сильные поля струк-
турных напряжений способствуют рекомбинации радиационных
дефектов и существенно снижают распухание. Развитое дисперси-
онное твердение является способом подавления радиационного
распухания.

Радиационная стойкость реакторных материалов может быть
достигнута при выполнении комплекса условий. К ним относятся
bV/V, %

08X18H9

20

х
к
и
X

16

s

6
£
s

09X16H11M3

04Х16Н15МЗБ

12

X

s
и
X

Аустенитные твердорастворо-
упрочняемые стали и сплавы
(ГЦК решетка)

о 05X15H35M3

Допустимая

величина распухания

05X15H35

/zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz/zzzzzz

01X1M4

03Х18Н8Т2

05Х13Н4М

/7/77/7/7,

4 "01Х12МБ

° 04Х15МЗТ2Ч

03Х20Н30М2БРЦЧ,
-о___03Х20Н45М4Б4

Аустенитные дисперсионно-
твердеющие стали и сплавы

° 04Х15Н11ТЦЧ Н15

Высоконикелевые аустенитные
сплавы, легированные РЗМ

03X12H23MT3PIJ4 о

10

20

30

40

Ni, %

s

5

X

X
X



8

0

х
s

s

e

§ 3

* о
S '

Рис. 1.6. Зависимость радиационного распухания сталей и сплавов с ОЦК
и ГЦК решетками от структуры:

V — объем; ДР — изменение объема

оптимальные химический состав и структура материалов, усло-
вия их эксплуатации: уровни рабочей температуры, нейтронного
потока и свойства коррозионной среды.

1.2.4.	Аморфные металлические сплавы

В обычных условиях реализуются лишь восходящие ветви кри-
вых скоростей зарождения и роста кристаллов (СЗ и СР) и с рос-
том температуры Тувеличиваются скорости обоих процессов. Ис-
пользование специальных методов позволяет достигать скорости
охлаждения более 105 К/с и получать металл в стеклообразном
аморфном состоянии.

На рис. 1.7 схематически изображена 7ТГ-диаграмма (tempe-
rature — time — transformation) — диаграмма температура — вре-
Рис. 1.7. Схема диаграммы процесса
образования фаз в переохлажден-
ном расплаве:

а — критическая скорость охлаждения
с получением аморфного состояния ве-
щества; б — изотермический отжиг ве-
щества в аморфном состоянии, приво-
дящий к кристаллизации в период вре-
мени тд; в — медленный нагрев веще-
ства в аморфном состоянии, ведущий
к кристаллизации при температуре Тл

мя — превращение, которая показывает характер фаз, образую-
щихся в сплаве при различных скоростях охлаждения. При переох-
лаждении жидкой фазы ниже равновесной температуры плавления
Тп скорость кристаллизации достигает максимума при этой темпе-
ратуре. Если жидкость закалить со скоростью выше критической
до температуры стеклования Тх, то система будет «заморожена» и
перейдет в аморфное состояние. Критическая скорость охлажде-
ния для разных аморфных сплавов составляет 102... 1010 К/с.

Из диаграммы также следует, что если полученный аморфный
сплав впоследствии нагреть до температуры Т< Гп и выдерживать
изотермически в течение времени тд, он начнет кристаллизовать-
ся. Если же аморфный сплав медленно нагревать от комнатной
температуры, то кристаллизация начинается при температуре Тх,
которая подобна структуре замороженной жидкости. Затвердева-
ние происходит настолько быстро, что атомы вещества оказыва-
ются замороженными в тех положениях, которые они занимали,
будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется
отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, благодаря
чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют гра-
ницы блоков, зерен и другие дефекты структуры, типичные для
поликристаллических сплавов.

Следствием такой аморфной структуры являются необычные
магнитные, механические, электрические свойства и коррозион-
ная стойкость аморфных металлических сплавов. Наряду с высо-
кой магнитной мягкостью, такой, что уровень электромагнитных
потерь в аморфных сплавах с высокой магнитной индукцией ока-
зывается существенно ниже, чем во всех известных кристалличес-
ких сплавах, эти материалы проявляют исключительно высокие
механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде слу-
чаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расшире-
ния, а их удельное электрическое сопротивление в 3 — 4 раза выше
его значения для железа и его сплавов. Некоторые из аморфных
сплавов характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Затвердевание с образованием аморфной структуры принци-
пиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практическо-
го применения обычно используют сплавы переходных металлов
(Fe, Со, Мп, Сг, Ni и др.), в которые для образования аморфной
структуры добавляют аморфообразующие элементы (В, С, Si, Р,
S). Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 % одного
или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добав-
ляемых для образования и стабилизации аморфной структуры.
Состав аморфных сплавов близок по формуле Ме80Х20, где Me —
один или несколько переходных металлов, а X — один или не-
сколько аморфизаторов. Аморфизаторы понижают температуру
плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение рас-
плава ниже его температуры стеклования так, чтобы в результате
образовалась аморфная фаза. На термическую стабильность аморф-
ных сплавов оказывают наибольшее влияние кремний и бор, наи-
большей прочностью обладают сплавы с бором и углеродом, а
коррозионная стойкость зависит от концентрации хрома и фос-
фора.

Уникальный характер «металлических стекол» (стекол с до-
бавлением молекул металлов) проявляется в физико-механиче-
ских и химических свойствах. Отсутствие свойственной кристал-
лам периодичности в структуре оказывается причиной высокой
прочности, магнитомягкого поведения, крайне низких акустичес-
ких потерь и высокого электрического сопротивления. Процессы
усталостного разрушения и намагничивания в металлических стек-
лах и кристаллических металлах во многих отношениях очень сходны.
Химическая однородность обусловливает высокую коррозионную
стойкость некоторых металлических стекол в кислых средах, а также
растворах, содержащих ионы хлора. Почти неограниченная вза-
имная растворимость элементов в стеклообразном состоянии пред-
ставляет большой интерес для изучения процессов электронного
переноса при низких температурах.

Вследствие металлического характера связи многие свойства
металлических стекол значительно отличаются от свойств неме-
таллических стекол. К ним относятся вязкий характер разруше-
ния, высокие электро- и теплопроводность, оптические характе-
ристики.

Плотность аморфных сплавов лишь на 1... 2 % меньше плотно-
сти соответствующих кристаллических тел. Металлические стекла
имеют плотноупакованную структуру, сильно отличающуюся от
более рыхлой структуры неметаллических стекол с направленны-
ми связями.

Аморфные металлы являются высокопрочными материалами.
Наряду с высокой прочностью они характеризуются хорошей пла-
стичностью при сжатии (до 50 %) и изгибе. При комнатной тем-
пературе аморфные сплавы подвергают холодной прокатке в тон-
кую фольгу. Лента аморфного сплава Ni49 Fe29P14B6Al2 толщиной
25 мкм без образования микротрещин может быть согнута вокруг
острия бритвенного лезвия. Однако при растяжении их относи-
тельное удлинение составляет не более 1...2%. Это объясняется
тем, что пластическая деформация происходит в узколокализо-
ванных полосах сдвига (10...40 нм), а за пределами этих полос
деформация практически не имеет развития, что и приводит к
низким значениям макроскопической пластичности при растя-
жении. Предел текучести аморфных сплавов Fe^Ni^P^Bg, Fe8OB2o,
Fe6oCr6Mo6B28 составляет соответственно 2 400; 3 600; 4 500 МПа,
в то время как предел текучести высокопрочных сталей обычно
составляет не более 2 500 МПа.

Аморфные материалы используют для армирования трубок
высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. В перс-
пективе возможно применение аморфных сплавов для изготовле-
ния маховиков. Такие маховики могут использоваться для аккуму-
лирования энергии и покрытия пиковых нагрузок на электростан-
циях, для улучшения рабочих характеристик автомобилей и т.д.

Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью
позволяют испрльзовать аморфные сплавы для изготовления ка-
белей, работающих в контакте с морской водой, а также изде-
лий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием аг-
рессивных сред. Из аморфной ленты изготавливают предметы бы-
тового назначения: бритвенные лезвия, рулетки и др.

Аморфные высокоуглеродистые стали, содержащие Сг, Mo, W,
обладают высоким сопротивлением разрушению и термической
стабильностью: например, сплав Fe54Cr16Mo12C18 имеет предел
прочности при растяжении 3 800 МПа и температуру кристалли-
зации 880 К.

При этом такие высокоуглеродистые сплавы имеют высокие
коррозионные характеристики и не чувствительны к охрупчива-
нию при старении. Такие сплавы целесообразно использовать в
высокопрочных композитах.

Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и из-
носостойкости, а также магнитомягких свойств обусловливает
возможность и других областей применения. Например, исполь-
зование таких стекол возможно в качестве индукторов в устрой-
ствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, ис-
пользовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих ма-
териалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения
необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характе-
ристик.

Аморфные сплавы практически не подвержены питтинговой
коррозии, даже в случае анодной поляризации в соляной кислоте.
Высокая стойкость против коррозии обусловлена образованием
на поверхности пассивирующих пленок, обладающих высокими
защитными свойствами, высокой степенью однородности и быс-
тротой образования. Помимо хрома повышению коррозионной стой-
Свойства и основные области применения аморфных металлических
сплавов

Состав сплава	Свойства	Применение
Fe75Si i0Bl5	Высокая прочность, высокая вязкость	Проволока, армирующие материалы, пружины, режущий инструмент
Fe45Cr25MO|oP 13С7	Высокая коррозионная стойкость	Электродные материалы, фильтры для работ в рас- творах кислот, морской воде, сточных водах
Fe81B13Si4C2	Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери	Сердечники трансформа- торов, преобразователи, дроссели
FegCo70Si 10В( 5	Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила	Магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства
Fe83Bi7	Постоянство модулей упругости и темпера- турного коэффициента линейного расширения	Инварные и элинварные материалы

кости способствует введение фосфора. В пленке высокохромистых
кристаллических сталей всегда присутствуют микропоры, которые
со временем преобразуются в очаги коррозии.

На аморфных сплавах, содержащих определенное количество
хрома и фосфора, пассивирующая пленка высокой степени одно-
родности может образоваться даже в однонормальном растворе со-
ляной кислоты. Образование однородной пассивирующей пленки
обеспечивается химической и структурной однородностью аморф-
ной фазы, лишенной кристаллических дефектов, таких как выде-
ления избыточной фазы, сегрегационные образования и границы
зерен.

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что
обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обыч-
ных кристаллических металлов (табл. 1.12).

1.2.5.	Сверхпроводящие материалы

С понижением температуры наблюдается монотонное снижение
электрического сопротивления. Вблизи абсолютного нуля у многих
металлов и сплавов происходит резкое снижение электрического
сопротивления, и они становятся сверхпроводниками (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Влияние температуры
на электрическое сопротивле-
ние R сверхпроводящих мате-
риалов (Гкр — критическая тем-
пература перехода)

Сверхпроводимость — способность материалов не оказывать
сопротивления электрическому току при температурах ниже ха-
рактерной для них критической температуры Ткр.

Из всех чистых металлов, способных переходить в сверхпрово-
дящее состояние, наивысшую критическую температуру перехода
имеет ниобий (Ткр = 9,2 К). Однако для ниобия характерны низкие
значения критического магнитного поля (около 0,24 Тл), что не-
достаточно для его широкого применения. Хорошим сочетанием
критических параметров Гкр и Вкр (величина, характеризующая
магнитную индукцию) отличаются сплавы и интерметаллидные
соединения ниобия с цирконием, титаном, оловом и германием.
В табл. 1.13 приведены критические параметры сверхпроводящих
материалов, представляющих практический интерес.

Сплавы и соединения ниобия переходят в сверхпроводящее
состояние при достаточно высоких температурах. Они могут вы-
держивать довольно сильные магнитные поля и характеризуются
высокой плотностью тока.

В настоящее время исследователями ряда стран разработано
большое число керамических материалов с переходом при темпе-
ратурах 250 К и даже при комнатной температуре. Значительная
часть разработанных материалов характеризуется нестабильностью
и большой хрупкостью. Динамика разработок сверхпроводящих
материалов представлена на рис. 1.9.

Поиск новых сверхпроводящих материалов продолжается. В пер-
спективе необходимо разработать технологию производства и при-
менения высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Наи-
более важными областями применения сверхпроводящих матери-
алов являются создание сильных магнитных полей, получение и
передача электроэнергии.

Сверхпроводящие магниты используют для исследований в
области физики высоких энергий, создания мощных магнитных
кольцевых ускорителей частиц и систем управления движением
пучков частиц на выходе из ускорителя. Сверхпроводящие маг-
нитные системы применяют в жидководородных пузырьковых
Рис. 1.9. Динамика разработок сверхпроводящих материалов:
А — металлические материалы; Б — керамика

камерах, в которых по кривизне траекторий от пузырьков вски-
пающей жидкости определяют знак заряда и импульс пролетаю-
щих частиц.

Сверхпроводимость позволяет также решить проблему запаса
электроэнергии впрок с выдачей ее при пиковых нагрузках. Ин-
дуктивный накопитель энергии представляет собой тороидальный
криостат диаметром несколько метров, по виткам обмотки кото-
рого практически без потерь циркулирует ток.

Таблица 1.13

Критические параметры сверхпроводящих материалов

Сверхпрово- дящий материал	Критические параметры		Сверхпро- водящий материал	Критические параметры	
	Температу- ра ткр, К	Магнитная индукция йкр, Тл, при Ткр = 4,2К		Температу- ра ткр, К	Магнитная индукция Вкр, Тл, при ТКр = 4,2 К
Nb-Zr	9...11	7...9	Nb3Ga	20,2	34
Nb-Ni	8...10	9...13	Nb3Ge	23,2	37
Nb3Sn	18,0	22-25	V3Ga	14,5-15,0	21
Nb3Al,_xGex	20,3...20,5	40	V3Si	17,0	23
1.2.6.	Материалы со специальными магнитными
свойствами

К материалам со специальными магнитными свойствами от-
носят сплавы с большой магнитострикцией и термомагнитные
сплавы.

Сплавы с большой магнитострикцией используют в ультразву-
ковой и гидроакустической аппаратуре для изготовления излуча-
телей, ультразвуковых преобразователей энергии, линий задерж-
ки в электрических цепях и электромеханических фильтров. При-
менение каждого магнитострикционного сплава определяется ком-
плексом его магнитных и механических свойств, а также сохране-
нием этого комплекса во всем интервале рабочих температур.

Коэффициент магнитной связи к = Е\/Е2 показывает, какая доля
подведенной магнитной или механической энергии Е2 преобразу-
ется соответственно в механическую или магнитную энергию £,
(без учета магнитных и механических потерь).

Добротность магнитострикционного материала характеризует
магнитострикционная постоянная

а = о/В,

где о — напряжение, Па; В — соответствующая этому напряже-
нию магнитная индукция, Тл.

Измеряют магнитострикционную постоянную а в процессе на-
магничивания сердечника при его фиксированной деформации,
т. е. когда сердечник предварительно упруго сжат.

Величина В/а, обратная а, называется динамической постоянной
чувствительности.

Потери энергии при магнитострикционных колебаниях пре-
вращаются в теплоту и вызывают нагрев изделий. Чем выше тем-
пература 0, тем меньше изменяются магнитные свойства из-за этого
нагрева. Например, у сплава 49К2Ф удельные потери при В = 1 Тл
и частоте f равной 100 и 1 000 Гц, составляют 2 и 20 Вт/кг соот-
ветственно, а при В - 2 Тл и таких же значениях f удельные потери
составляют 6 и 60 Вт/кг соответственно. Свойства магнитострик-
ционных сплавов приведены в табл. 1.14.

Интенсивность намагничивания у термомагнитных сплавов
уменьшается с повышением температуры, поэтому, чтобы ком-
пенсировать ошибки приборов, обусловленные изменением маг-
нитного потока при изменении температуры, в магнитную цепь
вводят шунты.

Магнитная индукция ферромагнетиков очень резко изменяет-
ся вблизи точки Кюри, поэтому материал шунта должен иметь
температуру точки Кюри в интервале рабочих температур.

Этим условиям удовлетворяет железоникелевый сплав, содер-
жащий 30 % никеля. Этот сплав перестает быть ферромагнитным
Свойства магнитострикционных сплавов

Марка сплава	Тепло- проводн- ость  X,- 106, Вт/(м  °C)	Индукция насыщения В„ Тл	Коэрци- тивная сила Нс, А/м	Темпера- тура 0, °C	Коэффи- циент магнитной связи k	Магнито- стрикци- онная постоянная а - 107, Па/Тл
49К2Ф	70	2,40	140	980	0,48...0,54	2,2
65К	90	2,20	100	980	0,27...0,30	1,5
14Ю	40	1,20	25	500	0,26	1,2
12Ю	40	1,60	10	600	0,30	0,9

при 100 °C. Введение в сплав хрома или алюминия дополнитель-
но снижает температуру точки Кюри. Потребность в магнитах на
основе редкоземельных металлов (РЗМ) постоянно растет, по-
скольку они используются во всех отраслях промышленности, в
том числе и в быту. В настоящее время при изготовлении поез-
дов, движущихся на основе магнитной левитации, вместо элек-
тромагнитов используют постоянные магниты. В 1979 г. в Японии
опытный образец поезда «маглев» достиг скорости 517 км/ч. Не-
мецкий 200-местный поезд Transrapid-Об в 1988 г. достиг скорос-
ти 400 км/ч.

Сопротивление движению поезда при использовании магнит-
ной левитации в 20 раз меньше, чем у рельсового поезда. Кроме
того, отсутствует износ колес и рельсов. Разработаны три базовых
сплава для магнитов на основе РЗМ (SmCo5, Sm2Co,7 и Nd2Fe,4B),
которые легируют в зависимости от технических требований и
условий эксплуатации широким спектром металлов: Dy, Tb, А1,
Си, Nb, Zr, Ga. Магниты на основе Nd—Fe—В с более высокими
значениями индукции насыщения Bs, магнитной энергии (5Я)тах
и меньшей стоимостью не могут заменить магниты на основе
Sm—Со, так как последние обладают примерно в 2 раза более
высокой максимальной температурой эксплуатации.

Существуют две основные технологии производства магнитов
на основе РЗМ: порошковая технология, основанная на спека-
нии с последующим шлифованием, и упрощенная технология
получения композиционных магнитов (КМ), состоящих из по-
рошка РЗМ и полимерного связующего, без механической обра-
ботки. Композиционные магниты в 2—4 раза дешевле спеченных,
уступают им по магнитным характеристикам, но превосходят все
серийно выпускаемые магниты, не содержащие РЗМ, например
ферриты, и т.д., и применяются в бытовой технике. В настоящее
время в России нет серийного производства КМ на основе РЗМ,
Таблица 1.15

Свойства магнитов на основе редкоземельных металлов

Тип магнита	Марка	Индукция насыще- ния Я,, Тл	Коэрци- тивная сила Нс, кА/м	Магнит- ная энергия  кДж/м3	Темпера- турный коэффи- циент магнит- ной индукции ТКИ, °C	Макси- мальная рабочая темпера- тура т  1 раб max, “С
Спечен- ный	ВМТ-64	0,57	630	64	-0,08	120
	ВМТ-80	0,63	720	80	-0,07	140
	ВМТ-95	0,70	960	95	-0,06	160
	ВМТ-110	0,75	1 275	НО	-0,05	180
	ВМТ-240	1,10	1 300	239	-0,035	250
	ВМТ-280	1,18	940	279	-0,05	100
Компо- зицион- ный	ВПМТ-100	0,70	2 000	98	-0,05	150
	ВПМТ-130	0,80	560	128	-0,12	60

тогда как в США, Японии и других странах их доля в производ-
стве непрерывно растет.

Разработаны спеченные и композиционные магниты, характе-
ристики которых приведены в табл. 1.15.

Контрольные вопросы

1.	Чем чугуны отличаются от сталей?

2.	Как классифицируют чугуны?

3.	Какова область использования ковких чугунов?

4.	Для изготовления каких деталей используются высокопрочные чу-
гуны?

5.	Какой чугун используют для изготовления подшипников скольже-
ния?

6.	Как классифицируют стали?

7.	Какова обрабатываемость высоколегированных сталей?

8.	При каких температурах способны работать жаропрочные и жаро-
стойкие стали?

9.	Каковы свойства алюминиевых деформируемых сплавов?

10.	Сколько существует групп алюминиевых литейных сплавов?

11.	Чем отличается бронза от латуни?

12.	Для изготовления каких деталей используют титановые сплавы?

13.	Какой режущий материал используют при механической обработ-
ке заготовок, выполненных из титановых сплавов?
14.	Какова область использования магниевых сплавов?

15.	Какой материал используют для изготовления лопаток и дисков
турбин?

16.	Что из себя представляют термобиметаллы и где их используют?

17.	Какова область использования металлов, обладающих памятью
формы?

18.	Какие материалы являются радиационно стойкими?

19.	Как влияет нейтронное облучение на конструкционные материалы?

20.	Каковы свойства аморфных металлических сплавов и где они ис-
пользуются?

21.	Что такое сверхпроводимость и где используют сверхпроводящие
материалы?

22.	Что такое магнитострикция и где используются материалы со спе-
циальными магнитными свойствами?
ГЛАВА 2

КЕРАМИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ

2.1.	Керамические материалы

Виды керамических материалов. Керамические материалы от-
носятся к основным материалам, оказывающим определяющее
влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной про-
дукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Войдя в
технику и технологию в конце 1960-х гг., керамические материа-
лы произвели настоящую революцию в материаловедении, за ко-
роткое время став, по общему мнению, третьими промышленны-
ми материалами после металлов и полимеров.

Керамические материалы были первым конкурентоспособным
по сравнению с металлами классом материалов для использова-
ния при высоких температурах.

Основными разработчиками и производителями керамических
материалов являются США и Япония. В табл. 2.1 приведена клас-
сификация основных видов керамических материалов.

Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов
США, показало, что использование керамических материалов
позволило к 2000 г. осуществить экономию ресурсов страны в раз-
мере более 3 млрд долл. Ожидаемая экономия была достигнута,
прежде всего, за счет использования транспортных двигателей с
деталями из керамических материалов, керамических материалов
для обработки резанием и оптокерамики для передачи информа-
ции. Помимо прямой экономии применение керамических матери-
алов позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: ти-
тана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих
инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

Изготовление керамических материалов. Керамическая техно-
логия предусматривает следующие основные этапы: получение ис-
ходных порошков, консолидацию порошков, т. е. изготовление ком-
пактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественных керамических матери-
алов с высокой однородностью структуры используют порошки
исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс полу-
чения столь высокой степени дисперсности требует больших за-
трат энергии и является одним из основных этапов керамической
технологии.
Характеристика основных видов керамических материалов

Функциональный тип керамических материалов	Используемые свойства	Применение	Используемые соединения
Электрокерамика	Электропроводимость, электро- изоляционные, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства	Интегральные схемы, конденса- торы, вибраторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзи- сторы, фильтры, солнечные бата- реи, твердые электролиты	ВеО, MgO, Y2O3, ZnO, А12О3, ZrO2, SiC, B4C, TiC, CdS, титанаты, Si3N4
Магнетокерамика	Магнитные свойства	Головки магнитной записи, магнит- ные носители, магниты	Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты
Оптокерамика	Прозрачность, поляризация, флуоресценция	Лампы высокого давления, ИК-прозрачные окна, лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы	А12О3, MgO, Y2O2, SiO2, ZrO2, TO2, Y2O3, ThO2, ZnS, CdS
Хемокерамика	Абсорбционная и адсорбцион- ная способность, каталитическая активность, коррозионная стойкость	Сорбенты, катализаторы и их но- сители, электроды, датчики влаж- ности газов, элементы химических реакторов	ZnO, Fe2O3, SnO, SiO2, MgO, BaS, CeS, TiB2, ZrB2, A12O3, SiC, титаниды
Биокерамика	Биологическая совместимость, стойкость к биокоррозии	Протезы зубов, суставов	Системы оксидов

Термокерамика	Жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, теплопровод- ность, коэффициент термиче- ского расширения (КТР), тепло- емкость	Огнеупоры, тепловые трубы, футе- ровка высокотемпературных реак- торов, электроды для металлургии, теплообменники, теплозашита	SiC, TiC, В4С, TiB2, ZrB2, Si3N4, BeS, CeS, BeO, MgO, ZrO2, A12O3, TiO, композиционные материалы
Механокерамика	Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, триботехни- ческие свойства, КТР, термо- стойкость	Детали для теплоЬых двигателей; уплотнительные, антифрикционные и фрикционные детали; режуший инструмент; пресс-инструмент, направляющие и другие износо- стойкие детали	Si3N4, ZrO2, SiC, TiB2, ZnB2, TiC, TiN, WC, B4C, A12O3, BN, композиционные материалы
Ядерная керамика	Радиационная стойкость, жаро- прочность, жаростойкость, сече- ние захвата нейтронов, огне- упорность, радиоактивность	Ядерное горючее, футеровка реак- торов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглоти- тели нейтронов	OO2, OO2, PuO2, UC, OS, ThS, SiC, B4C, A12O3, BeO
Сверхпроводя щая керамика	Электропроводимость	Линии электропередачи, магнитогазодинамические гене- раторы, накопители энергии, интегральные схемы, железнодо- рожный транспорт на магнитной подвеске, электромобили	Оксидные системы: La—Ba—Си—О; La—Sr—Си—О;  Y—Ba—Си—О
Измельчение производят механическим путем с помощью ме-
лющих тел, а также распылением измельчаемого материала в жид-
ком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парога-
зовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, на-
ходящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза и другими методами.

Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее
перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов
формования и спекания. Различают три основные группы методов
формования:

•	прессование под действием сжимающего давления, при ко-
тором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения по-
ристости;

•	пластичное формование выдавливанием прутков и труб через
мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами,
увеличивающими их текучесть;

•	шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий лю-
бой сложной формы, в котором для формования используют жид-
кие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и
шликерному литью увеличиваются возможности изготовления
изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки
изделий и удаления пластификаторов из керамического материа-
ла. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы
предпочтение отдается прессованию, а более сложной — экстру-
зии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в
монолит и формируются окончательные свойства керамики. Про-
цесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

При изготовлении керамических материалов применяют печи
для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изо-
статического прессования (газостаты), прессы горячего прессова-
ния с усилием прессования до 1 500 кН. Температура спекания в
зависимости от состава может составлять 2 000... 2 200 °C.

Часто применяют совмещенные методы консолидации, соче-
тающие формование со спеканием, а в некоторых случаях — син-
тез образующегося соединения с одновременным формованием и
спеканием.

Обработка керамических материалов и контроль ее качества яв-
ляются основными составляющими в балансе стоимости керами-
ческих изделий.

По некоторым данным, стоимость исходных материалов и кон-
солидации составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то
время как на обработку приходится 38 % (для металлов 43 %), а
на контроль 51 % (для металлов 14%).
К основным методам обработки керамических материалов отно-
сят термическую обработку и размерную обработку поверхности.

Термическую обработку керамических материалов производят
с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на
20... 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддаются
механической обработке. Поэтому основным условием керамичес-
кой технологии является получение при консолидации практи-
чески готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических
изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами,
электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработки. Эф-
фективно применение защитных покрытий, позволяющих устра-
нить мельчайшие поверхностные дефекты — неровности, риски
и т.д.

Для контроля качества изготовления керамических деталей чаще
всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоско-
пию.

Учитывая, что большинство керамических материалов имеет
низкие вязкость и пластичность и соответственно низкую трещи-
ностойкость, для аттестации изделий применяют методы механи-
ки разрушения с определением коэффициента интенсивности
напряжений К1с. Одновременно строят диаграмму, показывающую
кинетику роста дефекта.

Количественно вязкость разрушения кристаллической керами-
ки и стекла составляет примерно 1...2 МПа/м1/2, в то время как
для металлов значения К]с значительно выше (более 40 МПа/м1/2).
Прочность химических межатомных связей, благодаря которой ке-
рамические материалы обладают высокой твердостью, химичес-
кой и термической стойкостью, одновременно обусловливает их
низкую способность к пластической деформации и склонность к
хрупкому разрушению.

Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения
керамических материалов. Один из них, традиционный, связан-
ный с совершенствованием способов измельчения и очистки по-
рошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в тор-
можении роста трещин под нагрузкой. Существуют несколько спо-
собов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в
некоторых керамических материалах, например в диоксиде цир-
кония ZrO2, под давлением происходит перестройка кристалли-
ческой структуры. Исходная тетрагональная структура ZrO2 пере-
ходит в моноклинную, имеющую на 3...5% больший объем.

Расширяясь, зерна ZrO2 сжимают трещину, и она теряет спо-
собность к распространению (рис. 2.1, а). При этом сопротивление
хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м1/2.

Второй способ (рис. 2.1, б) состоит в создании композицион-
ного материала введением в керамику волокон из более прочного
Рис. 2.1. Упрочнение конструкционной керамики включениями ZrO2 (я),
волокнами (б) и микротрещинами (в):

1 — тетрагональный ZrO2; 2 — монолитный ZrO2

керамического материала, например карбида кремния SiC. Разви-
вающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не
распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с
волокнами SiC возрастает до 20 МПа/м1/2, существенно прибли-
жаясь к соответствующим значениям для металлов.

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных
технологий весь керамический материал пронизывают микротре-
щинами (рис. 2.1, в). При встрече основной трещины с микротре-
щиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупле-
ние трещины и она дальше не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический спо-
соб повышения надежности керамических материалов. Он реали-
зован для одного из наиболее перспективных керамических мате-
риалов на основе нитрида кремния Si3N4. Способ основан на об-
разовании определенного стехиометрического состава твердых ра-
створов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших назва-
ние сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующей-
ся в этой системе, являются сиалоны состава Si^Al^N^Oj., где
х — число замещенных атомов кремния, азота в нитриде крем-
ния, составляющее от 0 до 4,2. Важным свойством сиалоновой
керамики является стойкость к окислению при высоких темпера-
турах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Свойства и применение керамических материалов. В современ-
ном машиностроении применение керамических материалов по-
стоянно увеличивается. Они многообразны по химическому со-
ставу и физико-механическим характеристикам. Керамические
материалы могут работать при высоких температурах — 1600...
2500°C (жаропрочные стали 800... 1 200°C, молибден — 1 500°C,
вольфрам — 1 800 °C), они имеют плотность, в 2—3 раза мень-
шую, чем у жаропрочных материалов, твердость, близкую к твер-
дости алмаза, отличные диэлектрические характеристики, высо-
кую химическую стойкость. Запасы исходных материалов для про-
изводства керамики на земле неисчерпаемы. Из керамических ма-
териалов изготавливают детали газотурбинных и дизельных дви-
гателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкую
броню и элементы теплозащиты космических кораблей, тонко-
стенные поплавки и контейнеры для глубоководной техники, ре-
жущие пластины и оснастку для горячего деформирования метал-
лов, плунжеры и уплотнительные кольца в насосах для перекачки
агрессивных сред, элементы особоточных гироскопов и платы
ЭВМ, подшипники, постоянные магниты и т.д.

Применение керамических материалов в автомобильных дви-
гателях позволит поднять рабочую температуру в цилиндрах с 1 200
до 1 600 °C, при этом сократить потери теплоты, снизить расход
топлива, улучшить эксплуатационные характеристики. При изго-
товлении изделий из керамических материалов нельзя просто за-
менять металлические детали на керамические. Особо должны учи-
тываться условия их работы и действующие нагрузки, поскольку
все детали выполняются целиком и это может снизить прочность
всей конструкции. Кроме того, она не имеет пластической дефор-
мации и обладает низкой ударной вязкостью.

Сформулированы основные требования, которые следует учи-
тывать при проектировании керамических деталей.

В нагруженных зонах керамическая деталь не должна иметь кон-
центраторов напряжений. Практически не используют в керами-
ческих конструкциях болтовые соединения, в них стараются не
сверлить отверстия, делать уступы, проточки, чтобы избежать
микротрещин. В местах контакта керамики с металлом устанавли-
вают демпфирующие прокладки.

Металлические и керамические детали одного изделия долж-
ны иметь одинаковые ТКЛР, в противном случае предусматри-
вают установку компенсационных прокладок, причем учитыва-
ют и переходные процессы, когда происходит нагрев или охлаж-
дение.

Керамика имеет теплоемкость, в 2 раза большую, чем металл,
что вызывает тепловые деформации и напряжения. Крайне жела-
тельно, чтобы температура керамической детали по всему объему
была бы одинаковой. Наиболее благоприятно воспринимаются
напряжения сжатия. При отсутствии нагрузки в керамических де-
талях не должны сохраняться остаточные напряжения его поли-
меризации.

В настоящее время используют керамические материалы на ос-
нове нитрида кремния — реакционно связанный, спеченный и
горячепрессованный нитриды кремния с легирующими добавка-
ми. Реакционно связанный нитрид кремния имеет относительно
низкую по сравнению с другими материалами прочность, но из-
готовленные из него детали сложного профиля дают стабильно
малую усадку. Горячепрессованный нитрид кремния обладает мак-
симальной прочностью. Свойства керамических материалов суще-
ственно зависят от рабочих параметров и технологии их изготов-
ления. Разработаны составы керамик, которые по своим эксплуа-
тационным характеристикам могут заменять жаропрочные стали,
но разработки в области составов и технологии их получения про-
должаются. Принципиальными недостатками керамических мате-
риалов являются их хрупкость и сложность обработки. Керамичес-
кие материалы плохо работают в условиях механических или тер-
мических ударов, а также при циклических условиях нагружения.
Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же вре-
мя керамические материалы обладают высокой жаропрочностью,
превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопровод-
ностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве эле-
ментов тепловой защиты.

При температурах выше 1 000 °C керамические материалы проч-
нее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а их сопротивле-
ние ползучести и жаропрочность выше. К основным областям при-
менения керамических материалов относятся режущий инстру-
мент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных
двигателей и др.

Режущий керамический инструмент. Режущие керамические ма-
териалы характеризуют высокая твердость, в том числе при на-
греве, износостойкость, химическая инертность к большинству
металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керами-
ческие материалы существенно превосходят традиционные режу-
щие материалы — быстрорежущие стали и твердые сплавы (табл.
2.2).

Высокие свойства режущих керамических материалов позволи-
ли существенно повысить скорость механической обработки ста-
ли и чугуна (табл. 2.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяют-
ся керамические материалы на основе оксида алюминия с добав-

Таблица 2.2

Сравнительные значения свойств инструментальных материалов

Свойство	Быстрорежущая сталь	Твердый сплав	Керамический материал на основе А12О3
Твердость по Виккерсу HV	850	1 700	2 100
Температура размягчения, °C	550	1 100	1 500
Температура начала образо- вания окалины, °C	800	800	—
ками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также
на основе бескислородных соединений — нитрида бора с куби-
ческой решеткой (fl-BN), обычно называемого кубическим нит-
ридом бора, и нитрида кремния Si3N4. Режущие элементы на ос-
нове кубического нитрида бора в зависимости от технологии по-
лучения выпускаемые под названиями эльбор, боразон, компо-
зит 09 и другие, имеют твердость, близкую к твердости алмазного
инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до
1 400 °C. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид
бора химически инертен по отношению к сплавам на основе же-
леза. Его можно использовать для чернового и чистового точения
закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Режущие керамические пластины используют для оснащения
различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специаль-
ного инструмента.

Керамические двигатели. Из второго закона термодинамики сле-
дует, что для повышения КПД любого термодинамического про-
цесса необходимо повышать температуру на входе в энергетичес-
кое преобразовательное устройство: КПД = 1 — Тг/1\, где Т. и Т2 —
температура соответственно на входе и выходе энергетического
преобразовательного устройства. Чем выше температура Т{, тем
больше КПД.

Максимально допустимые температуры определяются тепло-
стойкостью материала. Конструкционные керамические материа-
лы допускают применение более высоких температур по сравне-
нию с металлом и поэтому являются перспективными материала-
ми для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двига-
телей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повыше-
ния рабочей температуры преимуществами керамических матери-
алов являются низкая плотность и теплопроводность, повышен-

Таблица 2.3

Сравнительные значения скорости резания при точении
керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава

Обрабатываемый материал	Твердость	Скорость резания, м/мин, инструментом, оснащенным	
		керамическим материалом	твердым сплавом
Углеродистая сталь	150...250 НВ	250... 300	100... 200
Легированная сталь	46...45HRC	100... 160	25...65
Серый чугун	120...240 НВ	300... 400	100...200
Высокопрочный чугун	160... 300 НВ	200	50... 100
ные термо- и износостойкость. Кроме того, при использовании
керамических материалов снижаются или отпадают расходы на
систему охлаждения.

Вместе с тем в технологии изготовления керамических двига-
телей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего от-
носят проблемы обеспечения надежности, стойкости к термичес-
ким ударам, разработки методов соединения керамических дета-
лей с металлическими и пластмассовыми.

Наиболее эффективно применение керамических материалов
для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей,
имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газо-
турбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны
быть устойчивы в области рабочих температур 1 300... 1 500 К, иметь
предел прочности при изгибе оизг не менее 800 МПа и коэффици-
ент интенсивности напряжений не менее 8 МПа - м1/2. Этим тре-
бованиям в наибольшей мере удовлетворяют керамические мате-
риалы на основе диоксида циркония ZrO2 и нитрида кремния.
Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводят
в Японии и США. Японская фирма Isuzu Motors Ltd. освоила изго-
товление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двига-
теля, Nissan Motors Ltd. — крыльчатки турбокомпрессора, фирма
Mazda Motors Ltd. — форкамеры и пальцев толкателя.

Компания Cammin Engine (США) освоила альтернативный
вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO2,
нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность ци-
линдра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на
100 км пути составила более 30 %.

Фирма Isuzu Motors Ltd. сообщила об успешной разработке ке-
рамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топ-
ливе. Автомобиль с таким двигателем развивает скорость до 150 км/ч,
коэффициент полноты сгорания топлива на 30...50 % выше, чем
у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционным керамическим материалом для газотурбин-
ных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется
низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали га-
зотурбинных двигателей работают при более высоких температу-
рах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при
температуре до 1 670 К (в перспективе до 1 920 К) при пластичес-
кой деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материа-
ла для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей,
как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора,
статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие вы-
сокую теплостойкость.

Повышение тактико-технических характеристик авиационных
двигателей невозможно без применения керамических материалов.
Керамические материалы специального назначения. К керами-
ческим материалам специального назначения относят сверхпро-
водящую керамику, керамику для изготовления контейнеров с
радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и
тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.

Контейнеры для хранения радиоактивных отходов. Одним из
сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является
сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления
контейнеров применяют керамические материалы на основе ок-
сидов В2О3 и карбидов бора В4С в смеси с оксидами свинца РЬО
или соединениями типа 2РЬО • PbSO4. После спекания такие сме-
си образуют плотную керамику с малой пористостью. Она харак-
теризуется сильной поглощающей способностью по отношению
к ядерным частицам — нейтронам и у-квантам.

Ударопрочные броневые керамические материалы. Впервые эти
материалы были использованы в авиации армии США во время
войны во Вьетнаме. С тех пор непрерывно растет применение ар-
миями разных,стран брони из керамических материалов в комби-
нации с другими материалами для защиты сухопутных боевых ма-
шин, кораблей, самолетов и вертолетов. По разным оценкам рост
применения броневой керамической защиты составляет около
5...7 % в год. Одновременно наблюдается рост производства ком-
позиционной брони для индивидуальной защиты сил охраны пра-
вопорядка, обусловленный ростом преступности и актов терро-
ризма.

По своей природе керамические материалы хрупкие. Однако
при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного
удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислока-
ций в металле, пластические свойства металлов не будут играть
никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика.
В этом конкретном случае керамические материалы существенно
прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловивши-
ми их применение в качестве брони, являются высокие твердость,
модуль упругости, температура плавления (разложения) при плот-
ности, меньшей плотности материалов в 2 — 3 раза. Сохранение
прочности при нагреве позволяет использовать керамические ма-
териалы для бронепрожигающих снарядов.

В качестве критерия М пригодности материала для броневой
защиты может быть использовано следующее соотношение:

М = ЕН^Т^/р,

где Е — модуль упругости, ГПа; Як — твердость по Кнупу, ГПа;
о„ — предел прочности при растяжении, МПа; Тпл — температура
плавления, К; р — плотность, г/см3.
В табл. 2.4 приведены основные свойства широко применяе-
мых броневых керамических материалов в сравнении со свой-
ствами броневой стали. Наиболее высокие защитные свойства
имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое примене-
ние сдерживает высокая стоимость метода прессования. Поэтому
плитки из карбида бора используют при необходимости суще-
ственного снижения массы броневой защиты, например для за-
щиты кресел и автоматических систем управления вертолетов,
экипажа и десанта. Керамические материалы из диборида тита-
на, имеющие наибольшие твердость и модуль упругости, приме-
няют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих
танковых снарядов.

Для массового производства керамических материалов наибо-
лее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Кера-
мические материалы на его основе используют для защиты живой
силы, сухопутной и морской военной техники.

По данным фирмы Morgan М. Ltd. (США), пластина из карби-
да бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм
останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более
800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта

Таблица 2.4

Свойства ударопрочных керамических материалов

Материал	Плот- ность р, г/см3	Твердость по Кнупу Як, ГПа	Предел прочно- сти при растя- жении ов, МПа	Модуль упруго- сти Е,  ГПа	Темпе- ратура плавле- ния Тм, К	Критерий бронестой- кости М, (ГПа • м)3 • К/кг
Горячепрес- сованный карбид бора В4С	2,5	30	300	450	3 300	5,3 • 103
Горячепрес- сованный диборид титана TiB2	4,5	33	350	570	3 400	5,0- 103
Карбид кремния SiC	3,1	21	200	410	3 300	1,8- 103
Спеченный оксид алю- миния А12О3	3,9	18	370	390	2 320	1,5  103
Броневая сталь	7,8	3,5	3 000	210	1 950	0,5 • 103
стальная броня должна иметь толщину 20 мм, при этом масса ее
будет в 4 раза больше, чем у керамической.

Наиболее эффективно применение композиционной брони,
состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керами-
ческий слой воспринимает основную ударную и тепловую на-
грузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую
энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда по-
глощается упругой деформацией подложки, в качестве которой
может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань
в несколько слоев. Эффективно покрытие керамического слоя
легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобраз-
ной смазки и несколько изменяющим направление летящего сна-
ряда, что обеспечивает рикошет. Конструкция керамической
бронепанели показана на рис. 2.2. Бронепанель состоит из от-
дельных последовательно соединенных керамических пластин раз-
мером 50 х 50 или 100 х 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль
калибром 12 мм используют пластины из А12О3 толщиной 12 мм
и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм, находящихся на
вооружении НАТО, — пластины из А12О3 толщиной 6 мм и 12
слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование
армией США керамической брони из А12О3, SiC и В4С показало ее
высокую эффективность. Для броневой защиты также перспек-
тивно применение материалов на основе AIN, TiB и полиамидных
смол, армированных керамическими волокнами.

Керамические материалы в ракетно-космическом машинострое-
нии. При полете в плотных слоях атмосферы головные части ра-
кет, космических кораблей, кораблей многоразового использова-
ния, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надеж-
ной тепловой защите. Материалы для тепловой защиты должны

Рис. 2.2. Конструкция керамической бронепанели:

а, б — составные элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разно-
го калибра; в — фрагмент бронепанели, собранной из элементов а и б; 1 —
бронебойная пуля калибром 12,7 мм; 2 — пуля калибром 7,62 мм; 3 — защитное
покрытие частично снято
обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с
минимальными значениями коэффициента термического расши-
рения, теплопроводности и плотности.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research
Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керами-
ческих плит, предназначенных для космических кораблей много-
разового использования.

Для повышения прочности, отражательной способности и аб-
ляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных
материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм.
Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO2 и 6 % В2О3, в виде шлике-
ра наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при
температуре 1 470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее
нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет
и сверхзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятими-
нутных нагревов в электродуговой плазме при температуре I 670 К.
Варианты системы керамической тепловой защиты лобовых по-
верхностей летательных аппаратов приведены на рис. 2.3.

Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от
абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основ-
ную тепловую нагрузку.

Радиопрозрачные керамические материалы. Для развития со-
временной радио-, электронной и вычислительной техники не-
обходимы материалы на основе оксида алюминия, нитридов бора,
кремния, имеющие рабочую температуру до 3 000 °C, обладаю-
щие стабильными значениями диэлектрической проницаемости
и малыми диэлектрическими потерями с тангенсом угла диэлек-
трических потерь tg 8 = 0,0001 ...0,0002.

К таким материалам относят чистый оксид алюминия, горя-
чепрессованный нитрид бора, керамические материалы ТСМ 303
и АРП-3, спеченный нитрид бора, ситалл Д-2, кварцевые кера-
мические материалы, чистый нитрид кремния и др.

Радиопрозрачные материалы должны обладать комплексом
свойств: стабильностью диэлектрических характеристик во всем
диапазоне рабочих температур, термостойкостью, эрозионной

Тепловой

Рис. 2.3. Системы керамической тепловой защиты лобовых поверхностей
летательных аппаратов для диапазона температур 1 260... 1 700°C:

7 — керамический материал на основе SiC или Si3N4; 2 — теплоизоляция; 3 —
спеченный керамический материал
стойкостью, высоким качеством поверхности, стойкостью к иони-
зирующим излучениям и др. Они выполняют роль конструкцион-
ного материала, из которого изготавливают несущие радиопроз-
рачные элементы конструкций. Поскольку пористость оксидных
керамик можно варьировать в пределах 0...90 %, это позволяет из
одного и того же оксида получать материалы, принципиально от-
личающиеся по свойствам.

Материалы, получаемые методом структурирования, напри-
мер из диоксида циркония, вообще не разрушаются при воздей-
ствии теплового потока любой интенсивности.

Примером структурирования является также получение си-
таллов, в которых подбирают оптимальное соотношение крис-
таллической и аморфной фаз. Изменяя химический состав и струк-
туру, можно получить целые классы ситаллов с заданными свой-
ствами.

Другим направлением при производстве радиопрозрачных ма-
териалов является использование легирующих добавок. В частно-
сти, введение в оксид алюминия нескольких процентов оксидов
магния и бора в 2 — 3 раза повышает его термостойкость и удар-
ную вязкость при нулевом влагопоглощении. Введение в кварце-
вый керамический материал 2...5 % оксида хрома в 2 — 3 раза по-
вышает интегральную степень черноты и в 2 раза замедляет зату-
хание радиосигнала при высоких температурах.

Третьим направлением развития радиопрозрачных материалов
является разработка нитридных материалов и композиций на их
основе, в частности нитридов бора, кремния и алюминия.

Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характери-
стиками из всех известных в настоящее время материалов, рабо-
тающих при температуре до 2 000 °C, хотя имеет сравнительно низ-
кие прочность и твердость. На его основе изготавливают, напри-
мер, сибонит, содержащий нитрид бора и диоксид кремния. Из-
меняя их соотношение и дисперсность, можно получить ряд но-
вых материалов, сочетающих достоинства нитрида бора и кварце-
вой керамики.

Последнее направление развития радиопрозрачных материа-
лов — создание композиционных материалов, в частности кера-
мических материалов, пропитанных органическими и неоргани-
ческим веществами, смолами и солями. Они сочетают в себе хо-
рошие диэлектрические свойства при высоких температурах бла-
годаря использованию керамической основы и высокие прочность
и ударную вязкость благодаря связующему.

В зависимости от назначения и эксплуатационных характерис-
тик изделия для него разрабатывают соответствующие радиопроз-
рачные керамические материалы. Диэлектрическая проницаемость
кварцевых керамических материалов монотонно возрастает с рос-
том температуры до 1 500 °C, а в диапазоне 1 500... 1 700 °C она резко
увеличивается на 18 %, что связано с плавлением материала, со-
провождающимся повышением его плотности до теоретического
значения (2 210 кг/м3 при 20 °C). После расплавления материал
остается радиопрозрачным и его диэлектрическая проницаемость
возрастает до 4,3 при температуре 2 500 °C. Поскольку по условиям
работы изменение не должно превышать 10%, то кварцевые ке-
рамические материалы пригодны для рабочих температур до
1 350 °C, а оксид алюминия — до 815 °C. При увеличении пористо-
сти по объему от 5 до 20 % диэлектрическая проницаемость умень-
шается прямо пропорционально уменьшению плотности керами-
ки. Тангенс угла диэлектрических потерь tg 8 кварцевых керами-
ческих материалов составляет при комнатной температуре 0,0002 —
0,0004 на частоте Ю10 Гц. При увеличении температуры до 1 000 °C
tg 8 возрастает до 0,005.

Нитрид бора является пока единственным материалом, tg 8 ко-
торого при температуре до 1 500 °C остается ниже 0,001. Причем
изменение tg8 спеченного нитрида бора в диапазоне 20... 1 350 °C
не превышает 3 %, для кварцевых керамических материалов эта
величина равна 10%.

Освоена технология синтеза высокоактивного порошка нит-
рида бора, способного к спеканию при температурах выше 1 600 °C
с образованием достаточно прочных заготовок. Такие материалы
имеют примеси до 1 % и обладают изотропной структурой. Они
являются хорошими изоляторами — удельное объемное сопро-
тивление при комнатной температуре не менее 1 • 1014 Ом • см. Под
действием импульса ядерного излучения tg 8 в нитриде бора воз-
растает до 0,01, а в кварцевой керамике не изменяется. Благодаря
отличной термостойкости спеченный нитрид бора используется
как конструкционный материал, хотя и имеет достаточно низкую
прочность.

Материалы на основе нитрида бора, особенно горячепрессо-
ванные, имеют высокую теплопроводность, в то время как квар-
цевые керамические материалы ближе к теплоизоляторам. Ее теп-
лопроводность в зависимости от пористости колеблется при тем-
пературе 600...700 К в пределах 0,2... 1,0 Вт/(м- К). Высокая теп-
лопроводность может быть и достоинством материала (чем выше
теплопроводность, тем меньше тепловые напряжения), и недо-
статком, если радиопрозрачный материал выполняет и теплоза-
щитные функции. У материалов на основе нитрида бора и алюмо-
оксидных керамических материалов теплопроводность снижается
по мере роста температуры.

Для кварцевых керамических материалов и ситалла Д-2 реша-
ющее значение имеет стеклообразная, аморфная фаза.

Оптимальное конструирование изделий, работающих на зем-
ле, в воде, в воздухе и космосе, позволяет более широко исполь-
зовать радиопрозрачные материалы.
2.2.	Композиционные материалы

2.2.1.	Состав и свойства композиционных
материалов

Традиционно применяемые металлические и неметалличес-
кие материалы в значительной мере достигли своего предела
конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современ-
ной техники требует создания материалов, надежно работаю-
щих в сложной комбинации силовых и температурных полей,
при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого ваку-
ума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые
к материалам, могут носить противоречивый характер. Удов-
летворить эти требования можно, используя композиционные
материалы.

Композиционным материалом, или композитом, называют объем-
ную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающих-
ся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строе-
ние которой позволяет использовать преимущества каждого из
них.

Принцип построения композитов человек заимствовал у при-
роды. Типичными композитами являются стволы деревьев, стеб-
ли растений, кости человека и животных.

Композиты позволяют иметь заданное сочетание разнородных
свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочно-
сти, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств
композитов невозможно получить при использовании обычных
материалов. Их применение дает возможность создавать ранее не-
доступные принципиально новые конструкции.

Благодаря композитам стал возможен новый качественный ска-
чок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы ма-
шин и конструкций и повышении массовой эффективности транс-
портных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих
условиях, являются удельная прочность oB/(pg) и удельная жест-
кость E/(pg), где ов — временное сопротивление; Е — модуль упру-
гости; р — плотность материала; g — ускорение свободного паде-
ния. По удельной прочности и жесткости композиты превосходят
все известные конструкционные сплавы.

Композиты состоят из сравнительно пластичного матричного
материала — основы и более твердых и прочных компонентов,
являющихся наполнителями. Свойства композитов зависят от
свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму
и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполните-
лей. В зависимости от материала основы различают композиты с
металлической матрицей, или металлические композиционные
материалы (МКМ), с полимерной — полимерные композицион-
ные материалы (ПКМ) и с керамической — керамические ком-
позиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении композитов играют наполнители,
часто называемые упрочнителями. Они имеют высокую прочность,
твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполните-
лей КМ подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые
и слоистые (рис. 2.4).

В дисперсно-упрочненные композиты искусственно вводят мел-
кие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов,
оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей
и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз.
Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между
ними, тем прочнее композит. В отличие от волокнистых, в дис-
персно-упрочненных композитах основным несущим элементом
является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя уп-
рочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций
при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эф-
фективное сопротивление движению дислокаций сохраняется
вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дис-
персно-упрочненные композиты отличаются высокими жаропроч-
ностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых композитах могут быть волокна раз-
личной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирова-
ние волокнистых композитов осуществляют по одноосной, двух-
осной и трехосной схемам (рис. 2.5, а). Прочность и жесткость
таких материалов определяются свойствами армирующих волокон,
воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший
прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически
легче осуществимо.

Слоистые композиты (рис. 2.5, б) набираются из чередующихся
слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои
наполнителя в таких композитах могут иметь различную ориента-
цию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из

Рис. 2.4. Схемы строения композитов:
а — дисперсно-упрочненные; б — волокнистые; в — слоистые
Одноволокнистая

Поливолокнистая

Слоистая

У

Объемная

Рис. 2.5. Схемы армирования волокни-
стых (а) и слоистых композитов (б):

L — толщина слоя; lt и /2 — длина и диа-
метр волокна; /3, /4, /5 — размеры слоя

разных материалов с разными механическими свойствами. Для
слоистых композиций обычно используют неметаллические мате-
риалы.

2.2.2.	Дисперсно-упрочненные композиционные
материалы

Состав и назначение дисперсно-упрочненных композитов. При
дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольже-
ния в матрице. Эффективность упрочнения при условии мини-
мального взаимодействия с матрицей зависит от вида частиц, их
объемной концентрации, а также от равномерности распределе-
ния в матрице.

Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа А12О3,
SiO2, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль уп-
ругости. Композиты обычно получают методом порошковой ме-
таллургии, важным преимуществом которого является изотроп-
ность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсно-упрочнен-
ные композиты на алюминиевой и реже — никелевой основах.
Характерными представителями этого вида композитов являют-
ся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), кото-
рые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперс-
ными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок по-
лучают распылением расплавленного металла с последующим из-
мельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в при-
сутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра
становится мельче, в ней повышается содержание оксида алю-
миния.

Дальнейшая технология производства изделий и полуфабри-
катов из САП включает в себя холодное прессование, предвари-
тельное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавли-
вание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изде-
лий, которые можно подвергать дополнительной термической
обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горя-
чем состоянии, а сплавы с содержанием А12О3 6...9% — и при
комнатной температуре. Из них холодным волочением можно по-
лучить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обра-
батываются резанием и обладают высокой коррозионной стойко-
стью.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6... 23 % А12О3.
Различают САП-1 с содержанием 6... 9 %, САП-2 с 9... 13 %, САП-3
с 13... 18 % А12О3. С увеличением объемной концентрации оксида
алюминия возрастает прочность композитов. При комнатной тем-
пературе характеристики прочности САП-1 следующие: ов =
= 280 МПа, о0,2 = 220 МПа; САП-3: ов = 420 МПа, о0,2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и
превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при
температуре 500 °C они имеют ов не менее 60 МПа. Жаропрочность
объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на про-
цесс рекристаллизации.

Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабиль-
ны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в те-
чение 2 лет практически не повлияли на уровень проявления их
свойств, как при комнатной температуре, так и при нагреве до
500 °C. При 400 °C прочность САП в 5 раз выше прочности старею-
щих алюминиевых сплавов.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для из-
готовления деталей с высокой удельной прочностью и коррози-
онной стойкостью, работающих при температурах до 500 °C. Из
них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, обо-
лочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Синтегран. Слово «синтегран» означает синтетический гранит.
Синтегран используют для изготовления инструмента, специаль-
ной оснастки, ответственных деталей измерительных комплексов,
высокоточных и специальных станков (точность обработки кото-
рых составляет 0,001 мкм), шпал для метрополитена, изделий
бытового и мемориального назначения, а также многих других
деталей.

Работы по созданию синтеграна в нашей стране были начаты
в 1983 г. в Экспериментальном НИИ металлорежущих станков при
непосредственном участии специалистов Российского универси-
тета дружбы народов.

Поскольку состояние современного литейного производства не
позволяет поставлять чугунные отливки конструкционных элемен-
тов металлорежущих станков требуемого качества, станкострои-
тельные заводы вынуждены использовать при изготовлении ста-
нин станков альтернативные материалы. В частности, даже для
изготовления станин универсальных станков стали использовать
модифицированные бетоны.

Для изготовления элементов станков, обладающих особо вы-
сокой точностью и работающих в области высокочастотных коле-
баний (расточные, шлифовальные станки, станки для физико-
химических методов обработки и др.), целесообразно использо-
вать синтегран, который на данном этапе развития станкострое-
ния является безальтернативным материалом.

Синтегран состоит из полимерного связующего и высокопроч-
ных минеральных наполнителей и заполнителей.

Полимерное связующее состоит из смолы и отвердителя. От
вида связующего, его содержания зависят свойства и физико-ме-
ханические характеристики композита.

Наполнители — это мелкодисперсные порошки с размером ча-
стиц менее 100 мкм и имеющие удельную поверхность порядка
1 000 см2/г. Количество наполнителя в синтегране определяют опыт-
ным путем.

При изготовлении синтеграна в качестве наполнителя исполь-
зуют кислотоустойчивый порошок марки ПК-1, который пред-
ставляет собой помол переплава габбро-диабаза и пироксенового
порфита с удельной поверхностью 2 300...2500 см2/г.

Заполнители — это различные фракции минерального веще-
ства (щебня) с размерами зерен 6,3...20 мм. От вида, количества
и размера фракций заполнителя зависят прочностные свойства
материала. При изготовлении синтеграна используют щебень габ-
бро-диабаза.

Поводом для разработки синтеграна послужило то, что многие
конструкции высокоточных станков, оснастки и инструмента,
выполненные из металла, не соответствуют предъявляемым тре-
бованиям, а изготовление их из натурального камня, например
гранита, весьма трудоемко и экономически невыгодно. Существу-
ют конструкции, которые из натурального минерала выполнить
технически невозможно.

Использование же синтеграна снимает перечисленные пробле-
мы.

По сравнению с чугуном, который традиционно применяется
при изготовлении несущих элементов станков, синтегран имеет
ряд преимуществ:

•	более высокие демпфирующие способности;

•	высокая тепловая стабильность и нечувствительность к крат-
ковременному перепаду температур;

•	высокая временная стабильность геометрических размеров
из-за малых внутренних напряжений;

•	высокая стойкость к действию агрессивных сред;

•	малая усадка, позволяющая изготавливать детали без после-
дующей механической обработки;

•	высокий коэффициент использования материала (практичес-
ки равный 1);

•	простота и малые габаритные размеры используемого обору-
дования, высокая производительность при малых энергозатратах;

•	возможность полной автоматизации технологического про-
цесса изготовления.

Замена изделий из чугуна на изделия из синтеграна позволяет
значительно повысить точность изготавливаемых станков, изме-
рительных комплексов и отдельных узлов и деталей, а также сни-
зить трудовые и материальные затраты (табл. 2.5).

При производстве высокоточного оборудования в таких стра-
нах, как Германия, США, Франция, Швейцария, Великобрита-
ния, Япония целенаправленно используют материалы, аналогич-
ные синтеграну и серийно выпускают станки, измерительные
комплексы, приспособления и оснастку с элементами, выпол-
ненными из композитов.

В зависимости от назначения различают три основных типа
синтеграна:

•	для изготовления корпусных деталей станков — синтеграны,
которые обладают высокой жесткостью, прочностью, стабильно-
стью размеров и физико-механических характеристик во времени.
К этому типу материалов не предъявляют дополнительные требо-
вания по высокой износостойкости, низкому коэффициенту тре-
ния и т.п., поскольку эти детали не подвергаются механической
обработке, а их рабочие поверхности выполняют из других мате-
риалов;

•	изготовления корпусов инструмента и специальной оснаст-
ки, а также деталей измерительных машин и приборов — синте-
Области применения синтеграна в станкостроении и инструментальной промышленности

Область применения	Изделия	Станки	Достигаемый эффект
Детали функциональ- ного назначения	Державки и корпуса режущего инструмента (резцов, фрез, [Не- веров и др.), центры, патроны, шпиндели и др.	Токарные, фрезерные, шлифовальные, рас- точные и др.	Улучшение демпфирующих характеристик, снижение шума, повышение точности, экономия материальных и трудовых затрат
Корпусные детали	Коробки скоростей и подач, каретки, корпуса редукторов, суппорты, столы и т.д.	То же	То же
Элементы измеритель- ных машин	Контрольные плиты, направ- ляющие, стойки, траверсы и т.д.	Измерительные машины, инструменты и системы	Повышение точности, упро- щение конструкции, снижение матери ал ое мкости
Элементы станков, к которым предъяв- ляются специальные требования	Станины, корпуса, стойки, основания и др.	Для физико-химиче- ской обработки	Увеличение срока службы, эко- номия дорогостоящих специаль- ных сталей, возможность создания новых конструкций
Комбинированные детали	Станины, заполненные синте- граном, столы, основания, стойки, траверсы	Общего назначения	Повышение жесткости и улучше- ние динамических характеристик
Основания	Станины, стойки траверс, порталы, тумбы и др.	Любые станки и ме- ханизмы	Улучшение демпфирования, снижение шума, повышение точности, экономия металла
граны, обладающие перечисленными свойствами, а также обла-
дающие высокими износостойкостью и термостабильностью и
возможностью механической обработки;

• изготовления деталей оснастки и станков для физико-хими-
ческих методов обработки — синтеграны, обладающие повышен-
ной стойкостью к агрессивным средам, а также имеющие специ-
альные свойства, например диэлектрические.

Кроме того, изготавливаемые детали отличаются друг от друга
по размеру, массе, толщине стенок, что также влияет на состав
синтегранов.

Поскольку компонентами синтегранов являются наполнители,
заполнители и полимерное связующее, то от их свойств и соотно-
шения решающим образом зависят и свойства готового материала.

Заполнители выполняют роль своеобразного скелета синтегра-
на и определяют свойства материала в целом. В качестве заполни-
телей рекомендуют применять твердокаменные породы — базаль-
ты, граниты, габбро-диабазы в виде щебня с размерами зерен от
60 мкм до 20 мм.

В зависимости от коэффициента технологичности Кт синтегра-
ны можно разбить на 5 групп: сверхжесткие, К, = 1,1... 1,2; жест-
кие, Кт = 1,25... 1,45; нормальные, Кт = 1,5... 1,7; пластичные, Кт =
= 1,75... 1,9; сверхпластичные, Кт = 2,0...2,1.

Сверхжесткие и жесткие смеси в своем составе имеют очень
малое количество связующего и их формование затруднено из-за
необходимости создания избыточного давления. Такие смеси не
используют для изготовления ответственных деталей.

Сверхпластичные смеси, наоборот, имеют большое количество
связующего, вследствие чего они не обладают оптимальными
физико-механическими характеристиками и используются, в ос-
новном, при изготовлении второстепенных изделий.

Для изготовления ответственных деталей оснастки и инстру-
мента используют нормальные и пластичные смеси с содержани-
ем связующего 6...Юи 7,5...13% соответственно.

Количество связующего оказывает большое влияние на свой-
ства композиционного материала: чем его больше, тем более уп-
рощается технологический процесс и повышаются демпфирую-
щие способности, но снижается модуль упругости, повышается
усадка, ведущая к внутренним напряжениям, снижается стабиль-
ность размеров во времени.

При увеличении размеров максимальной фракции заполните-
ля повышаются прочностные характеристики, но повышается
трудоемкость изготовления и снижается технологичность.

Разработанные применительно для станкостроения составы
синтегранов обладают достаточно высокими физико-механиче-
скими характеристиками и не уступают материалам, предназна-
ченным для аналогичных целей, например гидробетонам. Компо-
Физико-механические характеристики чугуна, натурального гранита
и синтеграна

Параметр	Чугун	Гранит натуральный	Синтегран
Плотность, г/см3	7,0...7,5	2,6...3,0	2,4...2,7
Предел прочности, МПа: при сжатии при растяжении при изгибе	400... 900  180...250  160...400	3,5...5,0	180...200  15...20  32...36
Модуль упругости при изгибе, 10~4 МПа	10...12	1,5...2,5	4,5...5,5
Коэффициент Пуассона	0,26	—	0,25... 0,4
Теплопроводность, Вт/(м  К)	75	0,8	0,5...0,9
Коэффициент линейного расширения, 10“б1/°С	9,0... 12,0	7... 19,0	12,0...16,0
Водопоглощение за сутки, %	—	0,02...0,1	0,02... 0,05
Декремент колебаний	0,006...0,008	0,02...0,04	0,06...0,08

зиционные материалы позволяют в 6—15 раз снизить радиоак-
тивное излучение по сравнению с традиционно применяемыми
для этих целей материалами при одинаковых габаритах конструк-
ции. Сравнительные физико-механические характеристики чугу-
на, натурального гранита и синтеграна приведены в табл. 2.6; син-
теграна и гидробетона — в табл. 2.7.

 Таблица 2.7

Сравнительные характеристики синтеграна и гидробетона

Параметр	Синтегран	Г идробетон
Плотность, г/см3	2,4...2,7	1,7...2,1
Водопоглощение за сутки, %	0,02...0,1	4...8
Предел прочности при сжатии, МПа	180... 200	80... 120
Модуль упругости при изгибе, 10“4 МПа	4,5 ...5,5	1,8...2,1
Склонность к короблению	1	4,5
Демпфирование	1	0,5...0,6
Области применения синтеграна

Область применения	Изделия
Режущий инструмент	Резцы, фрезы, шеверы, напильники, пилы, осевой мерный инструмент
Измерительный инструмент	Штанги штангенциркулей, поверочные плиты, динамометры
Станки и оснастка	Станины, стойки, основания, траверсы, столы, корпусы редукторов, коробки скоро- стей и подач
Строительство	Облицовочные материалы, стойки банков, шпалы метро, элементы строительных конструкций, крышки канализационных люков, столбы уличного освещения
Военное дело	Бронежилеты, броня танков, глушители, фюзеляжи самолетов, стабилизаторы ракет
Предметы народного потребления	Декоративные изделия, бильярдные столы, стрелы, акустические колонки, сантехнические изделия
Средства экологической защиты	Контейнеры для захоронения радиоактивных отходов, саркофаги, контейнеры для хране- ния и перевозки радиоактивных веществ

Более чем двадцатилетний опыт применения синтеграна в Рос-
сии показал, что область его использования весьма обширна и не
ограничивается только станкостроением (табл. 2.8).

Из синтеграна строят бункеры и контейнеры как для наземно-
го, так и для подземного захоронения радиоактивных отходов (табл.
2.9, рис. 2.6 и 2.7).

Таблица 2.9

Эффективность защиты от радиоактивного излучения различными
материалами при коэффициенте ослабления 14

Материал	Плотность, г/см3	Толщина стенки, см
Свинец	11,4	2,6
Бетон	2,3	28
Железо	7,9	7,5
Стекло свинцовое	—	5,0
Синтегран	2,8	4,0
Рис. 2.6. Вариант подземного захоронения радиоактивных отходов

Рис. 2.7. Вариант наземного захоронения радиоактивных отходов

В настоящее время полностью отработаны технологии изготов-
ления из синтеграна изделий, конструкций оснастки и литейных
форм, имеется полный комплект конструкторской и технологи-
ческой документации, санитарные сертификаты и многолетний
опыт эксплуатации изделий.

2.2.3.	Волокнистые композиционные материалы

Помимо обеспечения прочности и монолитности конструкции
матрица должна иметь необходимую пластичность и быть рабо-
тоспособной в той температурной области, для которой предназ-
начен композит. Для изготовления композитов, применяемых при
температуре ниже 200 °C, используют полимерные матрицы.

Широко используют композиты, армированные стеклянными
волокнами, — стеклопластики, которые обладают высокой проч-
ностью, легко поддаются механической обработке, устойчивы к
тепловым ударам и знакопеременным нагрузкам, радиопрозрач-
ны, обладают высокой коррозионной стойкостью. В качестве ар-
мирующего элемента могут применять непрерывные волокна в
виде нитей или жгутов либо ткани.

Слоистые стеклопластики на основе тканей называются стек-
лотекстолитами. Наиболее высокие механические характеристи-
ки имеют стеклотекстолиты на основе однослойных тканей сати-
нового переплетения. Применение многослойных стеклотканей уве-
личивает межслоевую прочность пластика, упрощает сборку заго-
товки изделия, уменьшая число ручных операций. Такие компо-
зиты широко используют в судостроении, авиации, в космичес-
кой технике, автомобилестроении, при изготовлении некоторых
бытовых приборов. В качестве связующего используют как термо-
реактивные смолы (эпоксидные, полиэфирные, фенолформаль-
дегидные и др.), так и термопластичные.

Композиты на основе высокопрочных арамидных волокон —
органопластики обладают высокими прочностными и упругими
характеристиками, ударной вязкостью, высокой химической стой-
костью, высокими теплоизоляционными и диэлектрическими
свойствами, плохо горят и выделяют мало дыма. Органопласти-
ки — самые легкие полимерные композиты, их плотность состав-
ляет 1 250... 1 350 кг/м3.

В зависимости от состава, структуры и технологии получения
материалов свойства органопластиков могут меняться в широком
диапазоне: предел прочности при растяжении ов = 300... 3 000 МПа,
модуль упругости Е = 13... 100 ГПа. По удельной прочности при
растяжении (200 км) органопластики занимают ведущее место
среди конструкционных материалов. Для органопластиков харак-
терны высокие параметры вязкости разрушения, длительность ре-
сурса и надежность эксплуатации изделий в условиях воздействия
механического или акустического удара, эродирующих потоков,
вибрационных нагрузок. Благодаря пониженной плотности, низ-
кой дымообразующей способности, высоким эстетическим каче-
ствам органопластики используют при обшивке салонов самоле-
тов, судов, автомобилей, для внутренней отделки жилых и про-
мышленных зданий.

При изготовлении современных вертолетов с использованием
органопластиков повышается их эксплуатационная надежность,
производственный цикл сокращается примерно в 3 раза, достига-
ется снижение массы агрегатов на 20... 30 %, снижается трудоем-
кость и увеличивается ресурс их работы.

В пассажирских самолетах ТУ-204, ИЛ-96-300, ИЛ-114, ТУ-334
органопластики использованы в панелях пола, деталях внешнего
контура, обшивке салонов. Так, в самолете ТУ-204 масса органо-
пластиков составляет примерно 3 т, в самолете ИЛ-96-300 — 1,5 т.

Органопластики используют при изготовлении защитных эк-
ранов в корпусах вентиляторов турбореактивных двигателей, по-
скольку они могут выдерживать механический удар при столкно-
вении самолета с птицей. Например, вентиляторы двигателей са-
молетов «Руслан» имеют защитные кольца диаметром 2,5 м и тол-
щиной 45 мм, и могут выдерживать при скорости 300 м/с удар
осколков массой до 1 кг.

Материалами нового поколения являются металлоорганоплас-
тики — алоры, состоящие из чередующихся слоев алюминиевого
сплава и органопластика, который снижает нагруженность метал-
ла и увеличивает долговечность материала в целом. По сравнению
с традиционными материалами они обладают высокой трещино-
стойкостью, что позволяет изготавливать из них безопасно по-
вреждаемые конструкции на воздушном и автомобильном транс-
порте (табл. 2.10).

Применение алора взамен традиционных алюминиевых спла-
вов обеспечивает снижение массы конструкции на 10...20 % при
использовании тканевого арамидного наполнителя и в 2 раза —
однонаправленного. При этом значительно снижается масса изде-
лия.

Алор обладает высокими демпфирующими характеристиками,
что позволяет использовать его в конструкциях, подверженных
высокочастотным колебаниям (вагоны скоростных поездов, авто-
мобили, самолеты и др.), тем самым увеличить ресурс их работы
в несколько раз. Он технологичен, хорошо поддается всем видам
механической обработки, пластическому деформированию.

Углепластики — композиты на основе высокопрочных углерод-
ных волокон — наиболее перспективные композиты. Они облада-
ют высокими прочностью и жесткостью, термостойкостью до 570
К, низким температурным коэффициентом линейного расшире-
ния, стойкостью к агрессивным средам. В них в качестве армирую-
щих элементов применяют непрерывные волокна в виде нитей,
жгутов, тканей или нетканых материалов. Матрицы изготавлива-
ют из эпоксидных, полиамидных, полиэфирных или других смол.
Углепластики используют в конструкциях современных самолетов,
например «Руслан», Су-30МК, Су-34, С-37 «Беркут», МИГ-29,

Таблица 2.10

Свойства органопластиков и алюминиевого сплава

Материал	Предел прочности при растя- жении ов,  МПа	Условный предел текучести о02, МПа	Плотность р, кг/м3	Модуль упругости  Е, ГПа
Равнопрочный алор	500	350	2 400	64
Однонаправленный алор	800	550	2 450	70
Алюминиевый сплав Д16	430	300	2 780	70
Состав и физико-механические свойства углепластиков
при температуре 298 К

Марка углеплас- тика	Марка волокна	Состав матрицы	Плот- ность рю3, кг/м1	Предел прочности при растяже- нии (вдоль волокон) ов, МПа	Предел прочно- сти при сжатии  ^СЖ1 МПа	Модуль упруго- сти Е,  ГПа
Р313	Торнел-300	Эпоксид- ная	1,55	1 400	1 108	142,8
AS/4397	А-стекло	Полиамид- ная	1,57	1 431	1 451	128,5
К.МУ-4	Жгут  ВМН-4	Эпокситри - фенольная	1,5	1 020	400	180
КМУ-2У	Жгут  ВМН-4	Полиамид- ная	1 ,4	900	400	140
К.МУ-ЗЛ	Лента ЛУ-2	Эпоксифе- нольная	1,4	650	400	120

космических кораблей многоразового использования «Буран», что
доказывает их высокую техническую эффективность и эксплуата-
ционную надежность.

Углепластики КМУ-ЛР, КМУ-ЛТК и КМУ-Т работают в ин-
тервале температур -60...+100°C, в том числе в агрессивных сре-
дах, имеют высокие физико-механические свойства (табл. 2.11).

Углепластик КМУ-П — однонаправленный, пултрузионный;
работает в агрессивных средах в интервале температур -60...+150 °C,
обеспечивает повышение жесткости, сопротивления усталости,
ресурса и снижение массы детали. Его выпускают в виде полос,
труб, швеллера, уголка и других сечений (табл. 2.12).

Углепластики технологичны в изготовлении, обладают низким
коэффициентом термического расширения, коррозионной стой-
костью, высокими жесткостью, теплопроводностью, тепло- и мо-
розостойкостью, стойкостью к радиации. Они превосходят метал-
лы по усталостной прочности и вибропрочности (в 1,5 — 2 раза
выше, чем у сталей, в 8 —9 раз выше, чем у алюминиевых спла-
вов).

Из углепластиков КМУ-9ЛР, КМУ-9ЛТ, КМУ-9ЛТК, КМУ-
9Т изготавливают элементы конструкции ткацких станков, что
позволяет повысить в 2,3 раза производительность по сравнению
с обычным серийным станком АТ и снизить в 2,5 раза уровень
производственного шума.
Свойства углепластика КМУ-П

Материал	Температура, °C	Предел прочности		Модуль упругости Е, ГПа
		при растяжении gb, МПа	при сжатии осж, МПа	
КМУ-П	20	1 650	1 200	145
	150	1 300	780	135

В автомобильной промышленности из углепластиков изготав-
ливают элементы несущего кузова и подвески, передаточные узлы
механизмов трансмиссии, силовые каркасы сидений, детали дви-
гателей внутреннего сгорания, бамперы. Применение углепласти-
ков позволяет снизить массу, повысить эксплуатационные харак-
теристики автомобиля и снизить коррозию. Углепластики КМУ-3
применяют в конструкциях планеров «Нямунас», «Литува», ма-
логабаритного беспилотного самолета-разведчика «Перо-1», дис-
танционно-пилотируемого летательного аппарата «Дятел-1», уп-
равляемого снаряда УС-К, легкого спортивного самолета СУ-26М
и др. Например, использование углепластика КМУ-11 при изго-
товлении крыльев и других элементов самолета СУ-26М позволи-
ло снизить массу планера на 120 кг. Кроме того, упрощается тех-
нология изготовления, снижается расход топлива, повышаются
летные характеристики самолета.

Углепластики применяют при изготовлении лодок, яхт, ката-
маранов, высококлассных теннисных ракеток, рыболовных уди-
лищ, не уступающих по своим характеристикам аналогичным из-
делиям, изготовленным из других материалов. В машиностроении
из них изготавливают корпусные детали машин и приборов, дета-
ли фрикционного назначения, элементы приводов электродвига-
телей, фильтры для агрессивных жидкостей и т.д., при этом до-
стигаются снижение массы и металлоемкости, повышение долго-
вечности, сокращение потерь от коррозии, уменьшение энерго-
затрат при изготовлении.

Пластики с армирующими элементами в виде волокон бора на-
зываются боропластиками. Их применяют для изготовления изде-
лий, работающих при повышенных температурах; они имеют вы-
сокую прочность при сжатии. Борные волокна являются полупро-
водниками, а сам материал обладает повышенной тепло- и элект-
ропроводностью. В качестве связующего используют эпоксидные,
полиэфирные, фенолформальдегидные и другие смолы (табл. 2.13).

Для работы при более высоких температурах применяют ме-
таллические матрицы. Обычно используют металлы с малой плот-
ностью — алюминий, реже — магний, титан.
Свойства боропластика

Параметр	Температура	
	293 К	473 К
Предел прочности, МПа:		
при растяжении	1 200	980
при сжатии	1 160	1 020
при сдвиге	60	45
Модуль упругости, ГПа:		
при растяжении	250	240
при сдвиге	9,80	5,10
Предел выносливости при изгибе, МПа- 107	400	350
Логарифмический декремент колебаний, %	0,5	3,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м- К)	0,5	54

Металлические композиты обладают рядом преимуществ перед
полимерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они
характеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью
свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стой-
костью.

Пластичность металлических матриц сообщает конструкции
необходимую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию
локальных механических нагрузок.

Высокая теплопроводность металлических композитов предох-
раняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких
изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев.

Высокая электропроводность металлических композитов хоро-
шо защищает их от электромагнитного излучения, молнии, сни-
жает опасность статического электричества. Важным преимуще-
ством металлических композитов является более высокая техно-
логичность процесса изготовления, формовки, термообработки,
формирования соединений и покрытий.

На рис. 2.8 схематически показан способ изготовления компо-
зита. Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной об-
работке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их по-
крывают полимерной смолой. Смола скрепляет волокна в плос-
кий жгут — ленту. Готовые ленты собирают в слоистый листовой
материал (аналог фанеры) или же наматывают в более сложные
формы. Собранный в листы или намотанный материал отвержда-
ют термообработкой. Слои можно накладывать поочередно с раз-
ным направлением волокон и формировать в композите клетча-
тую структуру арматуры. Это придает материалу жесткость.

Недостатком такого композита является отсутствие попереч-
ного армирования в каждом отдельном слое и между слоями. Поэто-
му материал может расслаиваться. Появившаяся трещина в объем-
ном образце из такого композита легко находит путь распростра-
нения между слоями. Для устранения этих недостатков изготавли-
вают тканые композиты.

Свойства основных металлических матриц представлены в
табл. 2.14.

Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич-
ного материала применяют керамику. Ее основной недостаток —
отсутствие пластичности — в некоторой степени компенсируют

Таблица 2.14

Свойства металлических матриц

Материал матрицы	Плотность р, г/см3	Предел прочности при растяжении ов, МПа	Модуль упругости Е,  ГПа	ТКЛР а, 10 5 К-1
А1	2,63 ...2,80	250... 573	69 ...73	И...13
Mg	1,74... 1,83	200... 280	43...45	14...15
Ni	4,5	500... 1 200	113	9...10
Си	8,94	220...400	132	17...18
армирующие волокна, тормозящие распространение трещин в ке-
рамике.

Наиболее важным критерием выбора матричного материала
является рабочая температура эксплуатации композита. Исполь-
зование в качестве материала матрицы аморфного углерода, а в
качестве армирующего материала — волокон из кристаллическо-
го углерода (графита) позволило создать композит, выдерживаю-
щий нагрев до 2 500 °C. Такой углерод-углеродный композит пер-
спективен для космонавтики и заатмосферной авиации. Толчком
к интенсивному использованию углерод-углеродных композитов
в США послужили работы по программе создания космических
кораблей многоразового использования. Недостаток углеродной
матрицы состоит в возможном окислении и абляции. Для предот-
вращения этих явлений композит покрывают тонким слоем кар-
бида кремния.

Помимо высокой прочности и жесткости, важным требовани-
ем, предъявляемым к волокнам для композита, является хорошее
смачивание материала волокна расплавленной матрицей в про-
цессе изготовления композита. Важными условиями являются сла-
бое взаимодействие волокна с материалом матрицы и его высокая
окислительная стойкость.

Для армирования металлических композитов обычно исполь-
зуют непрерывные волокна: углеродные (УВ), борные (В), окси-
да алюминия (А12О3), карбида кремния (SiC), карбида бора (В4С),
нитрида бора (BN), диборида титана (TiB2), оксида кремния (SiO2).
Также в качестве волокон применяют металлическую тонкую про-
волоку, полученную методом волочения из стали, вольфрама, ти-
тана, молибдена или бериллия. Реже используют нитевидные спе-
циально выращенные кристаллы разных материалов.

Наибольшее распространение для армирования металлических
композитов получили непрерывные или дискретные углеродные
и борные волокна (табл. 2.15).

Волокна бора обычно получают осаждением бора из газовой
фазы при диссоциации его галоидных соединений, например трех-
хлористого бора ВС13. Бор осаждается на основу из тонкой (12 мкм)
вольфрамовой нити, нагретой до 1 200 °C. В процессе осаждения
бор диффундирует в вольфрамовую основу, образуя бориды воль-
фрама в сердцевине волокна. Время пребывания волокна в реак-
ционной камере составляет 1...2 мин. Общий диаметр борного
волокна составляет 100... 150 мкм.

Сырьем для получения высокопрочных и высокомодульных
углеродных волокон являются такие полимеры с высоким содер-
жанием углерода, как полиакрилнитрил (ПАН), реже — пек и
вискоза. ПАН-волокно выдавливают через малые отверстия и под-
вергают пиролизу в инертной атмосфере при температуре при-
мерно 2 000 °C. Углеродные волокна выпускают в виде нитей, со-
Таблица 2.15

Свойства волокон для армирования металлических композитов

Тип волокна	Основа	Плотность р, г/см3	Предел прочности при растяжении МПа	Модуль упругости  Е, ГПа	ТКЛР а, 10 s К
с	ПАН	1,7...2,0	1,7...3,2	170...517	-1,0...-1,5
	Вискоза	1,6... 1,8	0,6...3,2	400...525	—
	Пек	2,0	1,1 ...2,1	380... 700	-1,3
SiC	Вольфрам	3,15	3,1 ...3,4	420...450	3,8...5,0
	УВ	3,05	3,45	400...420	—
в	Вольфрам	2,49	3,52	400	4,8...5,0
	УВ	2,25	3,32	380	—
В—SiC	Вольфрам	2,50	2,90	400	4,9
А120з	—	2,90	3,9 ...4,3	380... 500	8,5

держащих до 10 000 элементарных волокон, диаметр которых со-
ставляет приблизительно 7 мкм. Модуль упругости и прочность
волокна не изменяются при его нагреве до 600 °C.

Композиты получают разными методами. К ним относят про-
питку пучка волокон жидкими расплавами алюминия и магния с
низкой температурой плавления, плазменное напыление, приме-
нение методов горячего прессования (иногда с последующей гид-
роэкструзией или прокаткой заготовок). При армировании непре-
рывными волокнами композиций типа «сэндвич», состоящих из
чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применя-
ют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузион-
ную сварку. Отливку прутков и труб, армированных высокопроч-
ными волокнами, получают из жидкометаллической фазы. Пучок
волокон непрерывно проходит через ванну с расплавом и пропи-
тывается под давлением жидким алюминием, магнием или жид-
кой смолой в случае изготовления полимерного материала. При
выходе из пропиточной ванны волокна соединяют и пропускают
через фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обес-
печивает максимальное наполнение композита волокнами (до
85 %), их однородное распределение в поперечном сечении и не-
прерывность процесса.

Для многих видов волокон разработаны технологические про-
цессы нанесения покрытий для обеспечения лучшей смачиваемо-
сти, окалиностойкости и оптимального взаимодействия волокна
с матрицей. Борные волокна защищают от реагирования с рас-
плавами титана и алюминия созданием на поверхности диффузи-
онного барьера из карбидов кремния или бора. Волокна бора, за-
щищенные карбидом кремния, называют borsic (борсик). Из-за
высокой окислительной способности углеродных волокон на их
поверхность наносят специальные покрытия, а процессы перера-
ботки осуществляют в защитной атмосфере.

Углеродные волокна имеют отрицательное значение темпера-
турного коэффициента линейного расширения, благодаря чему
появляется возможность при соответствующей укладке волокон
получать тепловые линейные погрешности, близкие к нулю.

Волокна карбида кремния получают методом химического осаж-
дения из паровой фазы на подложку из борного или углеродного
волокна. Эти волокна имеют хорошую теплостойкость, стойкость
к окислению и мало реагируют с металлом.

2.2.4.	Слоистые композиционные материалы

Материалами основы композитов со слоистым строением слу-
жат пластмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей
применяют полимерные волокна, ленты из тканей, трикотажа и
других материалов. Хорошо известные ламинаты изготавливают из
смол, армированных полимерными волокнами или стеклотканью.
Их широко применяют в строительстве, машиностроении, ме-
бельной промышленности, спортивном снаряжении, предметах
домашнего хозяйства и т.д.

К этой же группе композитов относятся абляционные матери-
алы для тепловой защиты ракет, изготовленные на базе феноло-
формальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. В этих
материалах часто используют стеклоткань, которая при много-
слойном нанесении обеспечивает высокие механические свойства
изделий, например тонкостенных труб, втулок и др.

Встречаются композиты, в которых слоистым связующим яв-
ляются алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобаль-
товые листы и фольги, а слоями, определяющими специальные
свойства и применение, — керамические материалы, интерме-
таллидные соединения или другие металлы.

Слоистые керамические композиты используют в экстремаль-
ных условиях. Компонентами этого типа композиционных мате-
риалов чаще всего являются керамические материалы, углерод и
металлы, например корунд, пиролитический графит, карбиды,
оксиды, нитриды в композиции с алюминием, медью, титаном,
никелем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли
применение в космических аппаратах, в которых теплоизоляци-
онные силикатные плитки изготовлены из корунда, боросилика-
та, углеродных карборундовых ламинатов.
Свойства и применение композитов. Физико-механические свой-
ства основных компонентов композитов на основе алюминиевой
матрицы приведены в табл. 2.16.

Хорошая совместимость матрицы с армирующим элементом,
высокие прочностные свойства борного волокна и удовлетвори-
тельная пластичность материала матрицы определяют высокие
удельные значения прочности и жесткости композита (отноше-
ние временного сопротивления и модуля упругости к плотности)
в сочетании с хорошей технологичностью и конструкционной на-
дежностью изделий из этого материала.

Для создания металлических композитов с еще более малой
плотностью применяют магний. Композиты на основе магния на
30 % легче сплавов алюминия. У металлических композитов на ос-
нове магния хорошие удельные свойства, стабильный ТКЛР в ши-
роком диапазоне температур, что достигают за счет комбиниро-
вания свойств матрицы и волокна и регулируют в зависимости от
конкретных условий использования. Такие материалы можно по-
лучать в форме отливок, включая плоские плиты, трубы, прутки
и изделия специальной формы.

Магний — один из легких металлов, который хорошо взаимо-
действует с углеродными, борными волокнами и волокнами из
карбида кремния. Перспективная система углеродные волокна —
магний обладает самыми высокими удельными характеристика-
ми: £уд= 23,5 • 103 км, оуд = 115 км.

Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич-
ных материалов применяют керамические материалы. Их основ-
ной недостаток — отсутствие пластичности — в некоторой степе-
ни компенсируют армирующие волокна, тормозящие распрост-
ранение трещин в керамическом материале.

Некоторые свойства металлических композитов на основе маг-
ниевой матрицы приведены в табл. 2.17.

Системы углеродные волокна — алюминий и углеродные во-
локна — магний перспективны для использования в авиационной
и космической технике, благодаря высоким значениям удельной
прочности и жесткости, малому ТКЛР и сравнительно высокой
те плопроводности.

Металлы с высокой пластичностью и прочностью хорошо со-
вмещаются с высокопрочными и жесткими волокнами с низкой
плотностью и пластичностью, образуя композиты с повышенной
жесткостью и малой массой. Примером такой комбинации может
быть титан, армированный волокнами бора или карбида крем-
ния.

Однако такие системы имеют пониженную усталостную проч-
ность из-за остаточных напряжений и химического взаимодей-
ствия между волокнами и матрицей при высоких температурах
изготовления. Кроме того, механическая обработка композитов
ОО

Таблица 2.16

Свойства компонентов композитов на основе алюминиевой матрицы

Тип волокна	Плотность р, г/см3	Предел прочности при растяжении ов, МПа	Модуль упругости Е, ГПа	Удельная прочность Оуд = <V(pg). КМ	Удельная жесткость  = E/(pg), 103км	ТКЛР а, 10-6 К 1	Максимальная температура t °C ‘max»
Матрица из алюми- ниевого сплава	2,63...6,8	250...537	69...73	20	2,5	11...13	150
С	2,1 ...2,3	850/70	360/35	90	20	1,0...3,6	500
В	2,6	1 800/330	250/140	70	10	6,0	540
SiC	2,85 ...2,9	1 600/350	230/140	56	7	6,1	300
В-SiC	2,7...2,8	1 400/320	220/180	50	—	—	—
А12О3	3,4	1 200	260/140	34	7	—	—

Примечание. В числителе даны продольные значения прочностных характеристик, в знаменателе — поперечные.
Таблица 2.17

Свойства металлических композитов на основе магниевой матрицы

Параметр	Магниевые сплавы	Материал армирующих волокон		
		С	В	А1,О,
Плотность р, г/см3	1,74... 1,83	1,9... 1,95	2,15	2,5...2,9
Предел прочности при растяжении ов, МПа	200...280	825	550	530
Модуль упругости Е, ГПа	43...45	352	150	210
Условный предел проч- ности на растяжение окл, км	15,5	115*	25	20
Удельная жесткость £уд, 103 км	2,5	23*	7	8
ТКЛР а, 10-6К~''	14... 15	—	—	—
Максимальная темпе- ратура <П11Х, °C	—	300... 320	—	—

* Проектируемые значения свойств.

на основе титановой матрицы представляет большие трудности.
Недостатком этого вида композитов является также высокая ре-
акционная способность титановой матрицы. Свойства металли-
ческих композитов на основе титановой матрицы приведены в
табл. 2.18.

Прочность и модуль упругости, а также сопротивление мате-
риалов удару для однонаправленных композиционных материа-
лов на основе алюминия, магния и титана повышаются по мере
увеличения в композиции объемного содержания волокон.

Для очень высоких температур, например в камерах сгорания
реактивных двигателей, используют системы, содержащие молиб-
деновую и вольфрамовую проволоку в матрицах из титана и су-
персплавов.

Наибольшей прочностью при температуре 1 093 °C обладает
проволока из сплава W— Re— Hf— С: о„ = 2,2 ГПа, что в несколь-
ко раз больше прочности никелевых или кобальтовых суперспла-
вов при такой же температуре.

Большие перспективы открываются с развитием процессов
объемного армирования металлических композитов. В частности,
для металлических композитов объемное армирование дает суще-
ственный выигрыш в ударной вязкости. Система А12О3/А1 трех-
Таблица 2.18

Свойства металлических композитов на основе титановой матрицы

Параметр	Титановые сплавы	Материал армирующих волокон		
		В	SiC	В - SiC
Плотность р, г/см3	4,5	3,3...3,5	3,8...4,0	3,7...3,9
Предел прочности при растяжении ов, МПа	500... 1 200	1 500/550	1 720/650	1 400/550
Модуль упругости Е, ГПа	113	230	250/200	290/200
Удельная прочность o„/(pg), км	27	43	46	37
Удельная жесткость £уд, 103 км	2,6	6,5	7,5	7,5
ТКЛР а, 106К'	9	—		4,5 ...5,7
Максимальная темпе- ратура /тах, °C	490	650	700	—

Примечание. В числителе даны продольные значения прочностных харак-
теристик, в знаменателе — поперечные.

мерного армирования поглощает почти такую же энергию удара,
как и чистый металл.

Армирование по толщине, обеспечиваемое трехмерной волок-
нистой структурой, предотвращает расслоение и ограничивает
распространение трещин.

К недостаткам металлических композитов относятся их срав-
нительно высокая стоимость и сложность изготовления. Их сто-
имость в настоящее время превосходит стоимость полимерных
композитов в несколько раз. Совершенствование технологии по-
зволит снизить себестоимость металлических композитов, а их
уникальные свойства делают их незаменимыми в ряде конструк-
ций.

В авиационной и космической технике наиболее широко ис-
пользуют композиты с борными волокнами. Детали из бороплас-
тика и бороалюминия применяют такие крупные фирмы США,
как «Локхид», «Боинг», «Дженерал Дайнемикс». Из них изготав-
ливают горизонтальные и вертикальные стабилизаторы, рули, эле-
менты хвостового оперения, лонжероны, лопасти винтов, обшивку
крыльев и др.

Области использования металлических композитов непрерыв-
но расширяются. Помимо улучшения технических характеристик
многих ответственных изделий, использование металлических ком-
позитов способно обеспечить уменьшение массы изделий на
20... 30 %. Современные Al—Li сплавы имеют этот показатель на
уровне 10... 15 %.

Применение боралюминия по сравнению с титановыми спла-
вами дает снижение массы на 30...40 %, обеспечивая более высо-
кую длительную и усталостную прочность при нагреве до 500 °C.
Еще более эффективно применение боралюминия в авиационной
и космической технике. Его использование для изготовления круп-
ных деталей для ракет «Атлас», космических кораблей «Аполлон»,
«Шаттл» позволило уменьшить их массу на 20... 50 %. Это, в свою
очередь, увеличило полезную нагрузку, а для военных самоле-
тов — дальность полета, объем вооружения и т.д. Снижение по-
летной массы истребителя F-15 на 6 % (около 1 100 кг) приводит
к увеличению дальности полета на 15 %.

Фирма Toyota (Япония) изготовила металлические компози-
ты для деталей автомобилестроения. Алюминий армировали сме-
сью коротких волокон А12О3 и SiO2 (диаметр примерно 3 мкм и
длина до 10 мкм) в различных соотношениях. С увеличением мас-
совой доли волокон А12О3 возрастает прочность и модуль упруго-
сти, при росте доли волокон SiO2 повышается износостойкость.
Этот материал использовали вместо никелевых сплавов для из-
готовления накладок поршней, что позволило поднять темпера-
туру в камере сгорания двигателя и его мощность. За счет увели-
чения износостойкости поршней пробег автомобиля увеличен
до 300 тыс. км.

Производство таких металлических композитов, по мнению
японских специалистов, откроет промышленную технологию сле-
дующего поколения.

Правильный выбор материалов с целью экономии массы лета-
тельных аппаратов играет определяющую роль. Стоимость матери-
ала конструкции составляет 40 % для военных самолетов, 68 % —
для коммерческих, 19% — для космических аппаратов, 50 % —
для орбитального космического корабля типа «Шаттл». В косми-
ческой технике экономию массы принято оценивать через сто-
имость вывода 1 кг массы на орбиту с учетом числа запусков. Учи-
тывая, что отношение исходной массы к массе, доставленной на
околоземную орбиту, составляет 100 : 1, эта величина может со-
ставлять до 30 тыс. долл./кг.

Применение композитов в конструкции космического кораб-
ля «Шаттл» позволило снизить массу на 1 402 кг, в том числе за
счет боропластика — на 410 кг и боралюминия — на 82 кг. Такая
экономия массы позволила уменьшить затраты на вывод кораб-
ля на орбиту на несколько миллионов долларов, что заранее
окупает затраты на стоимость элементов конструкции из этих
материалов.
Контрольные вопросы

1.	Назовите основные этапы технологии получения изделий из кера-
мических материалов.

2.	Какие виды керамических материалов используются в промышлен-
ности?

3.	В чем преимущества режущего инструмента с пластинами из кера-
мических материалов?

4.	Какой эффект достигают при изготовлении деталей двигателей из
керамических материалов?

5.	Где используют ударопрочные керамические материалы?

6.	Какова область применения радиопрозрачных керамических мате-
риалов?

7.	Какой материал называется композиционным?

8.	Что представляют собой дисперсно-упрочненные, волокнистые и
слоистые композиты?

9.	Что означает слово «синтегран»? Из чего состоит этот материал?

10.	Каковы области применения синтеграна?

11.	Каковы свойства углепластиков и где они используются?

12.	Что представляют собой органопластики и где их применяют?

13.	Какова область применения боропластиков?

14.	Где используют композиты с металлической матрицей?
ГЛАВА 3

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1.	Особенности технологии порошковых
материалов

Методы порошковой металлургии позволяют создавать прин-
ципиально новые материалы, которые сложно или даже невоз-
можно получить другими способами. С помощью этих методов
можно получить многослойные композиции, различные комби-
нации металлических и неметаллических компонентов, пористые
материалы с широким диапазоном контролируемой пористости,
изделия из тугоплавких металлов и т.д. Порошковая металлургия
дает возможность свести к минимуму отходы металла в стружку,
упростить технологию изготовления деталей и снизить трудоем-
кость их производства.

Технологический процесс изготовления изделий из порошков
включает получение порошков, подготовку шихты, формование,
спекание, горячее прессование и штамповку. Иногда применяют
дополнительную обработку, состоящую из пропитки деталей сма-
зочными материалами, термической и химико-термической об-
работки, калибрования и обработки резанием.

Размеры частиц порошка обычно составляют от 0,1 мкм до
0,1 мм. Более крупные фракции называют гранулами, а более мел-
кие — пудрой.

Металлические порошки получают физико-механическими и
химико-металлургическими способами. В основе физико-механи-
ческих способов получения порошков лежат методы механиче-
ского измельчения металлов в твердом и жидком состояниях. К ним
относятся дробление и размол стружки в мельницах, распыление
расплавленного металла струей сжатого воздуха, газа или жидко-
сти, грануляция при литье расплавленного металла в жидкость
и др.

К химико-металлургическим способам относятся способы вос-
становления металлов из оксидов, электролитическое осаждение
металлов из водных растворов солей, термическая диссоциация
карбонильных соединений металлов.

При формовании заготовок из порошков определенного хими-
ческого состава прессованием им придают форму и размеры гото-
вых деталей, после чего направляют на спекание. При спекании
непрочные прессованные заготовки превращаются в прочное спе-
ченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам бес-
пористого компактного материала. Температура спекания деталей
из конструкционных материалов на основе железа с добавками
графита, никеля и других компонентов составляет 1 100... 1 200 °C.
Температура спекания изделий антифрикционного назначения на
основе железа составляет 1 000... 1 050°C, на основе бронзы —
850... 950 °C.

Спекание проводят в течение 0,5... 1,5 ч в нагревательных пе-
чах, как правило, в защитной атмосфере или в вакууме для пред-
отвращения окисления частиц порошка. Для получения более вы-
соких характеристик механических и служебных свойств материа-
лов и повышения точности размеров после формования и спека-
ния дополнительно производят горячее прессование, штампова-
ние, прокатку.

Термической обработке порошковых деталей присущи некото-
рые специфические особенности. Пористость повышает окисляе-
мость порошковых материалов, вследствие чего их нагрев целесо-
образно проводить в защитной атмосфере. Поры, заполненные
газом, снижают теплопроводность, что ухудшает прокаливаемость
пористых материалов по сравнению с компактными материалами.
Для пористых деталей целесообразно применение закаливания с
резким охлаждением в струе воды или с энергичным перемеши-
ванием для ускорения срыва паровой рубашки, затрудняющей ох-
лаждение. После закаливания детали обязательно просушивают до
полного удаления влаги из пор.

В ряде случаев дополнительно проводят химико-термическую
обработку деталей из порошковых материалов. Цементацию и нит-
роцементацию применяют для повышения твердости и износо-
стойкости поверхностного слоя. Азотирование позволяет получать
высокую твердость, усталостную прочность и коррозионную стой-
кость деталей.

Сульфидирование применяют с целью уменьшения коэффи-
циента трения для повышения износостойкости и твердости же-
лезных и железо-графитовых изделий.

Наиболее простой способ сульфидирования — пропитывание
серой при погружении пористых изделий в расплавленную серу
при 140... 160°C (выдержка 10... 15 мин) с последующим нагревом
до 500 °C в герметизированной печи с азотводородной атмосфе-
рой.

Оксидирование обработкой паром применяют для повышения
износостойкости и коррозионной стойкости порошковых деталей
на железной основе. Обычно используют обработку паром при 550 °C
в течение 1 ч с последующим охлаждением в масле. При взаимо-
действии паров воды с железом на поверхности деталей и на
поверхности открытых пор образуется прочная коррозионная
пленка.
3.2.	Конструкционные порошковые материалы

Конструкционные детали являются наиболее распространен-
ным видом продукции порошковой металлургии. Учитывая почти
полное отсутствие отходов, они имеют минимальные стоимость и
трудоемкость. Различают конструкционные порошковые материа-
лы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и
легированные стали, чугуны и цветные металлы, и материалы,
обладающие специальными свойствами — высокой износостой-
костью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью,
специфическими магнитными и электрическими характеристи-
ками. В зависимости от условий нагружения различают мало-, сред-
не- и тяжелонагруженные детали, которые в свою очередь делят-
ся на тяжелонагруженные статическими и динамическими усили-
ями.

Чем выше требования по прочности, тем меньше должна быть
пористость металла. Порошковые детали делятся на четыре груп-
пы по плотности (пористости).

Тяжелонагруженные статическими усилиями детали изготав-
ливают из порошков углеродистых или легированных сталей и цвет-
ных сплавов. Пористость материала не должна превышать 9 %. Из-
делия получают холодным прессованием и спеканием с последу-
ющим дополнительным горячим и холодным штампованием или
горячим прессованием. Применяют также пропитывание легко-
плавкими металлическими расплавами с последующей термичес-
кой обработкой.

Тяжелонагруженные динамическими нагрузками детали изго-
тавливают из порошков углеродистых и легированных сталей и
сплавов цветных металлов с пористостью не более 2 %. В этом слу-
чае проводят холодное прессование, спекание, горячее штампо-
вание, горячее прессование или химико-термическую обработку.

На рис. 3.1 показана зависимость относительной прочности по-
рошковых материалов о0ТН = (опор/окомп)100 % от их относительной
плотности ротн = (Рпор/Ркомп)100% при различных технологичес-
ких процессах формообразования, где оП0р, рпор — прочность и

Рис. 3.1. Зависимость относительной
прочности порошковых конструк-
ционных материалов от их относи-
тельной плотности и технологии
формообразования:

1 — статическое холодное прессование;
2 — высокоскоростное холодное прес-
сование; 3 — горячее штампование
плотность порошковых материалов; окомп, ркомп — прочность и плот-
ность спрессованных материалов.

С увеличением плотности одновременно возрастают пластич-
ность и ударная вязкость. Изменяя пористость, можно регулиро-
вать плотность и механические свойства, подбирать материалы с
заданным уровнем свойств для конкретных условий работы изде-
лий.

Порошковые стали по механическим свойствам могут не усту-
пать литым и кованым сталям соответствующего состава. Так, мар-
тенситно-стареющие стали, при повышении содержания титана
до 3 % имеют предел прочности до 2 000 МПа.

Основой для получения порошковых коррозионно-стойких ма-
териалов обычно служат порошки сталей и сплавов определенно-
го состава.

Перспективно использование порошков титана и его сплавов
для изготовления тяжелонагруженных деталей. Высокие механи-
ческие свойства порошковых изделий на основе титана (ов =
= 650...900 МПа, р = 8... 16%) позволили применить их для изго-
товления шатунов автомобильных двигателей. Это дало возмож-
ность существенно уменьшить массу, снизить инерционные силы
и повысить мощность двигателя. Из порошков титана организова-
но серийное производство таких деталей, как втулки, крышки,
трубы для химического и пищевого машиностроения, приборо-
строения и др.

3.3.	Антифрикционные порошковые материалы

Для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, под-
пятников наряду с литыми сплавами (бронзы, баббиты и чугу-
ны) используют антифрикционные материалы, изготовленные
методом порошковой металлургии. Их создают на основе меди или
железа с добавлением веществ типа твердых смазок (графит, суль-
фиды и др.), что обеспечивает им заданные механические и экс-
плуатационные свойства.

Антифрикционные порошковые материалы имеют низкий ко-
эффициент трения, хорошую износостойкость, способность лег-
ко прирабатываться к валу и выдерживать значительные нагрузки.
Они обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными
антифрикционными материалами. Их износостойкость в несколь-
ко раз выше, чем у бронз и баббитов. Они работают при более
высоких скоростях и давлениях. Наличие в структуре пористости,
регулируемой в широких пределах (до 35 %), позволяет их предва-
рительно пропитывать смазочными маслами. Во время работы по
мере нагревания масло, удерживаемое в порах и мельчайших ка-
налах материала капиллярными силами, постепенно вытесняется
наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При
остановке и последующем охлаждении подшипника масло час-
тично всасывается обратно в поры. Поэтому пористые подшипни-
ки могут работать длительное время без дополнительной смазки.
Эффект самосмазываемости в пропитанных маслом пористых под-
шипниках без подвода смазки извне может сохраняться в течение
З...5тыс. ч.

Композиционные антифрикционные порошковые материалы
позволяют иметь равномерно распределенные включения из ве-
ществ, играющих роль твердой смазки. К таким веществам отно-
сят графит, сульфиды, пластмассы и некоторые другие соедине-
ния.

Такие материалы имеют сравнительно низкий коэффициент
трения при работе без жидкой смазки (в режиме сухого трения).
Сочетание повышенных антифрикционных свойств твердых сма-
зок и пластмасс со свойствами металлов позволяет получать мате-

Рис. 3.2. Схема изготовления изделий из антифрикционных порошковых
материалов
риалы, способные работать в воде, агрессивных жидкостях, бен-
зине, различных газовых средах, в вакууме, а также в условиях
высоких и низких температур.

Обобщенная технологическая схема изготовления изделий из
антифрикционных порошковых материалов (рис. 3.2) основана
на том, что порошковые антифрикционные материалы могут
представлять собой каркасные конструкции, в которых каркас
выполнен из прочного материала, а промежутки заполнены бо-
лее мягким материалом. Можно, наоборот, иметь мягкую матри-
цу с равномерно распределенными твердыми включениями раз-
ной степени дисперсности, повышающими работоспособность
подшипников. Эти особенности позволяют осуществлять направ-
ленное регулирование свойств порошковых антифрикционных
материалов применительно к конкретным условиям эксплуата-
ции.

Внедрение порошковых подшипников скольжения повышает
надежность и долговечность работающего оборудования, снижает
трудоемкость процесса их изготовления, позволяет уменьшить
отходы металла в стружку, обеспечивает экономию дефицитных
цветных металлов и сплавов.

3.4.	Фрикционные порошковые
материалы

Порошковые фрикционные материалы предназначены для ра-
боты в различных тормозных и передаточных узлах автомобилей,
гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, са-
молетов, станков, прессов и т.п. Фрикционные элементы из по-
рошковых материалов изготавливают в виде дисков, секторных
накладок и колодок различной конфигурации. Применяют по-
рошковые фрикционные материалы на основе меди и на основе
железа.

Все фрикционные материалы в зависимости от условий рабо-
ты делят на две группы:

•	материалы, работающие в условиях сухого трения;

•	материалы, работающие в масле.

Порошковые материалы на основе оловянных и алюминиевых
бронз, содержащие свинец, графит и железо, предназначены пре-
имущественно для работы в условиях сухого трения со средне-
углеродистыми сталями с твердостью 40...45 HRC при давлении
до 35 МПа и скорости скольжения до 50 м/с. При меньших давле-
ниях и скоростях до 5 м/с используют металлопластмассовые ма-
териалы.

Порошковые материалы на основе железа, содержащие добав-
ки меди, графита, оксида кремния, асбеста, сульфата бария, пред-
Рис. 3.3. Схема получения фрикционных
материалов

назначены для работы в условиях сухо-
го трения при давлениях до 300 МПа и
скоростях до 60 м/с в паре с чугуном
либо легированной сталью в тормозных
устройствах различной конструкции —
дисковых, колодочных или ленточных.

В сравнении с асбофрикционными

материалами порошковые материалы

обладают более высокими значениями термо- и износостойкости
(в 2 —4 раза), а в некоторых случаях, например при работе с ле-
гированным чугуном, и более высоким (на 15...25 %) коэффици-

ентом трения.

Технологическая схема получения фрикционных материалов
показана на рис. 3.3.

3.5.	Пористые фильтрующие элементы

Для изготовления фильтрующих элементов обычно применяют
ткани, войлок, керамику, фарфор, а также сетчатые фильтры из
различных материалов. Их недостатками являются низкая корро-
зионная стойкость, недостаточная механическая прочность, низ-
кая термостойкость и жаропрочность. В большинстве случаев они
не допускают высоких перепадов давлений и с трудом поддаются
регенерации.

При создании современной техники стремятся к использова-
нию легких материалов, обладающих высокими физико-механи-
ческими характеристиками. Материаловеды всего мира пытаются
найти вторую, третью структуры вещества, позволяющие извест-
ным материалам придать новые свойства.

В Институте металлургии Российской академии наук было по-
лучено аморфное железо, структура которого представляла собой
хаотическое переплетение молекул. Твердость и прочность такого
материала увеличивается в сотни раз. Процесс изготовления аморф-
ного железа включает в себя нагрев до высокой температуры с
резким последующим охлаждением (скорость охлаждения — мил-
лион градусов в секунду).

В настоящее время одним из перспективных направлений ма-
териаловедения является создание пористых металлических и не-
металлических материалов.

Область применения пористых материалов весьма широка. Эти
материалы при малой плотности обладают высокой жесткостью,
прочностью и высокими демпфирующими способностями; бла-
годаря развитой внутренней поверхности они могут быть исполь-
зованы для проведения и интенсификации различных физико-
химических и электрохимических процессов, создания фильт-
ров и др.

Развитая внутренняя поверхность пористых материалов позво-
ляет осуществлять с высокой интенсивностью процессы, обыч-
ная скорость протекания которых мала. Использование пористых
материалов для работы в жидких и газовых средах позволяет умень-
шить ограничения, связанные с низкой диффузией реагентов.
В системах с проточными пористыми электродами без примене-
ния специальных селективных мембран и диафрагм могут быть
разделены электродные продукты, продукты абсорбции и десорб-
ции отсасыванием их через поры. Пористые материалы обеспечи-
вают проведение физико-химических процессов в невесомости. Вы-
полнение охлаждения стенок ракетных двигателей из пористых
материалов, по которым в пограничный слой потока горячего газа
подается охладитель, является одним из перспективных и наибо-
лее эффективных способов гидродинамической защиты. Из пори-
стых материалов изготавливают автомобильные бамперы, кото-
рые при столкновении с препятствием способны, разрушаясь,
гасить энергию удара. При заполнении топливных баков порис-
тым материалом полезная вместимость бака снижается на 5...7 %,
но в случае аварии такая конструкция не позволяет произойти
взрыву топлива, а способствует его постепенному медленному вы-
горанию.

Металлические пористые материалы изготавливают:

•	спеканием в водородной среде свободно насыпанного в фор-
му металлического порошка — свободное спекание',

•	спеканием в водородной среде нанесенного на сетчатую или
перфорированную ленту водного шлама из металлического по-
рошка — шламовое спекание',
•	спеканием в водородной среде металлического порошка, уп-
лотненного между валками, с порообразующим агентом или без
него — валковое спекание',

•	прессованием металлического порошка с порообразующим
агентом с последующим их спеканием в водородной среде.

Свободное спекание дает высокую пористость (50...90%), од-
нако получаемые при этом пористые материалы недостаточно
прочны и обладают значительным электрическим сопротивлени-
ем. Использование в качестве каркаса перфорированных пласти-
нок или сеток увеличивает прочность, укрепляет связи частиц
порошка и ослабляет внутреннее сопротивление.

Шламовое спекание применяют для нанесения пористой мас-
сы на гладкие пластины, в этом случае порошок сохраняется в
виде суспензии и может использоваться пороноситель.

Валковое спекание служит для получения требуемых изделий в
больших количествах, на пористость в значительной степени ока-
зывает влияние диаметр и скорость валков; при равномерном рас-
пределении порошка между валками получаются изделия с одно-
родным распределением пор при пористости 60 %.

Прессование из порошка с добавкой порообразующих агентов
в специальных формах и последующее спекание в водородной или
другой нейтральной среде используют при изготовлении топлив-
ных элементов, абсорберов, десорберов и др.

Высокопористые порошковые металлические материалы бла-
годаря жесткому пространственному каркасу имеют более высо-
кую прочность. Они выдерживают резкие колебания температур,
легко обрабатываются, свариваются и паяются, обеспечивают
необходимые коррозионную стойкость, жаростойкость, теплопро-
водность.

Вследствие высокой пористости такие материалы имеют хоро-
шую проницаемость для жидкостей и газов при достаточно тон-
кой фильтрации (до 30 мкм). Эти материалы легко регенерируют-
ся и при этом почти полностью восстанавливают свои первона-
чальные свойства. Они не засоряют фильтрующиеся жидкости или
газы материалами фильтра.

Технология изготовления металлических пористых элементов
зависит от их формы и размеров. Фильтры небольших размеров
изготавливают спеканием свободно засыпанного порошка. Для бо-
лее крупных фильтров применяют холодное прессование и после-
дующее спекание. Для получения тонких пористых лент применя-
ют прокатку.

Для изготовления пористых проницаемых элементов применя-
ют порошки различных металлов и сплавов: углеродистых и кор-
розионно-стойких сталей различных марок, сплавов никеля с хро-
мом и молибденом, сплавов меди, титана, алюминия, вольфра-
ма, молибдена и др. В технике наибольшее распространение полу-
чили фильтры из коррозионно-стойкой стали, бронзы, сплавов
никеля и титана.

Применение порошковых материалов увеличивает срок служ-
бы насосов, двигателей и других агрегатов, работающих на очи-
щенных жидкостях. С их помощью повышают эффективность хи-
мических процессов и улучшают качество вакуумной продукции,
создают предпосылки для получения материалов с новыми свой-
ствами.

Контрольные вопросы

1.	В чем состоят преимущества методов порошковой металлургии?

2.	Какова технология получения изделий из порошковых материалов?

3.	Для изготовления каких деталей применяют антифрикционные по-
рошковые материалы?

4.	Какова область использования фрикционных порошковых материа-
лов?

5.	Каковы свойства и область применения высокопористых порошко-
вых материалов?
ГЛАВА 4

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1.	Классификация и свойства полимеров

Полимерами называются высокомолекулярные химические со-
единения, состоящие из многочисленных маломолекулярных зве-
ньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы представ-
ляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их боль-
шую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между
собой довольно прочными ковалентными химическими связями.
Между макромолекулами полимеров действуют значительно бо-
лее слабые физические связи. Например, мономеры этилена С2Н4
или хлорвинила С2Н3С1 после разрыва двойных ковалентных свя-
зей и образования одинарных молекул (меров) создают цепь из
мономеров, т.е. полимеры, которые называются соответственно
полиэтилен и поливинилхлорид (рис. 4.1, а).

Различают природные и искусственные (синтетические) полиме-
ры. К полимерам, встречающимся в природе, относят натураль-
ный каучук, целлюлозу, слюду, асбест, шерсть и т.д. Однако ве-
дущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в
процессе химического синтеза из низкомолекулярных соедине-
ний.

Чаще всего для получения полимеров применяют следующие
молекулярные звенья мономеров, показанные на рис. 4.1, б.

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой.
Различают следующие типы полимерных структур: линейную,
линейно-разветвленную, лестничную и пространственную с гро-
моздкими молекулярными группами и специфическими геомет-
рическими построениями (рис. 4.2).

Полимеры имеют высокую стойкость в таких средах, как ще-
лочи и концентрированные кислоты. В отличие от металлов они
не подвержены электрохимической коррозии. С увеличением мо-
лекулярной массы снижается растворимость полимеров в раство-
рителях органического происхождения. Полимеры с пространствен-
ной структурой практически не подвержены действию органичес-
ких растворителей.

Большинство полимеров — диэлектрики и относятся к немаг-
нитным веществам. Из всех применяемых конструкционных мате-
риалов полимеры имеют наименьшую теплопроводность и наи-
н н н н
1111

с = с с= с
1111
Н Н ^Н^Н,
Мономер
этилена

н н н н

1111
с = с с = с

1111

Н Cl ^Н^О,
Мономер
винилхлорида

Полимеризация

н н н н

1111

-с - с -с - с -

1111
н н

Мономер

н н н

I I I

-с —с - с

I I I

j4_ Ц Н
Мономер

Н

I

-с -
I

С1

Полиэтилен

Поливинилхлорид

Н	Н

X
н	н

Этилен

СН2 = СС12

Винилиденхлорид

О

\ 11
С =с- О —С —CHj

7 I

СН3

Метилметакрилат

СН2-СНС1

Винилхлорид

cf2 = cf2

Т етрафторэтилен

Н
С.
сн	сн

II I

CFI хсн
с'
н

Стирол

О

II
2=сн—о—с -сн3

Винилацетат

сн3-сн = сн2
Пропилен

СН = СН2

NH2
о=<
nh2

Мочевина

а

Н

^с, СН
сн	с

II	I

cfi ,с
с'

н

Фенол

H2N.	nh2

С	С

II	I

N

С.'

I
nh2
Меламин

Н

"с=о
н''

Формальдегид

Рис 4 1 Молекулярные звенья некоторых мономеров (а) и схема поли-
меризации полиэтилена и поливинилхлорида (5)
Рис 4 2 Типы структур полимеров

а — линейная б — лестничная, в — линейно разветвленная г — пространствен-
ная сетчатая

Таблица 4 1

Свойства основных полимеров

Полимер	Плот ность р г/см3	Модуль упругости  Е, ГПа	Предел прочно сти при растя же  НИИ ов, МПа	Трещино- стои- кость, МПа м,/2	Полное удлине- ние е %	Темпе- ратура стекло вания  °C
Термопластичные полимеры						
Полиэтилен малой плот- ности	0,92	0,15 0,24	7 17	1 2	90 800	0
Полиэтилен высокой плотности	0,96	0,55 1,0	20 37	2 5	15 100	30
Поливинил- хлорид	1,39	2,4 3,0	40 60	2,4	2 30	80
Полипропи лен	0,9	1,2 1,7	50 70	3,5	10 700	-20
Полистирол	1,06	3,0 3,3	35 68	2	1 2	100
Полиамид	1,14	2,0 3,5	60 НО	3 5	60	70
Термореактивные полимеры						
Фенолфор- мальдегид- ная смола	1,4	8	35 55	—	0	—
Полиэстер	—	1,3 4,5	45 85	0,5	0	70
Эпоксидная смола	1,6	2,1 5,5	40 85	0,6 1,0	0	80
большие теплоемкость и тепловую усадку. Тепловая усадка поли-
меров примерно в 10 — 20 раз больше, чем металлов, поэтому,
например, причиной потери герметичности уплотнительными уз-
лами при низких температурах является стеклование резины и рез-
кое различие коэффициентов расширения металла и резины в за-
стеклованном состоянии.

Свойства основных полимеров представлены в табл. 4.1.

4.2.	Пластические массы

4.2.1.	Состав и свойства пластических масс

Пластические массы (пластмассы) — это синтетические мате-
риалы, получаемые на основе органических и элементооргани-
ческих полимеров. Свойства пластмасс определяют свойства по-
лимеров, составляющих их основу.

Пластмассы состоят из нескольких компонентов: связующего
вещества, наполнителя, пластификатора и др. Обязательным ком-
понентом является связующее вещество. Такие простые пластмас-
сы, как полиэтилен, вообще состоят из одного связующего веще-
ства.

Наполнителями служат твердые материалы органического и
неорганического происхождения. Они придают пластмассам проч-
ность, твердость, теплостойкость, а также некоторые специаль-
ные свойства, например антифрикционные или, наоборот, фрик-
ционные. Кроме того, наполнители снимают усадку при прессо-
вании.

Пластификаторы представляют собой нелетучие жидкости с
низкой температурой замерзания. Растворяясь в полимере, плас-
тификаторы повышают его способность к пластической деформа-
ции. Их вводят для расширения температурной области высоко-
эластического состояния, снижают жесткость пластмасс и темпе-
ратуру хрупкости.

В качестве пластификатора применяют сложные эфиры, низ-
комолекулярные полимеры и др. Пластификаторы должны оста-
ваться стабильными в условиях эксплуатации. Их наличие улуч-
шает морозостойкость и огнестойкость пластмасс.

В состав пластмасс могут также входить стабилизаторы, отвер-
дители, красители и другие вещества.

Стабилизаторы вводят в пластмассы для повышения долговеч-
ности. Светостабилизаторы предотвращают фотоокисление, а ан-
тиокислители — термоокислительные реакции.

Отвердители изменяют структуру полимеров, влияя на свой-
ства пластмасс. Чаще используют отвердители, ускоряющие по-
лимеризацию. К ним относятся оксиды некоторых металлов, урот-
ропин и др.
Специальные химические добавки вводят с различными целями:
например, сильные органические яды-фунгициды — для предо-
хранения пластмасс от плесени и поедания насекомыми в усло-
виях тропиков.

Смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота) приме-
няют для предотвращения прилипания пластмассы к оборудова-
нию при производстве и эксплуатации изделий.

Красители и пигменты придают желаемую окраску пластмас-
сам.

Для пластмасс характерны следующие свойства:

•	низкая плотность (обычно 1,0... 1,8 г/см3, в некоторых случа-
ях 0,02...0,04 г/см3);

•	высокая коррозионная стойкость. Пластмассы не подвержены
электрохимической коррозии, на них не действуют слабые кис-
лоты и щелочи. Есть пластмассы, стойкие к действию концентри-
рованных кислот и щелочей. Большинство пластмасс безвредны в
санитарном отношении;

•	высокие диэлектрические свойства;

•	хорошая окрашиваемость в любые цвета. Некоторые пласт-
массы могут быть изготовлены прозрачными, не уступающими по
своим оптическим свойствам стеклам;

•	механические свойства широкого диапазона. В зависимости от
природы выбранных полимеров и наполнителей пластмассы мо-
гут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд
пластмасс по своей механической прочности превосходят чугун и
бронзу. При одной и той же массе пластмассовая конструкция
может по прочности соответствовать стальной;

•	антифрикционные свойства. Пластмассы могут служить пол-
ноценными заменителями антифрикционных сплавов (оловян-
ных бронз, баббитов и др.). Например, полиамидные подшипни-
ки скольжения длительное время могут работать без смазки;

•	высокие теплоизоляционные свойства. Все пластмассы, как
правило, плохо проводят теплоту, а теплопроводность таких теп-
лоизоляторов, как пено- и поропласты, почти в 10 раз меньше,
чем у обычных пластмасс;

•	высокие адгезионные свойства;

•	хорошие технологические свойства. Изделия из пластмасс
изготавливают способами безотходной технологии (без снятия
стружки) — литьем, прессованием, формованием с применени-
ем невысоких давлений в вакууме.

Недостатком большинства пластмасс является их невысокая
теплостойкость (100... 120 °C). В настоящее время верхний темпе-
ратурный предел для некоторых видов пластмасс поднялся и со-
ставляет 300...400 °C. Пластмассы могут работать при умеренно низ-
ких температурах (до -70 °C), а в отдельных случаях — при крио-
генных температурах. Недостатками пластмасс также являются их
низкая твердость, склонность к старению, ползучесть, нестой-
кость к большим статическим и динамическим нагрузкам. Однако
положительные свойства значительно превосходят их недостат-
ки, что обусловливает высокие темпы роста ежегодного произ-
водства пластмасс.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют-
ся на термопластичные {термопласты), получаемые на основе тер-
мопластичных полимеров, и термореактивные — неразмягчаю-
щиеся (реактопласты).

4.2.2.	Термопластичные пластмассы (термопласты)

Широкое применение находят термопластичные пластмассы
на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливи-
нилхлорида, фторопластов, полиамидов и других полимеров (табл.
4.2).

Полиэтилен имеет линейную структуру макромолекул [—СН2—
СН2—] и является продуктом полимеризации этилена. Свойства
полиэтилена зависят от условий полимеризации. По способу из-
готовления различают полиэтилен низкой плотности (0,918...
0,930 г/см3), получаемый полимеризацией при высоком давлении
(ГОСТ 16337—77Е), и полиэтилен высокой плотности (0,946...
0,970 г/см3), получаемый полимеризацией при низком давлении
(ГОСТ 16338—85Е). Полиэтилен высокой плотности имеет сте-
пень кристалличности 75... 95 %.

Чем выше плотность и степень кристалличности полиэтилена,
тем выше его прочность, модуль упругости и теплостойкость. Раз-
рушающее напряжение при растяжении полиэтилена низкой плот-
ности составляет 10... 17 МПа, полиэтилена высокой плотности —
18...35 МПа.

Полиэтилен имеет высокие диэлектрические свойства, прак-
тически не поглощает влагу. Он стоек к действию кислот, щело-
чей и растворителей, нетоксичен, легко сваривается, технологи-
чен (поддается экструзии, литью, напылению, заливке и т.д.),
стоит недорого и сочетает высокую прочность с пластичностью.
Недостатком полиэтилена является склонность к старению под
действием ультрафиолетовых лучей.

Полиэтилен (ГОСТ25951-83, ГОСТ 20477-86, ГОСТ 10354 —
82) выпускают в виде пленок толщиной 0,03...0,30 мм, шириной
1 400 мм и длиной 30 м, а также в виде листов толщиной 1... 6 мм
и шириной до 1 400 мм. Полиэтилен применяют для изоляции
электропроводов и кабелей, в качестве упаковочного материала
для пищевых продуктов, для защиты от коррозии магистральных
нефте- и газопроводов, в качестве заменителя стекла, для изго-
товления предметов домашнего обихода, для защиты металлов от
коррозии. Полиэтиленовые трубы могут работать при температу-
104
Таблица 4.2

Области применения некоторых термопластичных пластмасс

Пластмасса	Интервал рабочих температур,°C	Область применения
Полиэтилен высо- кого давления	-70... + 70	Упаковка, ненагруженные детали машин и оборудования, футляры, покрытия, фольги
Полиэтилен низко- го давления	-70... + 80	То же
Полистирол	-40...+65	Оборудование радиотехники и фо- тографии, электроизоляция, пеня- щиеся изоляционные материалы
Поливинилхлорид	-40...+ 70	Химическое оборудование, трубы, профили, детали машин, элементы насосов и вентиляторов, упаковка, покрытие полов, искусственная кожа, оконные рамы и т.д.
Полиамид	-60...+ 100	Детали машин, канаты, шнуры, одежда
Полиметилмета- крилат (органиче- ское стекло)	-60...+ 100	Детали освещения и оптики, остекление в самолетостроении, наземном и водном транспорте
Поликарбонаты	-100...+ 135	Точные детали машин и аппара- туры, радио- и электротехника, фотографические пленки
Полипропилен	-20... + 130	Трубы, детали автомобилей, эле- менты холодильников, емкости, упаковка
П ол итетрафторэти - лен (тефлон)	-269...+260	Химическая, электротехническая, машиностроительная (подшип- ники) промышленность

рах до -60 °C, они не подвержены почвенной коррозии. Из поли-
этилена изготавливают крышки подшипников, уплотнительные
прокладки, детали вентиляторов и насосов, гайки, шайбы, по-
лые изделия вместимостью до 200 л, тару для хранения и транс-
портировки кислот и щелочей.

Полипропилен (ТУ 6-05-1105 — 78) является производным эти-
лена. Макромолекула полипропилена имеет следующую химичес-
кую формулу: [—СН(СН3)—СН2—].
По сравнению с полиэтиленом полипропилен имеет более
высокую механическую прочность и жесткость, большую тепло-
стойкость и меньшую склонность к старению. Разрушающее на-
пряжение при растяжении полипропилена достигает 25...40 МПа.
Недостатком полипропилена является его невысокая морозостой-
кость (-20 °C).

Детали из полипропилена изготавливают штампованием, ли-
тьем под давлением, пневматическим и вакуумным прессовани-
ем; полипропилен можно сваривать, напылять на металл, ткань,
картон. Полипропилен легко подвергается механической обработ-
ке на токарных, фрезерных, сверлильных станках. Полипропилен
применяют для изготовления антикоррозионной футеровки ре-
зервуаров, труб и арматуры трубопроводов, электроизоляцион-
ных деталей, а также для изготовления деталей, применяемых при
работе в агрессивных средах. Из полипропилена изготавливают
части кузовов автомобилей, корпусы аккумуляторов, прокладки,
трубы, фланцы, водонапорную арматуру, пленки, пленочные по-
крытия бумаги и картона, корпусы воздушных фильтров, кон-
денсаторы, вставки демпфирующих глушителей, зубчатые и чер-
вячные колеса, ролики, подшипники скольжения, фильтры мас-
ляных и воздушных систем, рабочие детали вентиляторов, насо-
сов, уплотнения, детали приборов и автоматов точной механики,
кулачковые механизмы, детали бытовой радиоаппаратуры, холо-
дильников, стиральных машин, изоляцию проводов и кабелей. От-
ходы при производстве полипропилена и отработавшие изделия
из него используют для повторной переработки.

Полистирол (ГОСТ 20282 —86Е) относится к числу наиболее
известных и широко применяемых пластмасс. Его макромолекула
имеет следующую формулу: [—СН2—СН(С6Н5)—

Полистирол — твердый, жесткий, бесцветный, прозрачный,
аморфный полимер, легко окрашиваемый в различные цвета. Об-
ладает высокой водостойкостью, хорошей химической стойко-
стью в растворах солей, кислот и щелочей. По сравнению с други-
ми термопластами более стоек к радиации. Недостатками поли-
стирола являются повышенная хрупкость при ударных нагрузках,
склонность к старению, невысокая тепло- и морозостойкость.
Интервал рабочих температур -40... + 65 °C. Полистирол применя-
ют для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры, пред-
метов домашнего обихода, детских игрушек, трубок для изоля-
ции проводов, пленок для изоляции электрических кабелей и кон-
денсаторов, открытых емкостей (лотки, тарелки и др.), прокла-
док, втулок, светофильтров, деталей электропылесосов (колод-
ки, щелевые сопла, прокладки, ручки), мебельной фурнитуры,
конструкционных изделий с антистатическими свойствами. Уда-
ропрочным полистиролом (механическая смесь полистирола с ка-
учуком) облицовывают пассажирские вагоны, салоны автобусов
и самолетов. Из него изготавливают крупногабаритные детали хо-
лодильников, корпуса радиоприемников, телефонных аппаратов
и др.

Полистирол применяют для изготовления деталей машин и ап-
паратов, непосредственно контактирующих с пищевыми продук-
тами (молоком и молочными продуктами, вином, коньяком, шам-
панским и др.), а также для изготовления тары и упаковки. Его
используют для изготовления пористых материалов.

В числе различных синтетических материалов широкое распро-
странение получили так называемые газонаполненные пластики.
Эти материалы разделяются на пенопласты и поропласты. У пено-
пластов микроскопические ячейки, наполненные газом, не сооб-
щаются между собой, и плотность таких материалов, как прави-
ло, менее 0,3 г/см3. Ячейки у поропластов сообщаются между со-
бой, и их плотность несколько выше. Пенопласты и поропласты
выпускают на основе полистиролов, поливинилхлорида и различ-
ных эфирных полимеров.

Пенопласт применяют в качестве теплоизоляционного слоя в
конструкциях судовых трюмов, кузовов автофургонов, холодиль-
ных камер на объектах мясомолочной и рыбной промышленно-
сти.

Пенополистирол получают из эмульсионного полимера прессо-
вым и беспрессовым методами.

Пенополистиролы могут работать при температурах до 75 °C.
Недостатком пенополистирола является присутствие в нем горю-
чего порообразователя, например изопентана. Уменьшить или вовсе
устранить эту опасность удается введением антипиренов, напри-
мер оксида сурьмы.

Пенополистирол применяется в различных отраслях промыш-
ленности как термо- и звукоизоляционный материал, в пищевой
промышленности — для изоляции трюмов для хранения продук-
тов питания при температуре -15...-35°C. Коэффициент тепло-
проводности пенополистирола близок к теплопроводности возду-
ха. Благодаря хорошим амортизационным свойствам и малой плот-
ности пенополистирол используют в качестве упаковочного ма-
териала. Для производства изделий, контактирующих с пищевы-
ми продуктами, используют обычно суспензионный полистирол.

Пластмассы на основе поливинилхлорида (ГОСТ 5960—72, ГОСТ
9639-71, ГОСТ 9998-80, ГОСТ 16214-86, ГОСТ 16272-79)
имеют хорошие электроизоляционные свойства. Они стойки к
воздействию химикатов, не поддерживают горения, атмосфере-,
водо-, масло- и бензостойки. Поливинилхлорид имеет химичес-
кую формулу [—СН2—СНС1—]„. Непластифицированный поли-
винилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высо-
кие механическую прочность и упругость, но сравнительно мало-
пластичны. Винипласты стойки к воздействию почти всех мине-
ральных кислот, щелочей и растворов солей. Их недостатками яв-
ляются склонность к ползучести, низкая ударная вязкость, малая
теплостойкость, резкая зависимость от температуры.

Винипласт выпускают в виде листов, прутков, труб. Винипла-
стовые детали хорошо механически обрабатываются и сваривают-
ся. Из него изготавливают трубы для транспортирования воды,
агрессивных жидкостей и газов, коррозионно-стойкие емкости,
защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляцион-
ных установок, теплообменников, шланги вакуум-проводов, за-
щитные покрытия для металлических емкостей, изоляцию про-
водов и кабелей. Поливинилхлорид используют для получения пе-
нопластов, линолеума, искусственной кожи, объемной тары, то-
варов бытовой химии, вибропоглощающих материалов в маши-
ностроении и на всех видах транспорта, водо-, бензо- и антифри-
зостойких трубок, прокладок и т.д.

Фторопласты (ГОСТ 21000-81, ГОСТ 10007-80Е, ГОСТ
14906 — 77, ГОСТ 25428 — 82) — полимеры фторпроизводных эти-
ленового ряда. Фторопласты имеют предел прочности: при растя-
жении 15...35 МПа, при изгибе — 10... 15 МПа; относительное
удлинение при разрыве 250... 350 %.

Наиболее широкое распространение получил фторопласт-4, или
политетрафторэтилен {тефлон). Он имеет структурную формулу
[CF2—CF2— Характеризуется высокой плотностью (2,1 ...2,3 г/см3),
термо- и морозостойкостью.

Интервал рабочих температур при эксплуатации изделий из
фторопласта-4 составляет -269...+260°C. Пленка из него не ох-
рупчивается даже в среде жидкого гелия.

Фторопласты широко применяют в электро- и радиотехничес-
кой промышленности, а также для изготовления химически стой-
ких труб, кранов, мембран, насосов, подшипников, деталей ме-
дицинской техники, коррозионно-стойких конструкций, тепло-
и морозостойких деталей (втулок, пластин, дисков, прокладок,
сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей
различных криогенных емкостей.

Полиамиды (ГОСТ 10589 — 87, ГОСТ 17648 — 83) включают
группу известных термопластичных пластмасс (таких, как нейлон,
капрон и др.). Макромолекула полиамида состоит из амидной —
NH—СО и метиленовой —СН2 групп и имеет общий вид [—NH—
СО—(СН2)—]„, где метиленовые группы повторяются от 2 до
100 раз. Ориентированные полиамиды характеризуются высокой
прочностью на растяжение (более 400 МПа), ударопрочностью,
способностью к поглощению вибрационных нагрузок. Они имеют
низкий коэффициент трения и могут использоваться в качестве
подшипников как без смазки, так и при применении смазочных
материалов. Полиамиды используют для изготовления конструк-
ционных и электроизоляционных изделий, эксплуатируемых при
температуре -60... + 100°C (зубчатые передачи, уплотнительные
устройства, втулки, муфты, подшипники скольжения, лопасти
винтов, стойкие к действию щелочей, масел, жиров и углеводо-
родов; технические изделия и товары культурно-бытового назна-
чения, антифрикционные покрытия металлов).

Полиуретаны (ТУ 6-05-221-479 — 79) — наиболее ценные и ши-
роко производимые промышленностью термопластичные поли-
меры. Полиуретаны содержат уретановую группу [—NH—СОО—]„.
Они характеризуются высокими модулем упругости, износостой-
костью, вязким коэффициентом трения, стойкостью к вибраци-
ям, атмосферостойкостью, а также стойкостью к воздействию
масла и бензина. Изделия из полиуретана можно эксплуатировать
при понижении температуры до -70 °C. Волокна из полиуретана
малогигроскопичны и имеют высокую химическую стойкость. Их
используют для изготовления изоляции, фильтровальных и пара-
шютных тканей.

Стекло органическое (плексиглас) (ГОСТ 9784 —75Е, ГОСТ
10667 —90Е, ГОСТ 15809 —70Е, ГОСТ 17622 —73Е) получают на
основе сложных эфиров и метакриловой кислоты. Обычно приме-
няют полиметилакрилат, имеющий структурную формулу [—СН—
С(СН3)(СООСН3)-]„.

Этот термопласт оптически прозрачен (светопрозрачность до
92 %), имеет низкую плотность, высокую атмосферостойкость,
стоек к воздействию разбавленных кислот и щелочей, углеводо-
родного топлива и смазок. Стекло органическое выпускают в виде
листов толщиной до 25 мм. Его недостаток — низкая поверхност-
ная твердость.

Поликарбонат (ТУ 6-06-68 — 89, ТУ 6-06-95 — 90) — термопла-
стичный полимер на основе дифенилпропана, выпускаемый под
названием дифлон. Поликарбонат характеризуется низкой водопог-
лощаемостью и газопроницаемостью, хорошими диэлектричес-
кими свойствами, высокой жесткостью, теплостойкостью и хи-
мической стойкостью, он не имеет запаха и вкуса, физиологиче-
ски безвреден, бесцветен, прозрачен, хорошо окрашивается, стоек
к световому старению и действию окислителей даже при нагреве
до 120 °C. Это один из наиболее ударопрочных термопластов, что
позволяет использовать его в качестве конструкционного матери-
ала, заменяющего металлы. Из поликарбоната изготавливают ше-
стерни, подшипники, корпуса, крышки, клапаны и другие дета-
ли, сосуды для транспортировки фруктовых соков, молока, вин
и т.д. Его можно использовать в криогенной технике для работы в
среде жидких газов.

Физико-механические свойства поликарбонатов улучшают вве-
дением в них армирующих волокон. Хорошо зарекомендовали себя
наполненные стекловолокном полипропилен, полистирол и не-
которые другие термопласты. Термопласты, армированные стек-
ловолокном, имеют более высокие механические свойства и обес-
печивают неизменность формы изделий в условиях повышенных
температур. Производство таких термопластичных материалов с
каждым годом растет на 25...30 %. Их применяют при изготовле-
нии самых различных деталей в электронной и электротехничес-
кой промышленности, оптическом и точном приборостроении,
автомобилестроении, текстильном машиностроении и т.д.

4.2.3.	Термореактивные пластмассы (реактопласты)

Основу всякого реактопласта составляет химически затверде-
вающая термореактивная смола — связующее вещество. Кроме того,
в состав реактопластов входят наполнители, пластификаторы,
отвердители, ускорители или замедлители и растворители. Напол-
нителями могут быть порошковые, волокнистые и гибкие листо-
вые материалы. В качестве порошковых наполнителей используют
молотый кварц, тальк, графит, древесную муку, целлюлозу. К пла-
стмассам с порошковыми наполнителями относятся фенопласты
(ГОСТ 5689 — 79) и аминопласты (ГОСТ 9359 — 80). Из него из-
готавливают несиловые конструкционные и электроизоляцион-
ные детали (рукоятки, детали приборов, кнопки и т.д.), различ-
ные вытяжные и формовочные штампы, корпусы сборочных и
контрольных приспособлений, литейные модели и другую осна-
стку.

Фенопласты {бакелиты, фенолформальдегидные смолы) изготав-
ливаются в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4.3.

Фенопласты — термоупрочняемые пластмассы. Неупрочненные
смолы получают при поликонденсации фенола с формальдеги-
дом. Существует два основных типа фенолформальдегидных смол:
новолаки и резолы.

Для получения пластмассы с хорошими потребительскими свой-
ствами в новолаки добавляют субстанцию (обычно уротропин),
которая при нагревании разлагается с выделением формальдеги-
да. Формальдегид, добавляемый к новолаковой смоле, образует
упрочняющиеся гидроксиметильные группы.

Упрочнение термопластов в основном происходит в интервале
температур 140... 180 °C, но благодаря соответствующим добавкам
кислот некоторые резолы можно отвердить уже при 25 °C и выше.

Резолы получают в спиртовых средах, применяя избыток форм-
альдегида. Продукт содержит гидроксиметиленовую группу. Во
время нагревания происходит необратимое упрочнение (реакция
образования сетчатой структуры), поэтому резолы прессуют в
формах.

Упрочненные фенолформальдегидные смолы чаще носят на-
звание бакелитов. Эта пластмасса хорошо обрабатывается механи-
чески инструментами для обработки металла и может полироваться.
Жидкость

для литья,
вводится только
для прессования)

Рис. 4.3. Схема изготовления фенопластов

Бакелит из новолака имеет большую термостойкость (100... 150 °C),
чем бакелит из резола, но худшие диэлектрические свойства.

Бакелит трудногорюч, а после извлечения из пламени сразу
гаснет. Горящий бакелит дает желтый цвет пламени, коптящий в
зависимости от вида наполнителя. Остаток, извлеченный из пла-
мени, твердый, разбухший, потрескавшийся и обугленный. В про-
цессе горения выделяются фенол и формальдегид с характерным
запахом. Бакелит стоек к воздействию разбавленных кислот и
щелочей, а также большинства органических растворителей.

Из бакелита изготавливают изделия галантереи (пуговицы,
пепельницы), электротехнические элементы (вилки, розетки),
корпусы радио- и телефонных и аппаратов, детали стиральных
машин, защитные шлемы, корпусы аккумуляторов, плиты, лаки,
клеи.

Аминопласты являются термоупрочняемыми пластмассами.
К ним относятся карбамидоформальдегидные смолы и меламиноформ-
альдегидные смолы.

Неупрочненную смолу получают при поликонденсации форм-
альдегида с карбамидом (карбамидоформальдегидная смола) или
меламином (меламиноформальдегидная смола). Эти смолы имеют
реактивные группы, которые под влиянием нагрева (или кислот-
ных катализаторов) способны к упрочнению (приобретают про-
странственную сетчатую структуру).

Упрочненные аминопласты твердые и жесткие. Их можно по-
лировать и механически обрабатывать инструментами по металлу,
они имеют хорошие электроизоляционные свойства, легко окра-
шиваются.

Теплостойкость упрочненных аминопластов 100... 120 °C. Обра-
зец, внесенный в огонь, начинает гореть не более чем через 1 мин.
Вынутый из пламени, он не гаснет, но горит медленно (в дей-
ствительности горят наполнители, сама смола негорюча). Огонь
имеет желтый цвет (меламиновая смола) или желтый с зеленова-
то-голубой каймой (карбамидная смола). Остаток после горения
растресканный, разбухший и покрыт по краям характерным бе-
лым налетом. Во время горения отчетливо чувствуется запах форм-
альдегида и карбамида.

Упрочненные аминопласты стойки к воздействию воды, кис-
лот (в том числе серной и азотной), щелочей и органических ра-
створителей. Для склеивания аминовых пластмасс можно приме-
нять фенолформальдегидные или карбамидоформальдегидные
клеи.

Из аминопластов изготавливают клеи для дерева, электротех-
нические детали (розетки, выключатели) и галантерею, тонкие
покрытия для украшения, лаки (так называемые печные), пени-
стые материалы.

Реактопласты с волокнистыми наполнителями представляют
собой композиции, состоящие из связующего — смолы и волок-
нистого наполнителя в виде очесов хлопка (волокниты), асбеста
(асбоволокниты), стекловолокна (стекловолокниты).

Волокниты применяют для изготовления деталей с повышен-
ной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающих на изгиб и
кручение (втулок, шкивов, маховиков и др.).

Асбоволокниты обладают хорошими фрикционными (тормоз-
ными) свойствами и теплостойкостью, но по водостойкости и
диэлектрической проницаемости уступают пластмассам с порош-
ковым наполнителем.

Стекловолокниты негорючи, стойки к действию ультрафиоле-
товых лучей, химически стойки, имеют стабильные размеры. Не-
которые марки стекловолокнитов применяют для изготовления
силовых электротехнических деталей в машиностроении, а также
крупногабаритных изделий простых форм (кузовов автомашин,
лодок, корпусов приборов и т.п.). Стекловолокниты имеют высо-
кие физико-механические характеристики, их применяют для из-
готовления деталей высокого класса точности и сложной конфи-
гурации. Стекловолокниты могут работать при температуре
-60...+200 °C и имеют предел прочности при разрыве 80...500 МПа.

В качестве связующих смол волокнитов и стекловолокнитов
применяются полиэстеровые и эпоксидные смолы.

Перед отверждением смола имеет вид густого сиропа золоти-
стого цвета. Отверждение проводят в форме при комнатной тем-
пературе после добавления инициатора (обычно сверхоксид бен-
зола или гидроксид циклогексана) в количестве около 4 %. Меха-
нические свойства отвержденного продукта зависят от строения
исходной смолы и способа ее отверждения. Изделие может быть
гибким, эластичным или твердым и хрупким. Твердые изделия
можно подвергать механической обработке инструментами по де-
реву, а также полировать.

Термическая стойкость под нагрузкой отвержденных смол ле-
жит в пределах 55...60 °C, а без нагрузки превышает 150°C. Обра-
зец ламинита (полиэстеровая смола со стеклотканью), помещен-
ный в пламя, горит очень плохо. После извлечения из пламени
чаще всего гаснет. После сгорания остается обугленный скелет стек-
ловолокна.

Отвержденные полиэстеры нерастворимы в органических кис-
лотах, в ацетоне легко растрескиваются.

Из полиэстеров, упрочненных стекловолокном, изготавлива-
ют спасательные лодки, части автомобилей, мебель, корпуса пла-
неров и вертолетов, гофрированные плиты для крыш, плафоны
ламп, мачты для антенн, лыжи и палки, удочки, защитные каски
и т.п. В виде'текучих смол полиэстеры применяют для заливки
частей электронной аппаратуры, мумификации анатомических
препаратов, изготовления лаков и т.п.

Пластик на основе бумаги — гетинакс (ГОСТ 2718 — 74) —
применяют в качестве электроизоляционного материала, работа-
ющего длительно при температуре -65...+105 °C, а также как кон-
струкционный и декоративный материал. Гетинаксы широко при-
меняют в электрических машинах, трансформаторах (в качестве
высоковольтной изоляции) и других аппаратах, при производ-
стве телефонной арматуры, в радиотехнике (для изготовления
печатных схем). Из гетинакса изготавливают панели, щитки, про-
кладки, крышки, шайбы, малонагруженные изделия и т.д.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) используют при изготов-
лении мебели, для внутренней облицовки пассажирских поездов,
судов, самолетов, при строительстве — в качестве облицовочного
материала.

Древесно-слоистые пластики обладают хорошими антифрик-
ционными свойствами. В некоторых случаях они заменяют высо-
кооловянистую бронзу, баббит, текстолит. Химическая стойкость
ДСП не очень высока, но выше, чем у обычной древесины.

Теплостойкость ДСП достигает 140 °C. Их недостатком являет-
ся набухание, обусловленное поглощением воды.

Пластики на основе хлопчатобумажных тканей — текстолиты
(ГОСТ 2910 — 74) — применяют для изготовления различных кон-
струкционных деталей, электроизоляционного материала, вкла-
дышей подшипников прокатного оборудования, прокладок, гер-
метизирующих фланцевые соединения. Текстолитовые детали мо-
гут работать не только в воздушной среде, но и в масле, керосине
или бензине и т.д. Текстолит производят в виде листов, плит,
стержней и трубок. Температура эксплуатации изделий из тексто-
лита -60...+60 °C.

Стеклотекстолитами (ГОСТ 10292 —74Е, ГОСТ 12652 — 74)
называют слоистые пластики на основе тканых стекловолокни-
стых материалов. Их характеризуют высокие тепло- и хладостой-
кость, стойкость к действию окислителей и других химически ак-
тивных реагентов, высокие механические свойства. Стеклотексто-
литы применяют для изготовления крупногабаритных изделий,
радиотехнических и электроизоляционных деталей, длительное
время работающих при температуре 200 °C и кратковременно —
при 250 °C. Стеклопластики являются конструкционными матери-

Таблица 4.3

Свойства и область применения некоторых термореактивных
пластмасс

Вид пластмассы	Плот- ность, р, г/см3	Предел прочно- сти при растяже- нии ав, МПа	Интервал рабочих температур, °C	Область применения
Фенопласт	1,7	30	-60... + 140	Малонагруженные детали, корпуса приборов, пане- ли, электроизоляционные детали
Аминопласт	1,8	80	-60...+ 130	Детали осветительной аппаратуры, электротех- нические и электроизоля- ционные детали, изделия бытового назначения
Волокнит	1,6	50	-60...+ 200	Шкивы, маховики, втул- ки, диски, кожухи, детали с повышенными анти- фрикционными свойст- вами
Текстолит	1,3	95	-40... + 160	Шестерни, втулки, под- шипники скольжения, кон- струкционные и электро- изоляционные детали
Асботексто- лит	1,6	90	-60... + 250	Тормозные и фрикцион- ные устройства, лопатки ротационных бензонасо- сов, детали теплозащиты и теплоизоляции
алами, применяемыми для изготовления силовых изделий в раз-
личных отраслях техники (несущих деталей летательных аппара-
тов, кузовов и кабин машин, железнодорожных вагонов, корпу-
сов лодок, судов и т.п.).

В табл. 4.3 приведены свойства и область применения некото-
рых термореактивных пластмасс.

4.3.	Резины

Резинотехнические изделия получают при специальной тер-
мической обработке (вулканизации) прессованных деталей из
сырой резины, являющейся смесью каучука с серой и другими
добавками (табл. 4.4).

Резина состоит из смеси каучука (основа), наполнителя (сажа,
оксид кремния, оксид титана, мел, барит, тальк), мягчителя (ка-
нифоль, вазелин), противостарителя (парафин, воск) и элемен-
тов вулканизации (сера, оксид цинка).

Главным исходным компонентом резины, придающим ей вы-
сокие эластические свойства, является каучук. Каучуки бывают
натуральные (НК) и синтетические (СК). Натуральный каучук
получают коагуляцией латекса (млечного сока) каучуконосных
деревьев, растущих в Бразилии, Юго-Восточной Азии, на Ма-
лайском архипелаге. Синтетические каучуки (бутадиеновые, бута-
диен-стирольные и др.) получают методами полимеризации. Впер-
вые синтез бутадиенового каучука из этилового спирта осуществ-
лен в 1921 г. русским ученым С. В. Лебедевым. Разработаны методы
получения синтетических каучуков из более дешевого сырья, на-
пример из нефти и ацетилена.

Каучуки являются полимерами с линейной структурой. При вул-
канизации они превращаются в высокоэластичные редкосетчатые
материалы — резины. Вулканизирующими добавками служат сера и
другие вещества. С увеличением содержания вулканизатора (серы)
сетчатая структура резины становится более частой и менее элас-
тичной. При максимальном насыщении серой (до 50 %) получают
твердую резину (эбонит), при насыщении серой до 15 % — полу-
твердую резину. Обычно в резине содержится 5...8 % серы. Для ус-
корения вулканизации вводят ускорители, например оксид цинка.

Кроме серы в состав резин входят наполнители, пластифика-
торы, противостарители и красители.

Введение этих компонентов позволяет существенно менять спе-
циальные свойства резины, увеличивая ее износо-, морозо-, мас-
ло- и бензостойкость. Резиновые изделия часто армируют тка-
нью или металлической сеткой. Для улучшения адгезии металли-
ческой арматуры к резине на поверхность металла наносят клее-
вую пленку.
Таблица 4.4

Основные типы резин и характеристики каучуков

Вид резины	Вид каучука	Плот- ность  Р- г/см3	Предел прочно- сти при растя- жении  Ов, МПа	Отно- ситель- ное удли- нение 5, %	Удли- нение после разры- ва, %	Интервал рабочих температур, °C
Общего назначения	Натуральный (НК)	0,91	29	650	32	-50...+ 130
	Бутадиено- вый синтети- ческий (СКБ)	0,91	17	470	60	-50... + 130
	Изопрено- вый синтети- ческий (СКИ)	0,91	30	700	28	-50...+ 130
Специально- го назначе- ния:  бензомас - лостойкая	Бутадиен- нитрильный (СКН)	0,96	26	600	20	-40... + 170
теплостой- кая	Силоксано- вый (СКТ)	1,85	6	250	4	-70... + 300
теплохими- чески стой- кая	Фторкаучук (СКФ)	1,85	17	200	8	-40...+ 300
морозо- стойкая	Бутадиен-ме- тил стироль- ный (СКМС) и бутадиен- стирольный (СКС)	0,94	31	800	16	-80... + 130

Резина имеет высокие эластические свойства, высокую упру-
гость и сопротивляемость разрыву. Кроме того, резина обладает
малой плотностью, высокой стойкостью против истирания, хи-
мической стойкостью, хорошими электроизоляционными свой-
ствами.

Совокупность химических, физических и механических свойств
позволяет использовать резиновые материалы для амортизации,
демпфирования, уплотнения, герметизации, химической защи-
ты деталей машин, при производстве тары для хранения масла и
горючего, различных трубопроводов (шлангов), для изготовле-
ния покрышек и камер колес автомобилей, декоративных изде-
лий и т.д. Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно разно-
образна.

В зависимости от условий эксплуатации различают резины об-
щего и специального назначения. Резины общего назначения при-
меняют для изготовления камер и шин, ремней, транспортных
лент, рукавов, изоляции кабелей и проводов, производства това-
ров народного потребления и др. Из резин специального назначения
различают бензомаслостойкие, морозостойкие, теплостойкие,
стойкие к действию агрессивных сред. Нижней границей рабочих
температур резин специального назначения является температура
до -80 °C, резин общего назначения -35...-50°C.

На рис. 4.4 —4.6 показаны уплотнительные и прокладочные ре-
зиновые детали, резинометаллические детали, рукав высокого
давления с металлической оплеткой и камерная пневматическая
шина.

В последнее время остро стоит вопрос об очистке территории
наших городов от свалок старой резиновой продукции, которая в
ходе длительного, иногда в течение десятков лет, хранения выде-
ляет в атмосферу и в почву значительное количество вредных хи-
мических соединений.

На автопредприятиях страны, шиноремонтных заводах, в пор-
тах находятся десятки миллионов вышедших из строя автомобиль-
ных шин. Их утилизация практически не осуществляется, поскольку

Рис. 4.4. Разновидности резиновых деталей:

1—5 — уплотнительные профили; 6 — чашечная манжета; 7—11 — уплотни-
тельные прокладки; 12 — втулка
Металл

Резина

Рис. 4.5. Резинометаллические детали:
а — подшипник; б — пластинчатый амортизатор; в — амортизатор «ферма»

Рис. 4.6. Конструкция рукава высокого давления с металлической оплет-
кой;

/ — внутренний резиновый слой; 2 — хлопчатобумажная оплетка; 3 — металли-
ческая оплетка; 4 — резиновый слой; 5 — наружный слой

при сжигании в атмосферу выделяется значительное количество
экологически вредных веществ, а стоимость механической утили-
зации весьма высока. В то же время продукт вторичной переработ-
ки шин — резиновая крошка различной дисперсности применя-
ется в различных отраслях техники: при строительстве дорог, в
качестве тепло- и звукоизоляторов и т.д. Особенно широко рези-
новая крошка используется в странах Западной Европы и Юго-
Восточной Азии, где она производится в основном методом ме-
ханического измельчения.

4.4.	Клеящие материалы

Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, спо-
собные при затвердевании образовывать прочные пленки, хоро-
шо прилипающие к различным материалам. По сравнению с дру-
гими видами соединений (клепкой, сваркой, механическим креп-
лением) клеевые соединения имеют ряд преимуществ. Клеи по-
зволяют соединять разнородные материалы (металл, керамику,
пластмассу, дерево) в различных сочетаниях. Клеевые швы ат-
мосферостойки, не подвержены коррозии, позволяют обеспечи-
вать герметичность соединений. Масса конструкции при клеевой
сборке почти не увеличивается, отсутствуют снижающие проч-
ность и являющиеся концентраторами напряжений отверстия под
болты, заклепки, гвозди. Во многих случаях клеевое соединение
металлических и неметаллических материалов является единственно
возможным решением, обеспечивающим высокую прочность кон-
струкции. Клеи могут выдерживать высокие и низкие температу-
ры, сохраняя достаточную прочность соединения.

Недостатки клеевых соединений — сравнительно невысокая
теплостойкость при длительной эксплуатации и низкая прочность
при несимметричном нагружении и неравномерном отрыве.

Клеи выпускаются в виде пленок, паст и жидкостей. По назна-
чению различают клеи высокопрочные пленочные и пастообраз-
ные, жидкие и клеи, обладающие специальными свойствами.

Высокопрочные пленочные клеи конструкционного назначения
для склеивания силовых сотовых и слоистых конструкций из ме-
таллов и полимерных композиционных материалов (ПКМ) по-
зволяют создавать высокопрочные соединения с эластичным кле-
евым швом, обладающим стойкостью к распространению устало-
стной трещины, к воздействию агрессивных сред (табл. 4.5). Ис-
пользуются в авиации, космонавтике и других отраслях машино-
строения.

Высокая прочность таких клеев позволяет использовать их в
качестве полимерной матрицы при создании препрегов на основе
стекло-, угле- и органических наполнителей. В результате за одну
технологическую операцию можно изготавливать готовые сото-
вые изделия из ПКМ, что сокращает время их производства в
2 — 3 раза по сравнению с обычной технологией.

Высокопрочные пастообразные клеи холодного отверждения с
регулируемым уровнем прочности и эластичности предназначе-
ны для склеивания металлов и различных неметаллических ма-
териалов в клеевых и комбинированных (клееклепаных, клеерезь-
бовых и др.) соединениях, работающих в интервале температур
-60...+ 200 °C.

Таблица 4.5

Параметры клеевых соединений

Интервал рабочих температур, °C	Температура отверждения, °C	Касательное напряжение тв, МПа	Статическая прочность 5СТ, Н/м
-60... + 80	120	40... 60	6...10
-130... + 250	175...200	25...40	2...5
Прочность таких клеевых соединений на сдвиг составляет
25...35 МПа, относительное удлинение при сдвиге — 50... 125 %.
Клеевые соединения обладают эластичностью, высокой механи-
ческой прочностью, водо- и теплостойкостью.

Жидкие клеи горячего отверждения предназначены для склеи-
вания и выполнения клеесварных соединений металлов методом
контактной точечной сварки по слою неотвержденного клея или
последующей заливкой в межшовное пространство в изделиях,
длительно работающих при температурах -60...+ 150 °C. После воз-
действия на клеевые соединения даже условий тропического кли-
мата в течение 10 лет их физико-механические свойства не изме-
няются.

При использовании этих клеев статическая прочность клее-
сварных соединений составляет 1 000... 1 500 кг.

Клеи, обладающие специальными свойствами, используют при
изготовлении приборов и систем управления. Этот вид клеев со-
стоит из четырех групп.

К первой группе относят электропроводные клеи для скрепле-
ния радиоэлементов. Они не содержат драгоценных металлов и
обладают высокой электропроводностью (q = КН1... 10~4 Ом • м).

Клеевые соединения этой группы выдерживают температуру в
пределах -60...+125°C, а их прочность зависит от количества на-
полнителя и составляет при испытании на сдвиг 5... 10 МПа.

Во вторую группу входят теплопроводные клеи, предназначен-
ные для изготовления приборной техники и имеющие наряду с
высокими электроизоляционными свойствами теплопроводность
Х = 2,5 Вт/(м- К).

К третьей группе относят вакуум-плотные клеи, обеспечиваю-
щие герметичность соединений при разрежении 1,33- IO‘fl Па и
обладающие работоспособностью при температурах -60... + 140 °C.

Четвертая группа включает в себя оптически прозрачные клеи
с коэффициентом преломления 1,4... 1,46, предназначенные для
оптической техники, соединения световодов в линиях оптичес-
кой связи.

Работоспособность клеевых соединений зависит прежде всего
от процессов адгезии и когезии. Адгезия характеризует прочность
сцепления клеевой пленки со склеиваемой поверхностью, когезия
— прочность собственно клеевого слоя.

Для приготовления клеев используют термопластичные или
термореактивные полимеры. Клеи на основе термопластичных по-
лимеров дают менее прочные соединения, их используют ограни-
ченно, обычно для склеивания материалов, не подвергающихся
тепловому воздействию (бумаги, картона, тканей). С повышением
температуры клеевой слой размягчается и склеенные поверхности
разъединяются. Клеи на основе термореактивных полимеров, со-
держащие также отвердители и ускорители процессов отвержде-
ния, наполнители и пластификаторы, дают более прочные со-
единения. Клеи этой группы могут быть холодного и горячего от-
верждения. Клеи холодного отверждения смешивают с отвердите-
лями и ускорителями непосредственно перед процессом склеива-
ния. Клеи горячего отверждения приготавливают на заводе-изго-
товителе, поставляются потребителю в готовом виде и могут хра-
ниться несколько месяцев.

К группе клеев на основе термореактивных смол относятся
фенолформальдегидные клеи. При наличии в их составе ускорителей
процесса (например, сульфоконтакта) эти клеи отверждаются даже
при комнатной температуре за несколько часов. К таким клеевым
составам относятся клеи Б-3, Ф-9 и др. В тех случаях когда приме-
нение ускорителя, обладающего кислотными свойствами, может
привести к частичной деструкции склеиваемого материала (на-
пример, древесины, фанеры), рекомендуется вместо фенолформ-
альдегидного клея применять резорцинформальдегидный клей,
например ФР-12.

Для склеивания изделий из древесины, работающих в условиях
умеренной влажности, применяют клеи на основе водных раство-
ров мочевиноформальдегидных смол, например клей КМ-12.
В качестве ускорителей в этих клеях холодного отверждения ис-
пользуются хлорид аммония или хлорид цинка, а также слабые
органические кислоты. Фенолформальдегидные клеевые соедине-
ния водостойки.

На базе фенолформальдегидных смол создана гамма универ-
сальных клеев. В их число входят клей БФ (фенолформальдегидная
смола, модифицированная бутваром); клей ВК-32-ЭМ (продукт
взаимодействия фенолформальдегидной и эпоксидной смол); клей
ВК-32-200 (фенолформальдегидная смола и синтетический кау-
чук); клей ВС-350 (фенолформальдегидная смола, полиацеталь,
полисилоксан) и др.

Из перечисленных групп клеев наибольшую прочность склей-
ки до температур 150 °C обеспечивают фенолформальдегидно-эпок-
сидные клеи.

Наиболее теплостойкими и достаточно прочными являются
соединения, обеспечиваемые клеями ВК-32-250, ВС-350. Эти со-
единения могут длительное время работать при температурах
250... 300 °C.

Из клеев на основе термореактивных полимеров наиболее ши-
рокое применение находят клеи на основе эпоксидных смол. Их при-
меняют для склеивания различных металлов, металлических и
неметаллических материалов. Клеи на эпоксидной основе могут
работать в широком температурном интервале. Отдельные марки
таких клеев выдерживают воздействие температур в интервале
-253...+ 800 и даже до +1 000°C. Клеи на основе эпоксидных смол
длительно сохраняют прочность в условиях эксплуатации, обес-
печивают вакуумную плотность соединений и стойкость к цик-
лическому температурному воздействию. Их существенными пре-
имуществами являются низкая (до 2 %) усадка при отвержде-
нии, высокая адгезия к большинству конструкционных матери-
алов и небольшой объем выделений газов в вакууме. Эти свой-
ства позволяют широко использовать клеи на основе эпоксид-
ных смол при склеивании холодильного и криогенного оборудо-
вания. Эпоксидные клеи холодного отверждения применяют для
склеивания древесины, многих пластмасс, керамики и резины с
металлом.

Эпоксидные клеи горячего отверждения применяют для скле-
ивания металлических конструкций и изделий из стеклопластика.

Эпоксидные клеи с наполнителем применяют в качестве шпат-
левки, устраняющей дефекты металлического литья, а также не-
ровности металлических, керамических и деревянных изделий.

По внешнему виду клеи бывают жидкими, пастообразными,
пленочными. Широкое распространение получили пленочные клеи
на основе эпоксидных смол, использование которых позволяет
получать не только прочные клеевые соединения, но и дает суще-
ственные технологические преимущества. При применении пле-
ночных клеев часто используют армирующие материалы — поли-
амидные, стеклянные и другие синтетические ткани.

Кроме клеев на основе эпоксидных смол, широко используют
кремнийорганические, алюмохромфосфатные клеевые композиции, а
также полиуретановые (ПУ-2; ВК-20), резиновые и некоторые дру-
гие клеи. Полиуретановая клеевая пленка газонепроницаемая,
масло-, бензо- и водостойкая. Она обладает высокой адгезией и
морозостойкостью, поэтому полиуретановые клеи используются
также в качестве герметиков.

Для склеивания резиновых изделий между собой, а также ме-
талла с резиной, применяют резиновые (каучуковые) клеи 88,
Б-10, КР-5-18, лейконат. Резиновый клей удобен для употребле-
ния тем, что он вулканизируется при обычной температуре и это
клеевое соединение обладает удовлетворительной прочностью и
мало набухает в масле и бензине.

К числу наиболее распространенных герметиков для металли-
ческих изделий относится тиоколовый каучук (тиокол). Он вулка-
низируется при комнатной температуре. Вулканизатором в боль-
шинстве случаев является пероксид марганца, а активатором —
дифенилгуанидин. Отвержденная пленка масло-, водо- и бензо-
стойкая, выдерживает длительное время при контакте с кислоро-
дом воздуха и сохраняет высокую прочность при температуре до
130 °C.

Существенным недостатком тиоколового каучука является его
низкая адгезия к металлу, поэтому при его использовании требу-
ется наносить дополнительный слой из резинового клея. Этот не-
достаток отсутствует у жидкого тиокола (герметик ВТУР), в со-
став которого входит диизоцианат.

Для герметизации отсеков ракет, самолетов и другой техники,
работающей при температуре 150...250°C и не соприкасающейся
с маслами и топливом, применяют полисилоксаны с отвердителя-
ми, обеспечивающими их отверждение при комнатной темпера-
туре (кремний- и оловоорганические соединения). Существенным
недостатком этих герметиков является малая адгезия к металлу,
даже в случае нанесения специального подслоя.

Для отсеков, работающих при температуре 150...250°C и со-
прикасающихся с маслом и топливом, применяются фторорга-
нические герметики. Полисилоксановые и фторорганические гер-
метизирующие пленки не разрушаются при длительном воздей-
ствии на них кислорода и озона; они сохраняют эластичность
при низких температурах (до -60 °C); имеют высокую водостой-
кость.

Технологически удобны для использования в качестве герме-
тика растворы фенолформальдегидных смол, совмещенных с нит-
рильным каучуком, например ВГК-18. Этот герметик не требует-
ся вулканизировать: он обладает удовлетворительной адгезией к
металлическим поверхностям, а герметизирующая пленка сохра-
няет прочность до 100 °C, обеспечивает достаточную прочность и
обладает масло- и бензостойкостью.

На основе жидких полиуретановых, карбоксилатных, фтори-
рованных каучуков разработан способ герметизации вакуумиро-
ванных узлов (пропускных) в криогенных условиях. В радиотех-
нике применяют галлиевые клеи (клеи-припои). Соединение, по-
лученное с помощью такого клея, имеет хорошие тепло- и элек-
тропроводность, достаточно высокие прочность и эксплуатаци-
онную стабильность в интервале температур -196...+800 °C. Скле-
иваемые поверхности должны быть механически очищены, на-
пример наждачной бумагой, пескоструйной обработкой, и обез-
жирены (спиртом, ацетоном). Толщина пленки клея должна со-
ставлять 0,1...0,6 мм. Меньшая толщина грозит нарушением
сплошности пленки, большая — уменьшает прочность соедине-
ния.

Контрольные вопросы

1.	Что означает термин «полимеры»?

2.	Встречаются ли натуральные полимеры в природе?

3.	Каковы основные свойства полимеров?

4.	Что такое пластмассы и из каких основных компонентов они со-
стоят?

5.	Какими свойствами обладают пластмассы?

6.	Что такое термопласты и какие материалы к ним относятся?
7.	Какие материалы относятся к реактопластам? Каковы их свойства?

8.	Из чего состоит резина и ее виды?

9.	Какое назначение в составе резины имеет каучук?

10.	Что такое клей?

11.	На какие группы по назначению можно подразделить клеи?

12.	Какова область использования клеев на основе эпоксидных смол?
ГЛАВА 5

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ, ПОРОШКОВЫХ
И ПЛЕНОЧНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Методы получения объемных наноструктурных
металлов и сплавов

5.1.1.	Общие сведения

Разработано несколько методов получения наноструктурных
материалов. Среди них — методы порошковой металлургии, в ча-
стности консолидации ультрадисперсных порошков, полученных
газовой конденсацией в атмосфере инертного газа или плазмохи-
мическим методом, аэрозольным и химическим синтезом, а так-
же измельчением порошков в шаровой мельнице. Некоторые из
этих методов успешно использовались для создания объемных
наноструктурных материалов. Это прежде всего газовая конденса-
ция с последующим компактированием и обработка порошков в
шаровой мельнице с последующей консолидацией. Данные мето-
ды явились основой многочисленных исследований структуры и
свойств нанокристаллических и нанофазных материалов. Вместе с
тем до сих пор существуют проблемы в развитии данных методов,
связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при
компактировании, загрязнением образцов при подготовке порош-
ков или их консолидации, увеличением геометрических размеров
получаемых образцов, практическим использованием данных ме-
тодов.

Многие из упомянутых проблем можно преодолеть, используя
методы обработки, названной интенсивной пластической дефор-
мацией (ИПД). Задача методов ИПД — формирование нанострук-
тур в массивных металлических образцах и заготовках путем зна-
чительных деформаций при низкой температуре.

5.1.2.	Газовая конденсация порошков и их консолидация

Широкую известность и популярность приобрел метод получе-
ния объемных наноструктурных материалов. Данная технология
использует испарение и конденсацию атомов для образования на-
нокристаллических частиц, осаждаемых на холодную поверхность
вращающегося цилиндра, испарение и конденсацию проводят в
атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия. Измене-
ние типа рабочей атмосферы при одинаковом давлении газа (пе-
реход от гелия к ксенону, т. е. от менее плотного инертного газа к
более плотному) сопровождается ростом размера частиц в несколь-
ко раз. Частицы поверхностного конденсата, как правило, имеют
огранку. При одинаковых условиях испарения и конденсации ме-
таллы с более высокой температурой плавления образуют части-
цы меньшего размера. Осажденный конденсат специальным скреб-
ком снимают с поверхности цилиндра и собирают в коллектор.
После откачки инертного газа в вакууме проводят предваритель-
ное (под давлением примерно 1 ГПа) и окончательное (под дав-
лением до 10 ГПа) прессование нанокристаллического порошка
(рис. 5.1). В результате получают пластинки диаметром 5... 15 мм и
толщиной 0,2...3,0 мм с плотностью 70...90 % от теоретической
плотности соответствующего материала (до 97 % для нанометал-
лов и до 85 % для нанокерамики). Полученные этим способом ком-
пактные наноматериалы в зависимости от условий испарения и
конденсации состоят из частиц со средним размером от 1 ...2 до
80... 100 нм.

Исключение контакта с окружающей средой при получении
нанопорошка и его прессовании позволяет избежать загрязнения
компактных нанокристаллических образцов, что весьма важно при
изучении наноструктуры металлов и сплавов. Данную аппаратуру
можно применять для получения компактных нанокристалличе-
ских оксидов и нитридов: в этом случае металл испаряется в кис-
лород- или азотсодержащую атмосферу. Пористость нанокерами-

Рис. 5.1. Схема аппаратуры для по-
лучения методом испарения, кон-
денсации и компактирования объ-
емных нанокристаллических мате-
риалов:

1 — поршень; 2 — салазки; 3 — кла-
пан; 4— испаритель; 5— скребок; 6 —
вращающийся цилиндр, охлаждаемый
жидким азотом; 7— воронка; 8— фик-
сирующая пресс-форма; 9 — гильза;
/ — узел предварительного компакти-
рования; // — узел окончательного
компактирования при высоком давле-

нии
ки, полученной компактированием порошков, связана с трой-
ными стыками кристаллитов. Уменьшение дисперсности порош-
ков сопровождается заметным снижением их уплотняемости при
прессовании с использованием одинакового давления. Пониже-
ние и более равномерное распределение пористости достигают
прессованием при такой повышенной температуре, которая еще
не приводит к интенсивной рекристаллизации.

В целом для получения компактных нанокристаллических ма-
териалов, в особенности керамических, перспективно прессова-
ние с последующим высокотемпературным спеканием нанопорошков.
При реализации этого способа избегают укрупнения зерен на ста-
дии спекания спрессованных образцов. Это возможно при высо-
кой исходной плотности прессования, когда процессы спекания
протекают достаточно быстро, и при относительно низкой тем-
пературе (менее половины температуры прессования). Создание
таких плотных образцов — проблема серьезная, поскольку на-
нокристаллические порошки плохо прессуются и традиционные
методы статического прессования не приводят к достаточно вы-
сокой плотности. Физическая причина плохой прессуемости на-
нопорошков — межчастичные адгезионные силы, относитель-
ная величина которых резко возрастает с уменьшением размера
частиц.

Для компактирования нанокристаллических порошков доста-
точно эффективен магнитно-импульсный метод, позволяющий ге-
нерировать импульсные волны сжатия с амплитудой до 5 ГПа и
длительностью в несколько микросекунд. Этот метод основан на
концентрировании силового действия магнитного поля мощных
импульсных токов; он позволяет относительно просто управлять
параметрами волны сжатия, экологически чист и значительно
безопаснее динамических методов, использующих взрывчатые ве-
щества.

5.1.3.	Шаровой размол порошков и их компактирование

Основа метода шарового размола — механическая обработка
твердых смесей, при которой происходят измельчение и пласти-
ческая деформация веществ, ускоряется перенос массы, а также
осуществляется перемешивание компонентов смеси на атомарном
уровне, активируется химическое взаимодействие твердых реаген-
тов. В результате механического воздействия в приконтактных об-
ластях твердого вещества создается поле напряжений. Релаксация
его может происходить путем выделения теплоты, образования
новой поверхности, возникновения различных дефектов в крис-
таллах, возбуждения химических реакций в твердой фазе. Схема-
тично данный процесс может быть представлен так, как показано
на рис. 5.2. Преимущественное направление релаксации зависит от
Рис. 5.2. Схема воздействия на материал во время шарового размола:
1—5 — стадии размола

свойств вещества, условий нагружения (мощности подведенной
энергии, соотношения между давлением и сдвигом), размеров и
формы частиц. По мере увеличения мощности механического им-
пульса и времени воздействия происходит постепенный переход
от релаксации путем выделения теплоты к релаксации, связан-
ной с разрушением, диспергированием и пластической деформа-
цией материала и появлением аморфных структур различной при-
роды.

Наконец, каналом релаксации поля напряжений может быть
химическая реакция, инициируемая разными механизмами, та-
кими как прямое возбуждение и разрыв связи, реализованные в
вершине трещины, локальный тепловой разогрев, безызлучатель-
ный распад экситонов и др.

Механическое воздействие при измельчении материалов яв-
ляется импульсным, поэтому возникновение поля напряжений
и его последующая релаксация происходят не в течение всего
пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения
частиц и в короткое время после него. По этой причине при
механохимическом синтезе нужно учитывать характер формиро-
вания поля напряжений и кинетику последующих релаксацион-
ных процессов. Механическое воздействие не только импульс-
ное, но и локальное, так как происходит не во всей массе твер-
дого вещества, а лишь там, где возникает и затем релаксирует
поле напряжений.

Механический размол — наиболее производительный способ
получения больших количеств нанокристаллических порошков раз-
личных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, кера-
мических материалов, композитов. В результате механического ис-
тирания и механического сплавления может быть достигнута пол-
ная растворимость в твердом состоянии таких элементов, взаим-
ная растворимость которых в равновесных условиях пренебрежи-
мо мала.

Для размола и механохимического синтеза применяют плане-
тарные, шаровые и вибрационные мельницы (рис. 5.3), обеспечи-
вающие получение среднего размера частиц порошков от 200 до
5 нм. Так, при помоле в шаровой мельнице борида a-FeB удалось
получить порошок a-FeB со средним размером кристаллитов око-
ло 8 нм. Механическая обработка титаната бария BaTiO3 в плане-
тарной мельнице позволила получить нанокристаллический по-
рошок со средним размером частиц 5...25 нм.

Во время размола материал подвергают высокоскоростной де-
формации большой степени. Высокий уровень внутренних напря-
жений создается из-за большой плотности внесенных во время
деформации дислокаций, дисклинаций, вакансий и других де-
фектов кристаллической решетки. Дислокационные скопления
претерпевают возврат и образуют ячеистую упорядоченную струк-
туру и деформационные полосы сдвига, которые могут преобра-
зовываться по мере увеличения степени накопленной деформа-
ции в новые высокоугловые границы зерен. Несмотря на возврат
структуры, протекающий при пониженных температурах, уровень
внутренних напряжений остается высоким.

На рис. 5.4 показаны изменения среднего размера зерна (рис.
5.4, а) и внутренних напряжений (рис. 5.4, б) как функции време-
ни размола, а также зависимость конечной величины среднего
размера зерен (рис. 5.4, в) как функция температуры плавления
для некоторых металлов с гцк и ОЦК решеткой. Примерно пос-
ле 10 ч размола средний размер зерен становится оптимальным и
дальнейшее воздействие более не приводит к измельчению струк-
туры. Это время является критическим и для внутреннего напря-
жения, которое также начинает уменьшаться после 10 ч размола.
Снижение внутреннего напряжения при продолжении процесса
размола объясняется тем, что при уменьшении среднего размера

Рис. 5.3. Мельницы для шарового размола:

а — планетарная; б — аттриктор; в — одномерная вибрационная; г — трехмерная
вибрационная; 9 — угловая скорость барабана; со — угловая скорость шара
Рис. 5.4. Зависимость размера зерна (а) и внутренних напряжений (б) от
времени размола, минимально достижимый размер зерна как функция
температуры плавления (в)

зерна в манометрическую область (менее 10 нм) требуется слиш-
ком высокий уровень внешних напряжений для генерации новых
дислокаций, и дислокационные скопления могут состоять из двух-
трех дислокаций. Тогда можно определить минимально возмож-
ный размер зерна из следующего соотношения:

, 3Gb

«кр =--77’

урЯ

где G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса; vp — коэффициент
Пуассона; Н — твердость материала.
Это выражение определяет уровень накопленных во время де-
формации напряжений, при котором невозможно создать дисло-
кационное скопление, состоящее из двух дислокаций. Данная мо-
дель предполагает, что чем труднее идет процесс возврата в мате-
риале, тем сильнее можно измельчить микроструктуру. Это под-
тверждает экспериментально тот факт, что материалы с более
высокой температурой плавления (и соответственно с более вы-
сокой температурой начала возврата структуры) измельчаются
сильнее (см. рис. 5.4, в). Любые способы задержки процесса воз-
врата в структуре (многофазные материалы, композиты и т.д.)
приводят к меньшему размеру измельченного зерна при шаровом
размоле.

5.1.4.	Интенсивная пластическая
деформация

Требования к методам интенсивной пластической деформации
(ИПД). Можно сформулировать несколько требований к методам
ИПД, которые следует учитывать при их развитии для получения
наноструктур в объемных образцах и заготовках. Это, во-первых,
возможность получения ультрамелкозернистых структур, имею-
щих преимущественно большеугловые границы зерен, поскольку
именно в этом случае качественно изменяются свойства материа-
лов. Во-вторых, формирование наноструктур, однородных по все-
му объему образца, что необходимо для обеспечения стабильно-
сти свойств полученных материалов. В-третьих, образцы не долж-
ны иметь механических повреждений или разрушений, несмотря
на их интенсивное деформирование. Эти требования не могут быть
реализованы при использовании обычных методов обработки ме-
таллов давлением, таких как прокатка, вытяжка или экструзия.
Для формирования наноструктур в объемных образцах необходи-
мо использование специальных механических схем деформирова-
ния, позволяющих достичь больших деформаций материалов при
относительно низких температурах, а также определение опти-
мальных режимов обработки материалов. К настоящему времени
большинство результатов получено с использованием двух мето-
дов ИПД — кручения под высоким давлением и равноканального
углового (РКУ) прессования. Имеются также работы по получе-
нию нано- и субмикрокристаллических структур в ряде металлов и
сплавов при использовании всесторонней ковки и РКУ-вытяжки.

Механические схемы и режимы интенсивной пластической де-
формации. К числу основных методов, с помощью которых были
достигнуты большие деформации с истинными степенями, рав-
ными 10 и более без разрушения образцов, относятся кручение
под высоким давлением (рис. 5.5), РКУ-прессование (рис. 5.6) и
всесторонняя ковка.
Рис. 5.5. Интенсивная пласти-
ческая деформация кручением
под высоким давлением:

1 — вращающийся пуансон; 2 —
суппорт

Рис. 5.6. Интенсивная пласти-
ческая деформация РКУ-прес-
сованием:

1 — пуансон; 2 — заготовка

Деформацию кручением под высоким давлением проводят в ус-
тановках, конструкция которых является развитием известной идеи
наковальни Бриджмена. Эти установки использовали для иссле-
дования фазовых превращений в условиях интенсивных деформа-
ций, а также для изучения эволюции структуры и изменения тем-
пературы рекристаллизации после больших деформаций. Новым и
принципиально важным моментом стали доказательства форми-
рования наноструктур с неравновесными большеугловыми гра-
ницами зерен при использовании интенсивной деформации кру-
чением, что позволило рассматривать этот метод как новый спо-
соб получения наноструктурных материалов.

При деформации кручением под высоким давлением (см. рис.
5.5) полученные образцы имеют форму дисков. При этом обра-
зец помещается между пуансоном и суппортом и сжимается под
приложенным давлением р в несколько гигапаскалей. Суппорт
вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец
деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образцов та-
кова, что основной объем материала деформируется в условиях
гидростатического сжатия под действием приложенного давле-
ния и давления со стороны внешних слоев образца. В результате,
несмотря на большие степени деформации, образец не разруша-
ется.

Для расчета степени деформации при кручении под высоким
давлением применяют различные соотношения. Для расчета ис-
тинной логарифмической степени деформации е использовали
следующую формулу:

е - 1п(0г//г),
где 0 — угол вращения, рад; г и h — соответственно радиус и
толщина диска, мм.

Полученные ИПД-кручением образцы имеют форму дисков
диаметром 10...20 мм и толщиной 0,2...0,5 мм. Существенно струк-
тура измельчается уже после поворачивания пуансона 1 на пол-
оборота, но для создания однородной наноструктуры требуется,
как правило, несколько оборотов пуансона.

Недавние исследования показали, что ИПД-кручением может
быть успешно использована не только для измельчения структу-
ры, но и как метод консолидации порошков. При этом обнаруже-
но, что высокие давления, равные нескольким гигапаскалям, при
деформации кручением при комнатной температуре могут обес-
печивать достаточно высокую плотность, близкую к 100 %, в по-
лучаемых наноструктурных образцах в форме дисков. Для получе-
ния таких образцов консолидацией ИПД-кручением можно ис-
пользовать не только обычные порошки, но и подвергнутые об-
работке в шаровой мельнице.

Деформация РКУ-прессованием реализует деформацию массив-
ных образцов простым сдвигом. Данный метод был разработан в
1970-х гг. В. М. Сегалом и другими учеными для того, чтобы под-
вергать материалы пластическим деформациям без изменения по-
перечного сечения образцов. Это создает возможность для их по-
вторного деформирования (см. рис. 5.6). В начале 1990-х гг. Р.З. Ва-
лиевым и другими учеными данный способ был развит и впер-
вые применен как метод ИПД для получения структур с суб-
микрокристаллическим и нанометрическим размером зерен. В этих
экспериментах исходные заготовки с круглым или квадратным
поперечным сечением вырезали из прутков длиной 70... 100 мм.
Диаметр поперечного сечения или его диагональ, как правило,
не превышали 20 мм. При реализации РКУ-прессования заготов-
ку неоднократно продавливают в специальной оснастке через
два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересека-
ющимися обычно под углом 90°. В труднодеформируемых мате-
риалах деформацию осуществляют при повышенных температу-
рах.

Когда внешний угол у = 0°, а внутренний Ф произволен, при-
ращение степени деформации Де, при сдвиге в ходе каждого про-
хода через каналы может быть рассчитано с использованием сле-
дующего выражения:

Р	2

— = Де, = —7х7 сф(Ф/2),
от	V3
где Р — сила давления; от — предел текучести деформируемого
материала.

Поскольку при РКУ-прессовании заготовка продавливается
через пересекающиеся каналы несколько раз, то общая степень
деформации

E/v = Ле„

где N — число проходов (продавливаний) заготовки.

В процессе РКУ-прессования для структурообразования весьма
важны направление и число проходов заготовки через каналы. Были
рассмотрены различные маршруты заготовок (рис. 5.7): ориента-
ция заготовки остается неизменной при каждом проходе (марш-
рут А); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг
своей продольной оси на угол 90° (маршрут В); после каждого
прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси
на угол 180° (маршрут Q. Данные маршруты различаются направ-
лениями сдвига при повторных проходах заготовки через пересе-
кающиеся каналы и приводят к формоизменению сферической
ячейки в теле заготовки в ходе РКУ-прессования.

В ходе первого прохода в результате простого сдвига при РКУ-
прессовании в месте пересечения каналов ячейка приобретает фор-
му эллипсоида (рис. 5.8, а). Последующие проходы в ходе реализа-
ции маршрута А приводят к удлинению оси, и эллипсоид вытя-
гивается. При этом направление сдвига поворачивается на угол 2Ф
вокруг оси, перпендикулярной продольному сечению каналов. По-
вторный проход при маршруте В изменяет направление сдвига;
при этом плоскость сдвига поворачивается на угол 120° (при 2Ф =
90°) — рис. 5.8, б. В ходе реализации деформации по маршруту С
(рис. 5.8, в) повторный проход приводит к сдвигу в той же плос-
кости, но в противоположном направлении. При этом ячейка вновь
приобретает сферическую форму.

Использование всех трех маршрутов приводит к быстрому рос-
ту пределов текучести и прочности обрабатываемого материала,
которые уже после нескольких проходов достигают насыщения.
Первые три цикла деформирования образцов Си и Ni РКУ-прес-
сованием приводят к росту усилия деформации. Далее наступает

Рис. 5.7. Варианты РКУ прессования:
а, б, в — соответственно маршруты А, В, С
Рис. 5.8. Режимы простого сдвига при РКУ-прессовании:
а — одноцикловое деформирование; б — многоцикловое деформирование, мар-
шрут А; в — маршрут С

установившаяся стадия упрочнения и усилие практически не из-
меняется.

Всесторонняя ковка — еще один способ формирования нано-
структур в массивных образцах. Процесс всесторонней ковки обыч-
но сопровождается динамической рекристаллизацией. Схема все-
сторонней ковки основана на использовании многократного по-
вторения операций свободной ковки: осадки и протяжки со сме-
ной оси прилагаемого деформирующего усилия. Однородность де-
формации в данной технологической схеме по сравнению с РКУ-
прессованием или кручением ниже. Однако данный способ позво-
ляет получать наноструктурное состояние в достаточно хрупких
материалах, поскольку обработку начинают с повышенных тем-
ператур и обеспечивают небольшие удельные нагрузки на инстру-
мент. Например, выбор соответствующих температурно-скорост-
ных условий деформации позволил добиться получения очень
мелких зерен размером примерно 100 нм.

5.2.	Методы получения наноструктурных порошков

5.2.1.	Плазмохимический синтез

Плазмохимический синтез — один из самых распространенных
химических методов получения высокодисперсных порошков нит-
ридов, карбидов, боридов и оксидов.

Основное условие получения высокодисперсных порошков —
протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость обра-
зования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. В ре-
альных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц
осуществляют за счет увеличения скорости охлаждения потока плаз-
мы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благода-
ря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также по-
давляется рост числа частиц за счет их слияния при столкновении.

При плазмохимическом синтезе используют низкотемператур-
ную (4000...8000 К) азотную, аммиачную, углеводородную, ар-
гоновую плазмы дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысоко-
частотного разрядов; в качестве исходного сырья применяют эле-
менты, их галогениды и другие соединения. Характеристики по-
лученных порошков зависят от используемого сырья, технологии
синтеза и типа плазмотрона. Частицы плазмохимических порош-
ков являются монокристаллами и имеют размеры 10...200 нм и
более. Плазмохимический синтез обеспечивает высокие скорости
образования и конденсации соединения и отличается достаточ-
но высокой производительностью. Главные его недостатки — ши-
рокое распределение частиц по размерам, и как следствие —
наличие довольно крупных (1... 5 мкм) частиц, т.е. низкая селек-
тивность процесса, а также высокое содержание примесей в
порошке.

Наиболее широко плазмохимический синтез применяют для
получения нитридов переходных металлов IV и V групп.

Плазмохимический синтез включает в себя два этапа. На пер-
вом этапе происходит образование активных частиц в дуговых,
136
высокочастотных или сверхвысокочастотных плазмотронах. Наи-
более высокой мощностью и КПД обладают дуговые плазмотро-
ны, однако полученные в них материалы загрязнены продуктами
эрозии электродов; остальные плазмотроны данного недостатка
не имеют. На следующем этапе в результате закалки происходит
выделение продуктов взаимодействия. Выбор места и скорости за-
калки позволяет получить порошки с заданным составом, фор-
мой и размером частиц.

5.2.2.	Осаждение из коллоидных растворов

Обычный способ получения наночастиц из коллоидных раство-
ров заключается в их синтезе из исходных реагентов растворов и
прерывании реакции в определенный момент времени, после чего
дисперсная система переходит из жидкого коллоидного состоя-
ния в дисперсное твердое.

Среди всех методов получения изолированных наночастиц и
нанопорошков метод осаждения из коллоидных растворов обла-
дает наиболее высокой селективностью и позволяет получать ста-
билизированные нанокластеры с очень узким распределением по
размерам, что весьма важно для использования наночастиц в ка-
честве катализаторов или в устройствах микроэлектроники.

Для получения высокодисперсных порошков из коллоидных
растворов применяют также криогенную сушку, при которой ра-
створ распыляется в камеру с криогенной средой и вследствие
этого замерзает в виде мелких частиц. Затем давление газовой сре-
ды понижают так, чтобы оно было меньше равновесного давле-
ния над замороженным растворителем, и нагревают материал при
непрерывной откачке для возгонки растворителя. В результате об-
разуются тончайшие пористые гранулы одинакового состава, пе-
рекаливанием которых получают порошки.

5.2.3.	Термическое разложение и восстановление

При термическом разложении используют обычно сложные
элементо- и металлоорганические соединения, гироксиды, кар-
бониды, нитраты, амиды металлов, которые при определенной
температуре распадаются с образованием синтезируемого веще-
ства и выделением газовой среды.

Комбинацией термического разложения и конденсации явля-
ется сверхзвуковое истечение газов камеры, в которой через со-
пло в вакууме поддерживают повышенные постоянное давление и
температуру. В этом случае тепловая энергия молекул газа транс-
формируется в кинетическую энергию сверхзвукового потока, а
газ при расширении охлаждается и превращается в пересыщен-
ный пар, в котором могут образовываться кластеры, содержащие
от двух до миллиона атомов. Порошки, полученные термическим
разложением нужно дополнительно отжигать для стабилизации
состава и структуры. Основной недостаток — невысокая селектив-
ность, так как продукт реакции представляет собой смесь целево-
го продукта и других соединений.

Получение высокодисперсных порошков возможно восстанов-
лением металлов в токе водорода при температуре менее 500 К.
Достоинствами этого метода являются низкое содержание приме-
сей и узкое распределение частиц порошков по размерам.

5.2.4.	Механосинтез

Основа механосинтеза — механическая обработка твердых сме-
сей, в результате которой происходит измельчение и пластичес-
кая деформация веществ, ускоренный перенос массы и переме-
шивание компонентов смеси на атомном уровне, активизируется
химическое взаимодействие твердых реагентов.

В результате механического взаимодействия в приконтактной
области твердого вещества создается поле напряжений. Релакса-
ция поля напряжений может происходить путем выделения теп-
лоты, образования новой поверхности, образования различных
дефектов в кристаллах, возбуждения химических реакций в твер-
дой фазе. Преимущественное направление релаксаций зависит от
свойств вещества, условий нагружения, размеров и формы час-
тиц.

Механическое истирание — наиболее производительный способ
получения больших количеств нанокристаллических порошков
различных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, ке-
рамических материалов, композитов. В результате механического
истирания и механического сплавления может быть достигнута
полная растворимость в твердом состоянии таких веществ, взаим-
ная растворимость которых в равновесных условиях пренебрежи-
мо мала.

5.2.5.	Детонационный синтез и электровзрыв

Ударная волна — вид механического воздействия, при кото-
ром одновременно создают условия как для синтеза конечного
продукта, так и для его диспергирования. Энергию взрыва доста-
точно широко используют для осуществления фазовых переходов
в веществах и детонационного синтеза. Детонационный синтез,
как быстро протекающий процесс, позволяет получать тонкодис-
персные порошки в динамических условиях, когда важную роль
играют кинетические процессы.

Быстро развивающимся методом получения тонкодисперс-
ных порошков является электрический взрыв проводника при
прохождении по нему мощного импульса тока длительностью
10-5... 10"7 с и плотностью 104... 106 А/мм2. Для этой цели исполь-
зуют проволоку диаметром 0,1... 1,0 мм. Электровзрыв проводни-
ка представляет собой резкое изменение физического состояния
металла в результате интенсивного выделения энергии в нем при
пропускании тока большой плотности. Электровзрыв сопровож-
дается генерацией ударных волн и создает возможность быстрого
нагрева металла со скоростью более 107 К/с до температур выше
104 К.

Электровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать по-
рошки металлов и сплавов, а с помощью введения в реактор до-
полнительных реагентов (воздух, кислород, инертный газ, азот,
дистиллированная вода, техническое масло) можно получать тон-
кодисперсные порошки оксидов, карбидов, нитридов или их сме-
сей.

5.3.	Метод получения тонких пленок,
осаждение на подложку

Осаждением на холодную или подогретую поверхность под-
ложки получают пленки и покрытия, т.е. непрерывные слои на-
нокристаллического материала. В этом способе, в отличие от газо-
фазного синтеза, образование наночастиц происходит непосред-
ственно на поверхности подложки, а не в объеме инертного газа
вблизи охлажденной стенки. Благодаря получению компактного
слоя нанокристаллического материала отпадает необходимость
прессования.

Осаждение на подложку может происходить из паров, плазмы
или коллоидного раствора. При осаждении из паров металл испа-
ряется в вакууме в кислород- или азотсодержащей среде, а пары
металла или образовавшегося соединения конденсируются на
подложке.

Размер кристаллов в пленке регулируют, изменяя скорость ис-
парения и температуру подложки.

При осаждении металлов из плазмы для поддержания электри-
ческого разряда используют инертный газ. Непрерывность и тол-
щину пленки, размеры кристаллов в ней регулируют, изменения
давление газа и параметры разряда. Источниками металлических
ионов при осаждении из плазмы служат металлические катоды,
обеспечивающие высокую степень ионизации.

Разновидностью осаждения из плазмы является магнетронное
распыление, позволяющее использовать катоды не только из ме-
таллов и сплавов, но и из различных соединений и снижать тем-
пературу подложки до 100 К и ниже. Это расширяет возможности
получения аморфных пленок и нанокристаллических пленок. Од-
нако степень ионизации, кинетическая энергия ионов и скорость
осаждения при магнетронном распылении ниже, чем при исполь-
зовании плазмодугового разряда.

Оксидные полупроводниковые пленки получают осаждением
на подложку из коллоидных растворов. Этот метод включает в себя
подготовку растворов, осаждение на подложку, сушку и отжиг.
Методом осаждения наночастиц получены полупроводниковые
пленки ZnO, SnO2, TiO2, WO3. Наноструктурные пленки, содер-
жащие частицы различных полупроводников, можно получать ме-
тодом соосаждения.

В 1985 г. была обнаружена молекула углерода в форме полого
шарика, состоящая из 60 атомов, и в настоящее время материа-
ловеды с ней связывают большие надежды. Такая молекула полу-
чила название фуллерен и является родоначальником целого клас-
са новых наноструктур. Фуллерен (С60) — чрезвычайно прочная и
устойчивая молекула, атомы углерода связаны в ней прочнее, чем
в решетке алмаза. Если в фуллерен вставить поясок из десяти ато-
мов, то получится новая молекула — бареллен (С70). Строительство
молекул можно продолжать, получая все новые вещества, напри-
мер, в виде трубок — тубелен (С1 000). Из тубеленов можно соби-
рать объемные углеродные молекулы самых причудливых форм,
например шварцшит.

Область применения нового материала весьма обширна. Из на-
нотрубок, собранных в пучок, получается пористый материал для
изготовления мембран, размер пор которого можно регулировать,
изменяя условия роста трубок. Если такой материал соединить с
длинными молекулами полимера или цепочками атомов металла,
то образуются композиты с заранее заданными свойствами. При
соединении нанотрубок боковыми поверхностями половина свя-
зей между ними будет такая, как у алмаза, а половина — как у
графита. Получится гибкий материал, прочность которого лишь
на треть ниже, чем у алмаза. Он может служить в виде покрытия
для деталей, работающих в условиях трения.

Если металлом или полимером залить решетку шварцшита,
образуется чрезвычайно прочный аналог железобетона, в кото-
ром роль стальной арматуры играют нанотрубки.

Шварцшит может найти применение в наноэлектронике. Если
в молекуле углерода часть атомов заменить на атомы других эле-
ментов, то она приобретет свойства изолятора, проводника или
полупроводника. Молекулы в форме кольца могут быть использо-
ваны в качестве элемента памяти наноЭВМ. Тубелен способен
играть роль магнитной катушки. Ток может проходить в ней не по
всей поверхности, а только по спирали, подобно проводу в соле-
ноиде. Из подобных элементов можно выращивать электронные
схемы нанометровых размеров, обладающих большими возмож-
ностями.
В настоящее время нанотрубки производят в промышленных
масштабах в качестве сырья для производства композитов, а ша-
рики-фуллерены оказались прекрасными каркасами для смазки,
способными выдерживать высокую температуру.

В начале 1990-х гг. российскими учеными получены первые об-
разцы нового вещества — фуллерита, представляющие собой кри-
сталлы размером 5...6 мм; их грани царапают алмаз также легко,
как алмаз стекло. Существуют два варианта «упаковки» молекул в
кристалле фуллерита: в первом ячейки повторяют форму тетраэд-
ра, во втором — имеют форму куба с отдельным фуллереном внутри.
Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем
расстояние между атомами в решетке алмаза. В ячейках обоих ви-
дов есть особый фуллерен, взаимодействующий с остальными че-
рез 16 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Это
определяет необычайную твердость кристаллического фуллерита:
он в 3 раза тверже алмаза.

Из такого материала можно изготавливать режущие инструменты
для бурения скважин, обработки высоколегированных сталей,
керамических материалов, алмазов, изготовления приборов для
определения твердости материалов, создания высокопрочных по-
крытий и др.

Создание нанотрубных материалов является началом новой
научно-технической революции, в которой углероду отводится
решающая роль.

Контрольные вопросы

1.	Какие материалы относят к наноструктурным?

2.	Назовите методы получения наноструктурных материалов.

3.	Для чего и как осуществляют газовую конденсацию порошков и их
консолидацию?

4.	Как осуществляют шаровой размол материала?

5.	Какие виды мельниц применяют для размола материалов?

6.	Как и зачем осуществляется плазмохимический синтез?

7.	В чем заключается сущность осаждения порошков из коллоидных
растворов?

8.	Как осуществляют механосинтез?

9.	В чем заключается метод получения порошков электровзрывом?

10.	Назовите методы получения тонких пленок.
ГЛАВА 6

СИНТЕТИЧЕСКИЕ СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ПОКРЫТИЯ

6.1.	Синтетические сверхтвердые материалы

Согласно классификации, все сверхтвердые лезвийные мате-
риалы на основе плотных модификаций нитрида бора являются
композитами. В зависимости от технологии получения, физико-
механических свойств, условий применения они разбиты на оп-
ределенные группы. Наиболее широкое применение в отечествен-
ной металлообработке нашли композит 01 (эльбор-Р), композит
03 (исмит), композит 05, композит 09 (ПТНБ), однослойный и
двухслойный композит 10 (гексанит-Р).

Аналогичные и подобные инструментальные материалы на ос-
нове модификации кубического нитрида бора (КНБ) созданы и
находят применение во многих индустриально развитых странах,
причем их применение неуклонно расширяется.

Перечисленные инструментальные материалы отличает высо-
кая твердость, тепловая устойчивость и химическая инертность к
черным металлам, т.е. все то, что делает эти прогрессивные инст-
рументальные материалы весьма эффективными на операциях то-
чения, растачивания и торцового фрезерования как гладких, так
и прерывистых точных поверхностей деталей основного машино-
строительного назначения.

Высокая эффективность применения инструментов, оснащен-
ных поликристаллами композитов, обусловлена уникальным со-
четанием их физико-химических характеристик, в числе которых
исключительно высокая твердость, высокая теплостойкость и теп-
лопроводность, близкая к теплопроводности твердых сплавов и
не снижающаяся при повышении температуры (табл. 6.1). Поли-
кристаллический кубический нитрид бора имеет износостойкость
в 50 раз выше, чем твердый сплав, и в 10 — 25 раз выше, чем
оксидная или нитридная керамика. Данные композиты сохраняют
свою прочность при высоких температурах, типичных для обра-
ботки закаленных черных металлов с относительно высокой ин-
тенсивностью съема материала. Эти инструментальные материалы
вступают в химическую реакцию с черными металлами на возду-
хе и при высокой температуре, что обусловливает их определен-
ные преимущества по сравнению с алмазами и другими традици-
онными инструментальными материалами.
Области применения различных марок композитов определя-
ются размерами поликристаллов и их физико-механическими ха-
рактеристиками. Несмотря на разнообразие марок композиты не
создают между собой конкуренции, а успешно дополняют друг
друга. Имеются нормативные документы, каталоги, методические
рекомендации и справочная литература, в которых достаточно
полно и широко описаны основные свойства композитов.

Так, композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового
точения, преимущественно без ударных нагрузок, деталей из чер-
ных металлов любой твердости; композит 03 — для предваритель-
ного и окончательного точения чугунов любой твердости; компо-
зит 05 — для чистового и получистового точения без ударных на-
грузок закаленных сталей и чугунов любой твердости, для торцо-
вого фрезерования чугунов; композит 10 — для предварительного
и окончательного точения (растачивания) с ударными нагрузка-
ми и без них сталей и чугунов любой твердости, для торцового
фрезерования закаленных сталей и чугунов.

В настоящее время освоено промышленное производство ком-
позитов на основе нитрида бора с различными свойствами, при-
чем каждый тип инструментального материала обладает преиму-
ществами при определенных условиях обработки.

Существует четыре основные группы материалов, эффективно
обрабатываемых модификациями кубического нитрида бора:

•	отбеленный чугун; легированный никелем или хромом белый
чугун (50...65 HRC);

•	закаленные стали и детали с поверхностной закалкой (50...
65 HRC);

•	некоторые упрочняемые сплавы (38 HRC);

•	некоторые марки серого чугуна (200...220 НВ).

Таблица 6.1

Свойства композитов на основе плотных модификаций нитрида бора
(по ТУ 2-035-982-85)

Марка композита	Предел прочности при растяжении ов, МПа	Предел прочности при сжатии осж, МПа	Твердость HV, МПа	Теплостой- кость, °C
Композиты 01 и 02	400... 500	3 000	75 000... 80 000	1 100... 1 300
Композиты 05 и 06	450... 500	3 500	60 000... 70 000	—
Композит 09	700... 1 000	5 000	70 000... 80000	1 100
Композит 10	700... 1 000	4 500	60 000... 65 000	1 100
При обработке черных металлов твердостью свыше 45 HRC
широко применяют черновое и чистовое точение с помощью ком-
позитов взамен шлифования. Такие металлы, ввиду недостаточно
высокой стойкости традиционных инструментальных материалов,
неэффективно обрабатывать, например, твердыми сплавами или
режущими керамическими материалами. Использование для этих
целей шлифования кругами из электрокорунда представляет со-
бой довольно длительный процесс, характеризующийся низкой
интенсивностью съема металла и быстрым износом круга, что ог-
раничивает производительность.

Развитие конструкции инструментов, оснащенных искусствен-
ными сверхтвердыми материалами, идет по двум основным на-
правлениям — создание инструментов с механическим креплени-
ем цельных, многослойных круглых и многогранных режущих
пластин, а также применение перетачиваемых режущих вставок,
когда конструкция с механическим креплением пластин практи-
чески невозможна.

Твердость синтетического алмаза составляет приблизительно
90... 100 ГПа. Его применяют для изготовления алмазных сверл,
резцов, буровых колонок и инструментов для бурения наиболее
твердых пород, а также для изготовления наконечников к прибо-
рам для измерения твердости и чистоты поверхности.

Наиболее благоприятными условиями для синтеза алмазов яв-
ляется давление 4...6 ГПа и температура 1 125... 1 325°C.

Получать крупные режущие пластины композитов технически
достаточно сложно, так как это связано с очень высокой темпе-
ратурой и давлением, которые необходимы для синтеза этих ма-
териалов. Поэтому чаще используют более простые по технологии
получения инструменты с напайными пластинами из компози-
тов, которые могут перетачиваться несколько раз.

Дальнейшее развитие конструкции режущих инструментов,
оснащенных лезвийными сверхтвердыми материалами, идет по
направлению расширения возможностей композитов и их приме-
нения в условиях автоматизированного производства. Резцы из
композитов широко применяют для обработки деталей различ-
ной конфигурации на токарных, токарно-револьверных станках,
станках расточной группы, а также на многоцелевых станках. Эф-
фективное использование инструментов достигается на жестких
высокоточных станках повышенной мощности. Такое оборудова-
ние должно обладать достаточной жесткостью, поскольку при то-
чении и растачивании инструментами из композитов имеют мес-
то относительно большие силы резания. Вибрации оборудования
не допускаются, так как это не только ухудшает шероховатость
обрабатываемой поверхности, но и в ряде случаев является при-
чиной выкрашивания режущих кромок. Высокая стойкость и от-
носительно малый износ инструментов из композитов имеют важ-
ное значение при обработке на автоматизированных токарных стан-
ках, так как число замен инструментов заметно сокращается, а
заданные размеры обрабатываемой детали выдерживаются без ча-
стого вмешательства оператора. Если загрузку и выгрузку деталей
осуществляет робот, то инструменты, оснащенные модификаци-
ями композитов вполне пригодны для обработки в условиях без-
людной технологии.

6.2.	Покрытия для инструментов из сверхтвердых
материалов

6.2.1.	Металлические и композиционные покрытия

Ранее в отечественной и зарубежной практике инструмент
изготавливали преимущественно из порошков сверхтвердых мате-
риалов без металлических покрытий. В 1965 г. были разработаны
технологический процесс и оборудование для химического мето-
да металлизации порошков алмаза. Затем в 1969 г. был создан элек-
тролитический метод нанесения металлических покрытий с нало-
жением ультразвуковых колебаний, применяемый до настоящего
времени. В результате износостойкость инструмента при обработке
твердого сплава повысилась в 2 раза по сравнению с работой кру-
гом из алмазов без покрытия, а при шлифовании твердого сплава
совместно со сталью — в 5 — 7 раз.

Металлизированные порошки сверхтвердых материалов при-
меняют при изготовлении инструмента всех видов и типоразме-
ров на металлических, металлокерамических и твердосплавных
связках. Металлизации подвергают блочные высокопрочные и тер-
мостойкие марки алмазов — АС15, АС20, АС32, АС40, АС65,
АС80, АС50Т, АС65Т, АС82Т, АС105Т, АС132Т, а также компо-
зиты марок КР, Л КВ и КТ (кибор). С 1983 г. при изготовлении
инструмента используют новый технологический процесс для на-
несения металлических покрытий методом ионно-плазменного
напыления.

Адгезия полученных с использованием магнетронов покрытий
к поверхности сверхтвердых материалов значительно выше, чем у
покрытий, полученных термовакуумным методом. Кроме того, в
ионных покрытиях возникают напряжения сжатия, а в покрыти-
ях, полученных испарением,— напряжения растяжения. Сжатие
может достигать 109 Н/м2 для молибдена и вольфрама, что спо-
собствует лучшему удержанию зерен в инструменте, создает пред-
посылки для широкого использования данного метода нанесения
покрытий на высокопрочные и термостойкие порошки алмазов и
композитов, предназначенных для изготовления инструмента, ра-
ботающего в особо тяжелых условиях: при бурении и камнеобра-
ботке. В 1971 г. были созданы композиционные покрытия, включа-
ющие кроме металлической составляющей мелкозернистые по-
рошки графита, гексагонального нитрида бора, дисульфида мо-
либдена и некоторых карбидов тугоплавких металлов. Такие по-
крытия рекомендуют для сухого шлифования хрупких материалов.
Введение антифрикционных добавок и твердых смазок способ-
ствует улучшению условий шлифования благодаря снижению теп-
ловыделения в зоне обработки.

В композиционных покрытиях сочетаются свойства материалов
покрытия, абразивного порошка и твердой фазы включения, что
повышает их физико-механические характеристики и улучшает
шлифующую способность инструмента. Порошки сверхтвердых
материалов с композиционными покрытиями применяют для из-
готовления инструмента всех видов и типоразмеров на органичес-
ких связках. Покрытия наносят в инертной среде и вакууме из
расплава на сравнительно хрупкие порошки алмазов марок АС2,
АС4, АС6 зернистостью 28/20 и крупнее неправильной формы с
шероховатой поверхностью, применяемых в инструменте на орга-
нических связках.

При торцевом шлифовании твердого сплава Т15К6 кругом 12А2
125x5x3 АС2 80/63-Б1 —100 % из алмазов с композиционным
покрытием на основе сплава Си—Sn—Ti при глубине шлифова-
ния 0,02 мм на двойной ход температура резания снижается по
сравнению с металлическим покрытием только сплавом Си—Sn—
Ti на 150 °C; при глубине шлифования 0,04 мм на двойной ход —
на 200...250°C, что весьма важно при шлифовании без охлажде-
ния, так как температура резания в кругах из алмазов, металлизи-
рованных этим сплавом, при глубине шлифования 0,04 мм на двой-
ной ход достигает 600 °C и более. При этом кроме механических
видов износа может происходить частичное окисление алмазов и
термическое разрушение (деструкция) органической связки, что
приводит к преждевременному износу алмазного инструмента. Вве-
дение твердых смазок позволяет в 1,5 раза снизить усилия резания.
Эффективная мощность шлифования также снижается.

Порошки сверхтвердых материалов с металлическим и компо-
зитным покрытиями предназначены для изготовления инструмента
на органических и металлических связках всех видов и типоразме-
ров на традиционном оборудовании и по существующим техно-
логическим процессам. Особенностью процесса изготовления яв-
ляется уменьшение объема рабочего слоя связки или наполнителя
на величину объема металла, вводимого в круг и равномерно рас-
пределенного на зернах сверхтвердого материала. В настоящее вре-
мя практически весь инструмент изготавливают из порошков сверх-
твердых материалов с покрытиями и широко используют при об-
работке твердых сплавов, твердых сплавов совместно со сталью,
при бурении, камнеобработке, обработке стекла, кремния и ко-
рунда, фарфора, ферритов, износостойких покрытий и других ма-
териалов.

Таким образом, выбор метода и материала покрытий обуслов-
лен физико-механическими свойствами существующих марок
сверхтвердых и связующих материалов, а также условиями изго-
товления инструмента. Установлено, что нанесение покрытий су-
щественно улучшает свойства сверхтвердых материалов (разруша-
ющую нагрузку и порог окисления зерен материалов, смачивание
и пропитку зерен связующими материалами, удержание зерен и
теплоотвод). В результате существенно улучшаются физико-меха-
нические свойства связок, повышается работоспособность инст-
румента.

6.2.2.	Неметаллические покрытия

Инструмент из металлизированных алмазов успешно приме-
няют при обработке твердых и относительно хрупких материалов,
например при обработке твердого сплава, стекла, керамики, гра-
нита и др. При обработке данным инструментом вязких материа-
лов, особенно без применения смазочно-охлаждающих техноло-
гических сред (например, железоуглеродистых сплавов или твер-
дого сплава совместно со сталью при наличии между ними вязко-
го припоя), по сравнению с непокрытыми зернами уменьшается
производительность обработки, зачастую повышается температу-
ра в зоне резания и, как следствие, образуются прижоги и другие
дефекты на обработанной поверхности.

Композиты, благодаря высокой термической устойчивости и
химической инертности к железоуглеродистым сплавам, широко
применяют при обработке различного вида сталей и прежде всего
быстрорежущих. Инструмент из металлизированных порошков
композитов при обработке таких материалов имеет высокую из-
носостойкость, однако при этом на обработанной поверхности
могут образовываться прижоги, особенно при работе инструмен-
та без применения смазочно-охлаждающих технологических сред.
Поэтому покрытия, наносимые на зерна алмаза и композитов,
должны обеспечивать не только высокую износостойкость инст-
румента, изготовленного на их основе, но и высокое качество
обработанной поверхности, а также повышать производительность
шлифования при обработке вязких материалов. Для этого инстру-
мент должен не засаливаться, работать в режиме самозатачива-
ния, обеспечивать высокую мощность шлифования, определяе-
мую фрикционными свойствами системы режущий инструмент —
обрабатываемый материал. Этим требованиям удовлетворяет ин-
струмент, изготовленный из порошков сверхтвердых материалов,
с неметаллическими покрытиями на основе натриево-боросили-
катных стекол.
При работе инструмента в зоне резания, как правило, разви-
ваются достаточно высокие температуры, превышающие темпе-
ратуру трансформации стекла. Поэтому слои стекла, находящие-
ся в контакте с обрабатываемым материалом, будут размягчаться.
Размягченное стекло, являясь хорошей смазкой, способствует
снижению температуры и мощности шлифования при обработке
вязких материалов, а это, в свою очередь, повышает качество
шлифуемой поверхности. Кроме того, стекла в отличие от метал-
лов имеют невысокую адгезию к металлам, что препятствует схва-
тыванию инструмента с обрабатываемым материалом.

На основании проведенных исследований по смачиваемости и
взаимодействию расплавов стекол с алмазом и композитами вы-
браны составы стекол для покрытия порошков сверхтвердых ма-
териалов. Разработан способ нанесения стеклопокрытий на по-
рошки сверхтвердых материалов из жидкой фазы. Способ прост в
исполнении, не требует сложного оборудования, защитных газо-
вых сред или вакуума. По этому способу получают агрегаты, со-
стоящие из 5 — 20 зерен сверхтвердых материалов, покрытых и
связанных между собой адгезионно-активным стеклом.

Использование порошков алмаза и композитов со стеклопо-
крытиями позволяет придать инструменту новые положительные
качества и в первую очередь снизить относительный расход абрази-
ва, а также температуру в зоне резания, мощность шлифования.

Промышленные испытания работоспособности кругов в про-
мышленных условиях показали, что круги из алмазов и компози-
тов со стеклопокрытием на органических и металлических связках
могут эффективно использоваться в технологических процессах
абразивной обработки цельнотвердосплавного и напайного твер-
досплавного инструментов, а также многолезвийных инструмен-
тов из быстрорежущих сталей при работе с охлаждением и без
него. Применение алмазов и композитов со стеклопокрытием по-
зволяет повысить работоспособность абразивного инструмента по
сравнению со сверхтвердыми материалами без покрытия и по-
крытых металлами за счет снижения относительного расхода сверх-
твердых материалов, повышения производительности шлифова-
ния, уменьшения прижогов на обрабатываемой поверхности, сни-
жения мощности шлифования.

Контрольные вопросы

1.	Какие материалы относятся к сверхтвердым синтетическим?

2.	Какими свойствами обладают синтетические сверхтвердые матери-
алы и какова область их применения?

3.	Какую роль выполняют металлические и композитные покрытия?

4.	Каковы область применения и свойства неметаллических покры-
тий?
ГЛАВА 7

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ

7.1.	Виды покрытий и способы их нанесения

В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатаци-
онным характеристикам деталей, различают три вида покрытий:

•	защитные покрытия, предназначенные для защиты от кор-
розии деталей в различных агрессивных средах, в том числе при
высоких температурах;

•	защитно-декоративные покрытия, служащие для декоратив-
ной отделки деталей с одновременной защитой их от коррозии;

•	специальные покрытия, применяемые с целью придания по-
верхности специальных свойств (износостойкости, твердости,
электроизоляционных, магнитных свойств и др.), а также восста-
новления изношенных деталей.

При выборе покрытий учитывают назначение и материал по-
крываемой детали, условия ее эксплуатации, свойства покрытия
и способ его нанесения, допустимость контактов сопрягаемого
металла и покрытия, а также экономическую целесообразность
его применения.

Поверхность основного металла, на которую предполагают на-
несение покрытий, подвергают специальной подготовке. При на-
несении гальванических покрытий, в соответствии с ГОСТ 9.301 —
78, шероховатость поверхности основного металла должна быть:
Rz < 40 мкм — под защитные покрытия; Ra < 2,5 мкм — под защит-
но-декоративные; Rz < 40 мкм — под специальные покрытия в
зависимости от их функционального назначения. На поверхности
деталей не допускаются закатанная окалина, расслоение и тре-
щины, выявившиеся после травления, шлифовки и полировки,
поры и раковины.

Поверхность детали очищают от травильного шлака, продук-
тов коррозии и других загрязнений.

Перед эмалированием и нанесением органических покрытий
поверхность металла очищают, обезжиривают и подвергают пред-
варительной химической обработке.

Для всех видов покрытий установлены требования к их внеш-
нему виду и специальным свойствам. Как правило, устанавливают
требования к толщине, пористости и прочности сцепления с ос-
новным материалом.
В процессе эксплуатации изделия не должно быть локального
отслоения покрытия. Поэтому важнейшим требованием является
надежное сцепление покрытия с основным материалом детали.

При оценке сцепления покрытия с листовым металлом исполь-
зуют пробу на загиб и глубокую вытяжку (рис. 7.1). Для оценки
сопротивления покрытия коррозии обычно применяют испыта-
ния, при которых коррозионная нагрузка на деталь близка к усло-
виям ее эксплуатации. Эффективность сопротивления коррозии
определяют по растворению покрытия и взвешиванию.

Для надежной защиты деформируемых поверхностей покры-
тия, прежде всего на органической основе, должны обладать элас-
тичностью и трещиностойкостью. Под трещиностойкостью пони-
мают способность покрытия в подложке растягиваться над ней,
сохраняя при этом защитные свойства.

Покрытие взаимодействует с поверхностным слоем материала
основы. Поэтому для получения качественного покрытия важную
роль играет обработка поверхности. Для предварительной обра-
ботки поверхности используют механические и химические мето-
ды очистки: струйную обработку, обезжиривание, травление и др.

Классификация методов нанесения металлических покрытий
приведена на рис. 7.2.

Горячее погружение в расплав — один из самых старых методов
нанесения покрытий. Металлы ванны имеют низкую температуру
плавления — это цинк, олово, алюминий. Они обеспечивают за-
щиту основного металла от коррозии.

Электрохимический метод — металлы осаждают из растворов
солей. Обычно применяют для получения гальванических покры-
тий из хрома и никеля толщиной 0,12...0,60 мм.

Рис. 7.1. Способы испытания деформируемости тонкого листа с цинко-
вым и алюминиевым покрытием:

а — плотный загиб; б — вальцевание; в — профилирование; г — втягивание
колпачка
LZi

| Методы нанесения покрытий

Рис. 7.2. Классификация процессов нанесения покрытий
Электролитический метод — осуществляют нанесение покры-
тий из сплавов Ni—Р и Ni—В вследствие химического взаимодей-
ствия. В этом случае покрытия формируются по всей поверхности
деталей с одинаковой скоростью толщиной до 0,12 мм, тогда как
гальванические покрытия прежде всего формируются на выступа-
ющих местах — кромках, ребрах, гранях.

Напыление осуществляют мелкими частицами материала, об-
разующимися при пропускании проволоки или порошка через кис-
лородно-ацетиленовое пламя, с последующим осаждением на
холодную основу. Для нагрева используют электродуговую или плаз-
менную металлизацию. Это способствует улучшению адгезии и
снижению пористости покрытия.

Химико-паровое осаждение, или метод CVD (chemical vapour
deposition), основан на процессе, в котором устойчивые продук-
ты реакции зарождаются и растут на подложке в среде с проте-
кающими в ней химическими реакциями (диссоциация, восста-
новление и др.). При высокой температуре на поверхности об-
разуются очень тонкие слои, например карбида или нитрида ти-
тана. Метод CVD используют для нанесения покрытий на инстру-
мент и штампы.

Наплавку осуществляют сплавлением осаждаемого материала
с поверхностным слоем основы. Наплавку широко применяют
для ремонта отдельных деталей, поврежденных или износив-
шихся в процессе эксплуатации. Для нанесения покрытий мето-
дом наплавки используют все основные сварочные процессы: га-
зопламенный, электродуговой, плазменный, электронно-луче-
вой и др.

Механическое нанесение покрытий используют для получения
цинковых, кадмиевых и оловокадмиевых покрытий — детали пе-
ремешивают в сосудах с соответствующими тонкими металличес-
кими порошками, активаторами и стеклянными шариками.

Физико-паровое осаждение, или метод PVD (physical vapour
deposition), основан на процессе, который протекает в несколько
стадий:

•	нагрев материала в вакууме до испарения;

•	перенос паров от источника к подложке;

•	конденсация паров на основе — подложке.

Метод PVD обладает высокой гибкостью, и с его помощью
можно наносить любые металлы, сплавы, оксиды, карбиды и
нитриды. Например, его с успехом применяют для нанесения из-
носостойкой пленки TiN на стальной инструмент. К достоинствам
метода PVD относятся высокая чистота поверхности и превосход-
ная связь с основой.

Ионная имплантация (рис. 7.3) предусматривает ионизацию
атомов с последующим ускорением ионов в электрическом поле
в вакууме. Ионы тормозятся при соударении с мишенью и рас-
1

Рис. 7 3 Схема применения ускорителя Ван-де-Графа для ионной
имплантации:

/ — ионный источник, 2 — ускоритель, 3 — анализирующий магнит, 4 — плас-
тины сканирования пучка, 5 — сканирующий пучок, 6 — образец, 7 — система
вращения образца на угол 0 90°

пределяются по глубине мишени. Хотя глубина проникновения
ионов обычно не превышает 0,1 ...0,2 мкм, свойства металла мо-
гут существенно меняться.

7.2.	Металлические покрытия

7.2.1.	Цинковые покрытия

Среди методов, улучшающих антикоррозионные свойства, на-
несение цинковых покрытий — цинкование, занимает первое мес-
то. Ежегодно в мире оцинковывается около 25 млн т стали. Основ-
ными методами для нанесения цинковых покрытий на сталь явля-
ются электролитический и горячее погружение (огневое или го-
рячее цинкование).

Хотя в качестве материала основы можно использовать любые
марки, для цинкования обычно применяют углеродистые и низ-
колегированные стали. Цинковые покрытия имеют высокую корро-
зионную стойкость в атмосферных условиях, в пресной воде и в
закрытых помещениях с умеренной влажностью, а также удовлет-
ворительную поверхностную твердость, износо- и водостойкость,
прочность на изгиб. Долговечность оцинкованных труб зависит от
толщины покрытия. Для серийно выпускаемых труб на I м2 их
поверхности расходуют 400 г цинка, толщина покрытия состав-
ляет 43... 46 мкм. Отечественная промышленность выпускает оцин-
кованные водогазопроводные трубы диаметром 10... 159 мм, дли-
ной до 8 м.

Скорость коррозии оцинкованных труб в 3 — 4 раза ниже, чем
у стальных труб без покрытия в одних и тех же агрессивных средах.
Для повышения коррозионной стойкости оцинкованных листов в
состав цинкового покрытия вводят медь (0,08...0,82%) и алюми-
ний (до 1 %). Коррозионная стойкость листов с электролитическим
покрытием ниже, чем горячеоцинкованных. Для повышения кор-
розионной стойкости оцинкованного листа его дополнительно по-
крывают лакокрасочным или цветным полимерным покрытием.

Цинковые покрытия применяют для защиты от коррозии за-
порной арматуры и подземных трубопроводов сточной воды и
воды, используемой для технических целей.

Соединения цинка токсичны и при нагреве неустойчивы в кис-
лотах. Цинковые покрытия не применяют для защиты от корро-
зии деталей, находящихся в непосредственном контакте с пище-
выми продуктами.

7.2.2.	Алюминиевые покрытия

Для стальных деталей с алюминиевым покрытием характерно
сочетание высокой прочности и коррозионной стойкости. Нане-
сение покрытий производят путем горячего алюминирования в
расплавах (алитирование), плакированием стальных листов и на-
пылением в вакууме. Среди способов покрытия стальных листов
алюминием наибольшее распространение имеет горячее алюми-
нирование.

Коррозионная стойкость стальных деталей с алюминиевым
покрытием обусловлена высокими защитными свойствами обра-
зующейся на его поверхности пленки А12О3 толщиной менее
0,1 мкм. Этот оксидный слой отличается высокой плотностью и
при повреждении быстро образуется заново.

Защитное действие пленки оксида алюминия на алюминиевом
покрытии особенно сильно выражено при высокотемпературном
нагреве (рис. 7.4).

В случае необходимости повышения прочностных свойств вме-
сто углеродистых конструкционных сталей используют микроле-
гированные стали с добавками ниобия или титана.

Микролегирующие элементы придают стали более высокую жа-
ропрочность, поэтому такие стали можно использовать для на-
гружения при высоких температурах, тем более что алюминий в
качестве покрытия имеет хорошую стойкость к окислению.

Алюминиевые покрытия устойчивы в водных растворах агрес-
сивных пищевых сред и органических кислот. Нетоксичность,
154
Рис. 7.4. Увеличение массы холоднокатаного тонкого листа (а) без по-
крытия и горячеалюминированного тонкого листа (б) при высокотем-
пературном окислении в газовой среде:

Готж — температура отжига

инертность ко многим средам, хорошие грунтовочные свойства
для последующего нанесения полимерных и стеклоэмалевых по-
крытий обусловливают достаточно широкое применение алюми-
ниевых покрытий в разных отраслях машиностроения.

7.2.3.	Оловянные и хромсодержащие
покрытия

Покрытие оловом производят методами горячего погружения
и электролитическим осаждением. При погружении стальных и
чугунных изделий в расплав на их поверхности образуется тонкий
слой соединения FeSn2, над которым после вытягивания из рас-
плава затвердевает более толстый слой олова.

Более широко используют метод электролитического лужения.
Листовой прокат толщиной менее 0,5 мм, полученный этим ме-
тодом, называют белой жестью. Толщина оловянных покрытий
составляет 30... 35 мкм.

В качестве заменителя белой жести применяют холодноката-
ный тончайший лист, который покрыт электролитически нане-
сенным покрытием оксида хрома.

Оловянные покрытия широко применяют в различных отрас-
лях техники, прежде всего в пищевой и мясомолочной промыш-
ленности, особенно для защиты от коррозии различных стальных
емкостей типа баков, цистерн, фляг. Оловом защищают не только
стальные, но и медные емкости.

Электролитически хромированную жесть используют вместо
белой жести при изготовлении упаковочной тары для консервов
(овощных, молочных, мясных, рыбных), а также фруктовых со-
ков, пива, безалкогольных напитков, при производстве крышек
для стеклотары и колпачков для бутылок, тары для упаковки су-
хих пищевых продуктов.

7.2.4.	Покрытия плакированием

При плакировании происходит послойное соединение стали с
одним или многими металлами с образованием многослойного
материала. При плакировании к материалу основы не предъявля-
ется особых требований, он используется с теми же свойствами,
которые нужны для эксплуатации. Для получения бездефектного
соединения требуется очистка поверхности и создание заданной
шероховатости. Плакирование осуществляется разными методами.
Используют процессы горячей и холодной прокатки, метод двух-
слойного литья заготовок, плакирование взрывом и наплавку пла-
кирующего слоя.

В качестве материала для плакирования низколегированных
сталей применяют коррозионно-стойкие ферритные или аусте-
нитные стали, медь и никель или их сплавы, а также алюминий,
титан, ниобий или молибден. При плакировании коррозионно-
стойкой стали предварительно создают гальваническое никелевое
покрытие. Этим устраняют окисление горячей стали перед про-
каткой и одновременно интенсифицируют процессы диффузион-
ного сваривания, необходимые для сцепления материалов.

Биметаллы являются не только заменителями однородных до-
рогостоящих материалов. Во многих случаях благодаря сочетанию
свойств своих компонентов они имеют более благоприятные по-
казатели, чем однородные дорогостоящие материалы сами по себе.

Плакированные изделия отличаются более высокой прочно-
стью. При использовании в качестве основного материала сталей
с высоким пределом текучести может быть снижена масса изде-
лия и получена дополнительная экономия металла по сравнению
с требуемым количеством при изготовлении тех же изделий цели-
ком из коррозионно-стойких сталей.

7.2.5.	Осаждение в вакууме или из газовой фазы

В основе технологии напыления металлических сплавов в ваку-
уме лежит принцип испарения за счет нагрева и понижения дав-
ления и конденсация на материале основы с получением задан-
ного слоя. Высокий вакуум благоприятствует процессу испарения.
Для эффективного протекания процесса конденсации изделие, на
которое наносится покрытие, должно интенсивно охлаждаться.

При осаждении металлов из газовой фазы на стальную поверх-
ность используют свойство некоторых металлов легко образовы-
вать летучие галогениды, которые вступают в реакцию с железом
на стальной поверхности. При этом металл покрытия становится
свободным и может диффундировать в глубь стальной детали. На-
ряду с алюминием, для осаждения из газовой фазы используют
также хром и кремний.

Высокое содержание хрома на поверхности (до 25 %) придает
материалу отличную стойкость против окисления и коррозии.

7.3.	Неметаллические покрытия

7.3.1.	Неорганические покрытия и способы их нанесения

К неорганическим неметаллическим материалам, применяе-
мым для защиты от коррозии металлических поверхностей, отно-
сят эмали, стекло и цемент.

Эмалью называют стекловидную застывшую массу, получен-
ную в результате полного или частичного расплавления и состоя-
щую в основном из кварца и других оксидов. На изделие эмаль
наносят одним или несколькими слоями.

Различают два основных способа эмалирования. Наряду с эма-
лированием, при котором изделие покрывают грунтовкой и по-
кровными эмалями и при этом дважды обжигают, широко ис-
пользуют в последние годы однослойное прямое эмалирование,
при котором слой эмали (0,2...0,3 мм) может быть уменьшен на-
половину. При специальном эмалировании, применяемом в хи-
мическом и пищевом машиностроении, обычно наносится мно-
гослойная эмаль.

Перед нанесением эмали поверхность стальной детали обезжи-
ривают и протравливают. При этом удаляют некоторое количество
металла и поверхность листа становится шероховатой, что спо-
собствует адгезии эмалевого покрытия.

С целью снижения пористости при обжиге за счет образования
диоксида углерода СО2 для эмалирования применяют низкоугле-
родистые стали.

Стеклоэмалевое покрытие обладает не только высокой хими-
ческой стойкостью, износостойкостью, но и обеспечивает незна-
чительное налипание остатков продукта, благодаря чему покры-
тие легко моется. Покрытие имеет высокую адгезию к металлу.
Общая толщина эмалевого покрытия составляет 0,8... 1,0 мм.

При эксплуатации эмалированных изделий не допускается пре-
вышать давление или резко повышать его даже в пределах рабоче-
го давления, резко нагревать и заполнять переохлажденным про-
дуктом или водой, производить местные термические и механи-
ческие воздействия, оставлять аппараты открытыми, использо-
вать в качестве моющих и дезинфицирующих средств щелочные
растворы.

Недостатком стеклоэмалевых покрытий является чувствитель-
ность к ударам, резкой смене температуры, местным перегревам,
воздействию щелочей.

Высокую долговечность водопроводных труб обеспечивают це-
ментные покрытия. Для покрытий используют портландцемент с
наполнителем в виде мелкого песка.

7.3.2.	Органические полимерные покрытия
и способы их нанесения

Технология нанесения полимерных покрытий. Рассмотренные
ранее методы защиты металлов от коррозии дороги, недостаточ-
но эффективны и имеют ограниченные возможности. Поэтому ис-
пользование органических покрытий по-прежнему остается важ-
ным средством борьбы с коррозией.

Полимерные покрытия не только защищают металлы от воз-
действия агрессивных сред, но и повышают их износостойкость,
снижая прилипаемость различных веществ к рабочим поверхно-
стям, позволяют экономить цветные металлы и другие дефицит-
ные материалы.

К полимерным покрытиям предъявляют высокие требования.
Покрытия должны иметь хорошую адгезию к защищаемой поверх-
ности, беспористость, эластичность, механическую прочность,
теплостойкость, быть инертными к средам, с которыми они на-
ходятся в контакте.

Ни один из известных полимеров не сможет полностью удов-
летворить всем перечисленным требованиям. Материалы, облада-
ющие достаточной химической стойкостью, как правило, имеют
недостаточную адгезию к защищаемому металлу. Полимерные по-
крытия с хорошей адгезией к защищаемой поверхности часто легко
разрушаются от химического и механического воздействия агрес-
сивных сред. Лишь эпоксидные и некоторые другие полимеры удач-
но сочетают высокую адгезию к металлу с удовлетворительной
химической стойкостью.

В различных областях промышленности для защиты внутрен-
них поверхностей аппаратов, трубопроводов и арматуры приме-
няют винилхлоридные, фторопластовые, пентапластовые, поли-
олефиновые, полиуретановые, фенолформальдегидные, кремний-
органические, каучуковые, эпоксидные и другие покрытия.

В отличие от коррозионной стойкости металлов, характеризуе-
мой потерей массы, химическая стойкость полимерных материа-
лов численно обычно не выражается. О химической стойкости
полимерных покрытий судят по степени набухания и разрушения
пленки, потере эластичности, изменению цвета и т.д. Перед на-
несением покрытия проводят подготовку металлической поверх-
ности (очищают и придают равномерную шероховатость для обес-
печения хорошей адгезии) при помощи дробеструйной обработ-
ки. На подготовленную поверхность наносят грунт, создающий
противокоррозионный слой с обеспечением высокой прочности
сцепления как с металлом, так и с последующими слоями по-
крытия.

Для подготовки защищаемой поверхности изделий применяют
дробеструйные автоматы и пистолеты, а также ручные реверсив-
ные пневматические щетки (рис. 7.5).

Полимерные покрытия наносят как непосредственно на изде-
лия, так и на тонколистовую полосу. Второй метод появился не-
давно, но его использование позволяет существенно снизить тру-
доемкость изготовления изделий.

При использовании метода «coil coating» (спиральное покры-
тие) стальной лист с металлическим покрытием или без него на
специальной установке по нанесению органических покрытий в
непрерывном технологическом конвейере подвергают очистке,
предварительной химической обработке, и затем с помощью вал-
ков на него наносят покрытие из жидких органических материа-
лов. Нанесенное покрытие подвергают горячей сушке или наклеи-

Рис. 7.5. Пневматическая схема дробеструйного аппарата с дистанцион-
ным управлением:

1 — запорный клапан для дистанционного управления; 2 — жиклер; 3 — фильтр-
влагоотделитель
вают на него с помощью клеящих материалов тонкие защитные
пленки из искусственных материалов.

Для нанесения на поверхность полимерных покрытий и их
формирования применяют различные окрасочные агрегаты, крас-
кораспылители, красконагнетательные баки. Пневматические ок-
расочные агрегаты обеспечивают механическое раздробление ок-
расочного состава (гидродинамическое распыление). Краскона-
гнетательные баки осуществляют подачу лакокрасочных материа-
лов под давлением сжатого воздуха к пневматическим краскорас-
пылителям. Прокат с органическим покрытием наиболее широко
применяют в строительной индустрии (крыши, стены, металли-
ческие двери для внешнего и внутреннего применения), произ-
водстве металлических изделий из листового железа (для мебели,
полок, карнизов, корпусов приборов различного вида), автомо-
бильной промышленности (детали кузовов, распределительные
щиты), упаковочной индустрии (бочки, аэрозольные баллоны,
крышки) и при изоляции труб.

Взамен гальванических, эмалевых и силикатных могут исполь-
зовать тонкослойные (0,3...0,5 мм) полимерные порошковые по-
крытия, получаемые методом вибровихревого напыления (рис. 7.6 и
7.7). При вибровихревом способе напыления на частицы полиме-
ра одновременно воздействуют воздух под давлением и вибрация.
При этом способе аппарат вихревого напыления установлен на
мембрану вибратора, которая получает вертикальное перемеще-

Рис. 7.6. Установка для вибровихревого напыления:

а — схема установки; б - - аппарат для создания взвешенного слоя порошкооб-
разного полимера; 1 — баллон со сжатым воздухом; 2 — пульт с приборами
контроля и регулирования; 3 — аппарат для создания взвешенного слоя порош-
кообразного полимера; 4 — нагревательная печь; 5 — нижний сосуд; б — вибра-
ционное дно; 7 — верхний сосуд; 8 — коническая крышка-сборник; 9 —
распылительная насадка; 10 — электромагнитный вибратор
Рис. 7.7. Схема аппарата вибрових-
ревого напыления полимеров:
/ — деталь; 2 — рабочая камера; 3 —
мембрана; 4— электромагнитный виб-
ратор

ние с частотой 50—100 колебаний в секунду. Применение таких
покрытий исключает использование токсичных и пожароопасных
растворителей, устраняет процесс сушки после их нанесения, дает
равномерное покрытие толстым слоем при одноразовом погруже-
нии в ожиженный порошок. Эти покрытия обладают более высо-
кими защитными свойствами по сравнению с покрытиями, по-
лученными другими способами.

Полимерные покрытия могут наносить газопламенным методом.
Газопламенное напыление, называемое также пламенным или
огневым напылением, заключается в том, что порошкообразная
полимерная композиция наносится на металлическую или иную
поверхность, предварительно подготовленную и нагретую с по-
мощью специальной горелки автогенного типа. Частицы полимер-
ного материала размягчаются в пламени и, попадая на нагретую
поверхность, растекаются на ней, образуя при остывании слой
покрытия. Покрытия необходимой толщины получают последова-
тельным нанесением нескольких слоев полимера; выравнивание
поверхности последнего слоя происходит в результате оплавле-
ния в пламени горелки без подачи порошка.

Температура пламени газа, чаще всего ацетилена, составляет
650... 700 °C, но порошкообразный полимер сгорает лишь частич-
но вследствие значительной скорости его прохождения через зону
пламени (приблизительно 25 м/с).

Для напыления могут применять порошки различных термо-
пластов, в том числе составы на основе поливинилбутираля, би-
тумные и каучуковые композиции. Разработан также газопламен-
ный метод нанесения термореактивных полимеров, при кото-
ром производится спекание полимерного покрытия, а не его оп-
лавление. Этим методом наносят составы на основе фенолформ-
альдегидных и эпоксидных смол с наполнителями и отвердите-
лями.

Для напыления применяют порошки полимерных материалов
с размерами частиц 0,10...0,25 мм. При нанесении покрытий ма-
лой толщины на детали сложной конфигурации используют по-
рошок с меньшими размерами частиц. Получение покрытий с
ровной и гладкой поверхностью может быть достигнуто, если по-
рошок полимера сухой, однородный по размерам частиц.

Воздушно-порошковая смесь поступает в горелку через рези-
новый шланг и далее попадает в зону пламени. Газовая смесь сго-
рает в мундштуке горелки, в центре которого расположено сопло
для подачи порошка.

Метод газопламенного напыления применяют для выравнива-
ния поверхностей при ремонте.

Условиям экологической чистоты, низкой себестоимости мо-
жет соответствовать современный метод трибостатического нане-
сения эпоксидных порошковых твердых покрытий, также не тре-
бующий изготовления растворов и, следовательно, их утилиза-
ции.

Для обеспечения процесса необходимо следующее оборудова-
ние: источник сжатого воздуха, камера с системой отсоса возду-
ха, вентиль для регулирования расхода воздуха, емкость с порош-
ковой краской, пистолет — распылитель порошка, сушильный
шкаф.

Размеры сушильного шкафа и камеры определяют по макси-
мальным размерам напыляемых изделий. На рис. 7.8 приведена схема
процесса трибостатического нанесения покрытий.

Технологический процесс трибостатического нанесения покры-
тий прост и не требует специальных знаний обслуживающего пер-
сонала. Процесс включает три этапа: подготовку поверхности из-
делия, нанесение эпоксидной порошковой краски на поверхность
и полимеризацию покрытия в сушильном шкафу.

Подготовка поверхности состоит из обычного обезжиривания
и промывки детали.


Рис. 7.8. Схема процесса трибостатического нанесения покрытия:

/ — источник сжатого воздуха; 2 — вентиль; 3 — емкость с краской; 4 — распы-
литель порошка; 5 — изделие; 6 — камера

Процесс нанесения порошка осуществляется следующим об-
разом. Из источника сжатого воздуха 1 через вентиль 2 воздух по-
ступает в донную часть емкости 3 с порошковой краской. Переме-
шивая частицы краски, воздушный поток образует псевдокипя-
щий слой, на поверхности которого происходит накапливание
трущимися частицами статического заряда. Одновременно часть
порошка по газовой магистрали транспортируется к пистолету —
распылителю порошка 4. При прохождении порошка по стволу
распылителя происходит дополнительный заряд частиц, и на вы-
ходе из канала ствола они обладают статическим зарядом в не-
сколько киловольт.

В заземленную рабочую камеру на металлических крючках под-
вешивают изделия 5, которые имеют нулевой потенциал. Поро-
шок, выходя из ствола распылителя, оседает за счет высокой раз-
ности потенциалов на поверхности изделия, теряя свой заряд. Не-
использованная часть порошка оседает на стенках камеры и мо-
жет быть использована вторично. Изделия с нанесенным порош-
ком переносят в сушильный шкаф. Время между нанесением по-
рошка и установкой изделий в сушильный шкаф может доходить
до нескольких часов.

В сушильном шкафу происходит полимеризация порошка при
температуре 150... 220 °C в течение 20... 30 мин. Температура поли-
меризации зависит от состава порошка. При установке изделий в
шкаф включают вытяжную вентиляцию.

Покрытия наносят на любые металлы, а также на керамику,
стекло, дерево, пластмассы. Испытания покрытий на деталях из
сталей марок СтЗ и 20, медных и алюминиевых сплавов, керами-
ки показали их удовлетворительную адгезивную прочность. Тол-
щина покрытий составляла 50... 150 мкм, разброс по толщине —
менее ±25 %.

При испытаниях покрытия показали стойкость к растворам
щелочей, кислот и органическим растворителям. Водопоглоще-
ние после выдерживания в воде при +20 °C в течение 24 ч состави-
ло 0,5 %. При термоциклировании образцов в интервале темпера-
тур -60... + 20 °C не наблюдалось отслоения и образования трещин
на покрытиях.

Метод вихревого напыления, называемый также напылением в
кипящем (псевдоожиженном, взвешенном) слое, заключается в
том, что предварительно нагретую деталь из металла или другого
теплостойкого материала помещают в аппарат с порошком поли-
мера, находящимся во взвешенном состоянии.

Частицы порошка обволакивают помещенную в аппарат деталь
и, попадая на ее нагретую поверхность, плавятся и растекаются,
образуя защитный слои. После удаления детали из аппарата слой
полимера оплавляется под действием остаточной теплоты детали
или при дополнительном нагревании

Использование для напыления порошков определенной дис-
персности способствует легкому их перемещению в воздушном
потоке, равномерному распределению на покрываемой поверх-
ности и быстрому оплавлению. Преимущество процессов напыле-
ния порошков состоит в получении покрытия непосредственно
из твердого полимера, минуя стадии растворения или дисперги-
рования. Методом вихревого напыления или другими методами
наносят многие термопластичные полимеры или составы на их
основе в мелкодисперсном состоянии.

Нанесение порошков методом вихревого напыления произво-
дят в аппаратах периодического действия или на поточных кон-
вейерных линиях. Аппарат для напыления (рис. 7.9) разделен на
две части горизонтальной пористой перегородкой 2. К нижней
камере подведен сжатый воздух или инертный газ; верхняя каме-
ра является рабочей, в ней находится порошок полимера и поме-

Рис 7 9 Схема установки для вихревого напыления полимеров

/ — поддон, 2 — пористая перегородка, 3 — защитная сетка, 4. 7 аппараты для
напыления, 5 — изделие, 6 — кран переключения подачи воздуха, 8, 11, 13 —
манометры, 9, 12 — редукторы давления, 10 — воздухоочиститель, 14— кран для
продувки водоочистителя
щается изделие 5 для напыления. На пористую перегородку, кото-
рую изготавливают из технического войлока, нескольких слоев
стеклоткани между двумя латунными сетками, керамической по-
ристой плиты или пористых листов из поливинилхлорида, насы-
пают порошок полимера, и затем из нижней камеры подают сжа-
тый воздух или газ, пропущенный через масловодоотделитель.
В верхней части аппарат может быть снабжен устройством для улав-
ливания частиц полимера.

Воздушный поток, проходя из нижней камеры через пористую
перегородку, разделяется на множество струй. Частицы полиме-
ра, подхваченные воздушным потоком, устремляются вверх и за-
тем стремятся опуститься под действием силы тяжести. При воз-
действии двух противоположно направленных сил и вследствие
столкновений между собой и со стенками аппарата частицы нахо-
дятся в хаотическом движении, образуя кипящий или псевдоожи-
женный слой, которому присущи многие свойства жидкости.

Вихревой метод напыления имеет ряд достоинств, к числу ко-
торых относятся простота применяемой аппаратуры, удобство ее
эксплуатации, быстрота получения покрытия на поверхности де-
талей, возможность механизации и автоматизации процесса на-
несения. Недостатки метода: сложность нанесения полимеров на
сравнительно большие детали и узлы, а также на детали с неоди-
наковой толщиной в разных сечениях, неравномерность покры-
тия острых кромок и углов между отдельными элементами дета-
лей сложной конфигурации, а также внутренних поверхностей
резервуаров, открытых с одной стороны.

Вихревой метод напыления получил распространение главным
образом для нанесения полимеров на детали небольших разме-
ров, не имеющих значительного количества отверстий, острых
кромок и углов.

Технологический процесс нанесения покрытий в аппаратах
периодического действия и на конвейерных линиях включает в
себя следующие основные операции: подготовка поверхности де-
тали, нагрев, нанесение порошка полимера, оплавление покры-
тия, охлаждение детали с покрытием.

Детали до нанесения покрытия можно нагревать в электричес-
ких, газовых и терморадиационных печах, в установках с индук-
ционным нагревом. В нагревательных устройствах должен обеспе-
чиваться равномерный нагрев различных участков. Затраты време-
ни на загрузку и выгрузку деталей должны быть минимальными.
Предпочтительнее применять индукционные печи и печи с кон-
векцией горячего воздуха.

Температура, до которой нагревается деталь, должна быть выше
температуры плавления полимера, но ниже температуры деструк-
ции (разрушения структуры). Кроме того, следует обеспечить та-
кой нагрев в деталях неравномерной толщины, чтобы температу-
ра в тонкостенных участках была несколько выше. Температура
предварительного нагрева деталей, помимо вида полимера, зави-
сит и от формы деталей.

Классификация полимерных покрытий. Ранее отмечалось, что в
зависимости от поведения полимеров при нагревании различают
термопластичные полимеры (термопласты) и термореактивные по-
лимеры (реактопласты).

К термореактивным материалам, которые при нагревании раз-
мягчаются, а затем необратимо переходят в твердое состояние,
относятся фенопласты и аминопласты, к термопластичным мате-
риалам, которые многократно могут размягчаться при нагрева-
нии и затвердевать при охлаждении, — полиэтилен, полиамиды
и др.

Полиолефиновые покрытия включают в себя такие распростра-
ненные материалы, как полиэтилен, полипропилен и их сополи-
меры.

Покрытия из полиолефинов отличаются высокой химической
стойкостью к действию многих агрессивных сред. Полиэтилен ис-
пользуют в качестве упаковочного материала для хранения про-
дуктов и получения антикоррозионных покрытий. Свойства поли-
этилена и полипропилена практически не меняются при воздей-
ствии концентрированными соляной и серной кислотами при
20 °C, а также растворами щелочей. Однако органические раство-
рители при комнатной температуре вызывают некоторое набуха-
ние, а при температуре выше 120 °C растворяют полиолефины.

Полиолефины имеют низкую проницаемость по отношению к
жидким и газообразным агрессивным средам.

Полиолефины используют для нанесения покрытий почти всеми
известными методами, включая напыление порошкообразных
полимеров, плакирование пленками и листами, футерование ли-
тьем под давлением, а также формирование покрытий из диспер-
сий в водноорганических средах.

Полиамиды включают в себя капрон и капролон. Покрытия из
полиамидов обладают высокими антифрикционными характери-
стиками. По износостойкости при сухом и жидкостном трении
полиамиды превосходят не только другие классы полимеров, но
и многие металлы, применяющиеся в антифрикционных целях.
Низкий коэффициент трения при высоких нагрузках позволяет
использовать полиамиды в тяжелогруженых узлах трения, о чем
свидетельствуют значения коэффициентов трения покрытий из
полиамидов при трении со смазкой по стали. Недостаток поли-
амидных покрытий — склонность к старению и значительное во-
допоглощение. С повышением температуры гигроскопичность по-
лиамидов возрастает.

Полиамидные покрытия наносят на поверхность изделий напы-
лением порошков, литьем под давлением, а также из растворов.
Стойкость полиамидов к окислению низкая, что препятствует
длительной эксплуатации полиамидных покрытий на воздухе при
температурах выше 60 °C. Для повышения термостабильности по-
лиамидов применяют различные стабилизирующие добавки орга-
нического и минерального происхождения.

Для улучшения адгезионных и когезионных свойств, повыше-
ния эксплуатационных характеристик в покрытия из полиамидов
вводят различные наполнители. Введение небольших количеств
оксидов титана, меди, железа, свинца и алюминия способствует
росту прочности и твердости, несущей способности и износо-
стойкости покрытий при незначительном изменении коэффици-
ента трения. Повышения теплостойкости и несущей способности
подшипников с полиамидными покрытиями достигают введени-
ем порошков металлов (алюминия, свинца, бронзы и др.). Сни-
жению коэффициента трения также способствует добавка фто-
ропласта-4, дисульфида молибдена, графита.

Модифицированные покрытия на основе полиамидных слоев
применяют для изготовления таких деталей как шестерни, под-
шипники и т.д.

Полиамидные смолы используют для получения защитных по-
крытий, а полиамидные порошки — для нанесения тонкого анти-
фрикционного износостойкого покрытия.

Поливинилхлорид (ПВХ) благодаря низкой стоимости сырья,
высокой химической стойкости, хорошим физико-механическим
и удовлетворительным электрическим свойствам — самый рас-
пространенный материал, применяющийся для создания защит-
но-декоративных, химически стойких и электроизоляционных по-
крытий.

В состав поливинилхлоридных композиций, предназначенных
для покрытий, помимо пластификаторов, входят стабилизаторы,
наполнители, смазки, пигменты и другие добавки, концентра-
ция и природа которых оказывают существенное влияние на свой-
ства покрытий.

Материалом для покрытий в основном служит пластифициро-
ванный ПВХ, реже используется непластифицированный ПВХ,
типичным представителем которого является винипласт. Листовой
и пленочный винипласты применяют в химической промышлен-
ности для футеровки металлической аппаратуры и трубопрово-
дов, эксплуатирующихся в агрессивных средах.

Пластифицированный ПВХ обычно наносят на поверхность об-
рабатываемых деталей в виде порошка или пленки.

Высокая химическая стойкость ПВХ позволяет успешно ис-
пользовать покрытия на его основе в агрессивных средах.

Поливинилхлорид является основным компонентом для изго-
товления лакокрасочных материалов. Обработкой ПВХ получают
винипласт, листы которого легко поддаются механической обра-
ботке и хорошо свариваются. Это позволяет использовать их для
нанесения сплошного покрытия на фундаменты, цокольные час-
ти и другие конструкции. Поливинилхлоридный пластикат при-
меняют как обкладочный материал для защиты аппаратуры от
коррозии, устройств полов в помещениях, где требуется герме-
тичность. Для устройства химически стойких полов, а также для
гидроизоляции используют поливинилхлоридную пленку.

Пентапласт обладает высокой водостойкостью, прочностью,
низким коэффициентом трения по стали. Он стоек к воздействию
грибковой плесени, устойчив к воздействию растворов щелочей,
кислот и солей.

Пентапласт наносят на поверхность защищаемых изделий в
порошкообразном виде и из дисперсий в органических средах.

Кроме того, производят защиту изделий футеровочными и го-
товыми вкладышами из пентапласта.

Фторопласты применяют для изготовления различных дета-
лей и для защитных покрытий (фторопласт-4 и фторопласт-3).

Фторопластовые покрытия исключительно устойчивы к аг-
рессивным средам и в этом отношении превосходят даже бла-
городные металлы и сплавы. На покрытия из фторопласта-4 не
действуют окислительные среды, включая и царскую водку, ки-
пящие щелочи, растворы солей. Фторопластовые покрытия впол-
не устойчивы по отношению к жирам, маслам, влаге, кисло-
там и т.д.

Покрытия из фторопластов применяют для защиты различных
технологических емкостей.

Кремнийорганические полимеры имеют многие ценные свойства,
из которых наиболее характерны термостойкость, а также стой-
кость к воздействию целого ряда химических агентов и раствори-
телей. По термостойкости они значительно превосходят органи-
ческие полимеры.

Кремнийорганические полимеры сравнительно инертны по
отношению к большинству реагентов, за исключением сильных
оснований и концентрированных кислот. Разбавленные сильные
кислоты и щелочи, а также слабые кислоты и основания оказыва-
ют на них незначительное действие.

К недостаткам кремнийорганических полимеров относят их не-
высокую химическую стойкость к действию органических раство-
рителей и окислительных сред.

Эпоксидные смолы в своем составе имеют реакционноспособ-
ные эпоксидные и гидроксильные группы, способные вступать в
химические реакции с различными веществами с образованием
более сложных соединений. При введении в них отвердителей хо-
лодного или горячего отверждения такие смолы способны пере-
ходить в неплавкое и нерастворимое состояние. В качестве отвер-
дителей могут применяться органические и неорганические кис-
лоты, ангидриды кислот, амины и амиды, а также синтетические
смолы.

Свои ценные физико-механические свойства эпоксидные смо-
лы приобретают при взаимодействии с отвердителями. Отверди-
тели аминного типа выполняют функции сшивающих реагентов.
Реакционноспособные группы отвердителей взаимодействуют с
эпоксидными или гидроксильными группами смолы. Скорость
процесса отверждения зависит от температуры. Некоторые от-
вердители реагируют со смолой при комнатной температуре,
другие — лишь при нагревании. Наиболее полное отверждение
полиаминами достигается при температуре выше 100 °C. Долго-
вечность материалов, полученных отверждением при комнатной
температуре, ограничена. Материалы, полученные отверждением
эпоксидной смолы при нагревании, более долговечны.

На основе эпоксидных смол изготавливают лакокрасочные ма-
териалы, применяемые для защитных покрытий.

Покрытия на основе эпоксидных смол с такими наполнителя-
ми, как уголь, графит, кремнезем, кварцевая мука, измельчен-
ный мрамор, в пищевой промышленности использовать запреще-
но по санитарным нормам.

Для защиты сепараторов перспективны комплексные покры-
тия, состоящие из одного слоя грунта, двух слоев эмали и одного
слоя лака на основе эпоксидной смолы. Отвержденное покрытие
промывают раствором уксусной кислоты, затем раствором соды и
ополаскивают водой. Полимерные покрытия на основе винило-
вых, каучуковых и эпоксидных смол применяют для защиты се-
параторов, в которых технологические процессы протекают под
избыточным давлением.

Для защиты некоторых железобетонных (бетонных) внутрен-
них поверхностей стационарных баков используют эпоксидное
покрытие, состоящее из 82 % смолы, 13 % этилового спирта и 5 %
полиэтиленполиамина. Покрытие затвердевает при комнатной тем-
пературе, но для ускорения процесса повышают температуру до
70 °C. Перед нанесением покрытия железобетонная поверхность
обязательно должна быть хорошо очищена, просушена и прогре-
та электрообогревателем любого типа. Покрытие наносят в четыре
слоя общей толщиной 0,6...0,8 мм. Эпоксидные смолы также ис-
пользуют для защиты внутренней поверхности железных чанов и
цистерн.

Для защиты железобетонных емкостей, применяемых для хра-
нения пищевых продуктов, используют трехслойное эпоксидное
покрытие: первый слой грунта и два покровных слоя. Сушка каж-
дого слоя осуществляется в воздушно-сухих условиях в течение
24 ч с последующей сушкой всех трех слоев в течение 28 сут. Высу-
шенное покрытие промывают раствором соды с последующим
ополаскиванием.
Резиновые покрытия изготавливают на основе натурального или
синтетических каучуков. В состав композиций входят стабилизато-
ры, вулканизирующие агенты и другие добавки. В процессе вулка-
низации образуется трехмерная структура, обеспечивающая по-
крытиям хорошие механические свойства.

Для футеровки изделий простой формы используют листовые
материалы из сырой резины с последующей ее вулканизацией на
подложке. Для защиты изделий сложной конфигурации применя-
ют жидкие материалы в виде дисперсий или растворов.

Высокой эластичностью и хорошими адгезионными свойства-
ми обладают покрытия из резин на основе натурального каучука,
которые используют для защиты от минеральных кислот и щело-
чей.

Мягкие резины в основном применяют для покрытия различ-
ных аппаратов, деталей, цистерн, труб. Они представляют собой
полимерные композиции сложного состава на основе эластоме-
ров линейного или разветвленного строения (каучуков) в виде
латексов или клеев.

Например, для футеровки емкостей их внутреннюю поверх-
ность подвергают дробеструйной обработке и оклеивают листо-
вой смесью резины с фенолоформальдегидной смолой. После этого
поверхность облицовывают кислотоупорной плиткой на диабазо-
вой замазке.

Разработку теплостойких резин ведут с учетом специфики
свойств агрессивных сред. Наибольший интерес представляют
жидкие силоксановые каучуки, которые обладают высокой теп-
лостойкостью (до 250 °C) и нетоксичны.

Высокая сопротивляемость истиранию резин позволяет при-
менять их для аппаратов, работающих с жидкостями, содержащи-
ми взвешенные вещества (насосы, трубопроводы). Иногда приме-
няют твердые резины — эбониты. Эбониты по сравнению с рези-
нами имеют более высокую химическую стойкость.

7.3.3.	Защитные технологические покрытия

Для защиты от окисления при высоком нагреве различных сор-
тов сталей, жаропрочных, титановых, никелевых и других спла-
вов созданы защитные технологические покрытия, которые рабо-
тают в интервале температур 950... 1 700°C. Эти покрытия эколо-
гически чистые, экономичны и просты в использовании, облада-
ют хорошими смазочными характеристиками и могут быть ис-
пользованы при обработке методами пластической деформации
сталей и сплавов.

При штамповке заготовок из титановых сплавов применяют
покрытия ЭВТ-24, ЭВТ-25, которые защищают металл от окис-
ления, улучшают процесс заполнения формы, уменьшают глуби-
ну газонасыщенного слоя, повышают стойкость штампов в 1,5 —
3 раза.

Покрытия ЭВТ-35, ЭВТ-57, ЭВТ-88М используют в изотер-
мической штамповке титановых и никелевых жаропрочных спла-
вов при изготовлении точных заготовок сложного профиля, при
этом коэффициент использования материала повышается на 20...
30 % и увеличивается стойкость штампов, сокращаются припуски
на механическую обработку и снижается трудоемкость изготовле-
ния деталей.

Покрытия ЭВТ-67, ЭВТ-78М, ЭВТ-100 позволяют защищать
поверхности заготовок из тугоплавких сплавов от окисления.

Применение защитных технологических покрытий позволяет
экономить металл и снижать себестоимость изготовления деталей.

7.3.4.	Теплозащитные покрытия

При изготовлении космических ракет и кораблей, самолетов
и ракет военного назначения используют специальные материа-
лы для тепловой защиты жилых отсеков и аппаратуры управле-
ния. Трагический запуск корабля многоразового использования
«Колумбия» показал, что нарушение герметичности клеевого шва
в защитной облицовке приводит к разрушению всего корабля.
Тепловая защита изолирует обшивку летательного аппарата от
плотных слоев атмосферы, которые при торможении нагревают-
ся до 1 300 °C, и состоит из плиток, выполненных из волокнис-
того керамического материала. Материал плиток может выдер-
живать многократное тепловое воздействие в интервале темпера-
тур -150... +1 300 °C, обладает низкой плотностью и теплопровод-
ностью, выдерживает значительные нагрузки от тепловых дефор-
маций и вибраций. После каждого полета заменяют около сотни
поврежденных плиток системы тепловой защиты, которые имеют
трещины, выкрашивания, прижоги. В защитной облицовке кос-
мического корабля «Дискавери» перед одним из полетов были за-
менены 1 900 плиток.

Для изготовления панелей корабля многоразового использова-
ния «Буран» были использованы композиции на основе аморф-
ного кварцевого волокна (табл. 7.1).

Плитки приклеивают к поверхности корабля специальной па-
стой, чем достигается высокая прочность теплозащитного покры-
тия и сводится к минимуму возможность отрыва плиток во время
полета. Теплозащитные керамические плитки используют при фу-
теровке плавильных электропечей, что по сравнению с тради-
ционными огнеупорами позволяет на 30...50 % снизить расход
электроэнергии, а также в 5 — 10 раз сократить время разогрева,
что особенно важно для печей, имеющих периодический цикл
работы.
Таблица 7.1

Параметры материалов ТЗМК-10 и ТЗМК-25

Параметр	ТЗМК-10	ТЗМК-25
Диапазон рабочих температур, К	120... 1 500	120... 1 500
Плотностью/, кг/м3	150	250
Предел прочности при растяжении ов, МПа	0,35	1,0
Предел прочности при сжатии осж, МПа	0,5	1,2
Предел прочности при изгибе оизг, МПа	0,6	1,2
Теплопроводность А., Вт/(м К), при 300 К	0,05	0,066

Для авиационно-космической техники разработан волокнистый
теплоизоляционный материал на основе волокон оксида алюми-
ния. Этот материал по сравнению с кремнеземным длительно
выдерживает температуру 1 650... 1 700 °C, и обладает в 2 —2,5 раза
более высокой прочностью.

Волокнистые материалы на основе SiO2 и А12О3 эффективно
используют в качестве высокотемпературных жидкостных и газо-
вых фильтров, катализаторов, а также армирующих наполните-
лей деталей двигателей внутреннего сгорания.

Основными недостатками таких волокнистых материалов яв-
ляются низкая удельная прочность, возможность эрозии и исти-
рания. Поэтому для повышения эффективности их применения
необходимы поверхностные покрытия.

7.3.5.	Терморегулирующие покрытия

Разработан эффективный способ получения высокотемператур-
ных терморегулирующих покрытий, называемый «золь-гель»-тех-
нологией, в основе которой лежат химические процессы синтеза
алкоксипроизводных металлов и неметаллов (Si, Al, В, Zr, Hf, Y
и др.) с последующим гидролизом, конденсацией и гелеобразо-
ванием. Такая технология позволяет получать однородные покры-
тия при комнатной температуре и управлять их свойствами. Мате-
риал покрытия наносят на рабочие поверхности кистью, пульве-
ризатором, шпателем, методом окунания. На основе «золь-гель»-
технологии разработаны высокотемпературные терморегулирую-
щие покрытия с рабочей температурой до 1 500 °C для защиты по-
верхности огнеупорных футеровок и волокнистых теплоизоляци-
онных материалов от агрессивных горячих газовых потоков и тер-
моударов. Толщина покрытия составляет 0,05...2,0 мм, излучае-
мая способность — 0,50...0,95, расход покрытия 0,15...0,40 кг/м2.
При использовании покрытий поверхность волокнистых теп-
лоизоляционных материалов упрочняется в 2 раза, значительно
снижается эрозионное разрушение из-за воздействия газовых по-
токов и агрессивных сред, на 30...50 % увеличивается срок служ-
бы, на 20... 30 % снижается энергоемкость за счет снижения теп-
ловых потерь, повышается температура эксплуатации изделий. Тер-
морегулирующие покрытия используют в изделиях авиационно-
космической техники, энергетическом и химическом машиностро-
ении.

7.3.6.	Лакокрасочные покрытия

Свойства и классификация лакокрасочных покрытий. Лакокра-
сочные материалы — это составы, наносимые на защищаемую
поверхность тонкими слоями и образующие после высыхания и
отверждения твердую, плотную и прочно сцепленную с поверх-
ностью пленку. Они состоят из основных материалов (связую-
щие — пленкообразующие вещества, пигменты, наполнители) и
вспомогательных (пластификаторы, отвердители, растворители
и др.).

Пленкообразование при формировании лакокрасочного покры-
тия происходит следующими способами: испарением растворите-
лей (например, для поливинилхлоридных покрытий); взаимодей-
ствием с отверждающими агентами (для эпоксидных покрытий);
поликонденсацией (для фенольных покрытий); окислением (для
маслосодержащих покрытий); расплавлением и напылением (для
полиэтилена и др.).

Системой лакокрасочного покрытия называют сочетание слоев
лакокрасочных материалов, последовательно нанесенных на за-
щищаемую поверхность.

Толщина покрытия зависит от типа и свойства наносимого
лакокрасочного материала, его вязкости, процесса нанесения,
степени агрессивности среды и других условий эксплуатации,
свойств металла и степени сложности его поверхности, возмож-
ности нанесения определенным способом и назначения.

Обычно толщина однослойной пленки правильно нанесен-
ной эмали при 18...22°C составляет 25...30 мкм, а нагретой до
40...60°C — 15...20 мкм.

Для жестких условий эксплуатации минимальная общая тол-
щина эпоксидного и винилового покрытий принимается равной
250...300 мкм, алкидного и полиуретанового — 200...250, крем-
нийорганического — 80... 120 мкм. Для мягких условий эксплуата-
ции толщина может быть уменьшена на 10... 12 %.

Лакокрасочным материалам присущи определенные физичес-
кие (плотность, теплопроводность, атмосферостойкость и др.),
механические (прочность, твердость, эластичность, истираемость
и др.), химические (кислото-щелочестойкость, токсичность и др.)
свойства.

Все лакокрасочные материалы по своему виду (грунтовки, эма-
ли, краски, лаки) в зависимости от рода основного пленкообра-
зующего вещества подразделяют:

по составу на группы.

КО — кремнийорганические;

ХС — сополимерно-винилхлоридные;

ЭП — эпоксидные;

ПФ — пентафталевые;

по преимущественному назначению'.

1	— атмосферостойкие;

2	— ограниченно атмосферостойкие;

3	—	консервационные;

4	—	водостойкие;

5	—	специальные;

6	—	маслобензостойкие;

7	—	химически стойкие;

8	—	термостойкие;

9	—	электроизоляционные;

О	—	грунтовки;

00	—	шпатлевки.

Грунтовки — это пигментированные растворы пленкообразо-
вателей в органических растворителях. Они служат для создания
на защищаемой поверхности антикоррозионного слоя и обеспе-
чения высокой прочности сцепления как с поверхностью, так и с
последующими покрывными слоями. В системе поверхность — грун-
товка — покрывной состав (эмаль) грунтовка выполняет роль «хи-
мического мостика».

Эмали (покрывные слои) — это пигментированные и напол-
ненные лаки, предназначены для обеспечения защиты металла от
коррозии совместно с грунтовками и придания объекту требуе-
мого декоративного вида. Как правило, их наносят на предвари-
тельно загрунтованные поверхности.

В различных отраслях пищевой промышленности лакокрасоч-
ные композиции часто изготавливают на месте на основе таких
связующих, как эпоксидные, кремнийорганические, полиурета-
новые, сополимервинилхлоридные и другие смолы. В них добав-
ляют пигменты и наполнители, а также вспомогательные матери-
алы (пластификаторы, растворители, разбавители, отвердители).
Все компоненты перемешивают, перетирают и фильтруют до по-
лучения готовых к употреблению составов.

Пигменты — это тонкоизмельченные цветные природные и
синтетические неорганические оксиды, соли металлов, органи-
ческие или металлические вещества (порошки), не растворимые
в дисперсных средах и воде, способные создавать с пленкообразу-
ющим покрытием защитное покрытие. Многие пигменты облада-
ют высокими противокоррозионными свойствами. Они предназ-
начены для получения окрашенных покрытий и обеспечивают
твердость, снижают набухание пленки в воде.

Наполнители — это дисперсные неорганические природные или
синтетические вещества, не растворимые в растворителях, воде и
дисперсионных средах. Они предназначены для повышения адге-
зии, модуля упругости, твердости, прочности, тепло-, огне-,
кислото-, щелоче- и атмосферостойкости покрытий, снижения
стоимости покрытия, придания композиции требуемой теплопро-
водности, снижения температурного коэффициента расширения
покрытий до значений, характерных для металлов. Их добавляют
до 25 % от количества вводимых пигментов.

Пластификаторы — это низколетучие растворители, изменя-
ющие вязкость системы, повышающие ее эластичность и пред-
назначенные для облегчения условий пленкообразования, повы-
шения стойкости к растрескиванию при цикле нагрев — охлажде-
ние, регулирования таких физико-механических свойств, как хруп-
кость, повышение удлинения, сопротивление удару, эластичность.

Растворители (разбавители) — это органические жидкости,
однокомпонентные растворители или их смеси, предназначенные
для разведения лакокрасочных материалов до рабочей вязкости и
улучшения их технологических свойств. Растворители должны иметь
хорошую растворяющую способность, оптимальную температуру
кипения и минимальную токсичность.

Отвердители — это химические соединения, добавляемые в
состав только определенных лакокрасочных материалов (эпоксид-
ных, уретановых и др.) для их отверждения.

Износостойкие покрытия. Одним из необходимых условий при
выборе материалов для покрытий является высокая износостой-
кость защитных покрытий.

Полимерные покрытия являются эффективным средством для
повышения износостойкости. Долговечность покрытий зависит от
плотности материалов, из которых они изготовлены, их адгези-
онной способности к подложке, трибометрических свойств, рав-
номерности распределения в них модификаторов и наполните-
лей.

Большинство полимерных материалов имеют высокую износо-
стойкость. Использование тонких полимерных слоев в сочетании
с теплостойкостью металлического основания позволяет созда-
вать надежно работающие износостойкие покрытия.

С повышением молекулярной массы и регулярности макромо-
лекул в ряду одного типа полимера износостойкость покрытий
увеличивается. Свойства износостойких покрытий во многом за-
висят от состава композиции, изменяя который можно регулиро-
вать износостойкие характеристики в широких пределах и полу-
чать покрытия различного назначения как с низким, так и с вы-
соким коэффициентом трения.

Чаще других полимеров для износостойких покрытий исполь-
зуют полиуретаны, пентапласт, политетрафторэтилены, полиами-
ды, эпоксидные композиции. Например, хорошо противостоят аб-
разивному износу трубы, покрытые изнутри полиуретаном.

Покрытия на основе ненаполненных полиуретановых эласто-
меров по стойкости к абразивной эрозии превосходят ряд марок
нержавеющих сталей.

Одним из перспективных износостойких материалов является
поливинилденфторид (ПВДФ). Его применяют как в качестве по-
крытий и футеровок элементов насосных агрегатов, так и для из-
готовления насосов для перекачивания агрессивных сред.

Одним из рациональных способов повышения износостойко-
сти покрытий является модифицирование полимерных компози-
ций неорганическими и минеральными наполнителями, напри-
мер дисульфидом молибдена, тальком, аморфным бором, корун-
дом, оксидом цинка, карбидом кремния и др.

Снижению износа покрытий способствует наполнение поли-
мерных композиций стекловолокном, графитом, цементом, ас-
бестом, маршаллитом, повышающими прочность, теплостойкость
и другие характеристики полимеров.

Контрольные вопросы

1.	С какой целью на детали наносят покрытия?

2.	Какие виды покрытий используют?

3.	Какова технология нанесения покрытий? Как классифицируют про-
цессы нанесения покрытий?

4.	Каковы область применения и свойства цинковых покрытий?

5.	Каковы область применения и свойства алюминиевых покрытий?

6.	Каковы область применения и свойства оловянных и хромсодержа-
щих покрытий?

7.	В чем сущность нанесения покрытия плакированием?

8.	Как наносят покрытия осаждением в вакууме?

9.	Что представляет из себя эмаль? Какие способы эмалирования вы
знаете?

10.	Какие способы нанесения органических полимерных покрытий вы
знаете?

11.	В чем заключается вихревой метод напыления?

12.	В каких областях используют теплозащитные покрытия?

13.	Каковы материалы и свойства терморегулирующих покрытий?

14.	Каковы назначение и область использования лакокрасочных по-
крытий?

15.	С какой целью используются пигменты, наполнители и пластифи-
каторы?
РАЗДЕЛ II

ШТАМПОВОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ГЛАВА 8

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ
ПЕРЕД ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

8.1.	Резка металла на заготовки

8.1.1.	Резка на ножницах и прессах

Наиболее частым видом штамповки является штамповка из
штучных заготовок, значительно реже встречается штамповка от
прутка. Поскольку металл поставляют на заводы в виде прутков и
полос длиной до 6 м, первой и весьма важной задачей обработки
металлов давлением является отделение от прутка штучной заго-
товки нужной длины (а иногда и нужной массы).

Резка на ножницах и прессах является самым производитель-
ным и распространенным видом резки металла на заготовки. Она
состоит в том, что пруток или полосу помещают между двумя
половинами отрезного штампа (ножами), и при относительном
сдвиге подвижной части штампа в плоскости, перпендикулярной
оси заготовки, производят отделение штучной заготовки (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема резки на ножницах и прессах:

I — пруток; 2 — прижим; 3 — подвижный нож; 4 — упор; 5 — отрезаемая
заготовка; 6 — нижний (неподвижный) нож
Вследствие наличия зазоров и упругих деформаций звеньев
прижимного механизма пруток 1 поворачивается на некоторый
угол а, — угол опрокидывания. Отрезаемая заготовка 5 отгибается
подвижным ножом 3 и имеет наклон под углом а2- Эти факторы,
а также зазор А между ножами приводят к тому, что у отрезанной
заготовки торцы не перпендикулярны оси заготовки, а имеют
наклоны. Угол <р( называют углом скоса заднего торца, а угол <р2
называют углом скоса переднего торца. Так как углы скосов влияют
на правильную установку заготовок в штампе, их значения не
должны превышать для скоса переднего торца 3,5°, а для скоса
заднего торца — 7°.

Усилие резки Р, Н, по которому выбирают ножницы или пресс,
подсчитывают по формуле

Р = /овЛ	(8.1)

где z — коэффициент, для стали i - 0,7...0,8; g„ — временное
сопротивление, Н/мм2; F— площадь сечения разрезаемого метал-
ла, мм2.

Для снижения усилия резки и повышения стойкости ножей, а
главное, для исключения опасности возникновения торцовых тре-
щин, прутки перед резкой подогревают. В первую очередь это от-
носится к пруткам из неотожженных высокоуглеродистых и леги-
рованных сталей. Ориентировочная температура подогрева состав-
ляет 450... 650 °C (720... 920 К). Меньшие значения температуры по-
догрева относятся к высокоуглеродистым сталям и диаметрам за-
готовок до 50 мм, большие значения — к легированным сталям
диаметром свыше 50 мм.

Для резки металла на заготовки применяют универсальные
кривошипные прессы и ножницы. Кривошипные прессы обычно
применяют для резки заготовок диаметром до 40 мм, а также и
для резки проката более крупных сечений, если предъявляются
повышенные требования к качеству торцов и точности отрезки.
Лучшее качество реза на кривошипных прессах объясняется при-
менением специальных отрезных штампов довольно сложной кон-
струкции, создающих предварительно осевое сжатие прутка.

Существует три типа ножниц — сортовые, сортофасонные и
комбинированные. Сортовые ножницы применяют для резки сор-
тового проката, т. е. круглого, квадратного и полосового. Серийно
выпускаемые ножницы позволяют отрезать заготовки диаметром
40... 250 мм в зависимости от типоразмера ножниц.

Сортофасонные ножницы предназначены для резки угловой стали
и фасонных профилей — таврового сечения, швеллеров и т. п.

Комбинированные ножницы сочетают в своей конструкции узел
для отрезки листовой и полосовой стали, узел сортофасонной
отрезки — для круглого, квадратного, углового проката, двутавра
и швеллера, а также узел для пробивания отверстий. Рабочие ходы
узлы совершают поочередно.

Производительность резки зависит от диаметра и длины заго-
товки. Диаметр заготовки определяет мощность ножниц и тем са-
мым их быстроходность (машинное время резки). Длина же заго-
товки определяет вспомогательное время на установку прутка в
ножевом штампе. Ориентировочные данные часовой производи-
тельности следующие: максимальная часовая производительность
ножниц при диаметре заготовки 40 мм, длине до 100 мм —
1 600 шт., минимальная — при диаметре заготовки 250 мм, длине
до 1 600 мм — 15 — 20 шт.

8.1.2.	Ломка на хладноломах

Заготовки крупных сечений часто целесообразно получать хо-
лодной ломкой. Сущность этого метода получения штучных заго-
товок состоит в том, что на прессе осуществляют изгиб прутка и,
благодаря заранее сделанному надрезу, в нужном сечении возни-
кает концентрация напряжений и происходит разрушение мате-
риала заготовки. Применяют два вида ломки: одноопорная и двух-
опорная (рис. 8.2). Одноопорная ломка безопаснее (концы металла
отламываются вниз), но требует применения специальных под-
держек.

Глубину надреза h, мм, подсчитывают по эмпирической фор-
муле

h = kl/a,

где к = 1... 2 — коэффициент, зависящий от хрупкости стали (к = 1
для хрупких сталей и к = 2 для мягких сталей); а — размер сечения
заготовки (сторона квадрата или диаметр окружности), мм.

Ширина прорези зависит от ширины режущего инструмента.

Рис. 8.2. Схема холодной ломки:

а — одноопорная; б — двухопорная; d — диаметр прутка; Ь и h — ширина и
глубина прорези; с — расстояние между нажимными опорами; / — длина отреза-
емой заготовки; Р — усилие ломки
Усилие, необходимое для ломки, подсчитывается по форму-
лам:

для круглого сечения

РкР = ^--4^3°к;	(8.2)

для квадратного сечения (ломка в направлении стороны)

(8.3)

для квадратного сечения (ломка в направлении диагонали)

Лв д = £ (g 4)

где d и а — диаметр окружности или сторона квадрата, мм; ов —
временное сопротивление, Н/мм2; с — расстояние между опора-
ми (см. рис. 8.2), мм; к — коэффициент, требующий эксперимен-
тального уточнения и зависящий от формы опор, формы сечения
проката и т.п., к = 0,7... 1,1.

Холодная ломка весьма производительна, выгодна в энергети-
ческом отношении, а также позволяет по излому контролировать
качество металла. Недостаток метода заключается в необходимо-
сти предварительного надрезания.

8.1.3.	Резка на металлорежущих станках

При резке на дисковых пилах получается хорошее качество тор-
цов заготовки, однако этот способ резки малопроизводителен.
Кроме того, превращается в стружку часть металла (ширина про-
реза 6,0... 6,5 мм). Подача на один зуб пильного диска 0,05... 0,20 мм
(в зависимости от твердости стали). Подача пилы при прорезке
не остается постоянной, а автоматически уменьшается с увели-
чением дуги контакта, т. е. с числом одновременно работающих
зубьев.

Скорость резания зависит от механических свойств материала
и составляет 25...30 м/мин для материалов с временным сопро-
тивлением до 450 Н/мм2 и снижается до 10 м/мин для материа-
лов с временным сопротивлением свыше 900 Н/мм2.

При резке на приводных ножовках скорость резания так же, как
и на дисковых пилах, зависит от характеристики прочности мате-
риала. Ориентировочно можно принимать скорость резания ножо-
вочного полотна 30...40 м/мин для материалов с временным со-
противлением разрыву до 400 Н/мм2 и 10... 15 м/мин для матери-
алов с временным сопротивлением разрыву свыше 800 Н/мм2 (ско-
рости резания при промежуточных значениях временного сопро-
тивления разрыву выбираются интерполированием). Верхние пре-
делы скоростей рекомендуют для ножовочных полотен из быст-
рорежущей стали, а нижние — для полотен из углеродистой ин-
струментальной стали.

Для изготовления заготовок из труб применяют резку станка-
ми токарного типа одно- и двурезцовыми. В двурезцовых станках
суппорты имеют встречное движение подачи. Для скоростной рез-
ки применяют резцы с напайными пластинками из твердого сплава
Т15К6. Ширина резцов 4... 6 мм. При подаче до 0,4 мм/об скорость
резания может доходить до 300 м/мин (при подводе охлаждающей
жидкости в зону реза).

8.1.4.	Кислородная резка

При кислородной резке металл в месте прореза разогревают
пламенем от сгорания смеси кислорода и горючего газа (рис. 8.3).
Смесь подают по боковым каналам а. Затем подводят чистый кис-
лород по центральному каналу, и металл начинает выгорать.

Скорость кислородной резки (т. е. скорость перемещения реза-
ка-горелки) не должна превышать скорости выгорания металла,
иначе не будет сквозного прорезывания. Однако не рекомендуют
и слишком малую скорость перемещения резака, так как проис-
ходит оплавление кромок. Ориентировочные значения предель-
ной скорости составляют для толщины металла 10 мм — не более
600 мм/мин, для 100 мм — 240 мм/мин, для 300 мм — 110 мм/мин.

Рис. 8.3. Схема кислородной резки:
а — боковые каналы; b — ширина прорези; 5 — толщина металла
Для кислородной резки используют любые газы, имеющие теп-
лотворную способность не менее 2 400 ккал/м3, температуру пла-
мени при сгорании в смеси с кислородом — не ниже 1 800 °C
(2 070 К) и содержание балласта не более 35 %. Этим условиям
удовлетворяют ацетилен, метан, нефтяные газы, бензин, керо-
син, водород и некоторое другие.

Повышенное содержание ряда элементов в стали затрудняет
проведение кислородной резки: углерода — свыше 0,4 %, хрома —
свыше 2 %, молибдена — свыше 0,5 %, вольфрама — свыше 10 %.
Поэтому высоколегированные стали (хромистые, никелевые, мо-
либденовые и вольфрамовые) необходимо резать кислородом
только при введении в зону раздела флюса (железного порош-
ка).

Ширина реза и шероховатость его поверхности зависят от спо-
соба резки (машинного или ручного) и от толщины металла. При
машинной резке ориентировочные значения ширины реза, мм,

b = 2 + 0,035,	(8.5)

где 5 — толщина металла, мм.

При ручной резке ширину реза увеличивают на 25 %.

В результате оплавления металла на поверхности реза образу-
ются отдельные гребешки и впадины: при машинной резке от
0,1 мм (при толщине стали 5 мм) до 2,5 мм (при толщине стали
300 мм), при ручной резке — от 0,5 мм (при толщине стали 5 мм)
до 4 мм (при толщине стали 300 мм).

8.1.5.	Анодно-механическая резка

Анодно-механическую резку применяют главным образом для
разрезания сталей, трудно поддающихся обычным способам рез-
ки. Сущность способа состоит в следующем. Тонкий стальной диск 1
(рис. 8.4) вращается с большой скоростью (до 25 м/с) и переме-
щается в направлении к заготовке 3. В зону контакта диска и заго-
товки подают рабочую жидкость (электролит) 2. Генератор посто-
янного тока обеспечивает напряжение U = 20...28 В и силу тока
7= 80... 450 А. В зоне контакта диска и заготовки поверхность заго-
товки окисляется. Этот слой мягких окислов снимают при трении
диска о заготовку, и обнажающаяся поверхность заготовки окисля-
ется снова. Наиболее употребительная рабочая жидкость — раствор
жидкого стекла с плотностью 1,28... 1,32 г/см3.

Размеры дисков-инструментов зависят от диаметров заготов-
ки: для диаметра заготовки 30... 100 мм диаметр диска должен со-
ставлять 200...400 мм при толщине 0,8... 1,0 мм; для диаметра за-
готовки 200... 300 мм диаметр диска — 800... 1 100 мм при толщи-
не 1,7...2,0 мм.
V

Рис. 8.4. Схема анодно-механической резки:

1 — стальной диск; 2 — рабочая жидкость; 3 — заготовка; 4 — генератор посто-
янного тока; 5 — амперметр; v — скорость резания; 5 — подача

Минутная подача инструмента при отрезке прутка диаметром
40 мм составляет 27 мм/мин, а диаметром 300 мм — только
8,6 мм/мин.

Ширина реза должна быть 1,5 — 2 толщины диска. При мень-
шей ширине реза не обеспечивается свободный доступ рабочей
жидкости в зону резания, при большей ширине реза снижается
производительность и увеличиваются потери металла. Указанные
размеры ширины реза получают созданием торцевого биения (у
дисков с толщиной до 1 мм) и гофрированием более толстых
дисков.

Недостаток анодно-механической резки — значительный из-
нос электрода-инструмента (15...25 % от объема удаленного ме-
талла из полости раздела), а также пористость торцов заготовок,
причем глубина дефектного слоя составляет 1,5...2 мм (для круп-
ных сечений).

8.1.6.	Выбор способа резки и допуски на длину заготовки

При крупносерийном и серийном производстве основным спо-
собом резки металла на заготовки является резка на ножницах и
прессах. Он отличается высокой производительностью, дешевиз-
ной и отсутствием потерь металла на прорезку. Недостаток метода —
искажение формы торцов заготовок и весьма большие колебания
длины отрезанных заготовок.

При мелкосерийном и индивидуальном производстве, особен-
но при применении проката крупных сечений, применяют кис-
лородную резку.

Резку проката на пилах и других отрезных станках рекоменду-
ют применять только тогда, когда предъявляются повышенные
требования в отношении качества реза и допусков на длину заго-
товки, а также при отсутствии пресс-ножниц нужного усилия для
резки проката крупных сечений. Это связано с тем, что резка на
металлорежущих станках характеризуется относительно низкой
производительностью, высокой стоимостью, низкой стойкостью
режущего инструмента и потерями металла на прорезку.

Допуски на длину отрезанных заготовок назначают в зависи-
мости от способа резки, диаметра проката и длины отрезаемой
заготовки. Чем больше диаметр отрезаемой заготовки и ее длина,
тем большее значение допуска следует назначать. Так, для диа-
метра проката до 50 мм допуски при резке на ножницах составля-
ют для заготовок длиной до (300 ± 1) мм, для заготовок длиной
свыше (1 000 ± 2,5) мм, а для диаметра проката 150 мм — соответ-
ственно для заготовок длиной до (300 ± 2,5) мм, для заготовок
длиной свыше (1 000 ± 4) мм.

Аналогично при резке указанных размеров заготовок на метал-
лорежущих станках допуски назначают соответственно ±0,8; ± 1,5 мм
и ±1,5; ±2,5 мм.

8.2.	Нагрев металла для ковки и штамповки

8.2.1.	Температурный интервал ковки и штамповки

При обработке давлением в металле одновременно протекают
два процесса — наклеп и рекристаллизация (упрочнение и разу-
прочнение). Первый процесс происходит вследствие размельче-
ния зерен металла под нагрузкой, второй процесс — вследствие
роста зерен при температуре штамповки. Штамповку проводят при
температуре, которая обеспечивает рекристаллизацию, т. е. рост
зерен до определенных размеров в процессе обработки. Для каж-
дого сплава устанавливают температурный интервал штампов-
ки — допустимые наивысшую температуру начала и наинизшую
температуру конца штамповки. Малоуглеродистые стали имеют тем-
пературный интервал 1 230...750°C, конструкционные стали —
1 200...800°C, легированные стали — 1 150...850°C, быстрорежу-
щие стали — 1 200...800°C, дюралюминий — 500...380°C, ла-
тунь — 800...650°C, бронза — 920... 800°C. Наименьший темпера-
турный интервал штамповки имеют цветные металлы (всего око-
ло 100... 150°C), поэтому при их штамповке принимают меры для
уменьшения охлаждения поковок в процессе штамповки (напри-
мер, подогрев штампов).

8.2.2.	Режимы нагрева заготовок и охлаждения поковок

Режим нагрева заготовки должен обеспечить по возможности
быстрейшее достижение требуемой температуры заготовки, рав-
номерное распределение температуры по длине и по сечению за-
готовки. При этом должно быть обеспечено минимальное окисле-
ние и обезуглероживание поверхности и отсутствие микро- и мак-
ротрещин. Причиной образования микро- и макротрещин могут
быть термические напряжения в металле, возникающие при слиш-
ком большой скорости нагрева, поэтому скорость нагрева не долж-
на превышать допустимую для данной заготовки. Заготовки с раз-
мером сечения до 200 мм (диаметр или сторона квадрата) нагре-
вают с максимальной технически возможной скоростью. Заготов-
ки больших сечений нагревают с меньшей (так называемой допу-
стимой) скоростью. Понятие допустимой скорости нагрева имеет
смысл только в интервале температур от 20 до 550 °C (для стали),
т. е. в первом периоде нагрева, так как в дальнейшем металл ста-
новится пластичным и термические напряжения уже не могут выз-
вать трещин. При охлаждении поковок также соблюдают опреде-
ленные режимы, зависящие от марки стали и размеров попереч-
ного сечения поковки, так как в различных частях заготовки пе-
реход через критический интервал температур происходит не од-
новременно. Возникают структурные напряжения, которые могут
суммироваться с температурными и тем самым создавать опасность
возникновения микро- и макротрещин и (в некоторых марках ста-
лей) образование флокенов (внутренних трещин). Поэтому при
охлаждении поковок соблюдают определенные режимы, завися-
щие от марки стали и размеров поперечного сечения поковки: чем
больше размеры сечения поковки и чем более легирована сталь,
тем менее интенсивно должно происходить охлаждение поковки.

Применяют следующие режимы охлаждения (в порядке умень-
шения скорости охлаждения):

•	на воздухе поштучно и в штабелях;

•	в малотеплопроводных материалах — кизельгуре (инфузорная
земля), гранулированном доменном шлаке, песке, гравии, ка-
менноугольной золе, шлаковой вате и т.п.;

•	в термосах и необогреваемых колодцах;

•	в подогреваемых колодцах;

•	в печах различного типа.

8.2.3.	Угар металла. Борьба с окислением при нагреве

Угаром металла называют безвозвратные потери металла, про-
исходящие во время нагрева заготовок вследствие образования на
их поверхности слоя окислов (окалины).

Величина угара металла в печах зависит:
• от состава газовой атмосферы;

•	температуры и продолжительности нагрева;

•	соотношения между весом и поверхностью заготовки;

•	химического состава металла.
Топливо сжигают обычно с избытком воздуха, поэтому в со-
став газовой атмосферы печи входят О2, SO2, Н2О и СО2, являю-
щиеся окислителями.

При температуре до 650 °C стали практически не окисляются,
но с повышением температуры угар резко возрастает. Так, если
принять скорость образования окалины при 900 °C за единицу, то
при 1 100 °C она возрастает в 3 раза, а при 1 300 °C — в 7 раз.

Величина угара находится почти в прямой зависимости от вре-
мени нагрева (табл. 8.1). Так, при продолжительности нагрева 3 ч
угар составляет 0,9% от массы заготовки, а при 8,5 ч нагрева —
достигает уже 2,5 %.

Угар резко возрастает также с увеличением отношения поверх-
ности нагреваемой заготовки к ее массе.

На окисление поверхности заготовки при нагреве влияет так-
же химический состав стали. С увеличением содержания углерода
в стали интенсивность угара несколько снижается, а с уменьше-
нием — возрастает.

Легирующие элементы (за исключением никеля) — алюми-
ний, хром, кремний, молибден, кобальт — значительно снижают
скорость образования окалины. Никель в составе стали не окисля-
ется, но способствует окислению железа, в присутствии хрома и
никель снижает интенсивность угара.

Для устранения потерь металла (3 %) из-за угара применяют
меры, уменьшающие угар либо совершенно его исключающие:

•	уменьшение продолжительности нагрева путем перехода на
скоростной нагрев или на электронагрев;

•	применение защитного газового слоя на поду печи;

•	нагрев в защитных атмосферах;

•	нагрев в печах безокислительного нагрева при неполном сжи-
гании газообразного топлива;

•	нагрев в расплавленных солях и в расплавленном стекле;

•	нагрев металла, обмазанного специальными предохранитель-
ными составами;

•	нагрев в печах открытого пламени с применением паров ли-
тья.

Таблица 8.1

Зависимость угара от размеров сечения заготовки
и продолжительности нагрева

Сечение заготовки, мм	Продолжительность нагрева, ч	Угар (в процентах к массе заготовки)
100x100	3	0,9
200x200	5,7	2,1
300x300	8,5	2,5
Первые два способа уменьшают окалинообразование, осталь-
ные почти полностью исключают появление окалины.

8.2.4.	Электрический нагрев заготовок

Для нагрева заготовок под штамповку применяют три способа
электронагрева: нагрев в печах сопротивления, индукционный и
контактный нагревы.

Нагрев в электрических печах сопротивления стальных заготовок
не имеет существенных технологических преимуществ перед на-
гревом в топливных печах. Поэтому его применяют только для
нагрева заготовок небольшого сечения и сложной формы, а так-
же в тех случаях, когда особо высоки требования к качеству на-
грева — большая степень равномерности температуры в рабочей
камере, высокая точность регулирования температуры, отсутствие
воздействия печных газов на поверхность заготовки.

Напротив, нагрев заготовок из цветных металлов и сплавов
почти исключительно проводят в печах сопротивления. Для нагре-
ва стальных заготовок до температуры 1 250 “С применяют элект-
рические печи с карборундовыми нагревателями, а для нагрева
цветных металлов и сплавов до температуры 900 °C применяют
нагреватели из высокоомных сплавов.

Индукционный нагрев требует больших капитальных затрат и экс-
плуатационных расходов, но легко автоматизируется и позволяет
создать высокопроизводительные нагревательные установки, быс-
тро окупающиеся в крупносерийном и массовом производстве.

Применяют индукционный нагрев токами промышленной ча-
стоты (50 Гц) и токами повышенной частоты (500... 10 000 Гц).
Частоту 50 Гц применяют только для диаметров заготовок свыше
200 мм, так как при уменьшении диаметров заготовок КПД ин-
дуктора с частотой 50 Гц резко снижается и время нагрева загото-
вок увеличивается. Для заготовок диаметром 15...200 мм приме-
няют индукторы с частотой 500... 10 000 Гц.

Установка для индукционного нагрева заготовок под штамповку
состоит из генератора, преобразующего ток промышленной час-
тоты в ток повышенной частоты, и нагревателя. В кузнечных цехах
в качестве генераторов применяют машинные преобразователи с
воздушным или водяным охлаждением. Нагреватели (индукторы)
изготавливают двух видов: нагреватель, не связанный ни механи-
чески, ни электрически с кузнечно-прессовым оборудованием, и
автоматизированный нагреватель, встроенный в штамповочное
оборудование и работающий с ним в едином цикле.

Нагрев сопротивлением, или контактный нагрев, наиболее эко-
номичный вид электронагрева. Однако он имеет ряд ограничений
в своем применении — по диаметру заготовок (10...50 мм) и по
длине заготовок (отношение длины заготовки к квадрату диамет-
ра должно быть более 1). Заготовку крепко зажимают между двумя
парами контактов, соединенными с вторичной обмоткой пони-
жающего трансформатора. Поскольку заготовка представляет со-
бой часть вторичной цепи, наибольшая экономичность нагрева
будет при возможно меньшем диаметре и большей длине заготов-
ки, т.е. при большем электрическом сопротивлении заготовки.

Производительность нагрева сопротивлением зависит от пре-
дельной мощности, которую можно подводить к заготовке. Одна-
ко при слишком большой мощности в местах контакта возникает
местный перегрев, и концы заготовки оплавляются. Поэтому боль-
шое влияние на производительность оказывает значение усилия
зажима концов заготовки контактами. Рекомендуют усилия зажи-
ма от 10000 Н для заготовок диаметром 20... 30 мм и до 50000 Н
для заготовок диаметром 50 мм. При таких условиях время нагрева
не превышает 12 с для заготовок диаметром 20 мм и 55 с — для
заготовок диаметром 50 мм.

Контрольные вопросы

1.	Какой способ резки прутка на заготовки самый производительный?

2.	Какой способ резки прутка на заготовки обеспечивает наибольшую
точность по длине отрезанной заготовки?

3.	Какой способ резки прутка на заготовки обеспечивает наибольшую
точность по массе отрезанной заготовки?

4.	В каких случаях отрезку прутка на заготовки производят с нагревом?

5.	Каким способом можно отрезать заготовку от трубного проката?

6.	Какие изменения структуры и свойств металла происходят при на-
греве заготовок до температуры штамповки?

7.	С какой скоростью рекомендуется производить нагрев заготовки для
штамповки?

8.	Что означает понятие «методический нагрев»?

9.	Каким образом можно предупредить образование окалины при на-
греве?

10.	В каких случаях целесообразно применять индукционный нагрев
заготовок?
ГЛАВА 9

ШТАМПОВКА НА МОЛОТАХ

9.1.	Виды и краткая характеристика
штамповочных молотов

Штамповка на молотах — самый универсальный и широко рас-
пространенный вид штамповки. Это объясняется тем, что молоты
имеют достаточно простую конструкцию и сравнительно недоро-
ги. Кроме того, на молотах можно выполнять практически лю-
бые штамповочные операции и переходы. Молот — это машина
ударного (инерционного) типа. Массивная подвижная деталь —
баба молота, — с закрепленной на ней частью штампа разгоняет-
ся под действием собственной силы тяжести либо с помощью
какого-нибудь энергоносителя до определенной скорости гуд и про-
изводит удар по заготовке (рис. 9.1).

Для выполнения технологической операции штамповки необ-
ходимо столько ударов, чтобы суммарная кинетическая энергия
была равна работе пластической деформации Лпл. Именно кинети-

^Дпл _ ^2-^ пл — ^зйцл

Рис. 9.1. Формообразование поковки на молоте:

а — схема рабочего пространства; б — зависимость усилия деформации от пере-
мещения штампа А; 1 — баба молота; 2 — начальное положение верхней полови-
ны штампа; 3 — исходная заготовка для штамповки; 4 — конечное положение
верхней половины штампа; 5 — поковка; 6 — нижняя половина штампа
ческая энергия удара является важнейшей характеристикой моло-
та На рис 9 1 показано, что последовательные удары бабы молота 1
передают заготовке 3 постоянные порции энергии для пластичес-
кой деформации (площади заштрихованных областей в координа-
тах «перемещение —сила» равны между собой) Последовательные
удары отличаются друг от друга действующими усилиями и вели-
чинами деформаций, но имеют постоянную энергию удара

Паровоздушные штамповочные молоты предназначены для
штамповки поковок самой разнообразной формы из проката в
многоручьевых открытых штампах Наиболее мощными являются
паровоздушные штамповочные молоты двойного действия, у ко-
торых пар (или сжатый воздух) не только поднимает бабу для
удара, но и при падении давлением на поршень придает бабе до-
полнительное ускорение В молотах простого действия пар лишь под-
нимает бабу, а падает она под действием только силы тяжести

Паровоздушный молот двойного действия работает следующим
образом (рис 9 2) Движение бабы молота 3 направляется в стойках 4
На стойках крепятся цилиндр 7, золотник 9 и рычажная система
управления 11 Стойки опираются на шабот 1, массивную сталь-

Рис 9 2 Схема паровоздушного штам-
повочного молота

1 — шабот, 2 — верхняя и нижняя поло
вины штампа, 3— баба молота, 4— стой
ки, 5 — шток, 6 — поршень, 7 — ци
линдр, 8— поплавок 9 — золотник 10 —
плунжер золотника, 11 — рычажная сис-
тема управления, 12 — саблеобразный
рычаг, 13 — педаль, а — скос
ную отливку, воспринимающую энергию падающих частей моло-
та Шток 5 служит для подъема бабы и передачи давления пара от
поршня 6 на бабу Поплавок 8 предохраняет верхнюю крышку
цилиндра от удара поршня Штамповщик управляет движением
бабы с помощью педали 13, перемещая плунжер 10 золотника и
тем самым, направляя энергоноситель в верхнюю или нижнюю
полости цилиндра Кроме того, перемещение плунжера происхо-
дит и при воздействии скоса а на саблеобразный рычаг 12 На бабе
крепится верхняя половина штампа Нижняя половина штампа ус-
танавливается в штамподержателе, закрепленном на шаботе В ци-
линдр поступает пар давлением 0,7 0,9 МПа, перегретый до 200 °C

В России выпускают восемь типоразмеров паровоздушных штам-
повочных молотов двойного действия с массой падающих частей
0,63 25 т с энергией удара соответственно 16 630 кДж

Для штамповки мелких поковок и для холодной правки от-
штампованных поковок применяют штамповочные молоты про-
стого действия Их изготавливают как с паровоздушным, так и с
гидравлическим и механическим приводами Энергия удара таких
молотов 30 50 кДж У молотов с гидроприводом насос обеспечи-
вает подъем бабы со скоростью до 3,5 м/с, они имеют самый вы-
сокий КПД ц = 0,5 0,6 Механический привод бывает трех видов
(рис 9 3) Молот с доской (рис 9 3, а) имеет небольшую энергию
удара — 10 15 кДж Ролики 2 постоянно вращаются от электро-
двигателя При отпущенной педали 5 они сближаются пружинами 3
и за счет трения о доску 1 поднимают бабу 4 до желаемой высоты
При нажатии на педаль ролики отводятся и баба падает Молоты с

Рис 9 3 Молоты простого действия с механическим приводом
а — молот с доской 7 — доска, 2 — ролики, 3 — пружины, 4 — баба, 5 — педаль,
б — молот с ремнем, в — молот с цепью
Рис. 9.4. Принципиальная
схема бесшаботного молота:

1 — верхняя баба; 2 — ленточ-
ная связь; 3 — нижняя баба

ремнем (рис. 9.3, б) имеют большой
ход (до 5 м), массу падающих частей
1,0... 1,2 т и КПД (ц = 0,25...0,35). Мо-
лоты с цепью (рис. 9.3, в) делают мощ-
нее — с энергией удара до 100 кДж
(ц = 0,35...0,85).

Штамповочные молоты с массой
падающих частей свыше 3 т очень гро-
моздки, при их работе возникают боль-
шие вибрации, как самого кузнечного
цеха, так и соседних цехов. Поэтому для
штамповки крупных поковок целесо-
образно применять штамповочные мо-
лоты с двусторонним ударом — бес-
шаботные молоты. Обычно на бесша-
ботных молотах применяют одноручь-
евые штампы, а все необходимые за-
готовительные операции производят на
другом оборудовании.

Паровоздушные молоты с двусто-

ронним ударом имеют ленточную или
гидравлическую связь между верхней и нижней бабами. Две удар-
ные части примерно равной массы движутся навстречу друг другу
(рис. 9.4). Внешнюю энергию подводят к верхней бабе 1, а нижняя
баба 3 перемещается за счет механизма связи 2 (ленточного или
гидравлического). Ленточная связь чаще применяется в молотах с
меньшей энергией удара — 10...45 кДж, что эквивалентно моло-
там с массой падающих частей 5...22,5 т. Бесшаботные молоты с
гидравлической связью более мощные, имеют энергию удара
20... 100 кДж, что эквивалентно молотам с массой падающих час-
тей 10...50 т.

При соударении масс большая часть накопленной ими кине-
тической энергии расходуется на работу деформирования заго-
товки, и импульсы силы почти не передаются на фундамент. По-
этому фундаменты бесшаботных молотов почти в 8 — 10 раз мень-
ше, чем у молотов с шаботом, и колебания грунта, здания и обо-

рудования значительно уменьшаются.

9.2.	Особенности технологических процессов
штамповки на молотах

9.2.1.	Классификация молотовых поковок

Первую группу составляют поковки, штампуемые перпенди-
кулярно оси заготовки. Обычно эти поковки удлиненной формы,
Рис. 9.5. Примеры поковок первой группы:
а — поковка простой формы; б — поковка сложной формы

Рис. 9.6. Примеры поковок второй группы:
а — поковка простой формы; б — поковка сложной формы

характеризующиеся значительной величиной отношения длины к
средней ширине в плане (рис. 9.5). Во вторую группу входят по-
ковки, штампуемые вдоль оси заготовки. Это поковки круглые и
квадратные в плане или близкие к этим формам с двумя пример-
но равными размерами в плане во взаимно-перпендикулярных на-
правлениях, или же поковки с основными элементами в виде
круга или квадрата, имеющие отростки (рис. 9.6). Применение та-
кой классификации позволяет ускорить выбор типового техноло-
гического процесса штамповки.

9.2.2.	Виды молотовых штампов и штамповочных ручьев

Штампы, т. е. формоизменяющие инструменты, по способу ус-
тановки на молоте делят на закрепленные и незакрепленные (под-
кладные). Половины закрепленных штампов (рис. 9.7) устанавли-
вают соответственно на столе и на бабе молота, и точное совпаде-
ние фигур обеих половин при работе обеспечивают точные и же-
1

Рис. 9.7. Ручьи многоручьевого закрепленного штампа для поковок пер-
вой группы:

1 — подкатной; 2 — формовочный; 3 — окончательный; 4 — предварительный;

5 — гибочный

сткие направляющие бабы штамповочного молота. Закрепленные
штампы являются сравнительно точным, сложным и дорогим
инструментом, и поэтому их применяют в массовом и крупносе-
рийном производстве.

Полость штампа, в которой происходит пластическое течение
металла и формообразование, называется ручьем штампа. Ручьи
делятся на заготовительные и штамповочные.

Заготовительные ручьи служат для распределения объема ме-
талла исходной заготовки в соответствии с площадями попереч-
ных сечений поковки. Для придания заготовке формы, приближа-
ющейся к форме штампованного изделия в плане, применяют
формовочный ручей. В нем происходит лишь незначительное осевое
перемещение металла. Обычно в формовочном ручье по заготовке
производится один удар, после чего ее кантуют (поворачивают)
на 90° и укладывают в штамповочный ручей.

Пережимной ручей служит для уменьшения площади попереч-
ных сечений исходной заготовки в одних местах при незначитель-
ном увеличении площади поперечных сечений в других местах.
Осевое перемещение металла в этом ручье тоже незначительно.
В пережимном ручье производят один или два удара и без канто-
вания кладут в штамповочный ручей.

Протяжной ручей применяется для увеличения длины исход-
ной заготовки за счет уменьшения площади ее поперечных сече-
ний в тех местах, где это необходимо в соответствии с формой
поковки. При работе в протяжном ручье наносят ряд последова-
тельных ударов, сопровождаемых кантовкой заготовки и переме-
щением в осевом направлении.
Подкатной открытый ручей служит для увеличения площади
поперечных сечений заготовки (для набора металла) в одних ме-
стах за счет уменьшения площади поперечного сечения исходной
заготовки в других местах при незначительном удлинении заго-
товки. Подкатной закрытый ручей применяют для обеспечения боль-
шего набора, чем в подкатном открытом ручье, так как в закры-
том в поперечных сечениях профиле происходит более интенсив-
ное перемещение металла вдоль оси. При обработке в открытых и
в закрытых подкатных ручьях по заготовке наносят два—четыре
удара, причем после каждого удара производят кантовку заготов-
ки на 90°.

Гибочный ручей служит для изгиба заготовки в соответствии с
формой поковки в плане. При изгибе происходит незначительное
осевое перемещение металла и небольшой пережим заготовки в
отдельных сечениях. При обработке в гибочном ручье наносят один-
два удара, поворачивают заготовку на 90° и в таком положении
укладывают в штамповочный ручей.

Площадка для осадки — специальное место в штампе, на кото-
ром производят осадку, т. е. увеличение размеров заготовки в пла-
не за счет уменьшения ее высоты.

Площадка для расплющивания — специальное место в штампе,
где производят расплющивание, т.е. уменьшение высоты поковки
при некотором ее расширении. Применяют такой ручей для штам-
повки поковок со сравнительно небольшим отношением длины к
средней ширине.

Штамповочные ручьи служат для получения поковок требуе-
мых форм и размеров. Существует три вида штамповочных ручьев:
заготовительно-предварительный, предварительный и окончатель-
ный.

Заготовительно-предварительный и предварительный ручьи слу-
жат для уменьшения износа окончательного ручья. В них заготовка
приобретает форму и размеры, близкие к окончательным, с тем,
чтобы в окончательном ручье не происходило интенсивного тече-
ния металла. Кроме этого, в заготовительно-предварительном ру-
чье происходит на некоторых участках значительное перемеще-
ние металла в поперечном и продольном направлениях. В загото-
вительно-предварительном и предварительном ручьях производят
два — пять ударов, и после этого в том же положении (иногда пос-
ле кантовки на 180° относительно плоскости разъема) заготовку
укладывают в окончательный ручей.

Заготовительный и заготовительно-предварительный ручьи
имеют форму окончательной поковки, однако радиусы закругле-
ний выполняются на 2...4 мм больше и уклоны берутся больши-
ми, чем у окончательного ручья.

Окончательный ручей служит для получения окончательной,
отчетливо оформленной поковки в соответствии с требованиями
приемочного чертежа, изготавливают этот ручей по чертежу го-
рячей поковки. Кроме того, по периметру полости окончательно-
го ручья выполняют заусеничную канавку.

Наконец, имеется особый вид ручья, применяемый при штам-
повке от прутка — отрубной ручей (нож), который служит для
отделения от прутка готовой поковки. Обычно нож располагают в
одном из углов штампа.

Пример формы и расположения ручьев на штампе, в котором
производится штамповка рычага с искривленной осью, показан
на рис. 9.7. Порядок переходов штамповки следующий: подкатка,
формовка, гибка, предварительная штамповка, окончательная
штамповка.

Штамповка в подкладных штампах. Данный вид штамповки
производят, как правило, на ковочных молотах, более дешевых,
чем штамповочные молоты. Подкладные штампы имеют гораздо
меньшую массу, они состоят из двух половин (рис. 9.8), удержи-
ваемых от относительного смещения направляющими колонками
(штырями), так как баба ковочного молота не имеет жестких на-
правляющих на станине, а направляется только штоком поршня.

Штамповку в подкладных штампах целесообразно производить
в мелкосерийном или серийном производстве.

Закрепленные штампы могут быть как одноручьевыми (поков-
ка штампуется за один переход), так и многоручьевыми. Подклад-
ные же штампы всегда изготавливают одно ручьевым и, и если по-
ковка требует нескольких переходов штамповки, то применяется
либо несколько подкладных штампов (по одному на каждый пе-
реход), либо один подкладной штамп для последнего перехода и
свободная ковка для получения предварительного формообразо-
вания.

Как закрепленные штампы, так и подкладные могут быть от-
крытыми (рис. 9.9, а) и закрытыми (рис. 9.9, б). В открытом штам-
пе излишки металла при штамповке могут выдавливаться в спе-
циальную полость, так называемую заусеничную канавку, при этом
вытекание металла из полости штампа затрудняется и улучшается
заполнение формы. Заусеничная канавка является необходимым

Рис. 9.8. Одноручьевой подкладной штамп
Рис. 9.9. Схемы открытого (а) и закрытого (б) штампов

элементом окончательного ручья открытого штампа. Назначение
ее состоит в том, чтобы создавать торможение, т. е. сопротивление
истечению металла из полости ручья, а также служить приемни-
ком избыточного металла исходной заготовки.

Применяют четыре типа заусеничной канавки (рис. 9.10). Ка-
навку типа I применяют наиболее широко. Выступ шириной Ь,
называемый мостиком, рекомендуют выполнять в верхней поло-
вине штампа, так как в этом случае стойкость мостика будет выше:
верхняя половина штампа нагревается меньше, чем нижняя. По-
лость канавки Ь{ называется магазином. Канавку типа II рекомен-
дуют в тех случаях, когда по условиям производства не удается
осуществить точную резку заготовки и ее объем имеет большие
колебания. Такую же канавку применяют при сложной форме по-

Тип П

Тип IV

Рис. 9.10. Заусеничные канавки молотовых штампов:

hs — толщина заусенца; h — высота магазина; b — ширина выступа канавки;
й, — глубина магизина; R — радиус тормозящей канавки для увеличения тормо-
жения истечения металла
ковок, когда в заготовительных ручьях не достигается достаточно
точного распределения металла в соответствии с площадями по-
перечных сечений.

Канавку типа III применяют для обеспечения заполнения ме-
таллом глубоких и сложных полостей штампа, она создает допол-
нительное сопротивление истечению металла из полости штампа.
Канавку такого типа делают обычно только на отдельных участках
контура фигуры ручья.

Канавку типа IV применяют для круглых в плане поковок про-
стой формы, когда применяют только один окончательный ру-
чей. Здесь отсутствует магазин, а имеется только тормозящий мо-
стик, выполненный с наклоном. Заготовка должна иметь точный
объем.

В закрытых штампах заусеничная канавка отсутствует, имеется
только небольшой зазор между половинками штампа. Применяют
закрытые штампы обычно для поковок типа тел вращения и при
производстве поковок из сталей с пониженной пластичностью.

Выбор переходов штамповки поковок второй группы (см.
рис. 9.6) производят в зависимости от соотношения размеров от-
дельных элементов формы.

1.	Поковка имеет форму почти гладкого диска. Для таких поко-
вок рекомендуют один окончательный ручей. Однако с целью
удаления окалины на отдельной площадке (площадке для осад-
ки) наносят один легкий удар. При большом диаметре поковки
(£>п > 300 мм) осадку заготовки производят на отдельном молоте в
плоских бойках.

2.	В центре поковки имеются выступы. Если выступы невели-
ки, т. е. отношение общей высоты поковки с выступами к высоте
широкой части поковки менее двух, то первый удар наносят вне
ручья (для удаления окалины), затем один или два удара — в окон-
чательном ручье. Если же это отношение более двух, то произво-
дят подсадку на площадке для осадки, затем используют оконча-
тельный ручей.

При наличии длинного выступа в первом переходе при осадке
следует предусмотреть в нижней половине штампа коническую
полость.

3.	Поковка имеет обод, т.е. утолщение по наружному диамет-
ру. Здесь может быть несколько вариантов технологических пере-

h

ходов. При малой толщине обода, т.е. при — < 1,3 (h0 — высота
hn

обода; /гп — высота поковки) применяют только окончательный
ручей. При средней толщине обода и больших размерах поковки

h

(1,3 < — <4 и Dn > 350 мм) и при большой толщине обода, но
hn
Рис. 9.11. Пример штампа для поко-
вок второй группы:

1 — площадка для осадки; 2 — исход-
ная заготовка; 3 — предварительная
штамповка (осадка); 4 — окончатель-
ный ручей

h

малых размерах поковки (— > 4 и Dn < 350 мм) применяют пло-
hn

щадку для осадки и окончательный ручей (рис. 9.11).

Наконец, при толстом ободе и больших размерах поковки

h

(— > 4 и Dn > 350 мм) применяют заготовительно-предваритель-
/гп

ный и окончательный ручьи.

4.	Поковка представляет собой комбинацию двух предыдущих
поковок, т. е. имеет обод и выступы. В этом случае рассматривают
отдельно внутреннюю часть по п. 2 и наружную — по п. 3, и из
двух полученных технологических процессов берут сложнейший,
т.е. тот, в котором больше переходов.

5.	Поковки, имеющие отростки. Если отростки короткие, то при-
меняют площадку для осадки и окончательный ручей. На площад-

а

Рис. 9.12. Переходы при штамповке поковок с короткими отростками:
а — поковка; б — заготовка; в — первый и второй переходы (осадка и формовка)
Рис. 9.13. Переходы при штамповке
поковки с длинными отростками:
а — исходная заготовка; б — осадка;
в — формовка; г — окончательный пе-
реход

ке для осадки производят два перехода: первый — просто осадка и
второй — придание детали формы в плане, приближающейся к
квадрату (рис. 9.12).

В окончательный ручей заготовки укладывают таким образом,
чтобы направление диагонали квадрата совпадало с направлени-
ем отростков ручья, тем самым облегчая вытекание металла в
полости под отростки.

Длинные отростки получают за три перехода, применяя следу-
ющие ручьи: площадка для осадки, формовочный ручей и окон-
чательный ручей (рис. 9.13).

При весьма длинных отростках, кроме указанных ранее ручь-
ев, рекомендуют добавить заготовительно-предварительный ру-
чей с плавными переходами от отростков к телу поковки. Такие
сложные поковки предпочтительно штамповать в двух штампах на
рядом расположенных молотах, и при обеспечении механизации
передачи заготовки от первого молота ко второму можно осуще-
ствить штамповку с одного нагрева.

9.2.3.	Особенности технологического процесса штамповки
в закрытых штампах

Наиболее технологичными для штамповки в закрытых штам-
пах (ее еще иногда называют безоблойной штамповкой) являются
детали, представляющие собой тела вращения, имеющие цент-
рирующие элементы — стержни, хвостовики, полости и т.п., т.е.
поковки второй группы первой и третьей подгрупп.

Штамповку в закрытых штампах поковок второй группы вто-
рой подгруппы, а также первой группы первой и второй подгрупп
производят крайне редко, она требует тщательной подготовки за-
готовки для штамповочных ручьев. Обычно основанием для выбо-
ра способа штамповки в закрытом штампе поковок такого типа
является исключительно низкая пластичность материала детали.
Для остальных подгрупп поковок первой группы штамповку в
закрытых штампах не применяют.

При выборе линии разъема закрытого молотового штампа не-
обходимо учитывать закономерности истечения металла в откры-
тую и закрытую полости штампа, а также различие в затекании
металла в верхний и нижний штампы. Известно, что из-за дей-
ствия значительных инерционных сил при штамповке на молоте
металл течет в верхний штамп более интенсивно, чем в нижний.
В то же время истечение металла в закрытую полость происходит
труднее, чем в открытую, особенно при относительно широкой
полости. Поэтому, чтобы облегчить затекание металла в закрытую
полость, ее всегда располагают в верхнем штампе. Если же распо-
ложить закрытую полость в нижнем штампе, то действие обоих
неблагоприятных факторов складывается, и фигура штампа мо-
жет не заполняться.

Размеры заготовки для штамповки в закрытых штампах рас-
считывают так же, как было указано ранее, с той только разни-
цей, что объем поковки рассчитывают по минимальным горизон-
тальным размерам (номинальный размер минус нижнее отклоне-
ние допуска) и по максимальным вертикальным размерам (но-
минальный размер плюс верхнее отклонение допуска).

9.2.4.	Выбор молота и материала штампов

Выбор молота является важной составной частью разработки
технологического процесса штамповки. Если взять молот с недо-
статочной массой падающих частей, то производительность штам-
повки будет снижена, так как потребуется больше ударов в каж-
дом ручье штампа. Завышенная масса падающих частей также сни-
жает производительность, поскольку молоты с большой массой
падающих частей имеют меньшее число ходов бабы в минуту. Кроме
того, увеличивается износ штампов.

Точные формулы для расчета массы падающих частей молота
приведены в теории обработки металлов давлением. На производ-
стве имеется весьма ограниченный ряд типоразмеров молотов,
поэтому более целесообразно пользоваться приближенными фор-
мулами:

G = 4F (для молотов двойного действия);

G = 6F (для молотов простого действия).

Здесь G — масса падающих частей молота, кг; F — площадь
проекции поковки вместе с заусенцем на плоскость разъема, см2.

Точность этих формул составляет приблизительно ±20%. По-
этому, имея рассчитанную массу падающих частей, выбирают из
имеющихся в стандарте (или на заводе, при конкретных расче-
тах) ближайший молот с большей массой падающих частей.
Штампы для молотовой штамповки изготавливают из специ-
альных штамповых сталей. Эти стали должы обладать высокими
механическими свойствами при обычной и высокой температуре,
иметь высокую ударную вязкость и разгаростойкость, т.е. способ-
ность сопротивления совместному действию высоких удельных
давлений и переменных температур. Вместе с тем эти стали долж-
ны хорошо обрабатываться на металлорежущих станках, глубоко
прокаливаться и не отпускаться при высоких температурах штам-
повки и, наконец, быть достаточно дешевыми.

Наиболее распространены штамповые стали марок 5ХНВ,
5ХГМ, 5ХНМ, 5ХНСВ. Наилучшая и самая дорогая из этих ста-
лей — 5ХНМ. При отсутствии таких сталей в виде исключения
можно применять стали марок 60, 4ХС, 50Х.

Контрольные вопросы

1.	Раскройте содержание понятия «молот».

2.	В чем заключается основное преимущество молота по сравнению с
другими кузнечно-прессовыми машинами?

3.	В чем причина низкого КПД паровоздушного молота?

4.	В чем заключается основное преимущество молотов с двусторон-
ним ударом?

5.	Какое максимальное число ручьев может быть у молотового штампа?

6.	Какие виды механических приводов используют в конструкциях
молотов?

7.	Каким образом крепят половины штампа на бабе молота и на его
столе?

8.	В каком ручье штампа реализуют течение металла вдоль оси поков-
ки с вытянутой осью?

9.	В каких случаях может быть применена безоблойная (закрытая)
штамповка?

10.	В чем заключается назначение заусеничной канавки?
ГЛАВА 10

ШТАМПОВКА НА КРИВОШИПНЫХ
ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫХ ПРЕССАХ

10.1.	Виды и краткая характеристика кривошипных
горячештамповочных прессов

Кривошипный горячештамповочный пресс (КГШП) представ-
ляет собой кузнечно-прессовую машину, в которой перемещение
одной из половин штампа производит ползун кривошипно-ша-
тунного механизма. Данные прессы являются быстроходным прес-
совым оборудованием, имеющим высокую жесткость конструк-
ции: жесткую закрытую станину, жесткий кривошипно-шатун-
ный механизм с надежным направлением ползуна, механические
выталкиватели в столе пресса и в ползуне.

Обычно применяют двухстоечную схему КГШП с расположе-
нием валов параллельно фронту пресса (рис. 10.1). Электродвига-
тель 1 передает вращение с помощью клиноременной передачи
на промежуточный вал 2, на котором установлен маховик 3. Про-
межуточный вал 2 и кривошипный вал 5 связаны зубчатой пере-
дачей. Муфта 4 и тормоз 7/ установлены на кривошипном валу 5.
Ползун 7 имеет длинные направляющие поверхности для умень-
шения перекоса. Так как масса ползуна с верхней половиной штам-
па очень велика, для уменьшения динамических нагрузок приме-
няют пневматические цилиндры-уравновешиватели 6. В ползуне и
столе пресса 10 смонтированы выталкиватели 8 и 9. Стол пресса 10
имеет клиновую регулировку для точной наладки высоты поков-
ки. Серийно выпускаемые КГШП имеют усилие 6 300...80 000 кН
с числом ходов соответственно 90 — 30 в минуту.

В отличие от бабы молота ползун кривошипного пресса имеет
жесткий график движения, постоянную величину хода и опреде-
ленное нижнее положение. Скорость движения ползуна к началу
рабочего хода составляет 0,3...0,8 м/с, что в 10 — 25 раз меньше
скорости бабы молота.

Точное и надежное направление ползуна дает возможность
применять штампы с направляющими колонками и втулками,
благодаря чему поковки, штампованные на КГШП, имеют зна-
чительно большую, чем на молоте, точность горизонтальных раз-
меров.

Безударный характер работы пресса позволяет применять вме-
сто ласточкиных хвостов, шпонок, клиньев и горячей посадки
более совершенные способы крепления штампов и вставок, ис-
Рис. 10.1. Схема кривошипного го-
рячештамповочного пресса:

/ — электродвигатель; 2 — промежу-
точный вал; 3 — маховик; 4 — муфта;
5 — кривошипный вал; 6 — цилинд-
ры-уравновешиватели; 7 — ползун; 8,
9 — выталкиватели; 10 — стол пресса;

// — тормоз

пользовать вместо цельноблочных сборные штампы, часто весьма
сложные. Мощные механические выталкиватели позволяют назна-
чать штамповочные уклоны в 2 — 3 раза ниже, чем у молотовых
поковок.

Ориентировочные данные о производительности КГШП мож-
но получить из следующих соотношений: на прессе усилием
6 300 кН штампуют поковки массой до 1 кг, с производительно-
стью 300...400 кг/ч, на прессе усилием 25 000 кН — поковки мас-
сой 7... 12 кг с производительностью 900... 1 100 кг/ч и на прессе
усилием 80 000 кН — поковки массой 50...80 кг с производитель-
ностью 2800...3 500 кг/ч.

Кривошипные прессы имеют ряд преимуществ по сравнению
со штамповочными молотами. Коэффициент полезного действия
у КГШП в 2 раза выше, чем у молота, пресс не требует для уста-
новки столь большого и дорогого фундамента, как молот. Криво-
шипные горячештамповочные прессы могут работать в более лег-
ких и дешевых зданиях, чем молотовые кузницы. Работа прессов
не отражается на окружающих сооружениях, оборудовании, при-
борах и, наконец, людях так вредно, как работа молотов. При
работе на КГШП облегчаются условия труда и автоматизация тех-
нологических процессов, производительность труда в 1,5 раза, а
иногда и в 2 —2,5 раза выше, чем при молотовой штамповке.

Однако все эти преимущества проявляются в полной мере толь-
ко при крупносерийном и массовом производстве, так как пресс
стоит весьма дорого, высока также и стоимость прессовых штам-
пов.

10.2.	Особенности технологических процессов
штамповки на кривошипных горячештамповочных

прессах

10.2.1.	Основные технологические операции штамповки

Штамповка на КГШП является более точным методом обра-
ботки давлением, чем молотовая штамповка, более производи-
тельным и экономичным, особенно в крупносерийном и массо-
вом производстве. Во всем мире наблюдается тенденция к увели-
чению доли КГШП в парке кузнечно-прессовых машин.

При штамповке на КГШП осуществляют ряд переходов, ана-
логичных молотовым переходам: осадку, пережим, гибку, калиб-
ровку, отрубку, предварительную и окончательную штамповку в
открытых и закрытых штампах. Подкатку и протяжку на прессе не
производят.

Основные правила конструирования поковок на КГШП такие
же, как и у молотовых поковок. Отличие имеется только в величи-
не припусков, допусков и штамповочных уклонов. Они стандар-
тизованы и позволяют уменьшить припуски на механическую об-
работку на 20...35 %. Радиусы закруглений поковок на КГШП ус-
танавливают такие же, как и у молотовых поковок. Допуски на
шероховатость поверхности (зарубины, вмятины от окалины, ца-
рапины, забои) устанавливают не более половины припуска.

При штамповке на прессах плоскости разъема штампов не дол-
жны соприкасаться, иначе может происходить заклинивание кри-
вошипно-шатунного механизма, устранить которое часто не уда-
ется без разрушения одного из звеньев (как правило, разрезается
газом шатун). Поэтому заусеничные канавки всегда делаются от-
крытыми, и толщина заусенца обусловливается зазором между
верхней и нижней половиной штампов. Чтобы исключить закли-
нивание, высота заусенца для пресса не может быть выбрана ме-
нее 1 мм, а ширина мостика берется в 1,5 — 2 раза меньше, чем у
молотовых штампов.

Для поковок первой группы, т.е. штампуемых перпендикуляр-
но оси заготовки, выбор переходов по существу не отличается от
переходов при штамповке на молотах, и поскольку протяжка и
подкатка исключаются, при необходимости (если форма заготов-
ки требует осуществления этих переходов), они выполняются на
другом оборудовании — молоте, ковочных вальцах и т.п. При до-
статочно большом объеме выпуска рекомендуют применять фа-
сонные заготовки, получаемые методом прокатки, размеры и
форму которых нужно устанавливать как для расчетных заготовок.

Штамповка поковок второй группы на прессах отличается от
молотовой штамповки применением фасонной площадки для осад-
ки (вместо плоской) и дополнительного фасонировочного ручья.
Кроме того, по возможности окончательные ручьи заменяют ру-
чьями для выдавливания.

На кривошипных прессах производят два вида переходов, не
имеющих подобных при молотовой штамповке: фасонирование и
выдавливание.

Фасонирование является заготовительным переходом, который
применяют при штамповке поковок второй группы сложной фор-
мы. Поскольку металл при штамповке на КГШП с большой ин-
тенсивностью течет в направлении плоскости разъема, но плохо
заполняет вертикальные полости, для хорошего заполнения вы-
ступов в штамповочном ручье при фасонировании осуществляют
набор металла не только со стороны выступов, но одновременно
и с противоположной стороны. На рис. 10.2, а пунктиром показа-
ны верхние области вертикальных полостей, которые трудно за-
полняются металлом. Поэтому на переходе «фасонирование» фор-
мируют элементы в нижней части заготовки, благодаря которым
в окончательном ручье исключается перемещение металла в гори-
зонтальном направлении и облегчается заполнение верхних обла-
стей. Размеры полостей фасонировочного ручья подбирают таким
образом, чтобы объем металла в них полностью обеспечивал за-
полнение вертикальных стенок поковки в окончательном ручье

Рис. 10.2. Примеры фасонирования:
а — заготовительные переходы; б — окончательные переходы
(рис. 10.2, б) и исключал необходимость в перемещении металла
в горизонтальном направлении.

Выдавливание может быть как заготовительным переходом, так
и штамповочным. Имеются четыре разновидности процесса вы-
давливания (рис. 10.3): прямое (рис. 10.3, а, е), обратное (рис. 10.3,
б, в), поперечное (рис. 10.3, г) и комбинированное (рис. 10.3, д).
При прямом выдавливании металл течет в сторону движения пу-
ансона, при обратном — навстречу.

Напряженное состояние металла при выдавливании чрезвы-
чайно благоприятно для пластического течения, так как оно при-
ближается к равномерному всестороннему сжатию. Благодаря это-
му металл легко деформируется и выдавливанием можно полу-
чать поковки из труднодеформируемых жаропрочных сталей и спла-
вов, часто даже можно производить штамповку в холодном состо-
янии. Наиболее благоприятная схема — обратное выдавливание,
поскольку металл в контейнере не перемещается и отсутствуют
затраты работы на трение.

Припуски и допуски для поковок, получаемых выдавливанием
в закрытых штампах, гораздо меньше, чем обычные припуски и

Рис. 10.3. Основные разновидности процесса выдавливания:

а, е — прямое; б, в — обратное; г — поперечное; д — комбинированное; Р —
усилие пресса
допуски для поковок на КГШП (табл. 10.1). Входящие в данную
таблицу величины представляют собой минимальные значения
припусков и допусков в расчете на последующую обработку шли-
фованием.

Дно матрицы должно быть коническим с заходным углом 150°,
а для большей гарантии — 120°. Желательно, чтобы пуансон тоже
имел конический рабочий конец с углом конуса при вершине
150°.

Расчет усилия штамповки и выбор пресса производят из того
условия, что 10 000 кН усилия пресса эквивалентны по своим тех-
нологическим возможностям примерно 1 т массы падающих час-
тей штамповочного молота двойного действия. Поэтому формула
для приблизительного расчета усилия пресса имеет вид

Р = 40 F,

где Р — усилие пресса, кН; F — площадь проекции поковки с
заусенцем на плоскость разъема, см2.

Для горячей штамповки на КГШП в открытых и закрытых
штампах применяют смазки в виде смеси графита или соляного

Таблица 10.1

Припуски и допуски при выдавливании

Элемент поковки	Параметр	Размеры элемента, мм	Припуск на сторону, мм	Допуск на размер поковки, мм
Стержень	Диаметр	5...25  25...50	0,2...0,3  0,3...0,5	+0,3 -0,1 +0,5  -0,2
	Длина	20... 100  100... 250	3...5  5...8	+ 5 0,0 + 1,0 0,0
Полость	Диаметр	10...50  50... 100	0,8... 1,0  1,0...2,5	+0,3  -1,0 + 0,5 -1,5
	Глубина	10...50  50... 150	1,0...2,0  2,0...5,0	+0,5 -1,5 + 0,5 -2,0
Утолщение	Диаметр и высота	25...50  50... 150	0,3 ...0,5  0,5...0,8	+ 0,5 -0,2 +0,7 -о,з
раствора с машинным маслом. Для выдавливания целесообразно
применять либо смесь жидкого стекла с графитом, либо порошки
на основе жидкого стекла.

10.2.2.	Устройство штампов и их узлов

Штампы для КГШП состоят из блока, т.е. комплекта деталей
верхней и нижней плит, и вставок призматической (реже — ци-
линдрической) формы. В верхней плите штампа запрессованы на-
правляющие втулки, в нижней — направляющие колонки боль-
шой жесткости. Зазор между втулкой и колонкой определяется
непараллельностью плоскостей плит блока, нижней опорной плос-
кости ползуна относительно стола пресса, а также деформацией
колонок вследствие нагрева в процессе работы.

В плитах монтируют выталкивающие механизмы, наиболее на-
дежные из них — рычажно-кулачковые (рис. 10.4). Рычаг 7своим
основанием опирается на клиновую подушку или на рабочую плос-
кость ползуна пресса, а стакан 5 и стержень 2 — на рычаг, и вся

Рис. 10.4. Схема выталкивателя в штампе для КГШП:

/ — толкатель; 2 — стержень; 3 — пружина; 4 — втулка; 5 — стакан; 6 — стер-
жень выталкивателя пресса; 7 — рычаг; 8 — подшипник
система приобретает большую жесткость и может выдерживать
большие усилия. Поэтому толкатель 1 может быть расположен так,
чтобы воздействовать непосредственно на тело поковки. Торец
стержня 2 опирается на дно стакана с зазором 1,0... 1,5 мм, так
что некоторый перекос стакана не влияет на стержень.

Обычно каждый ручей изготавливают на отдельной паре вста-
вок. Предварительные ручьи на прессовых штампах делают на
4...5 % глубже и несколько уже окончательных, круглые верти-
кальные сечения заменяют овальными с вертикальным располо-
жением большой оси вала. Площади поперечного сечения предва-
рительного ручья должны быть больше, чем у окончательного, на
3,0...3,5 % для четкого заполнения последнего.

При заполнении ручья могут образовываться замкнутые объе-
мы воздуха, давление которых по мере затекания металла в ручей
повышается настолько, что служит препятствием к его заполне-
нию. При штамповке на молоте это явление не опасно, так как
после каждого удара поковка (отчасти с помощью этого давле-
ния) приподнимается в ручье, а по мере заполнения ручья ме-
таллом объем воздуха отсекается все меньше и меньше, давление
падает, и металл проникает до самого дна ручья. При штамповке
на прессе заполнение ручья должно происходить за один ход, и
воздух в отдельных случаях может оказать непреодолимое сопро-
тивление заполнению ручья.

Поэтому на дне глубоких полостей ручьев необходимо преду-
сматривать газоотводящие каналы, диаметр которых не должен
превышать 1,2 мм, иначе в них будет затекать металл.

Для различных элементов конструкции штампов для КГШП
применяют следующие материалы. Плиты верхние и нижние штам-
повых блоков делают из стали 40Л или 40ХЛ (твердость 302...
352 НВ), подкладные плиты — из стали 40Л или 45 (375...429 НВ),
направляющие колонки — из стали 20 (цементация на глубину
0,8... 1,2 мм, закалка до 58...64 HRC), направляющие втулки —
из бронзы БрОЦС6-6-3. Ручьевые вставки изготавливают в основ-
ном из тех же штамповых сталей, что и для молотовых штампов,
т.е. 5ХНМ, 5ХГС, 5ХНВ и 5ХНСВ твердостью для заготовитель-
ных ручьев 341...401 НВ, для штамповых ручьев 401...444 НВ и
для калибровочных ручьев 444...495 НВ. Для матриц и пуансонов,
используемых при выдавливании, применяют стали 4Х8В2,
4Х5В2ФС и ЗХ2В8Ф, причем поверхность их азотируют на глуби-
ну 0,22...0,3 мм и доводят до твердости 388...444 НВ.

Контрольные вопросы

1.	В чем преимущества и недостатки того, что кривошипный пресс
имеет постоянную величину рабочего хода?

2.	В чем состоят основные отличия штампа для КГШП от молотового
штампа?
3.	Чем объясняется высокая производительность КГШП?

4.	Какова область рационального применения кривошипных прессов?

5.	Как преодолеваются трудности штамповки на КГШП поковок с
вытянутой осью?

6.	Чем обеспечивается высокая точность поковок на КГШП в гори-
зонтальном направлении?

7.	Какой дополнительный переход штамповки (по сравнению с моло-
товой штамповкой) необходимо вводить на КГШП при штамповке по-
ковок с высокими станками?

8.	Чем отличается прямое выдавливание от обратного?

9.	Что означает термин «прямое кольцевое выдавливание»?

10.	Какой элемент конструкции штампа на КГШП обеспечивает воз-
можность получения малых уклонов на поковке?
ГЛАВА 11

ШТАМПОВКА НА ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫХ
МАШИНАХ

11.1.	Краткая характеристика
горизонтально-ковочных машин

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) предназначены для
штамповки высадкой и прошивкой поковок, близких по конфи-
гурации к телам вращения, из пруткового материала. Поэтому ха-
рактерной особенностью ГКМ является горизонтальное направ-
ление движения ползуна пресса и наличие специального меха-
низма для смыкания и разжима полуматриц (рис. 11.1). ГКМ име-
ют два под3уНа: главный 9 и боковой 2, двигающиеся в одной
горизонтальной плоскости во взаимно-перпендикулярных направ-
лениях. Маховик 8 через муфту (на рисунке не показана) передает
вращение на кривошипный вал 7. На валу 7 жестко закреплен
кулачок 6, который через ролики 5 перемещает вспомогательный

/ — полуматрццу. 2 — боковой ползун; 3 — рычажная система; 4 — вспомога-
тельный ползун- 5_ ролики; 6— кулачок; 7— кривошипный вал; 8 — маховик;

9 — главный ползун
ползун 4, а тот через рычажную систему 3 — боковой ползун 2.
Две поверхности разъема — между полуматрицами / и матрицей
и пуансоном — позволяют производить штамповку деталей слож-
ной формы без штамповочных уклонов.

Боковой ползун должен зажимать полуматрицы до начала дей-
ствия главного ползуна и удерживать их в сомкнутом состоянии в
течение рабочего хода; это обеспечивается профилем кулачка.
В исходном положении главный ползун и пуансоны, закреплен-
ные на нем, находятся в крайнем заднем положении, зажимной
(боковой) ползун — тоже в крайнем положении, обеспечиваю-
щем раскрытие полуматриц. При включении рабочего хода зажим-
ной ползун зажимает в ручье между полуматрицами обрабатывае-
мый пруток раньше, чем пуансон коснется конца этого прутка.
После того как главный ползун произведет деформацию, он от-
ходит назад и затем зажимной ползун разжимает полуматрицы и
освобождает пруток, так что его можно переложить в следующий
ручей.

Выпускаемые серийно ГКМ имеют усилие 1000...31 500 кН
соответственно при числе ходов 95 — 21 в минуту. Оценить нагляд-
нее возможности этих машин можно по следующим ориентиро-
вочным данным. На ГКМ наименьшего типоразмера (с усилием
1 000 кН) можно штамповать поковки с максимальным диамет-
ром 40 мм из прутка диаметром до 20 мм, с производительностью
около 80 кг/ч. На самой большой ГКМ (с усилием 31 500 кН)
можно штамповать поковки максимальным диаметром 315 мм из
прутка диаметром до 270 мм, с производительностью 2 400 кг/ч.

Направляющие ползунов ГКМ столь же жестки и надежны,
как и у кривошипных прессов, однако станина не обеспечивает
достаточной жесткости, поэтому поковки, изготовленные на ГКМ,
по величине припусков и допусков приближаются к молотовым
поковкам. Число ходов в минуту у ГКМ на 40...50 % меньше,
чем у КГШП такой же мощности, так как требуется время на
перемещение бокового ползуна, но вспомогательное время на
ручные приемы значительно меньше, чем при штамповке на мо-
лотах.

Наличие двух поверхностей разъемов в штампе (между двумя
полуматрицами и между матрицами и пуансоном) создает выгод-
ные условия для выполнения различных высадочных работ, по-
зволяет изготавливать поковки без штамповочных уклонов, без
заусенцев и с глубокими отверстиями. Это преимущество ГКМ
полностью реализуется только при штамповке поковок, имею-
щих форму тела вращения или близкую к ним.

Однако ГКМ имеют два существенных недостатка. Во-первых,
исходным материалом для ГКМ должен быть взят прокат повы-
шенной точности, так как ползуны часто работают в распор, а
допуск на размеры сечения проката обычной точности не позво-
ляет вести штамповку в закрытых ручьях и тем самым использо-
вать основное преимущество ГКМ. Во-вторых, при изготовлении
поковок от прутка остается большой конец, который зажимается
в полуматрицах и удерживается рабочим. Поэтому из этих конце-
вых отходов либо должны изготавливаться другие детали, либо
они должны свариваться и в таком виде штамповаться (но дета-
ли, в которых включены сваренные стыки, должны быть выбра-
кованы).

11.2.	Особенности технологического процесса
штамповки на горизонтально-ковочных машинах

Переходы штамповки на ГКМ существенно отличаются от при-
меняемых на прессах и молотах. Наиболее употребительными яв-
ляются четыре перехода: набор, формовка, прошивка и просечка.

Набор — это заготовительный переход, заключающийся в вы-
садке (утолщении конца заготовки за счет уменьшения его дли-
ны) такого объема металла, который обеспечит полностью за-
полнение полости штамповочного ручья. Набор может произво-
диться по четырем схемам (рис. 11.2): в цилиндрической матрице
(рис. 11.2, а), в пуансоне с цилиндрической полостью с неболь-
шим уклоном (рис. 11.2, б), в пуансоне с конической полостью
(рис. 11.2, в) и комбинированный набор в матрице и пуансоне
(рис. 11.2, г). Общее правило для наборных переходов состоит в
том, что длина высаживаемой части прутка не должна превышать
2,5 его диаметра. Если объем высаживаемой головки требует боль-
шей длины, то набор производят за несколько переходов. За вели-
чину расчетного диаметра для выбора длины высаживаемой части

Рис. 11.2. Схемы наборных переходов:

а — в цилиндрической матрице; б — в пуансоне с
цилиндрической полостью с небольшим уклоном;
в — в пуансоне с конической полостью; г — ком-
бинированный набор в матрице и пуансоне
во втором и последующих наборных переходах принимают диа-
метр высаженной части, полученной в предыдущем переходе (при
цилиндрической головке) или средний диаметр усеченного ко-
нуса (если в предыдущем переходе получена коническая головка).
При высадке в пуансоне с конической полостью ручья удается
набирать большие объемы головки.

Формовка — это штамповочный переход, в котором получают
окончательную форму и размеры штампуемой на ГКМ поковки.
Формовку производят или непосредственно из прутка (при малых
объемах головки), или после предварительного набора. При про-
ектировании формовочного перехода важно правильно выбрать
разъем между пуансоном и матрицей. Общее правило заключается
в том, что разъем должен находиться в том месте фигуры поков-
ки, которая заполняется металлом в последнюю очередь. Кроме
этого, возможны три варианта расположения разъема, каждый из
которых имеет свои достоинства и недостатки, и поэтому выби-
рать наиболее подходящий разъем нужно только исходя из конк-
ретных условий штамповки.

При формовке в разъемной матрице (рис. 11.3, а), когда все утол-
щение располагается только в матрице, не назначают штамповоч-
ные уклоны, что экономит металл за счет исключения напуска, но
при этом возможен сдвиг половин фигуры за счет сдвига полумат-
риц.

Формовка в пуансоне (рис. 11.3, б) исключает сдвиг половин
фигуры поковки, однако требует наличия штамповочных укло-
нов, обеспечивающих удаление поковки из полости пуансона.
Кроме того, не допускается образование какого-либо заусенца в
плоскости разъема, так как в обрезной матрице поковку будет
невозможно центрировать.

Наконец, возможна комбинированная формовка, когда утолще-
ние располагается частично в матрице, частично — в пуансоне
(рис. 11.3, в). При этом часть утолщения, находящаяся в матрице,
служит в дальнейшем базой для центрирования поковки в обрез-
ной матрице.

Рис. 11.3. Схемы формовочных переходов:

а — формовка в разъемной матрице; б — формовка в пуансоне; в — комбиниро-
ванная формовка
Прошивка — это штамповочная операция, с помощью которой
получают несквозные (глухие) отверстия и полости в поковках.
Обычно прошивку неглубоких отверстий сочетают с формовкой
утолщения окончательной конфигурации (рис. 11.4). Прошивку
глубоких отверстий, как правило, производят за счет равномер-
ной раздачи материала в стороны с небольшой высадкой. Для это-
го соотношение диаметров пуансона и утолщения D должно на-
ходиться в пределах 0,6...0,7. Если же это условие не соблюдается,
усилие прошивки резко возрастает и стойкость прошивных пуан-
сонов снижается.

Наилучшие условия для прошивки будут в том случае, если
площади поперечных сечений заготовки перед прошивкой будут
несколько меньше площадей соответствующих кольцевых сече-
ний прошитой поковки. Это требование нужно иметь в виду при
проектировании наборных или формовочных переходов.

Отношение свободной (не зажатой в полуматрицах) длины
прошиваемой поковки /в к диаметру прутка d не должно превы-
шать 2... 2,5. Поэтому для глубоких отверстий и полостей приме-
няют несколько прошивных переходов.

Прошивные пуансоны имеют углы заострения 60; 90 или 120°,
радиусы закругления на конце и в местах переходов от конуса к
цилиндру выбирают в пределах (0,2... 0,3)г/п. Стебель пуансона дол-
жен иметь уклон для обеспечения выхода его из поковки от 0°30'
до 2°, в зависимости от глубины прошиваемого отверстия и тол-
щины стенок прошитой поковки. Чем глубже отверстие и чем тонь-
ше его стенки, тем быстрее поковки остывают и тем больший
уклон прошивного пуансона необходимо выбирать.

Рис. 11.4. Схема комбинированной про-
шивки и высадки:

d — диаметр прутка; D — диаметр высажен-
ной части; dn — диаметр прошитого отвер-
стия; /в — длина свободной части прутка

Рис. 11.5. Схема просечки
отверстий на горизонталь-
но-ковочной машине
Рис. 11.6. Отрезка заготовок от прутка:

/, 5 — полуматрицы; 2,4— ножи; 3 — пру-
ток; 6 — готовая поковка

Просечка — окончательный переход при штамповке на ГКМ
поковок типа колец, он обеспечивает получение сквозного отвер-
стия в поковке и одновременное отделение ее от прутка (рис. 11.5).
При просечке предварительно прошитые поковки укладывают в
матрицу с острыми кромками, и пуансон, также имеющий ост-
рые кромки, просекает сквозное отверстие и выталкивает пруток
в сторону рабочего-штамповщика. При обратном ходе пуансона
поковка сдергивается с него специальными заплечиками, пред-
усмотренными в матрице, и после раскрытия полуматриц поков-
ка падает в приемник, расположенный под ГКМ.

Отрезка поковок производится следующим образом. При штам-
повке от прутка поковок, не имеющих прошитых полостей или
поковок с несквозными полостями (рис. 11.6), отрезку готовой
поковки 6 от прутка 3 производят специальными ножами 2 и 4,
установленными в полуматрицах 1 и 5 без участия главного ползу-
на, т. е. только за счет бокового ползуна.

Контрольные вопросы

1.	Какую роль на ГКМ выполняют главный и боковой ползуны?

2.	Нужно ли для штамповки на ГКМ производить предварительную
резку прутка на заготовки?

3.	За счет чего при просечке дна на ГКМ в кольцевых заготовках ис-
ключаются потери металла?

4.	Какой ползун — главный или боковой — осуществляет отрезку го-
товых поковок от прутка?

5.	Какой вид прутков необходимо использовать при штамповке на ГКМ?

6.	Какие нагревательные устройства используют при штамповке на
ГКМ?

7.	Каковы достоинства и недостатки реализации перехода «набор» в
пуансоне?

8.	Каковы достоинства и недостатки реализации перехода «набор» в
матрице?
ГЛАВА 12

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК
МЕТОДАМИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

12.1.	Штамповка на винтовых фрикционных прессах

Винтовые фрикционные прессы (ВФП) по принципу действия
и технологическим возможностям представляют собой машины
переходного типа между молотом и кривошипным прессом, так
как в них при штамповке используются и кинетическая энергия
ползуна (скорость удара — до 1,5 м/с), и энергия вращения элек-
тродвигателя, преобразованная в механическую энергию посту-
пательного движения. Преобразователем вращательного движения
в поступательное служит винтовая пара. Стальные фрикционные
диски 1 (рис. 12.1) жестко закреплены на валу 2, который может,
вращаясь, перемещаться вдоль оси. При нажатии на рукоятку
управления 5 система рычагов 3 прижимает левый диск к махо-
вику 77, цилиндрическая поверхность которого покрыта фрикци-
онной лентой. Винт 9, на котором жестко сидит маховик, ввинчи-
вается в неподвижную гайку 10 и перемещает ползун <?вниз, при-
чем, чем ниже опускается маховик, тем все большую скорость
вращения он приобретает, так как удаляется от центра дисков 7.
Толкатель 7 с помощью упоров 4 переключает ход ползуна на
обратный, подводя к маховику 77 правый диск. Усилие ВФП со-

Рис. 12.1. Схема винтового фрик-
ционного пресса:

1 — диски; 2 — вал; 3 — система ры-
чагов; 4 — упоры; 5 — рукоятка уп-
равления; 6 — стол пресса; 7 — тол-
катель; 8 — ползун; 9 — винт; 10 —
неподвижная гайка; 11 — маховик
ставляет 400...6300 кН с числом ходов в минуту соответственно
25—11. Винтовой фрикционный пресс наименьшего типоразмера
(усилием 1 000 кН) может штамповать поковки массой до 0,3 кг с
производительностью до 60 кг/ч, пресс наибольшего из выпуска-
емых типоразмеров (усилием 6 300 кН) — поковки массой 5... 8 кг
с производительностью до 550 кг/ч.

Из-за тихоходности винтовые фрикционные прессы в крупно-
серийном и массовом производстве почти не применяют, но они
очень удобны в мелкосерийном производстве, так как являются
универсальными машинами, способными заменить при изготов-
лении мелких поковок как молоты, так и прессы и даже иногда
ГКМ.

Технологическими особенностями ВФП являются отсутствие
опасности поломок узлов пресса при наличии избытка металла в
заготовке и наличие системы выталкивателей, действующих через
тяги от ползуна, и позволяющей удалять поковки из штампа. При-
меняют четыре способа штамповки на ВФП.

б	в

Рис. 12.2. Способы штамповки на винтовых фрик-
ционных прессах:

а — в открытом штампе; б — в закрытом штампе с цель-
ной матрицей; в — в закрытом штампе с разъемной мат-
рицей; г —- штамповка выдавливанием
Штамповка в открытом штампе (рис. 12.2, а) сопровождает-
ся образованием заусенца по периметру поковки в плоскости разъе-
ма. Размеры по высоте выдерживаются в пределах сравнительно
жесткого допуска, а колебания объема исходной заготовки вызы-
вают различную степень заполнения канавки для заусенца.

Штамповка в закрытом штампе с цельной матрицей (рис.
12.2, б) обеспечивает получение поковки без заусенца или с не-
значительным долевым заусенцем, удаляемым на наждачном стан-
ке или при последующей обработке резанием. Колебания объема
исходной заготовки сказываются на размерах поковки по высоте,
вследствие чего эти размеры можно выдерживать в пределах ме-
нее жесткого допуска, чем при штамповке в открытом штампе.

Штамповку в закрытом штампе с разъемной матрицей (рис.
12.2, в) применяют для получения поковок сложной формы, из-
влечь которые из штампа при одной плоскости разъема нельзя.
Здесь также могут образовываться тонкий долевой заусенец и за-
усенец по плоскости разъема матриц, которые удаляют зачисткой
на наждачном станке. Колебания объема заготовки сказываются
на размерах поковки по высоте.

Штамповка выдавливанием аналогична штамповке на КГШП
(рис. 12.2, г). Колебания объема исходной заготовки сказываются
на длине стержня поковки.

При штамповке в открытых штампах выбор разъема, штампо-
вочных уклонов, радиусов закреплений и припусков и допусков
производят так же, как и для молотовых поковок, при штамповке
в закрытых штампах — аналогично поковкам на КГШП.

12.2.	Штамповка на гидравлических прессах

Гидравлические прессы, в отличие от всех кузнечно-прессовых
машин, имеют весьма мягкий характер работы, скорость рабоче-
го хода ползуна (0,15...0,20 м/с) и чрезвычайно большой ход под-
вижных частей — до 2 500 мм. Серийно выпускаемые гидравличес-
кие прессы имеют усилие 5000...50000 кН. Кроме этого, в экс-
плуатации находятся уникальные прессы усилием 700 000 кН и
строятся еще более мощные — 1 500000...2000000 кН. Вместе с
тем гидравлические прессы — сравнительно тихоходные машины:
пресс усилием 5 000 кН имеет 22 нажима бойка в минуту, а уси-
лием 50 000 кН — 6 нажимов в минуту.

Схема гидравлического пресса показана на рис. 12.3. Подвиж-
ная плита 4 пресса перемещается по направляющим колоннам 3,
которые с помощью гаек 2 и 6 стягивают основание 7 и архитрав
(неподвижную плиту) 5 в жесткую рамную конструкцию. Для опус-
кания плиты 4 до соприкосновения верхней половины штампа с
заготовкой в рабочий цилиндр 8 поступает жидкость низкого дав-
220
Рис. 12.3. Схема гидравлического
пресса:

1 — основание; 2. 6 — ганки; 3 — на-
правляющие колонны; 4— подвижная
плита; 5 — архитрав (неподвижная
плита); 7— возвратные цилиндры, 8 —
рабочий цилиндр; 9 — плунжер

ления (40... 80 МПа). Затем включается подача жидкости высокого
давления (2000...4500 МПа), которая создает рабочее усилие на
плунжере 9, необходимое для штамповки. Обратный ход плиты 4
обеспечивается возвратными цилиндрами 7, в которые также по-
ступает жидкость высокого давления.

Если сравнить штамповочный гидравлический пресс и штам-
повочный молот, то по основным показателям гидравлический
пресс будет уступать молоту — он значительно дороже, а произ-
водительность его меньше. Поэтому гидравлические прессы при-
меняют, как правило, только в некоторых случаях:

•	при штамповке крупных поковок, для которых масса падаю-
щих частей самых тяжелых молотов оказывается недостаточной;

•	при штамповке низкопластичных сплавов, не допускающих
больших скоростей деформации;

•	при различных видах штамповки выдавливанием;

•	при технологических операциях, требующих очень большого
хода.

Наиболее характерными для штамповки на гидравлических
прессах являются следующие операции и процессы:

•	закрытая прошивка (прошивка в закрытой матрице);

•	протяжка через кольца или ролики;

•	комбинированная штамповка прошивкой и протяжкой (час-
то с применением закрытой осадки);

•	штамповка в открытом и закрытом штампах с цельными или
разъемными матрицами;

•	штамповка выдавливанием.

Исходными заготовками для штамповки на гидравлических
прессах служат прокат, кованые или литые заготовки, а также
слитки.

На гидравлических прессах можно штамповать поковки, ана-
логичные тем, которые штампуют на молотах в открытых штам-
пах с заусенцем, а также в закрытых штампах с торцовым заусен-
цем, удаляемым на шлифовальных станках. Однако наиболее ха-
рактерной для гидравлических прессов является штамповка в за-
крытых штампах с разъемной матрицей.

Закрытую прошивку производят чаще всего на вертикальных
прессах по двум схемам — при неподвижной матрице и подвиж-
ном пуансоне (рис. 12.4, а) или при неподвижном пуансоне и
подвижной перевернутой матрице.

Если требуется получить тонкостенную поковку с глубоким
отверстием (рис. 12.4, б), то сначала производят прошивку, а за-
тем протяжку прошитых заготовок через кольца. Подобный техно-
логический процесс может выполняться как на вертикальных, так
и/или горизонтальных прессах.

Поковки с очень глубокими полостями протягивают через вра-
щающиеся ролики (рис. 12.5) или комбинацию колец с роликами.
Заранее прошитые поковки 5 надевают на пуансон 4 и перемеща-
ют перпендикулярно осям вращения роликов 1, поверхности ко-
торых в комплекте образуют замкнутое пространство. Оси враще-
ния роликов установлены на кронштейнах 2, закрепленных на
корпусе 3. Замена трения скольжения трением качения позволяет
значительно снизить рабочее усилие и интенсифицировать про-
цесс протягивания.

Рис. 12.4. Способы прошивки (слева от осевой линии показана заготовка,
справа — готовая поковка):

а — закрытая прошивка: / — направляющее кольцо; 2 — исходная заготовка; 3 —
пуансон; 4 — готовая поковка; 5 — матрица; 6 — выталкиватель; б — закрытая
прошивка (слева) и протяжка (справа) в одном штампе
F

Рис. 12.5. Роликовая матрица
протяжки:

/ — ролики; 2 — кронштейны;
корпус; 4 — протяжной пуансон;
протягиваемая поковка

Интересной особенностью штамповки на гидравлических прес-
сах является возможность осуществления секционной штампов-
ки, при которой деформацию заготовки производят отдельными
участками за несколько ходов пресса.

На рис. 12.6 показана схема штампа для изготовления диска
двухсекционным пуансоном. Сначала производят предваритель-
ную осадку (рис. 12.6, а), затем вторым ходом (рис. 12.6, б) цен-
тральная часть поковки оформляется внутренним пуансоном 5,

Рис. 12.6. Схема деформации диска в штампе с двухсекционным пуансоном:
а — предварительная осадка; б — формирование центральной части поковки;
в — окончательная деформация поковки; / — выталкиватель; 2 — пластина; 3 —
тяга; 4 — наружный кольцевой пуансон; 5 — внутренний пуансон; А—А — плос-
кость разъема
под который предварительно задвигают пластину 2 с помощью
тяги 3. Третьим ходом (рис. 12.6, в) производят окончательную
деформацию поковки, при этом пластину 2 выдвигают обратно,
так что внутренний пуансон свободно перемещается вверх и всту-
пает в действие наружный кольцевой пуансон 4. Выталкиватель /
служит для того, чтобы в начале процесса при поднятой попере-
чине внутренний пуансон 5 находился в нижнем положении для
свободного перемещения пластины 2. По аналогичной схеме при-
меняются штампы с тремя и более секциями.

Штампы для гидравлических прессов могут быть цельноблоч-
ными или сборными, приближающимися по конструкции к штам-
пам для кривошипных горячештамповочных прессов. Поскольку
нижнее положение ползуна у гидравлических прессов не фикси-
руется, штампы должны иметь ограничители хода верхней поло-
вины штампа.

На гидравлических прессах возможно получение поковок чрез-
вычайно сложной формы. На рис. 12.7 показана последователь-

Начало процесса Конец процесса

Начало процесса Конец процесса

в

Рис. 12.7. Многопереходная штамповка поковки сложной формы:

а — высадка; б — предварительная прошивка; в — окончательная прошивка; г —
пробивка дна; / — матрица; 2— верхний штамп; 3 — направляющая втулка; 4 —
первый прошивочный пуансон; 5 — второй прошивочный пуансон; 6— съемная
вилка; 7 — щеки; 8 — выталкиватель; 9 — пробивное кольцо; 10 — пробивной
пуансон
ность получения поковки полой пропеллерной втулки с фланцем
на прессе усилием 10 000 кН за четыре перехода — высадка (рис.
12.7, а), предварительная прошивка (рис. 12.7, б), окончательная
прошивка (рис. 12.7, в) и пробивка дна (рис. 12.7, г).

12.3.	Штамповка на ковочных вальцах
(вальцовка)

Вальцовку применяют как в качестве заготовительной опера-
ции для последующей штамповки на другом оборудовании (фор-
мовочная вальцовка), так и в качестве окончательной операции,
когда после вальцовки получают готовую поковку (штамповочная
вальцовка).

Ковочные вальцы представляют собой кузнечно-прессовую
машину вращательного действия, состоящую из одной или двух-
трех пар приводных валков, на которых закрепляют секторные
штампы (рис. 12.8). Когда секторные штампы находятся в положе-
нии, наиболее удаленном от оси подачи (рис. 12.8, а), заготовку
вводят в межвалковое пространство до упора. Вращаясь, валки сек-
торными штампами обжимают заготовку и выталкивают поковку
из рабочей зоны (рис. 12.8, б).

Для штамповки заготовок деталей типа тел вращения с вытя-
нутой осью с различными ступенчатыми поверхностями приме-
няют поперечно-клиновую вальцовку (рис. 12.9). При таком процессе
обжима заготовка вращается во время формообразования.

Формовочную вальцовку применяют в мелкосерийном и се-
рийном производстве, ее производят в одном или нескольких ру-
чьях с валками диаметром 200...500 мм при окружной скорости
валков 0,5...0,8 м/с. Обычно для формовочной вальцовки приме-
няют одноклетьевые ковочные вальцы консольного типа, позво-

Рис. 12.8. Схема штамповки на ковочных вальцах:
а — ввод заготовки в межвалковое пространство; б — обжим и выталкивание
поковки
Рис. 12.9. Схема поперечно-клиновой
вальцовки:

а — двухвалковые вальцы; б — плоскокли-
новые вальцы; в — инструмент к плоско-
клиновым вальцам; г — валково-сегментные
вальцы: / — приводной валок; 2 — клино-
вой инструмент; 3 — заготовка; 4 — непо-
движный клиновой инструмент; 5 — непо-
движный сегмент

ляющие использовать штампы с 1 — 3 ручьями, и двухвалковые
вальцы, в которых число ручьев штампов может составлять 4—6
(рис. 12.9, а).

Формовочную вальцовку применяют в крупносерийном и мас-
совом производстве. В этом случае используют двухклетьевые кон-
сольные ковочные вальцы, в которых две пары валков располо-
жены под углом 90° друг к другу, и передачу заготовки от клети к
клети осуществляют сами валки. Штамповочную вальцовку также
применяют в крупносерийном и массовом производстве, ее произ-
водят на ковочных вальцах двухопорного типа с большим диамет-
ром валков — 600... 1 000 мм и окружной скоростью 0,4...0,85 м/с.
Помимо этого в крупносерийном и массовом производстве при-
меняют плоскоклиновые (рис. 12.9, б) и валково-сегментные валь-
цы (рис. 12.9, г).

Кроме указанных технологических процессов вальцовки при-
меняют также холодную (отделочную) вальцовку в ковочных валь-
цах с валками диаметром 250...400 мм при окружной скорости
0,2...0,7 м/с. Этот вид вальцовки применяют для получения про-
фильных заготовок с припуском 0,15...0,20 мм под шлифование.
Холодная вальцовка придает поковкам шероховатость поверхно-
сти не хуже Ra 1,25 мкм и повышает механические свойства мате-
риала. Наибольшее абсолютное обжатие за один проход составля-
ет 0,5...0,8 мм; применяют обычно два, иногда три-четыре про-
хода.
12.4.	Обработка на ротационно- и радиально-
обжимных машинах

Принцип действия ротационно-обжимных и радиально-обжим-
ных машин заключается в том, что поковка, помещенная между
несколькими бойками (гладкими или фигурными), подвергается
многократным обжатиям (до 100 обжатий в секунду) благодаря
чему могут быть получены детали типа ступенчатых сплошных валов
или полых валов и втулок (рис. 12.10).

Точность обработки при горячем обжатии соответствует 12 —
14-му квалитетам точности, а при холодном — 6—7-му квалите-
там и даже выше. Шероховатость поверхности при горячем обжа-
тии — до Ra 2,5...5 мкм, а при холодном — Ra 0,32...0,63 мкм.

Схема действия ротационно- и радиально-обжимных машин
показана на рис. 12.11. Обработку производят с постоянной степе-
нью обжатия (радиальное обжатие) или с переменной степенью
обжатия (профильное обжатие).

Степень обжатия, т.е. относительное уменьшение исходного
диаметра (в процентах), за один переход приводится в табл. 12.1.

Если требуемая степень обжатия не превышает допустимую,
то всю обработку осуществляют за один проход, если превышает,
то последовательно производят несколько проходов. Особенностью
технологического процесса является также то, что конечная тем-
пература штамповки может быть на 100... 150°C ниже, чем реко-
мендуемая температура конца штамповки на других видах обору-
дования.

Ротационно-обжимные машины выпускают только горизонталь-
ными, т.е. с горизонтальным направлением подачи заготовки.
В России выпускают восемь типоразмеров таких машин, начиная
с машины, обрабатывающей исходную заготовку в виде прутка
диаметром до 4 мм и трубную заготовку с диаметром до 10 мм и

Рис. 12.10. Типовые формы поковок, получаемых на ротационно- и ради-
ально-обжимных машинах
Рис. 12.11. Схема действия ротационно-обжимных (а) и радиально-об-
жимных (б) машин:

/ — боек; 2 — заготовка; £ — регулируемый эксцентриситет

кончая машиной для обработки прутков диаметром до НО мм и
труб — до 200 мм.

Радиально-обжимные машины выпускаются как в горизонталь-
ном исполнении, так и в вертикальном (в этом случае ограничена
максимальная длина поковки 1 000 мм). Радиально-обжимные ма-
шины более мощные, чем ротационно-обжимные, позволяют об-
рабатывать пруток диаметром до 200 мм и трубу диаметром до
320 мм. Радиально-обжимные машины имеют программное уп-
равление, синхронизирующее работу механизма обжатия, подачу
и нагрев заготовок. В некоторых типах вертикальных радиально-
обжимных машин применяют электронную систему управления,

Таблица 12.1

Допустимая степень обжатия заготовок различного вида

Вид заготовки	Допустимая степень обжатия заготовки, %	
	без нагрева	с нагревом
Сплошная	25...35	35...50
Полая:  с отношением толщины стенки s  к среднему диаметру dcp более 0,25  с отношением толщины стенки s  к среднему диаметру dcp 0,10... 0,25	25...45  15...20	40...65  20...25
и поковку обрабатывают по чертежу. Горизонтальные машины обо-
рудуют устройствами для автоматической загрузки и разгрузки
заготовок.

12.5.	Раскатка кольцевых заготовок

Раскаткой кольцевых заготовок называется технологический
процесс, в котором за счет уменьшения толщины стенки кольца
получают увеличение внутреннего и наружного диаметров кольца.
Раскатку производят на раскатных машинах (рис. 12.12). Исходную
заготовку 4 устанавливают отверстием на раскатной валок 3, ко-
торый свободно вращается в подшипниках. Нажимной валок (бан-
даж) 2, приводимый во вращение от электродвигателя 8, через
карданный вал 7 с помощью гидравлического цилиндра 1 нажи-
мает на заготовку и, вращая, обжимает ее. Направляющий ролик 5
служит для формирования правильного круга, а контрольный
ролик 6 фиксирует достижение заданного размера. Обратный ход
бандажа осуществляет груз 9. Раскатные машины выпускают для
колец диаметром 80...800 мм и высотой до 200 мм, причем уси-
лие нажима бандажа обеспечивается в пределах 60... 700 кН. Такие
раскатные машины применяют в основном для производства ко-
лец подшипников, а также вагонных и локомотивных колес.

Существуют три способа раскатки — открытый, полуоткры-
тый и закрытый. Наибольшее распространение имеет открытый
способ, в котором деформация стенки кольца происходит между

Рис. 12.12. Схема работы раскатной машины:

1 — гидравлический цилиндр; 2 - нажимной валок (бандаж); 3 — раскатной
валок; 4 — исходная заготовка; 5 — направляющий ролик; 6 — контрольный
ролик; 7 — карданный вал; 8 — электродвигатель; 9 — груз
Рис. 12.13. Схемы открытой (д) и полуоткрытой (б) раскатки:

1 — раскатываемая заготовка; 2 — центральный раскаточный валок; 3 — враща-
ющийся нажимной валок; 4 — контрольный ролик; 5 — направляющий ролик

двумя инструментами (рис. 12.13, а). Полуоткрытый способ отли-
чается от открытого только тем, что добавлены две пары свобод-
но вращающихся (неприводных) роликов, обжимающих торцы
заготовки в процессе ее раскатки, что обеспечивает получение
более точной высоты кольцевой поковки (рис. 12.13, б). Закрытый
способ, в настоящее время почти не применяемый, заключается в
том, что зона деформации закрыта со всех четырех сторон.

Метод раскатки кольцевых заготовок — экономичный, посколь-
ку обеспечивает повышение точности геометрической формы коль-
ца за счет уменьшения разностенности и овальности. Форма сече-
ния раскатанной поковки приближается к форме сечения готовой
детали, снижаются припуски и напуски. Так, припуски на внут-
ренний и наружный диаметры составляют для колец диаметром
до 80 мм приблизительно 3 мм, а для колец диаметром до 700 мм —
приблизительно 9 мм. Кроме того, заготовки для раскатки могут
штамповать весьма производительным методом на ГКМ.

Степень обжатия при горячей раскатке (отношение площадей
поперечных сечений кольцеобразной поковки до и после раскат-
ки) находится в пределах 1,3... 1,6.

12.6.	Накатка зубчатых колес, звездочек и винтов

Зубчатые колеса накатывают по двум схемам — с осевой пода-
чей заготовки или с радиальной подачей валков. Осевая подача
заготовок производится для накатки колес с мелким модулем —
до 4 мм. Рабочий инструмент в виде зубчатых колес с заборной
конической частью (рис. 12.14, а) устанавливают на определен-
ное межцентровое расстояние, а заготовки, надетые на стержень
и зажатые гидравлическим устройством, подают через нагрева-
тельный индуктор в зону между вращающимися валками. Дефор-
мация в основном производится конической частью валков, а
цилиндрической частью — калибровка. Скорость осевой подачи
выбирают в пределах 2... 10 мм/с, она лимитируется индуктором
(необходимо, чтобы заготовка за время прохождения индуктора
успевала нагреваться до 1 200 °C).

Такой технологический процесс обеспечивает изготовление
зубчатого венца с прямыми и косыми зубьями с точностью до
10 степени. Его применяют в тех случаях, когда прокатанные ше-
стерни работают при сравнительно невысоких скоростях — про-
филь зубьев механической обработке не подвергают, только рас-
тачивают осевое отверстие и обрабатывают торцы. Производитель-
ность прокатного стана составляет 150 — 200 шестерен в час.

Технологический процесс с радиальной подачей (рис. 12.14, б)
применяют для накатки зубчатых колес с модулем 5 мм и выше.
Его осуществляют следующим образом: две пары валков, зубча-
тых и гладких, насажены на общий вал, причем зубчатые валки
находятся выше гладких. Штампованную кольцевую заготовку за-
жимают гидравлическим устройством и располагают напротив глад-
ких валков. Специальный секторный индуктор нагревает заготов-
ку до 1 200 °C, затем валки сближают и производят обкатку обода.
При этом получают точные размеры обода по диаметру и ширине.
Затем валки разводят и заготовку в зажатом состоянии устанавли-
вают против зубчатых валков. Валки сближают и накатывают зубья
с припуском 0,5... 1,5 мм на сторону под механическую обработку.
Производительность стана при накатке шестерен с модулем 7 мм
и числом зубьев 28 составляет 25 — 30 шт./ч.

а

Рис. 12.14. Схемы накатки зубчатых колес:
а — накатка с осевой подачей; б — накатка с радиальной подачей
Звездочки накатывают аналогично
предыдущему методу, только зубья
звездочек прокатывают начисто, без
припуска на механическую обработку.

Винтовые резьбы накатывают на
двух- или трехвалковых станах. Валки
имеют обратный профиль по сравне-
нию с изделием и установлены под
углом к оси заготовки, равным разно-
сти углов подъема винтового профиля
на валке и на изделии (рис. 12.15). Резь-

Рис. 12.15. Схема накатки бы с шагом до 8 мм чаще накатывают
резьбы	в холодном состоянии, а с шагом бо-

лее 8 мм — с нагревом до 1 200 °C. Про-
изводительность станка при холодной
накатке составляет 25...30 м/ч, а при горячей — 45...50 м/ч.

Накатка шестерен, звездочек и крупных резьб имеет ряд пре-
имуществ по сравнению с механической обработкой. В несколь-
ко раз сокращается трудоемкость изготовления зубчатого венца
и винтовой резьбы, экономится значительное количество ме-
талла (15... 30 %). Кроме того, прочность накатанных зубьев выше,
чем фрезерованных, поскольку зубья приобретают более мелко-
зернистую структуру, при механической обработке волокна ме-

талла не перерезаются, а оказываются расположенными вдоль
профиля. Усталостная прочность поверхностных слоев увеличи-
вается на 15...20 %, усталостная прочность на изгиб — на

20...40 %.

12.7.	Новые виды штамповки

12.7.1.	Штамповка на высокоскоростных молотах

Высокоскоростными называют молоты, имеющие большие
скорости (18...30 м/с) перемещения падающих частей. Массы па-
дающих частей этих молотов значительно меньше по сравнению с
обычными молотами, для их установки требуется меньшая пло-
щадь, а глубокие сложные фундаменты не нужны.

Приводят высокоскоростные молоты с помощью сжатого азо-
та (давление 140 МПа) или бензинового двигателя. Поскольку со-
ударение рабочих частей молота происходит в замкнутой систе-
ме, почти вся энергия расходуется на полезную работу пластичес-
кого деформирования поковки.

На рис. 12.16 показана схема молота Dynapak. Поршни 6 гидро-
цилиндров поднимают бабу молота 3 до соприкосновения с коль-
цевым уплотнением 1. Канал а закрывается, затем поршни опус-
Рис. 12.16. Схема высокоскорост-
ного молота Dynapak:

/ — кольцевое уплотнение; 2 — ста-
нина молота; 3 — баба молота; 4 —
выталкиватель; 5 — штамп; 6 — пор-
шни гидроцилиндров; 7 — направля-
ющие станины; 8 — воздушные по-
душки; а — впускной канал; б — ка-
нал для регулирования давления

каются, чтобы не препятствовать падению бабы. Баба удерживает-
ся вверху, так как кольцевая площадь под поршнем больше, чем
над ним. Для осуществления удара через канал а впускают сжатый
азот, и баба падает вниз. Вибрации, возникающие после удара,
амортизируют воздушные подушки 8. Канал б служит для регули-
рования давления (от 10 до 90 % номинального), т.е. для дозиро-
вания энергии удара. В бабе и в столе имеются выталкиватели 4для
извлечения поковок из штампа 5. Высокоскоростные молоты строят
на энергию удара 120...320 кДж.

Поковки, как правило, штампуют за один удар, в результате
которого металл соприкасается с пуансоном и матрицей весьма
малое время. Теплопередача от заготовки к штампу незначитель-
на, и, поскольку при деформации выделяется теплота, поковки
могут даже нагреваться, особенно в узких участках. Поэтому тем-
пературу штамповки выдерживают очень точно, и нагрев произ-
водят при температуре на 80... 150 °C ниже, чем обычно.

По сравнению со штамповкой на паровоздушных молотах,
высокоскоростная штамповка оказывается весьма экономичной
вследствие ряда технологических особенностей деформации ме-
талла при высоких скоростях, в числе которых:

•	уменьшение машинного времени штамповки, так как поков-
ки даже весьма сложной формы получают за один удар (только
для труднодеформируемых сплавов требуется 2 или 3 удара);

•	экономия металла, так как возможно получение асимметрич-
ных поковок без сколько-нибудь значительного заусенца, почти
без штамповочных уклонов, с острыми углами и тонкими ребра-
ми (0,5...0,8 мм), однако при этом приходится производить точ-
ную отрезку заготовок на пилах;

•	улучшение качества поковок вследствие более однородного
течения металла, отсутствия трещин в углах и зажимах, уменьше-
ния размеров зерен и увеличения твердости;

•	фиксированная энергия удара, приводящая к меньшему раз-
бросу размеров поковок, выдерживанию допусков в пределах
±0,125 мм, а при холодном выдавливании — ±0,025 мм;

•	применение штамповых блоков и механизации смены штам-
пов, сокращающее время переналадки до 15 мин, в результате
чего становится возможным применение такого оборудования и
для штамповки мелких партий поковок.

12.7.2.	Штамповка на горячештамповочном
автомате

Горячештамповочные автоматы применяют для массового про-
изводства симметричных поковок типа шестерен, подшипнико-
вых колец, гаек и т. п. Обычно горячештамповочные автоматы ставят
в технологическую поточную линию. Работу всех ответственных
узлов автомата контролируют специальные автоматические уст-
ройства. Штамповку производят от прутка. Машины имеют встро-
енное индукционное нагревательное устройство, пластинчатые
конвейеры для поковок и отходов, поперечное транспортирую-
щее устройство для передачи из ручья в ручей. Такие автоматы
могут заменить 3 — 6 ГКМ или КГШП, кроме того, отпадает не-
обходимость в прессах для обрезки заусенца.

Порядок операций на автомате принят следующий: отрезка,
осадка, обратное выдавливание и просечка. Припуски на механи-
ческую обработку составляют 0,50...0,75 мм на сторону, допуски
поковок для разных параметров — ±(0,2... 0,6) мм на диаметр. Ори-
ентировочная производительность автоматов при двухсменной
работе составляет 30 000 — 36 000 поковок в день.

12.7.3.	Штамповка на импакторе

Импактором называют молот, у которого две бабы одинаковой
массы с равными скоростями двигаются в горизонтальном на-
правлении навстречу друг другу (рис. 12.17). Бабы (ползуны) 3
приводит в движение в направляющих 9 сжатый воздух 1 давлени-
ем 0,7 МПа. Связь между бабами — электронная, в которой спе-
циальная система слежения обеспечивает равные скорости дви-
жения бабы. Энергия удара у различных импакторов составляет
4...55 кДж, число ударов — 180 — 90 в минуту, наибольшая масса
поковок — 0,05... 15 кг.
Рис. 12.17. Схема работы импактора:

а — рабочий ход; б — обратный ход; 1 — сжатый воздух под высоким давлением;
2 — поршни; 3 — ползуны; 4 — штамповочные ручьи; 5 — специальные клещи;

6 — заготовка; 7 — клапан для выпуска воздуха; 8 — воздух под низким давлени-
ем; 9 — направляющие

Импактор применяют в полностью автоматизированной ли-
нии. Нарезанные заготовки загружают в бункер, затем они по-
ступают в магазин, и далее — в печь. Нагретые заготовки 6 спе-
циальными клещами 5, работающими от механизма с программ-
ным управлением, подаются в штамповочные ручьи 4. Движение
клещей 5 программируют с возможностью поворота на 90° по
ходу часовой стрелки или в обратную сторону. Число ударов пол-
зунов 3 на каждой позиции также программируют от одного до
десяти с различной энергией каждого удара за счет управления
значением высокого давления 1 на поршни 2. Обратный ход про-
исходит под действием низкого давления 8, а отработавшую пор-
цию воздуха высокого давления выпускает клапан 7. Машина
снабжена специальным фотоэлектрическим пирометром, кото-
рый контролирует температуру заготовки, и при недостаточном
нагреве заготовки сбрасываются с конвейера и в рабочую зону
не поступают. Отштампованная поковка падает на отборочный
конвейер.

Импактор наименьшего типоразмера предназначен для штам-
повки заготовок массой до 0,65 кг, диаметром до 25 мм и длиной
до 300 мм при 180 ударах в минуту. Машина наибольшего типо-
размера позволяет штамповать заготовки массой до 15 кг, диамет-
ром до 82 мм и длиной до 710 мм при 90 ударах в минуту. Произ-
водственный цикл составляет 5... 15 с. Производительность импак-
тора в 1,6 —2,3 раза выше, чем у паровоздушного молота с такой
же энергией удара.
12.7.4.	Накатка шлицевых поверхностей

Производство шлицевых соединений составляет большой удель-
ный вес в машиностроении. Их широко применяют в коробках
скоростей металле- и деревообрабатывающих станков, автомоби-
лей, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других
машин От работоспособности этих соединений зависит долговеч-
ность других деталей, в частности зубчатых колес.

В технологическом процессе изготовления шлицевых валов опе-
рации образования шлицов наиболее сложные и трудоемкие. Так,
при получении шлицов фрезерованием червячными шлицевыми
фрезами на шлицефрезерных и зубофрезерных станках на опера-
цию шлицеобразования приходится до 60% общих затрат време-
ни, затраченного на изготовление вала.

Недостаточная производительность и малый коэффициент ис-
пользования материала при образовании шлицов резанием, что
особенно важно для массового производства, вызвали необходи-
мость изыскания и разработки новых, более производительных и
ресурсосберегающих способов получения заготовок пластическим
деформированием.

По кинематике пластическое формообразование прямобочных,
эвольвентных и остроугольных шлицов может быть получено ме-
тодами копирования и огибания.

Метод копирования применяют для получения заготовок дета-
лей со шлицами большой глубины прямобочного профиля при
сравнительно небольшом числе впадин. Этот метод реализуют при
продольной накатке многороликовыми головками, редуцирова-
нием через зубчатую матрицу и ударным радиальным формообра-
зованием. При редуцировании в жестких матрицах вал проталки-
вается пуансоном через направляющую втулку и жесткую матри-
цу, после редуцирования заготовку удаляет из матрицы выталки-
ватель, причем площадь сечения заготовки уменьшается при од-
новременном увеличении длины. Номинальный диаметр заготов-
ки выбирают равным наружному диаметру шлицов вала.

Метод огибания осуществляют с помощью поперечной накат-
ки плашками. В основном он используется для получения загото-
вок многозубых шлицевых валов с эвольвентным или треуголь-
ным профилем, в которых протяженность шлицевых участков не-
велика. Наиболее перспективным методом получения шлицов на
валах без снятия стружки (по производительности, универсаль-
ности, охвату выпускаемой номенклатуры валов и т.д.) является
продольное накатывание многороликовой головкой без нагрева
заготовки.

Сущность метода состоит в следующем: накатные ролики, сво-
бодно вращающиеся на осях, расположены звездообразно в кор-
пусе накатной головки; число накатных роликов равно числу на-
катываемых шлицевых впадин. На рис. 12.18, а представлена схема
процесса, на рис. 12.18, б — накатной ролик. Заготовку 1 зажим-
ной центр 4 прижимает к опоре 7и проталкивает сквозь накатную
головку. За счет трения накатные ролики 2 вращаются вокруг осей 3,
закрепленных в колодках 6, которые устанавливают в корпусе 5
накатной головки.

Размеры заготовки для накатки устанавливают с учетом ее уд-
линения в процессе формообразования шлицов, а также с учетом
припусков на последующую обработку. Для получения шлицов с
постоянным диаметром по длине вала заготовке перед накатыва-
нием придают фасонную форму (рис. 12.19), а именно утолщение
на конце, так как в этой области металл интенсивно пластически
течет вдоль оси из-за отсутствия подпора со стороны свободного
конца.

Метод имеет три разновидности: однопроходное накатывание,
многопроходное накатывание и накатывание с делением. Одно-
проходное накатывание позволяет получить за один проход тре-
угольные, эвольвентные и прямоблочные шлицы, параллельные
оси вала, при этом глубина профиля может достигать 6 мм.

При многопроходном накатывании (с периодическим перемеще-
нием накатных роликов к центру заготовки) возможна обработка
шлицов высотой до 10 мм. Число накатных роликов конструктивно
ограничено возможностью их размещения в шлиценакатной голов-
ке, поэтому одновременно обрабатывают до 16 шлицов. При обра-
ботке валов с большим числом шлицов применяют накатывание с

Рис. 12 18 Продольное накатывание шлицов многороликовой головкой’
а — схема процесса, б — накатной ролик, / — заготовка, 2 — накатной ролик,
3 — ось накатного ролика, 4 — зажимнои центр, 5 — корпус накатной головки,
6 — колодка, 7 — опора
Рис. 12.19. Форма заходного участка заготовки под накатывание шлицов:
d„ — наружный диаметр прутка; d, — наружный диаметр поверхности зубьев;
dm — внутренний диаметр шлицевой поверхности; /3 — длина заходной части;

Dp — диаметр накатного ролика; хг — радиальный припуск на сторону

делением, т. е. с периодическим поворотом заготовки после накаты-
вания двух или трех противоположных впадин. Такой метод накат-
ки дает меньшую точность и снижает производительность.

Поэтому в массовом и крупносерийном производстве приме-
няют преимущественно однопроходное накатывание всех шлице-
вых впадин на полную глубину. Накатные головки монтируют либо
на серийно выпускаемых гидравлических прессах, либо (в массо-
вом производстве) на специальных шлиценакатных прессах. В на-
стоящее время таким способом получают заготовки более чем у
20 % всех шлицевых валов на машиностроительных предприятиях.

По сравнению с обработкой резанием шлицевых поверхностей
гладких участков заготовок валов метод пластического формооб-
разования шлицов без нагрева имеет ряд преимуществ, в числе
которых:

•	высокая скорость образования профилированной поверхно-
сти, обеспечивающая сокращение цикла обработки;

•	более высокое качество шлицов: процесс деформации сопро-
вождается интенсивным упрочнением поверхностных, а в неко-
торых случаях и глубинных слоев детали, повышением прочности
твердости и износостойкости поверхности; предел прочности на
растяжение поверхностных слоев увеличивается почти на 80 %, а
глубинных слоев — до 40 %;

•	улучшение структуры металла — зерна и волокна структуры
не перерезываются, а вытягиваются по контуру профиля шли-
цов, что также повышает прочность и уменьшает вероятность по-
явления трещин;

•	экономичность метода — увеличивается коэффициент исполь-
зования металла, отсутствуют расходы на удаление и хранение
стружки, уменьшаются расходы на режущий инструмент.
Рис. 12.20. Конструктивные схемы шлиценакатных головок:

а — без размерной регулировки; б — с регулировкой размеров профиля; в —
с регулировкой размеров и с изменением расположения шлицов

В зависимости от вида регулировочных перемещений инструмента
(накатных роликов) шлиценакатные головки могут быть трех ви-
дов: простые роликовые фильеры, конструкция которых не пред-
усматривает размерной регулировки (рис. 12.20, а); накатные го-
ловки с регулировкой размеров обрабатываемого профиля ради-
альными перемещениями роликов относительно оси изделия (рис.
12.20, б\, накатные головки с регулировкой размеров и расположе-
ния шлицов — инструмент в этих головках может смещаться как в
радиальном, так и в тангенциальном направлениях (рис. 12.20, в).

Для снижения усилия проталкивания заготовки через матрицу
применяют технологическую смазку. Лучшие результаты получе-
ны со смазкой в виде фосфатного покрытия с последующим омы-
ливанием. Обработка валов больших размеров эффективна при
смазке дисульфидом молибдена, наносимого в виде порошка на
промытую бензином поверхность заготовки. Наиболее дешевым
смазочным материалом является касторовое масло, но его сма-
зочная способность ниже, чем при фосфатировании, и поэтому
его рекомендуют использовать при редуцировании с небольшой
степенью обжатия.

Контрольные вопросы

1.	Почему ВФП называют иногда винтовыми фрикционными моло-
тами?

2.	Какие свойства ВФП позволяют считать его универсальным обору-
дованием, способным заменить молот, КГШП и ГКМ?

3.	Почему на ВФП не страшны перегрузки при штамповке?

4.	Какое свойство гидравлического пресса является обычно одним из
главных недостатков, и в то же время иногда — важным преимуществом?

5.	Какой силовой режим может быть реализован только с помощью
гидравлического пресса и ни на каком другом виде кузнечно-прессового
оборудования невозможен?
6.	Каким способом можно осуществить штамповку на гидравлическом
прессе, если для пластического деформирования данной поковки требу-
ется усилие, превышающее номинальное усилие данного пресса?

7.	Как осуществляется рабочая подача на ковочных вальцах?

8.	Какие виды заготовок получают поперечно-клиновой вальцовкой?

9.	Вращается ли заготовка при обработке на ротационно-обжимной
машине?

10.	Почему при ротационной штамповке пруток нагревают на
100... 150°C ниже, чем при других видах штамповки?

11.	За счет чего вращается поковка при обработке на раскатной машине?

12.	Можно ли на раскатной машине получать кольца с конической
наружной и внутренней поверхностью?

13.	Какой вид энергоносителя используют в высокоскоростных моло-
тах?

14.	Как обеспечивают при штамповке на импакторе одновременное
соударение левого и правого бойков с поковкой?

15.	В каком состоянии — холодном или горячем — производится на-
катка шлицов на валах?
ГЛАВА 13

ПРЕССОВАНИЕ ЗАГОТОВОК
ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

13.1.	Область применения прессованных заготовок
и свойства металлических порошков

Область применения прессованных заготовок. Методом прессо-
вания порошковых материалов изготавливают заготовки для изде-
лий, имеющих специальные свойства:

•	антифрикционные детали узлов трения приборов и машин
(втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.);

•	конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрик-
ционные детали (диски, колодки и др.);

•	элементы режущих инструментов (режущие и опорные плас-
тины резцов, сверл, фрез и др.);

•	электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты,
электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической про-
мышленности;

•	специальные композиционные (жаропрочные и др.) детали.

Прессованием порошков можно получать заготовки не только
для изделий различных форм и назначений, но и для принципи-
ально новых изделий, которые другим путем получить очень труд-
но или невозможно.

Классификация порошковых материалов. Основным сырьем по-
рошковой металлургии являются порошки чистых металлов и спла-
вов, а также порошки неметаллических элементов. Под термином
«порошковая металлургия» принято понимать область науки и тех-
ники, охватывающую область производства металлических порош-
ков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими
порошками. В зависимости от плотности и назначения порошко-
вые материалы подразделяют на две группы:

плотные порошки — материалы с минимальной пористостью,
изготовленные на базе порошков железа, меди, никеля, титана,
алюминия и их сплавов;

пористые порошки — материалы, в которых после окончатель-
ной обработки сохраняется 10... 15 % пор по объему. Плотные по-
рошки нашли широкое применение в машино- и приборострое-
нии, автомобильной и авиационной технике и других отраслях
оборонного и общегражданского производства. Высокая пори-
стость порошков второй группы обеспечивает приобретение ими
специальных свойств и позволяет применять их для изготовления
специальных изделий (изделий антифрикционного назначения,
фильтров, деталей охлаждения и т.п.). При производстве этой груп-
пы деталей применяют железографитовые материалы, бронзы, не-
ржавеющие стали.

Особое значение имеют инструментальные порошковые мате-
риалы. К их числу относят порошковые быстрорежущие стали,
карбидостали, твердые сплавы, материалы на основе сверхтвер-
дых соединений (нитридов, боридов и т.д.) и алмазные мате-
риалы.

Получают порошки чистых металлов и сплавов одним из сле-
дующих методов: химическим, электролитическим, механическим.

К химическим методам получения порошков относят восста-
новление оксидов и солей металлов твердыми или газообразными
восстановителями, диссоциацию карбонилов и неустойчивых со-
единений, металлотермию. Большую группу порошков — олово,
серебро, медь и железо — получают методами электролитическо-
го осаждения металлов в виде порошка из водных растворов со-
лей, а также электролизом расплавленных сред (тантал, ниобий,
уран и др.).

К механическим методам получения порошков относятся из-
мельчение металла резанием, размол в шаровых, вибрационных,
конусно-инерционных и других мельницах и дробилках, распы-
ление струй жидкого металла сжатым паром, газом, водой.

Выбор метода определяется возможностью получения порош-
ка необходимого качества и экономической целесообразностью
применения того или иного метода. Наибольшее распространение
получили химические методы и методы распыления, которые при
минимальных затратах обеспечивают получение целой гаммы по-
рошковых металлов и сплавов со свойствами широкого диапа-
зона.

Свойства металлических порошков. Возможность применения
порошка для изготовления конкретных изделий определяется его
свойствами, которые зависят от метода получения и природы
металла порошка. Металлические порошки характеризуются тех-
нологическими, физическими и химическими свойствами.

К технологическим свойствам относят:

•	насыпную плотность, представляющую собой массу единицы
объема свободно насыпанного порошка;

•	относительную плотность — отношение насыпной плотности
и плотности металла в беспористом состоянии;

•	текучесть — способность порошка заполнять определенную
форму и выражающуюся через число граммов порошка, протека-
ющего за 1 с через воронку с диаметром выходного отверстия
(носика воронки) 2,5 мм;

•	прессуемость — способность порошка под давлением сжима-
ющих усилий образовывать заготовку заданной формы и размеров
(формуемость) с минимально допустимой плотностью (уплотня-
емость).

К физическим свойствам порошков относят форму и размер
частиц порошков. Частицы могут резко различаться по форме (от
нитевидных до сферических) и размерам (от долей до сотен и
даже тысяч микрометров). Важная характеристика порошков —
гранулометрический состав, под которым понимается соотноше-
ние количества частиц различных размеров (фракций), выражен-
ное в процентах. Размеры частиц порошка обычно составляют
0,1... 100,0 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкм на-
зывают гранулами, менее 0,1 мкм — пудрой. Определение грануло-
метрического состава производят с помощью просеивания порошка
через набор сит (для порошков размерами гранул более 40 мкм);
для более дисперсных порошков применяют метод седиметации и
микроскопический анализ с помощью оптического или электрон-
ного микроскопа.

К физическим свойствам относят также удельную поверхность
порошков, под которой понимают суммарную поверхность всех
частиц порошка, взятого в единице объема или массы.

К химическим свойствам относят химический состав порошка
(как порошка чистого металла, так и порошка сплава), который
определяют по методикам соответствующих компактных (беспо-
ристых) металлов и сплавов. К этим же характеристикам относят
также пирофорность (способность порошка самовозгораться при
соприкосновении с воздухом) и токсичность (ядовитость порош-
ков). Если в компактном состоянии большинство металлов без-
вредны, то в порошковой форме, попадая в атмосферу помеще-
ний, они образуют аэрозоли, которые при вдыхании воздуха или
приеме пищи могут вызывать болезненное состояние.

13.2.	Производство металлических порошков
и их свойства

Типовая технология производства заготовки изделий методом
порошковой металлургии включает в себя четыре основные опе-
рации: получение порошка исходного материала; формование за-
готовок; спекание и окончательную обработку. Каждая из указан-
ных операций оказывает значительное влияние на формирование
свойств готового изделия.

Используют преимущественно два основных способа производ-
ства металлических порошков: физико-механический и химико-
металлургический.

При физико-механическом способе изготовления порошков пре-
вращение исходного материала в порошок происходит при меха-
ническом измельчении в твердом или жидком состоянии без из-
менения химического состава исходного материала. Этот способ
реализуют с помощью дробления и размола, распыления, грану-
ляции и обработки резанием измельчаемого материала.

При химико-металлургическом способе изменяют химический
состав или агрегатное состояние исходного материала. Способ реа-
лизуют путем восстановления оксидов, электролиза металлов, тер-
мической диссоциации карбонильных соединений.

Твердые материалы измельчают дроблением, размолом или
истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое
измельчение хрупких металлов и их сплавов: кремния, сурьмы,
хрома, марганца, ферросплавов, сплавов алюминия с магнием.
Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) за-
труднен. Лучшие результаты получают при использовании в каче-
стве сырья отходов, образующихся при обработке металлов (струж-
ка, обрезка и др.).

При измельчении комбинируют различные виды воздействия
на материал. Для грубого размельчения используют щековые, вал-
ковые и конусные дробилки и бегуны; при этом получают части-
цы размером 1... 10 мм, которые являются исходным материалом
для тонкого измельчения, обеспечивающего производство требу-
емых металлических порошков. Исходным материалом для тонко-
го измельчения может быть и стружка. Окончательный размол
полученного материала проводят в шаровых вращающихся, виб-
рационных или планетарных центробежных, вихревых и молот-
ковых мельницах.

13.3.	Формирование заготовок

В зависимости от температуры (ниже или выше она температу-
ры рекристаллизации) различают холодное и горячее прессова-
ние. Существует несколько способов, позволяющих получить из
порошка сравнительно прочную заготовку желательной формы и
размеров. Используя различные прессы и применяя специальные
инструменты — пресс-формы, можно обжать в них определенное
количество (дозу, навеску) порошка до заданных размеров, т.е.
произвести штучное прессование. Можно осуществить равномер-
ное обжатие порошка в пресс-форме, передавая давление через
жидкость — гидростатическое прессование, или используя цент-
робежные силы вращения — центробежное прессование. В отдель-
ных случаях применяют вибрационное и вакуумное прессование,
а тонкостенные заготовки получают напылением или осаждением
порошка на сердечнике. Из всех этих процессов наиболее широ-
кое промышленное распространение получили различные спосо-
бы штучного формования заготовок прессованием в пресс-фор-
мах на гидравлических или механических прессах при комнатной
температуре в обычной атмосфере. Для получения различных за-
готовок произвольной длины (прутков, брусков, труб, полос, лент
и т.д.) применяют обжатие порошка при непрерывной его пода-
че: мундштучное прессование (продавливание порошковой массы
через отверстие заданной формы) и холодную прокатку порошка
между валками.

К прессам, применяемым в порошковой металлургии, предъяв-
ляют особые требования. Рабочую зону оборудования для прессо-
вания порошковых заготовок снабжают специальными устройства-
ми, позволяющими выталкивать спрессованные заготовки из цель-
ных матриц с помощью добавочного плунжера. При использова-
нии разъемных пресс-форм требуется добавочный горизонталь-
ный плунжер или специальное приспособление, предупреждаю-
щее расхождение элементов пресс-формы в процессе прессова-
ния. Желательно иметь возможность регулирования величины и
скорости хода плунжера. При массовом и крупносерийном харак-
тере производства необходимо обеспечить автоматизацию процесса
прессования, т. е. бесперебойную подачу точно дозированных ко-
личеств порошка и съем прессованных заготовок, которые долж-
ны работать в синхронном режиме с движениями рабочего плун-
жера и выталкивателя.

13.4.	Спекание

Спеканием называют процесс развития сцепления частиц и
формирования свойств изделия, получаемых нагревом сформо-
ванной заготовки. Плотность, прочность и другие физико-меха-
нические свойства спеченных изделий зависят от условий изго-
товления: давления прессования, температуры, времени выдерж-
ки и атмосферы спекания.

Различают твердофазное спекание (спекание без образования
жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие ком-
поненты смеси порошков расплавляются.

При твердофазном спекании происходят поверхностная и
объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос
атомов через газовую среду. С повышением температуры энергия и
амплитуда колебаний атомов увеличиваются, и при некотором их
значении возможен переход атома в новое положение. Такое пе-
ремещение атомов носит название диффузии и может совершаться
как по поверхности (поверхностная диффузия), так и в объеме
тела (объемная диффузия). Движение атомов определяется зани-
маемым ими местом. Наименее подвижны атомы, расположенные
внутри контактных участков частичек порошка, наиболее под-
вижны атомы, расположенные свободно — на выступах и верши-
нах частиц. Большая подвижность атомов свободных участков и
меньшая подвижность атомов контактных участков, обусловлива-
ют переход значительного количества атомов к контактным учас-
ткам. Поэтому расширение контактных участков и округление пу-
стот между частицами происходит без изменения объема при по-
верхностной диффузии.

Сокращение суммарного объема пор возможно только при
объемной диффузии. При этом происходит изменение геометри-
ческих размеров изделия — усадка.

Горячее прессование — это процесс одновременно прессова-
ния и спекания порошков при температуре 0,5...0,8 температуры
плавления основного компонента шихты. Оно позволяет исполь-
зовать увеличение текучести шихты при повышенных температу-
рах с целью получения малопористых изделий. В этом случае силы
давления формования суммируются с внутренними физическими
силами, приводящими к уплотнению. Наиболее существенными
результатами горячего прессования являются максимально быст-
рое уплотнение и получение изделия с минимальной пористо-
стью при сравнительно малых давлениях.

Механизм уплотнения идентичен наблюдаемому при обычном
спекании: образование межчастичного контакта, рост плотности
с одновременным увеличением размеров частиц и дальнейший
рост частиц при незначительном дополнительном уплотнении.
Изделия после горячего прессования обладают более высоким
пределом текучести, большим удлинением, повышенными твер-
достью и электропроводностью и более точными размерами, чем
изделия, полученные последовательным прессованием и спека-
нием.

Указанные свойства тем выше, чем больше давление прессова-
ния. Горячепрессованные изделия имеют мелкозернистую струк-
туру. Горячее прессование нагретого порошка или заготовки вы-
полняют в пресс-форме.

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой
металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие
циклических колебаний температуры и напряжения, а также ядер-
ного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

13.5.	Особенности формы изделий,
получаемых порошковой металлургией

Одним из определяющих факторов качества заготовок, полу-
чаемых прессованием порошков, является сложность их формы.
В зависимости от применяемых конструктивных элементов изде-
лия порошковой металлургии различают простой, сложной и особо
сложной форм.

К изделиям простой формы относят:
•	изделия без переходов по высоте;

•	изделия без отверстия или с одним отверстием и с торцами,
ограниченными параллельными плоскостями;

•	изделия с конструктивными элементами в виде стенок, фа-
сок, пазов и зубьев.

К изделиям сложной формы относят:

•	изделия с одним переходом по высоте, без отверстия и с
торцами, ограниченными параллельными плоскостями;

•	изделия с одним или несколькими отверстиями, с одним
переходом по высоте и торцами, ограниченными параллельными
плоскостями.

К изделиям особо сложной формы относят:

•	изделия с двумя или более переходами и буртами по высоте,
с торцами, ограниченными параллельными или непараллельны-
ми плоскостями, криволинейными плоскостями;

•	изделия, ограниченные одной или более криволинейными
поверхностями, а также коническими, сферическими и др.

Дополнительными конструктивными элементами изделий слож-
ной и особо сложной формы являются стенки, фаски, пазы, зу-
бья, бурты, выступы, уклоны, углубления в торцах.

13.6. Достоинства и недостатки заготовок
из порошковых материалов

Основные достоинства использования порошковой металлур-
гии состоят в следующем:

•	снижаются затраты на дальнейшую механическую обработку,
которая может быть существенно уменьшена или даже полностью
исключена, так как получаемое готовое изделие имеет высокую
точность формы и размеров. Обеспечивается малая шероховатость
поверхности изделия;

•	уменьшается число операций в технологической цепи изго-
товления продукта;

•	используются энерго- и ресурсосберегающие технологии: ко-
эффициент использования стартового сырья составляет более 97 %,
а в большинстве случаев коэффициент использования материала
составляет около 100 %;

•	использование порошковой металлургии позволяет получать
изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонент-
ные смеси, объединяя металлические и неметаллические компо-
ненты, а также изделия различной пористости (фильтры) с регу-
лируемой проницаемостью, подшипники скольжения с эффек-
том самосмазывания и т.д.;

•	многие последующие сборочные этапы реализуют еще на ста-
дии спекания;
•	получаемые изделия имеют более высокие экономические,
технические и эксплуатационные характеристики по сравнению
с изделиями, изготовленными по традиционным технологиям;

•	использование порошковой металлургии обеспечивает пре-
цизионное производство и малый разброс размеров в серии изде-
лий.

Порошковая металлургия успешно конкурирует с литьем, об-
работкой давлением, резанием и другими методами, дополняя
или заменяя их.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее
развитие:

•	сравнительно высокая стоимость металлических порошков;

•	необходимость спекания в защитной атмосфере, что увели-
чивает себестоимость изделий порошковой металлургии;

•	трудность изготовления изделий и заготовок больших разме-
ров;

•	сложность получения металлов и сплавов в компактном со-
стоянии;

•	необходимость применения чистых исходных порошков для
получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоин-
ства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы:
в значительной степени они зависят от состояния и развития как
самой порошковой металлургии, так и других отраслей промыш-
ленности. По мере развития техники порошковая металлургия
может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать
другие.

Развитие дугового, электронно-лучевого, плазменного плав-
ления и электроимпульсного нагрева позволили получать недо-
стижимые прежде температуры, вследствие чего доля порошко-
вой металлургии в производстве несколько снизилась. Вместе с
тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие
недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность
приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод рас-
пыления дает возможность с достаточной полнотой и эффектив-
ностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в
металле до расплавления. Благодаря созданию методов всесторон-
него обжатия порошков при высоких температурах в основном
преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок круп-
ных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлур-
гии является постоянно действующим фактором, который сохра-
нит свое значение и при дальнейшем развитии техники.

С увеличением масштабов выпуска и совершенствованием ме-
тодов изготовления порошков будут решаться такие проблемы
порошковой металлургии, как дороговизна исходных материа-
лов и расходы, связанные с необходимостью изготовления ин-
дивидуальных приспособлений (пресс-форм) для каждого вида
деталей.

Контрольные вопросы

I.	Как получают порошки чистых металлов?

2.	Что называют прессуемостью порошка?

3.	Как формируют порошковые заготовки?

4.	Какие виды спекания используют в технологическом процессе из-
готовления порошковых заготовок?

5.	Какое достоинство порошковых заготовок можно считать основ-
ным?

6.	Что ограничивает применение метода порошковой металлургии в
производстве заготовок?
РАЗДЕЛ III

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ГЛАВА 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ЛИТЬЯ

14.1.	Понятие литейного производства

Литейным производством называют процесс получения заго-
товок или деталей из металлов и сплавов, находящихся в жидком
состоянии. Заготовки, полученные методом литья, называют от-
ливками. В литейном производстве используют различные виды
технологических процессов получения отливок. Различия между
ними определяют главным образом характер материалов, из ко-
торых получают литейные формы, способ изготовления форм и
условия заливки.

Литейные формы изготавливают из различных материалов. Чаще
всего отливки получают в литейных формах, изготовленных из
формовочных и стержневых смесей, основой которых является
кварцевый песок. Для придания смесям необходимых свойств в их
состав вводят также глину, разнообразные связующие материа-
лы, воду и другие добавки. Одна из основных операций изготовле-
ния таких литейных форм заключается в уплотнении смесей.

В отличие от литья в обычных песчаных формах, все остальные
технологические процессы получения отливок часто называют
специальными видами литья. К ним относят литье в оболочковые
формы, литье по выплавляемым моделям, литье в металлические
формы, литье под давлением, центробежное литье.

Способ литья в обычные песчаные формы наиболее распрост-
ранен, его применяют для получения отливок из всех литейных
сплавов с широким диапазоном в отношении размеров и веса.
Специальные виды литья не обладают универсальностью, но по-
зволяют получать отливки с более высокой точностью и меньшей
шероховатостью поверхности, а также обеспечивают экономию
металла.

Литье как метод получения заготовок обладает следующими
достоинствами:
•	возможностью получения отливок из большинства конструк-
ционных сплавов, часть из которых непригодна для обработки
давлением. В последнем случае литье является единственно воз-
можным методом получения заготовок;

•	возможностью получения фасонных отливок, имеющих не
только сложные внешние формы, но и сложную конфигурацию
внутренних полостей;

•	возможностью получения отливок с массой от нескольких
граммов до нескольких сот тонн и с различными сечениями эле-
ментов (0,5...500 мм и более);

•	литье не требует применения таких сложных, энергоемких и
дорогих машин и формообразующих инструментов (штампов),
какие необходимы для пластического деформирования металла;

•	по сравнению с методом обработки металлов давлением, ли-
тье во многих случаях оказывается более экономичным.

Вместе с тем метод литья имеет и свои недостатки, которые
учитывают в конкретных случаях изготовления заготовок:

•	трудность, а иногда и невозможность, получения заготовок с
необходимой точностью размеров и заданной шероховатостью
поверхностей;

•	неоднородность структуры и свойств материала по сечениям
отливок.

В целом в машиностроении масса литых деталей в различных
машинах и оборудовании составляет около 50 % их общей массы.
В отдельных отраслях машиностроения (дизели, металлорежущие
станки) масса литых деталей составляет иногда 75... 80 %. Таким
образом, литье является очень широко распространенным мето-
дом получения фасонных заготовок для деталей самых разнооб-
разных машин.

По конструкции и назначению литые детали машин принято
подразделять на следующие группы:

•	1-я группа: корпусные коробчатые детали закрытого типа, в
которых монтируются рабочие механизмы. К таким деталям отно-
сят станины большинства металлорежущих станков, корпусы дви-
гателей, цилиндры насосов и др. Вне зависимости от характера
производства, такие детали изготавливают только способом ли-
тья, так как они обычно имеют сложную конфигурацию внутрен-
них полостей;

•	2-я группа: корпусные коробчатые детали открытого типа,
на которых монтируют рабочие механизмы и двигатели. К таким
деталям относят простые станины, рамы, основания, плиты.
В серийном и массовом производстве подобные детали получают
обычно методом литья. В индивидуальном и мелкосерийном про-
изводстве детали этой группы иногда бывает экономичнее полу-
чать способом сварки из нескольких простых элементов (прока-
та);
•	3-я группа: детали, связывающие отдельные узлы машины, и
частично выполняющие функции деталей 1-й и 2-й групп, но
имеющие меньшие размеры. К таким деталям могут быть отнесе-
ны различного рода кронштейны, траверсы, шарниры, стойки,
столы, салазки, суппорты, коробки и др. Отдельные виды деталей
этой группы в индивидуальном и мелкосерийном производстве
экономичнее получать способом сварки из отдельных простых
элементов (проката);

•	4-я группа: отдельные детали узлов машин — маховики, ше-
стерни, колеса, рычаги, вилки, ступицы, барабаны, тройники
и т.д. — в индивидуальном и мелкосерийном производстве обыч-
но изготавливают методом литья. В серийном и массовом произ-
водстве их часто целесообразнее получать высокопроизводитель-
ным методом объемной штамповки, который к тому же обеспе-
чивает более высокую прочность.

Литые детали машин также классифицируют по виду сплавов
(чугунное, стальное и цветное литье), по массе и размерам (мел-
кое, среднее и крупное) и т.д.

14.2.	Свойства литейных сплавов

Проектирование высокотехнологичных конструкций литых де-
талей требует от конструктора определенных знаний в области
литейного производства. В первую очередь необходимо знать свой-
ства различных литейных сплавов, понимать явления, связанные
с процессами кристаллизации и охлаждения сплавов в литейных
формах, знать особенности разнообразных технологических про-
цессов изготовления литейных форм. Выбирая те или иные спла-
вы, определяя вид литья для проектируемой детали, конструктор
должен также давать и экономическое обоснование своим реше-
ниям.

К металлам и сплавам, используемым при изготовлении отли-
вок, предъявляют следующие требования:

•	состав их должен обеспечивать получение в отливке заданных
физико-механических и физико-химических свойств; свойства и
структура должны быть стабильными в течение всего срока экс-
плуатации отливки;

•	они должны обладать хорошими литейными свойствами (вы-
сокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонно-
стью к образованию трещин и поглощению газов, герметично-
стью), а также хорошо свариваться;

•	отливки должны легко обрабатываться режущим инструмен-
том;

•	металлы и сплавы не должны быть токсичными и вредными
для производства;
•	материалы и сплавы должны обеспечивать технологичность в
условиях производства и экономичность.

Удовлетворение всех перечисленных требований является труд-
ной, а в условиях реального производства подчас невыполни-
мой задачей. Поэтому при выборе сплава приходится идти на
компромисс, выделяя одно основное требование или группу тре-
бований.

Прежде всего литейные сплавы должны удовлетворять эксплу-
атационным требованиям, т. е. обладать достаточными прочностью,
твердостью, пластичностью, а также малой хрупкостью, высокой
ударной вязкостью. В ряде случаев необходимы особые физичес-
кие и физико-механические свойства — электропроводность, маг-
нитная проницаемость, жаростойкость и т. п. Это вынуждает при-
менять большое число различных сплавов.

Наибольшее число отливок для различных отраслей промыш-
ленности изготавливают из сплавов на основе железа (стали и чу-
гуны), меди (бронзы и латуни), алюминия, магния и титана. В неко-
торых областях промышленности используют сплавы на основе
никеля, цинка, кобальта, свинца и олова.

Однако не все сплавы в одинаковой степени пригодны для
получения фасонных отливок. Из одних сплавов (серого чугуна,
оловянистой бронзы, силуминов) можно достаточно легко полу-
чить сложные тонкостенные отливки, из других сплавов (титано-
вых, латуней, легированных сталей) получение подобных отли-
вок сопряжено с большими трудностями. Возможность получения
доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме,
крупногабаритных, без раковин, трещин и других литейных де-
фектов предопределяется литейными свойствами сплавов.

К основным литейным свойствам относят жидкотекучесть;
склонность к поглощению газов и образованию по этой причине
дефектов в отливке в виде газовой пористости; усадку и склон-
ность к образованию усадочных раковин, пор, а также литейных
напряжений и трещин; склонность к ликвации и образованию
неметаллических включений; свариваемость.

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в жидком
состоянии заполнять форму и воспроизводить в отливке ее очер-
тания. Особенно высокой жидкотекучестью обладают силумины,
чугуны, безоловянные бронзы. Из этих сплавов можно получать
очень сложные, тонкостенные отливки. Средней жидкотекучестью
обладают сплавы алюминия с медью и магнием, оловянные брон-
зы, углеродистые и среднелегированные стали. Пониженная жид-
котекучесть наблюдается у магниевых сплавов.

Склонность к поглощению газов — способность литейных спла-
вов поглощать газы, являющиеся вредными примесями и приво-
дящими к браку отливок по газовой пористости. В значительной
степени на образование газовой пористости влияет материал фор-
мы: чем выше газопроницаемость формы, тем меньше образуют-
ся подобные дефекты в отливках.

Усадка — уменьшение линейных и объемных размеров отливки
при ее затвердевании и охлаждении. Усадка зависит от химичес-
кого состава сплава, температуры расплава, материала формы и
конструкции отливки. Чем больше усадка, тем больше вероятность
получения дефектов усадочного происхождения: пор, раковин,
горячих и холодных трещин, коробления и внутренних напряже-
ний.

Ликвация — неоднородность сплава по химическому составу в
различных частях отливки. Ликвация возрастает при увеличении в
сплаве содержания примесей, имеющих большую плотность (воль-
фрам, молибден) или низкую температуру плавления (сера, фос-
фор). Различают ликвацию зональную, когда различные части от-
ливки имеют различный химический состав, и внутрикристал-
литную (дендритную), когда неоднородность химического соста-
ва наблюдается в каждом зерне. Зональная ликвация наиболее
опасна, так как ее нельзя устранить термической обработкой. Чем
больше объем отливки и медленнее охлаждение, тем больше ве-
роятность образования зональной ликвации.

Кроме перечисленных свойств, литейные сплавы должны об-
ладать хорошей свариваемостью, так как многие литейные дефек-
ты могут быть исправлены заваркой.

Таким образом, при конструировании литой детали, выборе
способа получения отливки особое внимание следует обращать на
литейные свойства сплава, без учета которых даже при самом со-
вершенном технологическом процессе литья получить отливку без
литейных дефектов невозможно.

Значение технологических свойств литейных сплавов очень ве-
лико и должно быть учтено при выборе материала детали для из-
готовления ее заготовки методом литья. Во всех случаях, при про-
чих равных условиях, следует отдавать предпочтение сплавам с
лучшими литейными свойствами.

14.3.	Основные литейные материалы и сплавы

14.3.1.	Серый чугун

Серый чугун является наиболее распространенным материа-
лом для изготовления фасонных отливок. Чугунные отливки по
массе составляют около 80 % от общего числа отливок. Широкое
распространение чугун получил благодаря хорошим технологи-
ческим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с
другими литейными сплавами. Он обладает сравнительно высоки-
ми механическими свойствами, относительно низкой температу-
рой плавления и очень хорошими литейными свойствами. Жидко-
текучесть серого чугуна значительно превышает жидкотекучесть
стали. Размер усадки колеблется в пределах 0,9... 1,3 %, что явля-
ется существенным фактором, обусловливающим получение ка-
чественных отливок — без усадочных раковин, трещин, коробле-
ния и других дефектов. Область применения чугуна все больше
расширяется вследствие непрерывного повышения его прочност-
ных и технологических характеристик, а также разработки чугу-
нов новых марок со специальными физическими и механически-
ми свойствами.

В структуре серого чугуна углерод частично находится в сво-
бодном состоянии в виде включений графита. Свойства чугуна
зависят от структуры основной металлической массы, а также от
количества, формы и расположения графита. Форма включений
графита в сером чугуне — пластинчатая, что действует на основ-
ную массу металла, как внутренние надрезы. По этой причине
серые чугуны обладают сравнительно низкой прочностью и осо-
бенно низкой пластичностью, так как эта форма включений гра-
фита уменьшает касательные напряжения и препятствует образо-
ванию больших пластических деформаций. Относительное удли-
нение серого чугуна с пластинчатой формой включений графита
весьма невелико (до 1 %). Вместе с тем эти включения придают
серому чугуну, как конструкционному материалу, ряд ценных
качеств: низкую чувствительность к внешним надрезам и высо-
кую циклическую вязкость. Поэтому отверстия, углы, резкие пе-
реходы, раковины, неметаллические включения в очень малой
степени понижают реальную конструктивную прочность отливок
из серого чугуна. Недостатком серого чугуна как литейного сплава
является отбел поверхности, особенно при литье в металличес-
кие формы.

Серые чугуны подразделяют на две группы: конструкционные
чугуны и чугуны со специальными свойствами. Отливки из конст-
рукционных чугунов используют главным образом для деталей
машин (до 80 % всех производимых чугунных отливок). Потреби-
телями чугунного литья являются такие отрасли промышленно-
сти, как автомобильная, тракторная, сельскохозяйственная, ма-
шиностроение, станкостроение и др. Определяющим при оценке
качества чугуна для отливок этой группы являются его механи-
ческие свойства. Отливки малой или средней прочности (предел
прочности 200...250 МПа) изготавливают из простых чугунов, от-
ливки повышенной прочности — из низколегированных и моди-
фицированных.

Наибольшей прочностью обладают серые чугуны с перлитной
структурой, в которых количество связанного углерода составляет
0,7...0,9 %, а свободный углерод находится в виде мелких пласти-
нок. Для получения однородных и повышенных механических
свойств отливок из чугунов марок СЧ20, СЧ25, СИЗО, СЧ35 и
СЧ40, а также для предотвращения отбела чугун модифицируют.
Хотя модифицирование чугуна и уменьшает его склонность к от-
беливанию, для каждой марки существуют минимальные толщи-
ны стенок отливок. При выборе марки чугуна следует иметь в виду,
что с увеличением толщины стенок у отливок его механические
свойства несколько понижаются. Так, например, у чугуна марки
СЧ40 при толщине стенок 20; 40 и 60 мм предел прочности соот-
ветственно составляет 377; 301 и 259 МПа.

Химический состав чугуна для литых деталей устанавливает
завод-изготовитель на основании заданной по чертежу марки чу-
гуна. Поэтому во всех случаях, где это не вызвано особой необхо-
димостью по условиям эксплуатации деталей, в чертежах следует
указывать только марку чугуна по ГОСТу. Литые детали, получае-
мые из серого чугуна, очень разнообразны. По сравнению с дру-
гими литейными сплавами серый чугун является наиболее деше-
вым. К его положительным свойствам относится хорошая обраба-
тываемость режущим инструментом. Серый чугун отличается хо-
рошими литейными технологическими свойствами.

14.3.2.	Высокопрочный чугун

К высокопрочным чугунам относят группу железоуглеродис-
тых сплавов, содержащих более 2 % углерода и имеющих в литой
структуре включения свободного углерода в виде зерен или сфе-
роидов. Получение отливок из высокопрочного чугуна обеспечи-
вают обработкой жидкого чугуна небольшими присадками маг-
ния или других элементов.

Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита широко
используют как конструкционный материал в современном ма-
шиностроении. Округлая форма включений графита может приве-
сти к образованию в высокопрочных чугунах пластических дефор-
маций, поэтому относительное удлинение у них достигает 10 % и
более. По сравнению с серыми чугунами чувствительность к внеш-
ним надрезам у высокопрочного чугуна больше, а циклическая
вязкость ниже.

Высокопрочный чугун по сравнению с обычным серым чугу-
ном имеет более высокие механические и эксплуатационные свой-
ства. Он обладает большими износостойкостью, в том числе в аб-
разивной среде, гидроплотностью, более жаростоек, так как по-
чти не изменяет своей прочности при нагреве до 500 °C. Пласти-
ческие свойства некоторых марок высокопрочного чугуна позво-
ляют применять его для изготовления деталей, работающих при
ударных нагрузках, больших скоростях и давлениях. По литейным
свойствам высокопрочные чугуны приближаются к сталям, т. е.
имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, а, сле-
довательно, повышенную склонность к образованию дефектов ли-
тейного происхождения. Себестоимость отливок из высокопроч-
ного чугуна с шаровидным графитом в среднем на 25 % ниже се-
бестоимости отливок из углеродистой стали и в 3—4 раза ниже
себестоимости стальных поковок. Однако тонна отливок из высо-
копрочного чугуна на 20 % дороже тонны отливок из серого чугу-
на, поэтому заменять серый чугун на высокопрочный целесооб-
разно лишь в том случае, если при этом уменьшается масса дета-
ли или увеличивается срок ее службы.

14.3.3.	Ковкий чугун

Ковкий чугун относят к группе железоуглеродистых сплавов с
содержанием углерода более 2 %. Процесс изготовления отливок
из ковкого чугуна состоит из двух стадий: вначале получают от-
ливки со структурой белого чугуна, а затем их подвергают терми-
ческой обработке с целью изменения структуры и получения не-
обходимых механических свойств. Структура ковкого чугуна после
термической обработки (отжига) состоит из феррита и перлита в
различных соотношениях и углерода отжига. Включения углерода
отжига в основной металлической массе имеют компактную, ок-
руглую форму. При уменьшении количества включений углерода
прочность и пластичность ковкого чугуна повышаются.

Чувствительность к внешним надрезам у ковкого чугуна боль-
ше, чем у обычного серого, а циклическая вязкость — несколь-
ко ниже. Отношение предела текучести к пределу прочности со-
ставляет 60...80%, что является весьма ценным свойством ков-
кого чугуна как конструкционного материала, он используется
для изготовления мелких тонкостенных отливок для сельскохо-
зяйственных машин, автомобилей, тракторов, арматуры, фитин-
гов и других деталей массового производства. Особенно целесо-
образно применение ковкого чугуна в случае, если деталь труд-
но отлить из стали, а получить ее обработкой давлением слиш-
ком дорого. Благодаря хлопьевидной форме графита ковкий чу-
гун отличается достаточно высокими прочностью и пластично-
стью, занимая промежуточное положение между серым чугуном
и сталью.

По структуре ковкий чугун подразделяют на ферритный и пер-
литный. Марки ферритного ковкого чугуна обладают высокими
пластическими свойствами и поэтому их используют для деталей,
работающих в условиях динамических или знакопеременных на-
грузок, при высоких давлениях газа, пара или воды. Марки пер-
литного ковкого чугуна имеют высокую прочность и хорошие ан-
тифрикционные свойства, что способствует применению их для
деталей, работающих в условиях трения. В ряде случаев ковкий
чугун может являться полноценным заменителем стали.
Из ковкого чугуна производят детали массой до 100 кг. Толщи-
на стенок у отливок из ковкого чугуна с перлитной структурой
лежит в пределах 3... 15 мм, а с ферритной структурой — доходит
до 50 мм. Ограничение стенок по толщине объясняется сложно-
стью получения структуры белого чугуна в массивных сечениях
отливок, а также увеличением времени на термическую обработ-
ку. В зависимости от масштаба производства стоимость детали из
ковкого чугуна на 30... 100 % выше стоимости детали из серого
чугуна.

Однако ковкий чугун обладает более низкими литейными свой-
ствами, чем серый, в частности пониженной жидкотекучестью,
большей усадкой и повышенной склонностью к образованию го-
рячих и холодных трещин.

14.3.4.	Углеродистые и легированные стали

Сталь относят к группе железоуглеродистых сплавов, содержа-
щих не более 2 % углерода. Для получения литых деталей ее нача-
ли применять лишь с середины XIX в. В настоящее время стальное
фасонное литье широко применяют в самых различных отраслях
машиностроения. Сталь как литейный материал применяют для
получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочно-
стью должны обладать хорошими пластическими свойствами, быть
надежными и долговечными в эксплуатации. Чем ответственнее
машина и тяжелее условия, в которых она работает, тем более
значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление.
Литые детали из стали разнообразны по своей конфигурации и
назначению. Обычно из стали получают отливки, работающие в
условиях воздействия больших статических и динамических на-
грузок. Высокие механические свойства стали позволяют суще-
ственно снижать массу конструкций. Например, масса стальных
литых деталей в экскаваторе составляет 45 %, в тепловозе — 50 %,
в тепловой арматуре — 60 % общей массы. Многие стали хорошо
свариваются, что дает возможность изготавливать сложные свар-
но-литые конструкции. Стальные отливки без литейных дефектов
(усадочных и газовых раковин, неметаллических включений, тре-
щин и т.п.) после соответствующей термической обработки не
уступают по механическим свойствам поковкам.

Вместе с тем следует учитывать, что сталь по сравнению с
чугунами имеет большую чувствительность к внешним и внут-
ренним надрезам. При неблагоприятной форме надрезов (с ост-
рыми углами), вследствие понижения способности к пластичес-
ким деформациям, у стали может произойти хрупкое разруше-
ние, причем, чем выше прочность стали и чем большие нагруз-
ки применяют, тем сильнее сказывается на нее влияние надре-
зов. Необходимо также отметить, что стали, особенно легиро-
ванные, имеют по сравнению с чугунами более низкую цикли-
ческую вязкость.

Применительно к машиностроению литейные стали условно
можно разделить на три группы; конструкционные (нелегирован-
ные и легированные), инструментальные и стали со специальны-
ми свойствами.

Из конструкционных сталей в основном изготавливают дета-
ли, испытывающие высокие механические нагрузки — статичес-
кие, динамические, вибрационные. Из инструментальных сталей
изготавливают литой инструмент; из сталей со специальными свой-
ствами (жаропрочные, жаро- и кислотостойкие, коррозионно-
стойкие и т.д.), т.е. детали, работающие в различных агрессивных
средах, при высоких температурах, в условиях сложных механи-
ческих нагрузок.

Из конструкционных нелегированных сталей получают при-
мерно 2/3 стальных фасонных отливок. По литейным свойствам
эти стали уступают чугуну, но, тем не менее, из них можно изго-
тавливать сложные отливки, разнообразные по конструкции, раз-
мерам, массе, толщине стенок, для различных отраслей промыш-
ленности. После термической обработки литая конструкционная
нелегированная сталь обладает достаточно высокими механичес-
кими свойствами.

Низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,2 % углерода, при-
меняют для отливок, которые должны иметь твердый, цементо-
ванный поверхностный слой с высоким сопротивлением изна-
шиванию и вязкую сердцевину (шестерни, ролики и др.). Кроме
того, их применяют в электротехнической промышленности (кор-
пусы электродвигателей, полюса, якоря), так как они обладают
повышенной магнитной проницаемостью.

Для получения отливок машиностроительных деталей наибо-
лее широко применяют литейные марки стали с содержанием уг-
лерода 0,25...0,35 %. Из таких сталей отливают корпусные детали
машин, работающие с динамическими нагрузками, арматуру на-
порных магистралей, балансиры и др. Эти углеродистые стали в
отожженном состоянии хорошо обрабатываются металлорежущим
инструментом.

Стали, содержащие более 0,45 % углерода, применяют для от-
ливок, которые в эксплуатации подвергаются износу без воздей-
ствия значительных ударных нагрузок (валки некоторых прокат-
ных станов, шнеки для сыпучих тел и т.п.). Нужно иметь в виду,
что с повышением предела прочности и твердости обрабатывае-
мость углеродистых сталей ухудшается.

Жидкотекучесть нелегированной конструкционной стали в сред-
нем в 2 раза меньше жидкотекучести серых чугунов и определяет-
ся содержанием углерода в стали (по мере увеличения содержа-
ния углерода жидкотекучесть возрастает).
Низкоуглеродистые стали марок 15Л и 20Л применяют обычно
для изготовления несложных литых частей сварно-литых конст-
рукций, так как эти стали обладают пониженной жидкотекуче-
стью. Разнообразные по массе и конфигурации фасонные отливки
для различных отраслей народного хозяйства в основном изготав-
ливают из среднеуглеродистых сталей марок 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л.
Литейные свойства этих сталей выше, чем низкоуглеродистых. Вы-
сокоуглеродистые стали марок 45Л, 50Л, 55Л применяют для из-
готовления износостойких деталей (зубчатых колес, шестерен, ба-
рабанов, катков и т.п.). Эта группа сталей обладает относительно
хорошей жидкотекучестью. Для них характерна высокая линейная
усадка: у тонкостенных отливок сложной конфигурации усадка
составляет 1,25... 1,50 %; у толстостенных — 2,0...2,5 %. Увеличе-
ние содержания углерода снижает линейную усадку, что умень-
шает опасность образования горячих трещин. С другой стороны,
высокоуглеродистые стали обладают наибольшей склонностью к
образованию холодных трещин. Особенности литейных свойств кон-
струкционных нелегированных сталей вызывают необходимость
выполнения определенных требований при конструировании ли-
тых деталей.

Для улучшения структуры и снижения внутренних напряжений
литые детали из углеродистых сталей всегда проходят термическую
обработку в виде отжига или нормализации. Недостатком обычных
углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость из-за вы-
сокой скорости распада аустенита. Для получения закаленной струк-
туры требуется очень большая скорость охлаждения изделия.

Общим недостатком всех марок углеродистых сталей является
их склонность к коррозии во влажной атмосфере и в растворах
электролитов, а также большая окисляемость при высокой темпе-
ратуре.

Когда свойства углеродистой стали не могут обеспечить необ-
ходимой прочности и долговечности деталей, приходится приме-
нять легированные стали. Это является одним из путей увеличе-
ния надежности, долговечности изделий, снижения их массы.

Подробная классификация сталей, их физико-механические
свойства и области применения приведены в подразд. 1.1.2.

При проектировании литых деталей из легированных сталей
следует иметь в виду, что отдельные марки отличаются понижен-
ными литейными свойствами и повышенной склонностью к об-
разованию горячих или холодных трещин, не допускают приме-
нения больших сечений, плохо обрабатываются режущим инст-
рументом и т.д. Например, высокомарганцовистая сталь марки
Г13Л имеет очень большую усадку, склонна к образованию горя-
чих трещин, практически не поддается обработке иструментом из
быстрорежущей стали, толщина стенок отливок должна быть не
более 100... 120 мм.
Процесс изготовления стальных отливок значительно сложнее,
чем чугунных, так как литейные свойства у стали ниже, чем у
чугуна. Для предупреждения образования усадочной пористости
необходимы большие прибыли, объем которых может достигать
60 % объема отливки, что приводит к увеличению расхода мате-
риала в 1,6 раза. Учитывая пониженную жидкотекучесть стали,
сечения литниковых каналов необходимо увеличивать в 1,5 — 3 раза.
Все это, естественно, снижает коэффициент использования ме-
талла, повышает себестоимость деталей.

Сравнивая одинаковые по массе и группе сложности отливки,
изготовленные из чугуна и стали, можно отметить, что оптовые
цены на отливки из конструкционных нелегированных и низко-
легированных сталей близки к ценам аналогичных отливок из вы-
сокопрочного чугуна.

Учитывая более высокие литейные свойства высокопрочных
чугунов, их прочность и пластичность, необходимо оценивать
возможность замены стального литья на литье из высокопрочного
чугуна.

14.3.5.	Сплавы на основе меди

Отливки из чистой меди применяют только там, где требуется
большая электро- или теплопроводность (в электротехнических
машинах и устройствах, в сварочных машинах, доменных печах,
котлах, химических аппаратах и т.д.). Процесс получения фасон-
ных отливок из чистой меди представляет значительные трудно-
сти из-за ее низких литейных свойств: большой объемной и ли-
тейной усадки, плохой жидкотекучести, склонности к поглоще-
нию газов во время плавки и разливки.

Для изготовления машиностроительных деталей чистая медь
непригодна вследствие ее низких механических свойств. Поэтому
в машиностроении обычно применяют литейные сплавы на основе
меди, которые принято делить на две группы — латуни и бронзы.

Подробно механические свойства и маркировка латуней и бронз
изложены в подразд. 1.1.4.

Механические свойства латуней зависят не только от их хими-
ческого состава, но и от способа литья. Предел прочности при
растяжении у латуней получается несколько ниже при литье в
песчаные формы, чем при литье в металлические формы. Твер-
дость латуней находится в пределах 70... 160 НВ. Латуни, легиро-
ванные свинцом, особенно хорошо обрабатываются режущим
инструментом. Литейные свойства латуней удовлетворительны.

Механические свойства оловянных бронз, так же как и лату-
ней, зависят от способа литья. В отличие от латуней, оловянные
бронзы более стойки в химическом отношении и лучше работают
в условиях трения. Поэтому чаще всего их используют для отливки
различной арматуры, работающей в условиях морской и пресной
воды, а также пара под давлением до 2,5 МПа. Из латуней также
изготавливают детали с антифрикционными свойствами (особен-
но втулки трения для точных машин и агрегатов, работающих с
малыми зазорами).

Оловянные бронзы вследствие большого интервала кристал-
лизации дают в литых деталях рассеянную усадочную пористость.
Поэтому бывает трудно получать отливки, пригодные для рабо-
ты под гидравлическим или воздушным давлением, так как пос-
ле снятия плотной литейной корки отливки часто пропускают
воду или газы. При литье в металлические формы плотность от-
ливок возрастает. Твердость оловянных бронз незначительна —
60 НВ, литейная усадка также незначительна; жидкотекучесть —
пониженная.

В связи с тем что олово является дорогим и дефицитным эле-
ментом, применение оловянных бронз ограничено. В качестве их
заменителей служат сплавы меди с алюминием, свинцом и дру-
гими элементами. Эти сплавы называются безоловянными брон-
зами. По своим механическим и другим свойствам они часто пре-
восходят оловянные бронзы.

Литейные алюминиевые бронзы обладают хорошими прочно-
стными и антифрикционными свойствами, а также высокой кор-
розионной стойкостью. Они сохраняют свои механические свой-
ства и при повышении температуры. Литейные свойства алюми-
ниевых бронз характеризуются хорошей жидкотекучестью, отсут-
ствием ликвации, а также большой усадкой. Благодаря малому
интервалу кристаллизации они не дают в отливках рассеянной
усадочной пористости. У отливок с большими прибылями в по-
следних образуются концентрированные усадочные раковины, а
сами отливки обладают высокой плотностью.

Большой интерес как антифрикционный материал представ-
ляет свинцовистая бронза, которая обладает высокой износо-
стойкостью при трении в условиях высокой удельной нагрузки и
больших скоростей относительного скольжения. Однако изготов-
ление из нее литых подшипников затруднено, так как медь и сви-
нец плохо сплавляются и дают ликвацию по удельному весу. Для
предотвращения ликвации требуется большая скорость охлажде-
ния этого сплава.

14.3.6.	Сплавы на основе алюминия

Характерными свойствами чистого алюминия являются малая
плотность (2,72 г/см3), большая пластичность (относительное уд-
линение до 60 %), хорошие электро- и теплопроводность, высо-
кая коррозионная стойкость. Чистый алюминий имеет сравнительно
низкую жидкотекучесть и пониженную прочность, поэтому для
фасонного литья он применяется лишь в редких случаях (хими-
ческая аппаратура, электротехнические приборы).

Примеси в алюминии понижают его пластичность, электро- и
теплопроводность, а также несколько ослабляют защитное дей-
ствие пленки окислов, что приводит к ослаблению его коррози-
онной стойкости.

Многие литейные сплавы на основе алюминия обладают хоро-
шей жидкотекучестью и это позволяет получать из них тонкостен-
ные отливки, которые широко применяют во всех отраслях про-
мышленности, особенно в авиационной, автомобильной и трак-
торной.

Алюминиево-кремнистые сплавы, или силумины, характери-
зуются хорошими литейными свойствами. Благодаря хорошей
жидкотекучести из этих сплавов получают тонкостенные детали
со сложной конфигурацией. Малая усадка не вызывает в отливках
усадочной пористости и образования трещин.

Алюминиево-магниевые сплавы имеют пониженную жидкоте-
кучесть, значительную усадку и склонность к образованию тре-
щин в местах резкого изменения сечений.

Алюминиево-медные сплавы обладают пониженной жидкоте-
кучестью и проявляют склонность к образованию трещин. Отлив-
ки из этих сплавов могут иметь пониженную плотность или гер-
метичность вследствие образования межкристаллических усадоч-
ных пор в процессе кристаллизации.

Алюминиево-медно-кремнистые сплавы отличают хорошая
жидкотекучесть и сравнительно небольшая линейная усадка.

Из алюминиевых сплавов сложного химического состава сплав
АЛ1 характеризуется низкой жидкотекучестью, большой линей-
ной усадкой, склонностью к образованию усадочной пористости
и трещин; сплав марки АЛ 11, наоборот, имеет хорошие литей-
ные свойства. Литейные свойства сплавов АЛ 16В и АЛ 17В удовлет-
ворительны.

При проектировании деталей из алюминиевых сплавов необ-
ходимо учитывать, что многие из них изменяют механические
свойства в зависимости от толщины стенок. Наиболее чувстви-
тельными в этом отношении являются алюминиево-медные и алю-
миниево-магниевые сплавы.

14.3.7.	Сплавы на основе магния

Сплавы на основе магния являются самыми легкими из конст-
рукционных сплавов, их плотность составляет 1,75... 1,85 г/см3.

В литейном производстве в чистом виде магний не применяет-
ся вследствие небольшой прочности, малой пластичности и низ-
кой коррозионной стойкости. Сплавы же на основе магния имеют
более высокие свойства. Основными примесями в литейных маг-
ниевых сплавах являются Al, Мп, Zn, Si. Иногда магниевые спла-
вы называют электроном.

Механические свойства литейных магниевых сплавов зависят
от химического состава и вида термической обработки, хотя по-
следняя и не улучшает их так значительно, как это наблюдается у
алюминиевых сплавов. На механические свойства магниевых спла-
вов не оказывает значительного влияния и метод литья.

Кроме малой плотности и достаточно хорошей механической
прочности, литейные магниевые сплавы характеризуют доволь-
но высокая ударная вязкость, они противостоят ударным на-
грузкам при напряжениях, превышающих предел упругости. Также
они обладают хорошим сопротивлением усталости. Однако маг-
ниевые литейные сплавы имеют низкий в сравнении со всеми
другими сплавами предел упругости (их модуль упругости
45 000 МПа, тогда как у алюминиевых сплавов 0,73- 103 МПа, у
чугуна (0,9... 1,8)- 105 МПа, у стали 2,1 • 105 МПа). Поэтому при
конструировании деталей, несущих большие нагрузки, следует уси-
ливать отдельные сечения для повышения их жесткости.

Магниевые сплавы характеризуются также и большой чувстви-
тельностью к надрезам; большинство из них имеют недостаточ-
ную коррозионную стойкость, особенно в условиях морской воды
и при повышенных температурах; низкую износостойкость при
трении. Все марки магниевых сплавов очень быстро снижают свою
прочность при повышении температуры и поэтому их не приме-
няют при температурах выше 150 °C.

Литейные свойства магниевых сплавов зависят от их химичес-
кого состава. Их жидкотекучесть ниже, чем у алюминиевых спла-
вов, а линейная усадка — выше. Наиболее низкая жидкотекучесть
и наибольшая усадка у сплава МЛ1. С повышением порядковых
номеров литейные свойства сплавов несколько улучшаются. В свя-
зи с большим интервалом кристаллизации в отливках может об-
разоваться усадочная пористость, особенно в массивных сечени-
ях, а также трещины.

14.3.8.	Сплавы на основе цинка

Сплавы на основе цинка в качестве основных примесей содер-
жат алюминий и медь. Они обладают антифрикционными свой-
ствами и применяются для подшипников скольжения.

Сплав ЦАМ10-5 при литье в кокиль имеет плотность 6,3 г/см3,
временное сопротивление на растяжение 300 МПа, относитель-
ное удлинение 1 %. Этот сплав обладает хорошими литейными свой-
ствами, что позволяет получать из него тонкостенные отливки.
Используется сплав ЦАМ10-5 для подшипников скольжения, ра-
ботающих при скоростях относительного скольжения до 1 м/с и
давлениях до 2 000 МПа (в металлорежущих станках, прессах, гру-
зоподъемных, ковочных и других машинах). Однако при перегре-
ве этот сплав приобретает пористую крупнозернистую структуру
и понижает свою прочность, вследствие чего в процессе работы
происходит его быстрое разрушение.

Сплавы на основе цинка находят большое применение для из-
готовления деталей способом литья под давлением. Из всех спла-
вов, применяемых при этом способе, они используются наиболее
широко. Объясняется это сравнительно невысокой температурой
плавления (примерно 400 °C), хорошей жидкотекучестью, удов-
летворительными механическими свойствами, довольно низкой
стоимостью.

Из сплавов на основе цинка получают многие детали в автомо-
билестроении (бензонасосы, карбюраторы, части магнето, стек-
лоочистители и др.), в электротехнике (щеткодержатели, корпу-
сы и части приборов и т.д.).

Недостатками цинковых сплавов являются склонность к старе-
нию и коррозии, а также большая плотность. Из-за склонности к
старению детали из сплавов на основе цинка в условиях нормаль-
ных температур постепенно изменяют свои размеры и механичес-
кие свойства (в сторону их понижения). В качестве защиты от кор-
розии детали из цинковых сплавов покрывают хромом или нике-
лем.

14.4.	Технологические требования к конструкциям
деталей, получаемых методом литья

Одним из важнейших факторов, определяющих качество и эко-
номичность отливок, является их технологичность. Соответствие
конструкции отливки требованиям технологии и экономии ли-
тья устанавливают на первом этапе проектирования технологи-
ческого процесса при анализе технологичности конструкции от-
ливки.

Под технологичностью принято понимать прежде всего выбор
таких конструктивной формы и материала литой детали, кото-
рые, не снижая основных конструктивных требований, способ-
ствуют получению качественных отливок с заданными физико-
механическими свойствами, требуемой геометрией и минималь-
ной трудоемкостью. Нетехнологичные конструкции литых дета-
лей, сконструированные без учета особенностей литейного про-
изводства, могут привести к повышению трудоемкости и себесто-
имости отливок, перерасходу металла и образованию дефектов.
Так, например, возникновение литейных дефектов типа уса-
дочной пористости, коробления, горячих и холодных трещин
во многом зависит от правильной, технологичной конструкции
отливки.
При определении себестоимости заготовки основной базой для
расчета является ее масса. Поэтому снижение массы деталей, из-
готавливаемых из литых заготовок, при прочих равных условиях
(сложность конфигурации, марка материала, способ изготовле-
ния и т. п.) — одна из важнейших задач конструкторов и техноло-
гов. Масса каждой конкретной литой заготовки зависит от геомет-
рической формы, размеров, сечения отдельных ее конструктив-
ных элементов.

Из этого следует, что при проектировании литых деталей не-
обходимо стремиться к максимально возможному снижению их
массы и упрощению конфигурации, оставлять размеры детали ми-
нимально необходимыми исходя из условий расчетной прочности
и других конструктивных требований. При этом должны быть уч-
тены все технологические особенности литья и обеспечена воз-
можность применения простых и дешевых способов получения ка-
чественных литых деталей как в процессе их изготовления, так и
при дальнейшей механической обработке. Конструкция литой де-
тали во многом определяет экономичность выбранного техноло-
гического процесса.

При конструировании литых деталей должны соблюдаться тре-
бования общей литейной технологии. Основные принципы кон-
струирования литых деталей, изготавливаемых в песчано-глини-
стых формах, состоят в следующем.

Конструкция литой детали должна обеспечивать направлен-
ное затвердевание отливки и быть технологичной. Внешние кон-
туры литой детали должны быть плавными, что снижает кон-
центрацию остаточных напряжений в местах сопряжения прямо-
угольных участков, уменьшает торможение усадки при охлажде-
нии формы. Необходимо стремиться к уменьшению общих габа-
ритных размеров литой детали, особенно ее высоты, к устране-
нию чрезмерно выступающих частей, тонкостенных ребер боль-
шой протяженности, глубоких впадин и поднутрений. В целях
уменьшения трудоемкости изготовления и сборки форм, сниже-
ния брака по перекосу и искажению конструкция литой детали
должна обеспечивать минимальное число разъемов модели, от-
сутствие отъемных частей, минимальное число стержней. При
конструировании литых деталей следует соблюдать «правило те-
ней». Если при освещении литой детали параллельными лучами
в направлении, перпендикулярном плоскости разъема формы,
появляются теневые участки, это свидетельствует о несовершен-
стве ее конструкции. Такую конструкцию необходимо пересмот-
реть, в противном случае трудоемкость ее изготовления значи-
тельно увеличится за счет необходимости применения формы с
отъемными частями.

Наиболее существенное влияние на массу детали оказывает
толщина стенок, ребер, фланцев и других конструктивных эле-
ментов. Однако уменьшение толщины конструктивных элементов
отливки допустимо только в определенных пределах, ограничен-
ных условиями прочности, литейными свойствами сплавов и воз-
можностями выбранного способа литья. Практикой установлены
оптимальные значения толщины стенок, ребер и других конст-
руктивных элементов отливок в зависимости от литейных свойств
сплавов, средней массы отливки и характера производства. Об-
щие рекомендации для определения толщины стенок литых дета-
лей в основном сводятся к следующему.

Толщину стенок литых деталей определяют в зависимости от
механических и технологических свойств сплава, конфигурации и
габаритных размеров детали, способа ее получения. Правильно
выбранная толщина стенок обеспечивает необходимые жесткость,
герметичность и является одним из важнейших условий получе-
ния годных отливок с высоким коэффициентом использования
металла.

Чрезмерно толстые стенки увеличивают массу детали, вызыва-
ют появление усадочной рыхлости и пористости, снижают проч-
ность изделий. Очень тонкие стенки при литье получить практи-
чески невозможно из-за большого процента брака (незаполнение
формы, трещины и прочие дефекты).

При конструировании литых деталей необходимо стремиться
по возможности к одинаковой толщине стенок по всему сече-
нию, избегать локального скопления металла, так называемых
горячих мест или термических узлов. Термический узел — место
локального скопления металла, которое дольше остается горя-
чим, дольше затвердевает, поэтому в нем больше вероятность
образования усадочных рыхлости и раковин. Правильность кон-
струкции в этом случае проверяют методом вписанных окружно-
стей, суть которого заключается в том, что окружность, вписан-
ная в любое сечение отливки, должна беспрепятственно «выка-
тываться» в направлении прибыли. В зависимости от конфигура-
ции детали соотношения диаметров двух рядом лежащих окруж-
ностей рекомендуется брать в пределах 1,0... 1,1 или 1,0... 1,5. Если
конструкцию литой детали трудно выполнить с соблюдением
принципа направленного затвердевания, то следует применять спе-
циальные технологические приливы, объединяя термические узлы
в один укрупненный, или использовать конструктивные ребра
жесткости.

Контрольные вопросы

1.	Что называют жидкотекучестью литейного сплава?

2.	Какое явление при изготовлении отливок называют усадкой и в чем
она проявляется?

3.	Какие свойства серого чугуна обеспечивают его широкое распрост-
ранение при изготовлении фасонных отливок?
4.	У каких сплавов — стальных или чугунных — выше жидкотекучесть
и почему?

5.	При изготовлении каких отливок — чугунных или стальных — будет
выше коэффициент использования металла и почему?

6.	Из каких цветных металлов и сплавов получают заготовки методом
литья?

7.	Чем характеризуется технологичность конструкции отливки?

8.	Какое значение имеет выбранная толщина стенок отливки?
ГЛАВА 15

ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ

15.1.	Общие сведения о литейных формах

Для получения отливок при любом способе литья необходима
литейная форма, которая определяет наружные и внутренние кон-
туры отливок. Литейные формы изготавливают из различных ма-
териалов и в зависимости от свойств последних подразделяют на
две группы: разовые и постоянные. Разовые формы используют
для получения одной отливки, при извлечении которой форму
разрушают.

Для изготовления разовых форм применяют песчано-глинис-
тые, песчано-масляные, термореактивные и другие формовочные
смеси. Разовые формы могут быть сухими и сырыми. По толщине
стенки их подразделяют на толстостенные (толщина стенок 25...
250 мм и более), тонкостенные и оболочковые (толщина стенок
5... 10 мм). К разовым формам относятся также неразъемные фор-
мы, используемые, в частности, при литье по выплавляемым мо-
делям. Постоянные металлические формы широко используют в
серийном и массовом производстве отливок в основном из цвет-
ных металлов и сплавов. Материалом для этих форм могут быть
чугун, сталь или алюминиевые сплавы. Постоянные формы при-
меняют при специальных способах литья — кокильном, центро-
бежном, под давлением и др.

При всех способах литья (за исключением литья по выплавля-
емым моделям) форма имеет один или несколько разъемов. При
выборе литейной формы исходят из назначения, характера отли-
вок и серийности их выпуска.

Конструкция литейной формы и материал, из которого она
изготовлена, оказывают большое влияние на характер формиро-
вания отливок и на их качество. Материал формы должен обладать
достаточной податливостью, хорошо противостоять статическому
и динамическому воздействиям жидкого металла. Форма должна
быть достаточно газопроницаема — хорошо пропускать воздух,
газы и пары, образующиеся при заливке жидкого металла; подат-
ливой — не оказывать большого сопротивления усадке. Формиро-
вание основных свойств отливки (плотности, структуры, механи-
ческих свойств, стабильности размеров и параметров шерохова-
тости поверхности) обусловлено протеканием процессов взаимо-
действия металла отливки и формы в процессе заливки формы,
затвердевания и охлаждения отливки.

Процесс затвердевания в значительной степени зависит от ус-
ловий теплообмена между металлом и формой. Отличительная
особенность разовых форм — их низкая по сравнению с металлом
отливки теплоаккумулирующая способность. Процессы кристал-
лизации и охлаждения протекают в естественных условиях мед-
ленно, в результате чего структура отливок становится неравно-
мерной. Поэтому наиболее плотный и качественный металл с наи-
лучшими механическими свойствами расположен вблизи от по-
верхности отливки; в центральных слоях — структура крупнозер-
нистая, механические свойства пониженные. Повышенная ско-
рость охлаждения способствует улучшению качества отливки,
структура получается более мелкозернистой, что существенно
повышает механические свойства отливки.

В то же время при литье в металлические формы чугунные от-
ливки, как правило, получаются с отбеленным поверхностным
слоем и остаточными внутренними напряжениями, что затрудня-
ет их механическую обработку и требует дополнительной терми-
ческой обработки.

Охлаждение жидкого металла, его затвердевание, а также по-
следующее охлаждение в твердом состоянии связаны с сокраще-
нием объема отливки. При кристаллизации по внешнему контуру
в первую очередь образуется твердая корка. Затвердевший контур
отливки можно рассматривать как сосуд, в котором заключена
имеющая более высокую температуру жидкость. В процессе за-
твердевания и охлаждения объем жидкости и твердая корка со-
кращаются, но в разной степени. Результатом этой разницы явля-
ется образование в отливке свободных от металла полостей, кото-
рые называются усадочными. Различают два вида усадочных поло-
стей — раковины и поры. Усадочные раковины сосредоточивают-
ся в частях отливки, которые затвердевают в последнюю очередь;
усадочная пористость располагается в относительно большой зоне
отливки. В процессе охлаждения из-за усадки происходит сокра-
щение линейных размеров отливки, т. е. происходит линейная усад-
ка, которая может вызвать появление в металле внутренних ли-
тейных напряжений, деформацию отливки и трещины. Сплош-
ность металла может нарушаться не только в результате образова-
ния усадочной пористости, но и в результате попадания в крис-
таллизующийся металл пузырьков газа.

После заливки металла в форму на границе их соприкоснове-
ния создается повышенное газовое давление, иногда достаточное
для «проталкивания» газов в металл. Если форма пористая, то часть
газов через поры формы вытесняется в окружающую среду. Если
же форма обладает низкой газопроницаемостью, то внутри от-
ливки образуются газовые раковины и поры. Песчаные разовые
формы — тела пористые, хорошо пропускают газ и воздух, ме-
таллическая форма практически не обладает газопроницаемостью,
поэтому при ее использовании возможность получения отливок с
повышенной газовой пористостью более вероятна.

Если материал детали, изготавливаемой литьем, обладает по-
ниженными литейными свойствами, то для получения качест-
венной заготовки целесообразно использовать литье в разовые
формы.

Вторым важным фактором, обусловливающим получение от-
ливок без внутренних дефектов, является соблюдение правил ли-
тейной технологии, обеспечение хорошего заполнения и питания
формы.

15.2.	Изготовление модельного комплекта

Технологический процесс изготовления отливки начинается с
подготовки модельного комплекта: моделей или модельных плит,
модельных щитков, стержневых ящиков, сушильных плит, шаб-
лонов для проверки размеров формы и стержней, кондукторов и
шаблонов для контроля правильности установки стержней в фор-
ме, опок, штырей и т.д. Модельный комплект изготавливают в
модельном цехе или модельном отделении литейного цеха.

Процесс изготовления литейных форм называют формовкой.
В литейном производстве используют ручную и машинную фор-
мовки: в единичном и мелкосерийном производстве — ручную фор-
мовку (формы изготавливают обычно по деревянным моделям), в
поточно-массовом и серийном производстве — машинную (формы
изготавливают на машинах по металлическим моделям).

По чертежу детали изготавливают модель. Модель — это изде-
лие, предназначенное для получения в форме отпечатка, соот-
ветствующего конфигурации и размерам отливки. Модели делают
из дерева, металла, гипса, пластмассы и других материалов. От-
верстия в литых деталях выполняют с помощью стержней. Стер-
жень — это часть литейной формы. Готовые стержни сушат в спе-
циальных печах (сушилах) для увеличения их прочности, газо-
проницаемости, а также уменьшения газотворной способности.
Стержни перед установкой в форму окрашивают красками, со-
стоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного квар-
ца, циркона обезжелезенного и других, что необходимо для по-
вышения чистоты поверхности отливки. При сборке формы сухой
стержень устанавливают стержневыми знаками в соответствую-
щие гнезда формы, полученные с помощью знаков модели. Длина
стержня больше длины полости отливки на величину знаков.

Полуформы изготавливают из формовочной смеси, уплотняе-
мой в чугунных или стальных рамках, которые называют опоками.
Изготовление литейной формы производят в такой последова-
тельности. На подопечный щиток устанавливают половину моде-
ли, по которой необходимо получить отпечаток в нижней полу-
форме, а также опоку. Поверхность модели и щитка посыпают
или опрыскивают разделительной жидкостью, после чего в опоку
насыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Излишек формо-
вочной смеси счищают с поверхности уплотненной полуформы,
опоку перевертывают на 180° и устанавливают на подоночный
щиток. Затем на нижнюю половину модели устанавливают верх-
нюю половину, на нижнюю опоку — верхнюю. Вновь посыпают
поверхность модели разделительным песком, ставят модели лит-
никовой системы, засыпают формовочную смесь в верхнюю опо-
ку и уплотняют ее. Снимают верхнюю полуформу, извлекают по-
ловины моделей, устанавливают стержень и собирают форму. Для
сборки формы опоки применяют специальные втулки, в которые
входят центрирующие штыри. Жидкий металл при заполнении фор-
мы давит на ее стенки, в результате чего верхняя опока может
подняться, и тогда по плоскости разъема образуется зазор, через
который металл может вытекать из формы. Для предупреждения
этого верхнюю полуформу крепят к нижней полуформе скобами
или болтами и подают на заливку жидким металлом. В качестве
исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали ис-
пользуют чушковые литейные и передельные чугуны, чугунный и
стальной лом, брикетированную стружку, ферросплавы, топливо
и флюсы. Эти исходные материалы называют шихтовыми. Их хра-
нят на складе шихты, где также производят подготовку исходных
материалов к плавке: сортировку, дробление до необходимых раз-
меров, шихтовку — взвешивание отдельных порций различных
материалов в соответствии с расчетом для получения заданного
химического состава металла. Подготовленную шихту специаль-
ными транспортными средствами подают в плавильное отделение
для приготовления жидкого металла (плавки металла). Агрегаты,
предназначенные для расплавления и перегрева черных и цветных
металлов и сплавов, называют плавильными печами. Для плавки
чугуна применяют специальные печи-вагранки, электропечи и пла-
менные печи; для плавки стали — мартеновские печи, конверто-
ры, электропечи, для плавки цветных сплавов — электропечи и
пламенные печи. Расплавленный металл должен быть перегрет в
печи до определенной температуры, чтобы он хорошо заполнял
литейную форму. После расплавления и перегрева металл слива-
ют из печи в различные ковши и транспортируют на участок за-
ливки форм. Металл, залитый в форму, отдает ей теплоту, охлаж-
дается и затвердевает.

При заливке жидкий металл поступает в полость формы по
литниковым каналам. Систему каналов, подводящих металл в
форму, называют литниковой. Литниковая система состоит из сто-
яка (вертикального канала), шлакоуловителя и питателя, через
который металл поступает в полость формы. К литниковой систе-
ме относят также выпор. Выпор служит для выхода из формы воз-
духа и газов, а также для контроля заполнения формы металлом.
После затвердевания и охлаждения металла форму разрушают (вы-
бивают) и отливки извлекают из форм. Выбивают формы только
после остывания отливки до определенной температуры, так как
при высоких температурах сплавы недостаточно прочны и отлив-
ка может разрушиться. Выбивают формы на специальных установ-
ках, расположенных в отделении или на участке выбивки.

Отливки имеют литники, выпоры, иногда заусенцы и заливы
металла, их поверхность может быть загрязнена пригоревшей к
ней формовочной смесью. Отрезку или обрубку литников, выпо-
ров, заусенцев, очистку поверхности отливок производят в отде-
лении очистки и обрубки отливок специальным инструментом,
на дробеструйных и дробеметных установках, в гидравлических,
пескогидравлических и очистных барабанах.

После этого отливки поступают в отдел технического контро-
ля (ОТК), где производят контроль отливок: проверяют их разме-
ры и герметичность, наличие внутренних и внешних дефектов
(усадочных раковин, газовых раковин, трещин и т.д.), механи-
ческие свойства и структуру металла. Отливки, имеющие незна-
чительные дефекты, исправляют различными способами: газовой
и электрической заваркой, пропиткой различными смолами, на-
несением замазки и др.

Очень часто для получения требуемых структуры и механичес-
ких свойств, снятия внутренних напряжений отливки подвергают
термической обработке — нагреву и охлаждению по строго задан-
ным режимам (по времени и температуре) в термических печах.
Эту операцию производят в термическом отделении литейного
цеха. Затем отливки вновь подвергают очистке и контролю. При-
нятые ОТК или мастером литейного цеха отливки отправляют на
склад готовых изделий, а оттуда на механическую обработку. Не-
которые отливки перед отправкой в механический цех окрашива-
ют, чтобы предотвратить коррозию.

Описанную ранее литейную форму называют разовой, так как
ее используют однократно. Обычно разовые литейные формы из-
готавливают из формовочных смесей, основной составляющей ко-
торых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки,
придающей прочность смеси, используют глину. Прочность таких
смесей относительно невысока, а давление жидкого металла на
стенки формы достаточно велико, поэтому формы из песчано-
глинистых смесей приходится делать толстостенными. Однако если
в качестве связующего использовать специальные материалы, при-
дающие высокую прочность формовочной смеси, то литейную
форму можно сделать оболочковой (тонкостенной). Это позволяет
резко сократить расход формовочной смеси, а также благодаря ее
особым свойствам повысить точность и уменьшить шероховатость
поверхности отливок. В разовых толстостенных формах из песча-
но-глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной
конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из
различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и
массового производства. Это объясняется относительной просто-
той технологического процесса, дешевизной используемых мате-
риалов, достаточной точностью отливок, хорошей чистотой по-
верхности, возможностями механизации и автоматизации про-
цесса их изготовления.

В литейном производстве применяют также формы, изготавли-
ваемые из специальных высокоогнеупорных масс, например на
основе графита. В этих формах можно получать до нескольких де-
сятков отливок без существенного износа формы. Такие формы
называют полупостоянными. Их применяют при мелкосерийном
производстве отливок из чугуна и цветных сплавов (алюминие-
вых, медных). Для массового и крупносерийного производства стой-
кость этих форм недостаточна, а для единичного производства —
высока стоимость их изготовления.

Широкое применение находят металлические формы, называ-
емые также постоянными. В них можно получать от нескольких
десятков до нескольких тысяч отливок из стали, чугуна и цветных
сплавов. Отливки могут иметь сложную конфигурацию и массу
несколько тонн. Наиболее часто в металлических формах изготав-
ливают отливки малой и средней (до нескольких десятков кило-
граммов) массы из легких цветных сплавов. Отливки, полученные
в металлических формах, имеют чистую поверхность и повышен-
ную точность размеров. Применение постоянных форм позволяет
исключить формовочную смесь, улучшить условия труда, меха-
низировать и автоматизировать производство. Однако стоимость
металлических форм достаточно высока, поэтому их применяют в
условиях крупносерийного и массового производства отливок.

15.3.	Формовочные материалы и смеси

Не менее важным звеном технологической цепи является под-
готовка материалов для изготовления литейной формы. Формо-
вочными материалами называют материалы, применяемые для
изготовления разовых и полупостоянных форм. Это пески, связу-
ющие и специальные добавки. Исходные формовочные материа-
лы хранят на складе формовочных материалов в специальных ем-
костях и бункерах. При поступлении на склад обязательно прове-
ряют соответствие их качества сертификату. Контроль качества
формовочных материалов производят в специальных лаборатори-
ях. Формовочные материалы разделяют на исходные формовоч-
ные материалы, формовочные и стержневые смеси, вспомогатель-
ные формовочные составы. Исходные формовочные материалы
делят на три группы: основные — огнеупорная основа смеси (квар-
цевый песок и т.д.), связующие материалы (глина, различные
смолы, другие связующие вещества) и вспомогательные, напри-
мер различные добавки (уголь, древесная мука, торф и т.д.), при-
дающие формовочной или стержневой смеси определенные свой-
ства.

Формовочные и стержневые смеси приготавливают из исход-
ных формовочных материалов и из отработанных смесей (смеси,
бывшие в употреблении). Состав смесей зависит от назначения,
способа формовки, рода заливаемого в форму металла. Вспомога-
тельные формовочные составы — это материалы (краски, клеи,
замазки), необходимые для отделки и исправления форм и стерж-
ней.

Для получения качественных форм, стержней и годных отли-
вок формовочные и стержневые смеси должны обладать техно-
логическими свойствами, отвечающими определенным требова-
ниям.

Для хорошего уплотнения формовочной смеси в опоке боль-
шое значение имеет пластичность смеси — способность ее к де-
формированию под действием приложенных внешних усилий или
собственной массы, что обеспечивает получение отпечатка моде-
ли или заполнение полости стержневого ящика. Пластичность фор-
мовочной и стержневой смесей зависит от свойств составляющих
смеси и применяемых связующих. Например, смесь с масляным
связующим обладает большой пластичностью, а песчано-глини-
стые смеси имеют небольшую пластичность.

Литейная форма должна обладать достаточной прочностью,
чтобы при сборке, транспортировке и заливке металлом она не
разрушалась. Поэтому и формовочная смесь должна обладать оп-
ределенной прочностью — способностью сопротивляться разру-
шению под действием нагрузки. Прочность формовочной смеси
зависит от зернистости песка, влажности, плотности и от содер-
жания глины или связующих в смеси. С увеличением плотности,
уменьшением размера зерен песка, увеличением процента содер-
жания глины прочность смеси возрастает.

Сыпучесть смеси влияет на зависание ее в бункерах, на запол-
нение и равномерность распределения смеси при засыпке в опо-
ку, качество и длительность перемешивания смеси в смесителях.
С сыпучестью связана комкуемость — способность смеси образо-
вывать комки. Сыпучесть и комкуемость зависят от прочности связей
песчинок в местах контакта. Начальная (насыпная) плотность смеси
повышает равномерность уплотнения формы. Поэтому смесь дол-
жна иметь хорошую сыпучесть и минимальную комкуемость. Боль-
шое значение имеет поверхностная прочность — сопротивление
поверхностного слоя формы или стержня истиранию. Поверхно-
стная прочность характеризуется осыпаемостью.

В процессе заливки и охлаждения отливки стенки формы на-
греваются металлом до высоких температур, равных практически
температуре металла, поэтому формовочные материалы должны
обладать высокой огнеупорностью. Это одно из главных требова-
ний, предъявляемых к формовочным материалам.

Огнеупорность — способность смеси сопротивляться размягче-
нию или расплавлению под действием высокой температуры жид-
кого металла — зависит от огнеупорности составляющих смеси и
количественного их соотношения. Чем больше примесей в песке и
глине, тем меньше огнеупорность формовочных и стержневых
смесей. Чем крупнее песок и чем меньше в нем примесей, пыли и
больше кремнезема, тем более огнеупорна смесь.

В процессе заливки формы металлом органические материалы,
входящие в состав формовочной смеси (связующие, опилки), сго-
рают и выделяют газы, влага испаряется и образует большое ко-
личество паров. Способность смеси выделять газы при заливке
называется газотворностъю. Она определяется количеством газов,
выделяющихся из 1 кг смеси. Образующиеся газы, пары и воздух
стремятся выйти из формы через поры формовочной смеси. По-
этому она должна иметь достаточную газопроницаемость. Газопро-
ницаемость — свойство смеси пропускать через себя газы — зави-
сит от качества и количества глинистых составляющих и кварце-
вого песка. Чем больше песка в формовочной смеси и чем он круп-
нее, тем выше газопроницаемость смеси, и наоборот. Газопрони-
цаемость зависит также от формы зерен песка, влажности, нали-
чия пыли, угля, степени уплотнения и т.п. Чем больше пыли в
песке, тем меньше газопроницаемость. При быстром газообразо-
вании и недостаточной газопроницаемости смеси давление газа
превышает давление залитого металла, и газ стремится выйти из
формы не через смесь, а через металл. В этом случае в отливках
могут появиться и газовые раковины.

В процессе затвердевания и охлаждения размеры отливки умень-
шаются вследствие усадки металла. Однако форма препятствует
усадке, в результате в отливке могут возникать напряжения и по-
являться трещины. Поэтому формовочная смесь должна обладать
податливостью — способностью сокращаться в объеме и переме-
щаться под действием усадки отливки. Высокая прочность и га-
зопроницаемость формовочной смеси обеспечиваются однородно-
стью — равномерным распределением в формовочной смеси со-
ставляющих компонентов в результате тщательного перемешива-
ния.

Формовочные и стержневые смеси должны обладать также
минимальной прилипаемостью к модели или стержневому ящи-
ку, что зависит от содержания влаги, связующей добавки и ее
свойств. Прилипаемость смеси повышается с увеличением коли-
чества жидкости в смеси.

Долговечность смеси — это способность сохранять свойства при
повторных заливках. Чем долговечнее смесь, тем меньше добав-
ляют в отработанную смесь свежих формовочных материалов при
ее переработке. Освобождение отработанной смеси от пыли, вве-
дение свежего песка и глины позволяют восстановить свойства
смеси.

Стержневая смесь характеризуется выбиваемостью — способ-
ностью легко удаляться при выбивке ее из охлажденной отливки.
Это свойство зависит от количества песка, глины и вида связую-
щего в стержневых смесях.

15.4.	Приготовление формовочных
и стержневых смесей

Формовочные и стержневые смеси приготавливают из свежих
песчано-глинистых формовочных материалов, добавок и отрабо-
танной смеси. В зависимости от массы отливок расход формовоч-
ных смесей колеблется в пределах 500... 1 300 кг, а свежих матери-
алов — 500... 1 000 кг на 100 кг годных отливок.

Технологический процесс приготовления формовочных сме-
сей включает следующие основные операции: предварительную
обработку свежих формовочных материалов и добавок, предвари-
тельную обработку отработанной формовочной смеси, приготов-
ление смеси из предварительно подготовленных свежих и отрабо-
танных формовочных смесей, добавок и связующих.

Предварительная обработка свежих формовочных материалов
включает операции сушки песка, тонкого измельчения каменно-
го угля, просеивания песка и угля. Отработанную смесь перед по-
вторным использованием охлаждают, разрыхляют, подвергают
магнитной сепарации и просеивают. Сушку песка и глины произ-
водят в различных печах (трубчатых, вертикальных и горизонталь-
ных) и на плитах. Наиболее распространены вертикальные и го-
ризонтальные сушильные печи. Вертикальные печи применяют для
сушки кварцевых и малоглинистых песков. В механизированных
цехах песок и глину сушат в барабанах с водяным охлаждением
песка после сушки. Свежий песок сушат при 250 °C. Производи-
тельность таких барабанов составляет 5...20 т/ч и выше. В совре-
менных установках применяют сушку песка горячим воздухом.
Песок из бункера загружают в трубу, в которую снизу подается
воздух с температурой 200... 250 °C. Сырой песок увлекается вверх
со скоростью 15... 17 м/с и быстро высыхает. Производительность
установки может доходить до 15 т/ч сухого песка.
Сухую глину размалывают и просеивают до порошкообразного
состояния. Глину размалывают в бегунах или же в шаровых мель-
ницах. Тонкое размельчение глины и каменного угля достигается
в шаровых мельницах. Глину или каменный уголь загружают в ба-
рабан через воронку. При вращении барабана стальные шары,
находящиеся внутри него, размалывают глину или уголь. Размо-
лотый материал проваливается через зазоры и просеивается через
сито. Готовый материал высыпают из барабана. Производитель-
ность шаровых мельниц составляет 100... 8 000 кг/ч.

Вместо сухой глины часто применяют глинистую и глино-
угольную эмульсию (раствор глины или глины и угольного по-
рошка в воде). При использовании эмульсии отпадает ряд опера-
ций по подготовке и транспортированию этих материалов.

Глиноугольную эмульсию приготавливают в баке-концентра-
торе, в который подают определенное количество глинистой и
глиноугольной эмульсии. После наполнения бака концентратора
эмульсию перемешивают до нужной плотности и затем специаль-
ными насосами-дозаторами автоматически подают в бегуны или
смесители.

Отработанная формовочная смесь, выбитая из опок, перед
повторным использованием должна быть предварительно перера-
ботана. В немеханизированных литейных цехах ее просеивают на
обычном сите или на передвижной смесеприготовительной уста-
новке, где происходит отделение металлических частиц и других
посторонних примесей. В механизированных цехах отработанная
смесь подается из-под выбивной решетки ленточным транспорте-
ром в смесеприготовительное отделение. Крупные комки смеси,
образующиеся после выбивки форм, обычно разминают гладки-
ми или рифлеными вальцами. Металлические частицы отделяют
магнитными сепараторами, установленными на участках переда-
чи отработанной смеси с одного транспортера на другой.

Регенерация (восстановление) смеси заключается в извлече-
нии песка из отработанных смесей и приведении его свойств в
соответствие с установленными техническими требованиями на
формовочные пески.

Приготовление формовочных и стержневых смесей состоит в
увлажнении и перемешивании смеси. Тщательное перемешивание
смеси необходимо для равномерного распределения ее составля-
ющих. При перемешивании глина и связующее обволакивают зер-
на песка, комья отдельных составляющих разрушаются и равно-
мерно распределяется влага. Хорошо перемешанная смесь облада-
ет максимальной прочностью и газопроницаемостью. Для переме-
шивания смеси применяют лопастные смесители или бегуны.

Лопастной смеситель — это машина непрерывного действия,
он может быть встроен в автоматизированную смесеприготови-
тельную систему. Смеситель часто применяют для приготовления
смесей с низким содержанием глины (наполнительных смесей,
сыпучих и т.д.) или смесей с жидкими связующими. Смеси с вы-
соким содержанием глины в лопастном смесителе плохо переме-
шиваются и поэтому обладают низкими технологическими свой-
ствами. Такие смеси обычно приготавливают в катковых смесите-
лях-бегунах.

Контрольные вопросы

1.	Из чего исходят при выборе вида литейной формы?

2.	Какая характеристика литейной формы приводит к газовой пори-
стости отливок?

3.	Какие основные конструктивные элементы составляют модельный
комплект?

4.	Какие элементы литейной формы относят к литниковой системе?

5.	Какие действия необходимо выполнить после затвердевания и ох-
лаждения металла в форме?

6.	Какие главные требования предъявляются к формовочным матери-
алам?
ГЛАВА 16

ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНЫЕ (ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ)
ФОРМЫ

16.1.	Общая характеристика литья
в песчано-глинистые формы

В настоящее время большинство отливок получают в литейных
формах, изготовленных из специальных формовочных и стержне-
вых смесей. Такие формы служат для получения только одной от-
ливки и поэтому их называют иногда разовыми. Состав формовоч-
ных и стержневых смесей зависит от вида сплавов, из которых
получают отливки, и массы отливки. Поскольку основной состав-
ляющей формовочных и стержневых смесей является кварцевый
песок, этот вид технологического процесса литья называют лить-
ем в песчаные или песчано-глинистые формы.

Этот способ литья наиболее универсален, он может быть ис-
пользован при любом характере производства, для деталей любой
массы, простой и сложной конфигурации, для получения отли-
вок практически из всех литейных сплавов. Изменяя способ фор-
мовки, используя различные материалы моделей и составы фор-
мовочных смесей, можно получить отливки с достаточно точны-
ми размерами, чистой поверхностью, не требующие последую-
щей механической обработки по отдельным поверхностям.

С увеличением серийности производства целесообразным яв-
ляется использование более точных, но дорогих моделей и фор-
мовочных смесей, применение машинной формовки. Этим дости-
гают уменьшения массы заготовки, повышения коэффициента
весовой точности, снижения последующей механической обра-
ботки. В общем случае литьем в песчано-глинистые формы можно
получать отливки с шероховатостью поверхности Rz 320...40 мкм
и с точностью, соответствующей 14—17-му квалитетам и гру-
бее. Однако если форма изготовлена из обычной песчано-гли-
нистой смеси, то шероховатость поверхности отливки составля-
ет Rz 320... 160 мкм если используется песчано-масляная смесь —
Rz 320...80 мкм; при использовании хромомагнезитовых смесей
шероховатость поверхности может быть Rz 80...20 мкм.

При единичном и мелкосерийном производстве модельные
комплекты, т.е. модели и стержневые ящики, изготавливают де-
ревянными; в крупносерийном и массовом производстве исполь-
зуют в основном металлические или пластмассовые модельные
комплекты. Металлические модели имеют более высокие точность
и меньшую шероховатость поверхности, что позволяет примерно
на 10 % снизить припуски на механическую обработку. Литейные
уклоны деревянных моделей составляют 1... 3°; металлических при
ручной формовке — 1 ...2°, при машинной — 0,5... Г. Кроме того,
за счет применения металлических моделей и машинной формов-
ки можно получить точность отливок по 14— 17-му квалитетам, в
то время как при серийном характере производства точность от-
ливок находится в пределах 15 — 17-го квалитетов, а при единич-
ном — 16—17-го квалитетов.

Разработку технологического процесса изготовления отливки
начинают с рассмотрения возможных вариантов ее расположения
в форме.

Литейную песчаную (песчано-глинистую) форму чаще всего
изготавливают в двух опоках. При изготовлении форм на машинах
это является одним из обязательных условий. Поверхность, по
которой при сборке формы соединяют ее части (нижнюю и верх-
нюю), называется поверхностью разъема. Если деталь располагает-
ся в обеих частях формы, то поверхность разъема чаще всего явля-
ется и поверхностью разъема для модели. Таким образом, рас-
смотрение возможных вариантов расположения проектируемой
детали в форме сводится к определению возможных для нее по-
верхностей разъема литейной формы, что является непременным
условием создания технологичной конструкции.

16.2.	Определение поверхности разъема

Разъем формы и модели лучше всего выполнять по плоскости.
Сложная форма поверхности разъема значительно усложняет и
удорожает процесс изготовления модели или модельных плит.
При выборе варианта разъема формы следует обеспечить бес-
препятственное извлечение модели из формы в процессе фор-
мовки.

Оптимальный вариант разъема формы должен также обеспе-
чивать ее изготовление с минимальным числом стержней. Обыч-
но стержни используют для получения в отливках внутренних
полостей и отверстий. Однако из-за недостаточной технологич-
ности конструкции литых деталей иногда приходится применять
стержни и для получения отдельных участков наружных поверх-
ностей таких деталей. Увеличение числа стержней в литейной
форме ведет к снижению точности ее изготовления, следова-
тельно, к снижению точности получаемой отливки. В случае не-
обходимости применения стержней при изготовлении литейной
формы для конкретной детали следует продумывать вопросы,
связанные с технологией изготовления стержневых ящиков и са-
мих стержней. Кроме того, должно быть предусмотрено удобство
установки стержней и их надежное закрепление в форме при ее
сборке.

Помимо вопросов, касающихся изготовления моделей и стерж-
невых ящиков, а также самой литейной формы, при определении
поверхности разъема необходимо еще учитывать вопросы, свя-
занные с качеством металла, получаемого в отдельных частях ли-
тейной формы, и с последующей механической обработкой от-
ливки.

При заполнении формы жидким металлом всевозможные за-
грязнения формы и самого металла поднимаются в верхние гори-
зонты полости формы. Растворенные в металле газы, выделяющи-
еся в процессе кристаллизации, могут не успеть полностью из
него выйти и остаться также в верхних частях отливки. Здесь же
обычно сосредоточиваются и дефекты металла, связанные с про-
цессом усадки сплавов. Поэтому наиболее ответственные, а также
обрабатываемые с высокими требованиями к шероховатости по-
верхности литые детали следует располагать в нижней части фор-
мы или в вертикальном положении, где их легче получить без
пороков (засоров, шлаковых и газовых раковин, усадочных рако-
вин и пористости).

Необходимо также учитывать, какие поверхности отливки пред-
полагается использовать как базовые на первых операциях меха-
нической обработки. Эти поверхности отливок необходимо рас-
полагать только в одной части формы и не допускать их пересече-
ния поверхностью разъема.

Часто конструктивные формы литых деталей позволяют вести
изготовление для них литейных форм с различными вариантами
разъема. При расположении отливки (рис. 16.1, а) в литейной форме
в вертикальном положении (рис. 16.1, б) ее целиком выполняют
в одной нижней части формы; в верхней части формы выполняют
только знак стержня, необходимый для фиксирования его в оп-

Рис. 16.1. Расположение отливки в литейной форме:
а — отливка; б — вертикальное положение, в — горизонтальное положение
ределенном положении при сборке формы, и часть литниковой
системы. При горизонтальном положении отливки (рис. 16.1, в),
деталь располагается в двух частях формы, при этом плоскость
разъема проходит по оси отливки. Найти оптимальный разъем
формы можно в этом случае только в результате анализа конст-
рукции детали и учета изложенных ранее основных положений.
Припуски на механическую обработку задают в зависимости от
способа формовки, класса точности, габаритных размеров и ма-
териала отливки, а также от положения обрабатываемой поверх-
ности в форме в момент заливки, причем припуски на обработку
должны быть минимально возможными. Увеличенные припуски
могут привести к появлению разнотолщинности стенок отливки,
к снижению качества металла из-за появления литейных дефек-
тов. Кроме того, небольшие припуски дают возможность сохра-
нить при механической обработке наиболее качественный слой
металла — литейную корку.

Точность, заданная конструктором на литую деталь, во мно-
гом определяет стоимость отливки. Чем выше требуемая точность
отливки, тем выше стоимость ее изготовления, так как требуется
более точная, сложная, а следовательно, более дорогостоящая
оснастка. Поэтому при конструировании литых деталей необходи-
мо сопоставлять эффективность, достигаемую за счет большей
точности, с дополнительными затратами на их изготовление.

Контрольные вопросы

1.	Что определяет универсальность использования песчано-глинистых
форм при литье?

2.	От чего зависит выбор материала модельных комплектов?

3.	Какие факторы учитывают при назначении поверхности разъема
литейной формы?

4.	В каких случаях целесообразно разместить всю отливку в одной (ниж-
ней) части формы?

5.	В какой части отливки наблюдается более высокое качество метал-
ла, а в какой — менее высокое?
ГЛАВА 17

ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ

17.1.	Сущность литья в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы является одним из сравнительно
новых технологических процессов, обеспечивающих получение
отливок с более высокой точностью и меньшей шероховатостью
поверхности по сравнению со способом литья в обычные песча-
ные (песчано-глинистые) формы.

Литейная форма при этом способе имеет вид прочной оболоч-
ки толщиной 5... 15 мм. Для получения такой формы необходимы
подогреваемые до 400 °C металлические модельные плиты и стерж-
невые ящики, а также специальные формовочные смеси, состоя-
щие из мелкого кварцевого песка и термореактивной смолы. Наи-
лучшими эксплуатационными свойствами обладают модельные
плиты, изготовленные из стали или серого чугуна. Алюминиевые
сплавы, характеризующиеся лучшей обрабатываемостью, мало
пригодны для модельных плит из-за низкой теплоемкости и зна-
чительного коэффициента линейного расширения. Металличес-
кие модельные плиты должны иметь толкатели для съема получа-
емых оболочек. С одной чугунной или стальной подмодельной пли-
ты можно получить 100— 120 тыс. оболочек.

Термореактивные смолы, входящие в состав формовочной сме-
си, при нагревании плавятся и переходят в жидкое состояние, а
при дальнейшем тепловом воздействии — необратимо отвердева-
ют в результате химических превращений (процесс аполимериза-
ции). При изготовлении оболочковых форм и стержней в качестве
термореактивной смолы в состав смеси чаще всего вводят пульвер-
бакелит (фенолформальдегидную смолу). Количество пульверба-
келита в смеси составляет 56 % общей массы.

Оболочковые формы изготавливают в последовательности,
показанной на рис. 17.1. На поверхность односторонней металли-
ческой плиты 3 с моделями 2, нагретой до 200...250°C, наносят
тонкий слой термостойкого разделительного состава (силиконо-
вую жидкость или др.), а затем засыпают формовочную смесь 1
(рис. 17.1, а). При нагревании от плиты и модели в прилегающем
тонком слое формовочной смеси термореактивная смола начина-
ет размягчаться (6О...7О°С), затем плавиться (105... 120°C) и рас-
текаться между частичками песка. Одновременно с растеканием
смолы, при дальнейшем тепловом воздействии, начинается про-
цесс отвердевания. Отвердевающая смола связывает между собой
зерна песка, из которого приготовлена формовочная смесь. Тол-
щина оболочки при ее образовании зависит в основном от темпе-
ратуры модельной плиты и от времени выдержки на ней смеси.
В связи с тем что кварцевый песок плохо проводит теплоту, смесь
в направлении от плиты нагревается довольно медленно и глав-
ным образом за счет конвекционных потоков. Поэтому толщина
образующейся оболочки быстро возрастает в первые 5...6 с, а за-
тем скорость нарастания толщины оболочки уменьшается. Так,
для получения оболочки толщиной 6...8 мм требуется 15...25 с, а
толщиной 12... 15 мм — до 1,5 мин.

После образования оболочки необходимой толщины излишек
непрореагировавшей формовочной смеси удаляют (рис. 17.1, б).
Образовавшаяся первоначально на плите полутвердая оболочка 4
из песчано-смоляной смеси не имеет еще достаточной прочности.
Поэтому ее вместе с модельной плитой помещают в печь 5, име-
ющую температуру 300...400°C, где заканчивается процесс пол-
ного отвердевания смеси (рис. 17.1, в). Время выдержки оболочки
в печи составляет 0,5...5 мин. После полного отвердевания смолы
прочность оболочек при растяжении достигает 250...300 МПа и
при изгибе 800...900 МПа. Твердую оболочку (полуформу) сни-
мают с модельной плиты при помощи толкателей (рис. 17.1, г),
которые закреплены в плите 3.

Рис. 17.1. Последовательность изготовления оболочковых форм:

а — засыпка формовочной смеси; б — удаление излишков формовочной смеси;
в — процесс полного отвердевания смеси; г — съем полуформы с модельной
плиты; д — сборка литейнои формы; 7 — формовочная смесь; 2 — модель; 3 —
плита; 4 — оболочка; 5 — печь; 6 — стержень
При наличии двух оболочковых полуформ и стержней, кото-
рые также могут быть оболочковыми, необходима сборка литей-
ной формы (рис. 17.1, д). Стержни 6 проставляют, как при изго-
товлении обычных песчаных форм. При сборке оболочковые по-
луформы после простановки стержней скрепляют различного рода
зажимами или склеивают по поверхности разъема. Собранную обо-
лочковую форму заливают жидким сплавом в горизонтальном или
вертикальном положении. Иногда для повышения прочности со-
бранные оболочковые формы помещают в металлические ящики
и засыпают опорным материалом (металлической дробью, круп-
ным кварцевым песком и др.).

При нагреве свыше 600 °C у оболочковых форм начинается очень
заметное падение прочности, а при 700 °C начинается процесс
выгорания термореактивной смолы. Поэтому после заливки спла-
ва в оболочковую форму и его затвердевания форма легко разру-
шается.

По сравнению с литьем в песчаные формы, расход формовоч-
ных смесей при литье в оболочковые формы сокращается в 8 —
10 раз.

Процесс изготовления оболочковых форм легко поддается ме-
ханизации и автоматизации. Габаритные размеры модельных плит
могут достигать 600 х 850 мм при максимальной высоте моделей
до 300 мм.

17.2.	Область применения литья в оболочковые
формы

Оболочковые формы используют для получения отливок из лю-
бых литейных марок чугуна и стали, а также цветных сплавов.
Литьем в оболочковые формы изготавливают ответственные дета-
ли, например ребристые цилиндры для мотоциклов, коленчатые
валы для автомобилей, гильзы, звездочки, зубчатые колеса, дета-
ли компрессоров, тепловозов, судовых двигателей и т.п. из чугу-
на, нелегированных сталей, цветных и специальных сплавов. Не
рекомендуется изготавливать отливки из сплавов с низким содер-
жанием углерода, так как поверхность отливки при литье в обо-
лочковые формы науглероживается. Масса отливок ограничена. Это
объясняется тем, что с повышением массы отливок необходимо
увеличивать толщину оболочки (для увеличения ее прочности). Но
изготавливать оболочки толщиной более 12 мм экономически не-
целесообразно. Изготавливают преимущественно отливки весом
до 25 кг, и лишь в отдельных случаях — до 100 кг.

Наиболее рационально применение литья в оболочковые фор-
мы при массовом и крупносерийном производстве. Минимальную
серийность деталей, переводимых на литье в оболочковые фор-
286
мы, обычно принимают не менее 200 отливок в год. Данный спо-
соб литья обеспечивает параметр шероховатости поверхности
Rz 160...20 мкм и точность размеров, соответствующих 14— 16-му
квалитетам.

При этом способе литья благодаря повышению точности и
уменьшению шероховатости поверхностей можно сократить объем
механической обработки отливок и сэкономить металл.

Скорость охлаждения сплавов в оболочковых формах несколь-
ко меньше, чем в сырых песчано-глинистых. Благодаря этому улуч-
шаются условия заполнения оболочковых форм жидким сплавом
и появляется возможность получать детали с меньшим сечением.
Оболочковая форма ко времени затвердевания отливки легко раз-
рушается, не препятствует усадке металла, поэтому в отливках
возникают незначительные внутренние напряжения и несколько
повышаются механические свойства по сравнению с отливками,
изготовленными в песчано-глинистых формах. Высокая газопро-
ницаемость оболочковых форм и их значительная прочность по-
зволяют уменьшить количество брака отливок (по газовым рако-
винам, засору и другим причинам).

При литье в оболочковые формы снижаются затраты труда по
ряду технологических операций, повышается использование про-
изводственных площадей. Эффективность способа литья в оболоч-
ковые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые фор-
мы заключается:

•	в значительной экономии металла (50 %) за счет меньших (в
2 раза) припусков на механическую обработку; среднее отклоне-
ние размеров отливок в оболочковые формы составляет 0,3... 0,7 мм
на 100 мм габаритного размера, для мелких отливок — до 0,2 мм;

•	уменьшении расхода формовочных материалов в 10—20 раз;

•	лучших характеристиках оболочковых форм — они не гигро-
скопичны, имеют высокую прочность, их можно хранить дли-
тельное время;

•	увеличении выхода годного литья за счет снижения брака в
1,5 — 2 раза;

•	уменьшении затрат труда на обрубку и очистку отливок в
среднем на 50%, так как при выбивке формы оболочка легко
разрушается.

Однако способ литья в оболочковые формы имеет и ряд недо-
статков:

•	утрата точности формы в разъеме при изготовлении тяжелых
и крупногабаритных отливок;

•	работа с горячей модельной оснасткой вызывает необходи-
мость использования только металлической модели;

•	высокая стоимость оснастки, оборудования и материалов, в
частности, стоимость формовочной смеси, необходимой для из-
готовления оболочковой формы, примерно в 6 раз выше стоимо-
сти формовочных и стержневых смесей, необходимых при изго-
товлении песчано-глинистой формы (для одних и тех же деталей).

Все это приводит к тому, что стоимость отливок, полученных
литьем в оболочковые формы, несколько выше, чем отливок,
полученных литьем в песчано-глинистые формы.

Однако даже в условиях крупносерийного или массового про-
изводства при использовании специализированных цехов и по-
точных линий (оснащенных высокопроизводительным автомати-
ческим оборудованием) себестоимость отливок, получаемых в
оболочковых формах, может оказаться несколько выше по срав-
нению с аналогичными отливками, полученными в обычных пес-
чаных формах. В таких случаях процесс литья в оболочковые фор-
мы может успешно конкурировать с литьем в песчаные формы
только при условии достижения значительной экономии за счет
уменьшения массы отливок или резкого сокращения объема их
последующей механической обработки (особенно при изготовле-
нии отливок из труднообрабатываемых сплавов).

Например, отливка центробежного колеса насоса, получаемая
в песчано-глинистой форме, имела массу 13,5 кг. Припуски на
механическую обработку составляли 5... 15 мм. Отливка подверга-
лась механической обработке по всем поверхностям, кроме внут-
ренних полостей. После механической обработки масса детали
составляла 7,2 кг. При переводе этой детали на литье в оболочко-
вых формах механической обработке подвергались посадочные
поверхности с припусками в пределах 1,0... 1,5 мм. В результате
масса отливки уменьшилась на 45 %, а объем механической обра-
ботки сократился в 1,5 раза.

Практика показала, что целесообразно использовать литье в
оболочковые формы для производства заготовок ряда деталей
химического машиностроения (арматура, клапаны, насадки,
трубы и др.), которые изготавливают из высоколегированных
сплавов, трудно поддающихся механической обработке. В номен-
клатуру отливок, получаемых в оболочковых формах, также вхо-
дят конические и цилиндрические шестерни, звездочки цепных
передач, коленчатые валы, ребристые цилиндры мотоциклов,
вентили, вилки, рукоятки муфты, фланцы, вкладыши подшип-
ников и др.

17.3.	Технологические особенности проектирования
деталей

Литейная технология получения отливок в оболочковых фор-
мах принципиально не отличается от процесса их получения в
песчаных формах. Однако специфика изготовления оболочковых
форм предопределяет ряд требований к конструкции детали с точки
зрения ее технологичности. Поэтому проектирование технологи-
ческого процесса изготовления отливки начинают с оценки воз-
можности изготовления ее литьем в оболочковые формы. Конст-
руктор вместе с технологом-литейщиком должны производить
отработку конструкции детали, чтобы учесть особенности техно-
логического процесса этого способа литья. Конструкция детали
должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1.	Конфигурация детали должна обеспечивать возможность из-
влечения модели из формы с минимальным числом стержней. Луч-
шие результаты по точности и шероховатости поверхности отли-
вок получают, если всю отливку размещают в одной полуформе.

2.	Не рекомендуется переводить на литье в оболочковые формы
глубокие коробчатые конструкции, так как при обычных приемах
формовки из-за высокой текучести песчано-смоляных смесей
формы получаются разностенными.

3.	Гладкая и сухая поверхность оболочковой формы, ее высокая
газопроницаемость способствуют лучшему заполнению жидким
сплавом по сравнению с сырой песчано-глинистой формой. По-
этому при оболочковом литье возможно выполнение тонких ре-
бер и четких художественных рельефов, острых углов. По сравне-
нию с литьем в обычные песчаные формы для всех литейных спла-
вов возможно уменьшение минимальной (технологически допус-
тимой) толщины стенок у деталей. Имеющийся опыт позволяет
рекомендовать минимально допустимую толщину стенок мелких
деталей из серого чугуна в пределах 2,0...2,5 мм, высокопрочного
чугуна и стали — 3...4 мм, из цветных сплавов — 1,5...2,0 мм. Для
литья заготовок средних размеров рекомендуют выполнять тол-
щину стенок не менее чем 3 мм. Пониженная скорость охлажде-
ния сплавов в оболочковой форме также облегчает задачу получе-
ния тонкостенных отливок из серого чугуна без отбела.

4.	Отливка должна иметь равномерную толщину стенок. По воз-
можности избегают сочетания массивных и тонких частей, так
как применение холодильников и прибылей усложняет процесс
изготовления оболочек и снижает производительность труда. В мас-
сивных частях литых деталей выполняют отверстия, углубления,
применяют для обеспечения необходимой прочности коробчатые,
тавровые и ребристые сечения.

5.	Во избежание образования трещин, усадочных раковин и
рыхлости между отдельными частями литых деталей должны быть
плавные переходы, оформляемые радиусом или галтелью. При
литье в оболочковых формах возрастает роль галтелей на внешних
углах, так как на острых углах моделей в процессе формирования
оболочки отвердевает слишком тонкий слой смеси. В зависимости
от толщины стенок и вида заливаемого металла радиусы скругле-
ния назначают равными 1; 2; 3; 5; 8 или 10 мм. Для стальных
отливок радиусы скругления должны быть не менее 3 мм. Пере-
ходный угол для оформления различных утолщений на отливке
принимают равным 30... 45°.

6.	Так как в процессе изготовления оболочки снятие ее с мо-
дельной плиты осуществляют с помощью толкателей, формовоч-
ные конструктивные уклоны на вертикальных стенках отливок
уменьшают. При высоте моделей до 20 мм они могут составлять
0°45', при высоте 20... 100 мм — 0°30', при высоте более 100 мм —
0°20'. На внутренних поверхностях, получаемых за счет модели,
уклоны должны быть несколько большими.

7.	При литье в оболочковые формы можно получать в деталях
отверстия без применения стержней (по модели) диаметром от
6 мм и более, если толщина стенок не превышает 10 мм, от 8 мм,
если толщина стенок не превышает 20 мм. При большей толщине
стенок отверстия малого диаметра выполнять нецелесообразно.

При изготовлении оболочковых форм избегают отъемных час-
тей на моделях. Это требование объясняют, с одной стороны, вы-
сокой температурой моделей при их работе и необходимостью
устройства толкателей, а с другой — условиями теплопередачи от
модели к формовочной смеси.

Припуск на механическую обработку выбирают в зависимости
от конструктивных особенностей и размеров детали. Например,
при наибольшем размере детали до 50 мм назначают припуск 0,3 мм
на сторону; если размеры детали находятся в пределах 50...250;
250...500 и более 500 мм, то припуск на сторону соответственно
составляет 0,5...0,7; 0,7... 1,0 и 1,2...2,0 мм.

При анализе влияния усадки сплавов на конструкцию литых
деталей, получаемых в оболочковых формах, имеют в виду, что
технологический процесс получения оболочковых форм практи-
чески исключает возможность применения наружных холодиль-
ников, а применение прибылей усложняет процесс изготовления
оболочек и снижает производительность оборудования. В связи с
тем, что размеры и масса отливок, получаемых в оболочковых
формах, чаще всего бывают небольшими, объем усадочных рако-
вин и усадочная пористость у них незначительны. Однако замед-
ленная скорость охлаждения сплавов в оболочковых формах при-
водит к развитию усадочной пористости за счет уменьшения объема
концентрированных усадочных раковин. Поэтому наиболее благо-
приятными считают тонкостенные конструкции, обеспечивающие
одновременное затвердевание металла в форме. В случае невоз-
можности создания конструкции на основе принципа одновре-
менного затвердевания металла, используют принцип направлен-
ного затвердевания металла, но при этом стремятся к получению
качественной отливки с применением минимального количества
прибылей.

У отливок, получаемых в оболочковых формах, внутренние
напряжения теоретически должны быть меньше по сравнению с
аналогичными отливками, получаемыми в песчаных формах. За
счет меньшей скорости охлаждения сплава в оболочковой форме
уменьшаются внутренние термические напряжения. Кроме того,
при нагреве до высокой температуры оболочковая форма теряет
свою прочность и в меньшей степени тормозит усадку затвердев-
шего сплава, что способствует понижению внутренних усадочных
напряжений. Все это создает предпосылки для получения отливок
с пониженными внутренними напряжениями. Однако значения
возникающих внутренних напряжений зависят не только от свойств
формы, но и от конструкции самой литой детали. Поэтому при
проектировании литых деталей, намеченных к получению в обо-
лочковых формах, используют те же рекомендации, что для дета-
лей, получаемых в обычных песчаных формах.

Точность размеров у отливок, получаемых в оболочковых фор-
мах, повышается в сравнении с литьем в песчаные формы. Но так
же, как и при литье в песчаные формы, она в значительной мере
зависит от расположения элементов детали в литейной форме.
Поэтому избегают такого расположения отливки, при котором
базовые поверхности будут пересекаться поверхностью разъема
литейной формы.

Контрольные вопросы

1.	Какую толщину имеет оболочка при литье в оболочковые формы?

2.	Как изменяются свойства термореактивной смолы в формовочной
смеси при нагревании?

3.	Из какого материала изготавливают модели при литье в оболочко-
вые формы?

4.	Какова максимальная масса отливки, получаемой литьем в оболоч-
ковые формы?

5.	Какие факторы определяют эффективность способа литья в оболоч-
ковые формы?

6.	При каком типе производства экономически целесообразно приме-
нение литья в оболочковые формы?
ГЛАВА 18

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

18.1.	Сущность литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям известно много столетий. Оно
применялось в художественном литье, в котором использовались
восковые выплавляемые модели. Современный способ литья по
выплавляемым моделям основан на применении моделей, изго-
товленных из легкоплавких материалов и огнеупорных красок
или покрытий, наносимых на поверхности моделей. Литейная
форма при этом способе получается без разъема, благодаря чему
появляется возможность получения отливок высокой точности.
Применение огнеупорных красок при изготовлении форм по-
зволяет получить у литых деталей поверхности с малой шерохо-
ватостью.

Этот способ литья можно охарактеризовать как прогрессивный
способ получения точных и сложных по форме отливок из любых
литейных сплавов, в связи с чем оно получило широкое распро-
странение в машиностроении, приборостроении, в инструмен-
тальном производстве, при изготовлении художественного литья,
в том числе и ювелирных изделий. Литейная форма для этого спо-
соба литья представляет собой неразъемную тонкостенную, проч-
ную, негазотворную, высокоогнеупорную оболочку с очень глад-
кой внутренней (рабочей) поверхностью. Такую оболочку изго-
тавливают из мелкозернистых формовочных материалов по разо-
вым (выплавляемым, растворимым или выжигаемым) моделям.

Литье по выплавляемым моделям заключается в следующем.
Вначале по чертежу отливки (рис. 18.1, а) изготавливают пресс-
форму (рис. 18.1, б), которая в дальнейшем служит для получения
моделей из легкоплавких материалов.

Пресс-форма может быть изготовлена различными методами и
из различных материалов (стали, алюминиевых сплавов, легко-
плавких металлов, гипса, цемента, эпоксидной смолы и др.). По
своей конструкции пресс-формы могут быть одногнездными и
многогнездными. Полость пресс-формы, в которой формируют
модель, должна быть выполнена с учетом усадки материала моде-
лей и литейного сплава. Она должна иметь минимальное число
разъемов, обеспечивать требуемую точность размеров и чистоту
поверхности модели.
Для получения моделей в пресс-формах применяют различные
легкоплавкие материалы или составы (парафин, стеарин, цере-
зин, канифоль и др.). Наибольшее распространение в отечествен-
ной промышленности нашли двухкомпонентные легкоплавкие
материалы, состоящие из парафина и стеарина, температура плав-
ления которых 50...60°C.

После подготовки пресс-формы (очистки, нанесения смазки и
сборки) ее полость заполняют легкоплавким модельным соста-

Рис. 18.1. Последовательность получения заготовки при литье по выплав-
ляемым моделям:

а — отливка; б — пресс-форма; в — литейная форма; г — блок литейных форм:
1 — до покрытия оболочкой; 2 — после покрытия оболочкой
вом, который подают или свободной заливкой (при температуре
70...90 °C), или запрессовкой в пастообразном состоянии (при тем-
пературе 42...45 °C). В полости модельный состав охлаждается и
затвердевает. Полученную модель извлекают из пресс-формы и
охлаждают до нормальной температуры. Следует иметь в виду, что
с помощью пресс-формы образуют как наружные, так и внутрен-
ние поверхности модели. Стержни для получения внутренних по-
лостей или отверстий при литье по выплавляемым моделям, как
правило, не применяют. Если получить отливку без стержней не-
возможно, то последние изготавливают с высокой точностью чаще
всего из специальных керамических материалов и вставляют в
пресс-форму при сборке, перед подачей в нее модельного состава.
Это очень усложняет процесс, что учитывают при проектирова-
нии деталей.

Полученные из легкоплавкого материала модели (рис. 18.1, в)
позволяют перейти к изготовлению литейных форм. Однако при
небольших габаритных размерах и массе отливок, получаемых при
литье по выплавляемым моделям, изготовление форм для полу-
чения только одной отливки бывает нецелесообразно. Поэтому
полученные модели чаще всего предварительно собирают в блок
(рис. 18.1, г) с единой литниковой системой. Модель литнико-
вой системы изготавливают отдельно в специальной пресс-фор-
ме. Блок объединяет от нескольких единиц до нескольких десят-
ков моделей.

Основным материалом для получения формы при литье по
выплавляемым моделям служит огнеупорная краска или покры-
тие. Огнеупорная краска представляет собой жидкую сметанооб-
разную суспензию, состоящую из 55...60 % тонкозернистого пы-
левидного кварца и 40...45 % связующего раствора. В качестве свя-
зующего раствора применяют гидролизованный этилсиликат или
жидкое стекло. Литейную форму получают нанесением огнеупор-
ной краски на поверхность моделей, собранных в блок. Эту опера-
цию чаще всего осуществляют погружением блока в бак с огне-
упорной краской. Тонкую пленку, прилипающую к поверхности
моделей и точно воспроизводящую форму, обсыпают мелким квар-
цевым песком. Песок внедряется в слой краски, задерживает ее на
поверхности модели, формирует скелет оболочки-формы и уве-
личивает ее толщину. Создаваемая песком шероховатая наружная
поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению после-
дующего слоя краски с предыдущим. Полученная таким образом
оболочка из краски практически не обладает прочностью. Обо-
лочка приобретает прочность в процессе сушки (2...4 ч) без по-
вышения температуры. Толщина одного слоя оболочки составляет
всего 1,0... 1,5 мм. В результате нанесения нескольких (3 — 5) слоев
огнеупорной краски на блоке моделей образуется неразъемная обо-
лочка — форма с достаточной прочностью (рис. 18.1, д).
Далее выполняют технологическую операцию освобождения
оболочки от моделей. Чаще всего модель в течение 10... 15 мин
расплавляют в горячей воде (температура примерно 90 °C). Мо-
дельный состав, вытекающий через каналы литниковой системы,
собирают и вновь используют для изготовления моделей, а пус-
тую оболочку-форму просушивают.

Оболочку после удаления из нее моделей (рис. 18.2, а) про-
каливают, помещая ее в неразъемную опоку (рис. 18.2, б). В зави-
симости от выбранного варианта технологического процесса про-
странство между стенками опоки и оболочки-формы заполняют
наполнителем (крупнозернистый песок, чугунная дробь или дру-
гой материал) до обжига или сразу после него. Температура обжи-
га форм составляет 900... 1 000 °C.

Прокаленную и заформованную оболочку заливают жидким
литейным сплавом. При производстве сложных и тонкостенных
отливок из стали полученную после обжига форму, не охлаждая,
заливают металлом при температуре 900... 950 °C, отливок из спла-

б

Рис. 18.2. Заключительные операции изготовления оболочковой формы:
а — удаление моделей выплавлением; б — прокаливание
bob на основе меди — при температуре 600...800°C, отливок из
сплавов на основе алюминия — при температуре 200...300°C.

Толстостенные отливки из любых сплавов получают в охлаж-
денных формах.

После заливки металла формы охлаждают и разрушают. При
этом керамическая оболочка формы отслаивается от внешних по-
верхностей отливок, однако прочно удерживается во внутренних
полостях, углублениях и отверстиях. Поэтому отливки, отделен-
ные от литниковой системы, подвергают механической очистке
(дробеструйной и гидроструйной, в галтовочных барабанах) или
химико-термической очистке (в растворах или расплавах щело-
чей). Затем производят зачистку остатков от литников, прибылей
и выпоров, термическую обработку (в случае необходимости) и
контроль отливок.

Таким образом, по сравнению с другими способами литья про-
цесс получения отливок по выплавляемым моделям имеет харак-
терные особенности.

Первая особенность касается модели: модель отливки не имеет
разъема и знаковых частей, ее контуры полностью и точно повто-
ряют форму детали; модель всегда является одноразовой, т.е. слу-
жит для изготовления только одной литейной формы и в процес-
се изготовления формы уничтожается.

Вторая особенность связана с литейной формой: керамическая
оболочка толщиной 2... 8 мм не имеет поверхности разъема, фор-
мирующая отливку поверхность формы обеспечивает получение
отливки с малой шероховатостью и требуемой точностью.

Наконец, третья особенность состоит в том, что металл зали-
вают в горячие формы, что создает благоприятные условия для
заполнения формы и питания отливки и позволяет получать тон-
костенные отливки массой в несколько граммов.

18.2.	Область применения литья по выплавляемым
моделям

Для правильной оценки возможности применения литья по
выплавляемым моделям необходимо сопоставить его преимуще-
ства и недостатки.

Этот способ литья позволяет максимально приблизить отливку
по форме и размерам к готовой детали, а в ряде случаев получить
литую деталь в окончательном виде, не требующую какой-либо
дополнительной обработки перед сборкой. При этом достигается
резкое снижение трудоемкости механической обработки, умень-
шается расход металла и металлорежущего инструмента, сокра-
щается потребность в металлорежущих станках. Создается также
возможность для совершенствования конструкции деталей и объе-
динения отдельных мелких деталей в цельнолитые узлы при умень-
шении их габаритных размеров и массы.

Недостатки способа заключаются в том, что повышенная тем-
пература заливки и применение предварительно нагретых форм
приводят к снижению механических свойств, а также способству-
ют образованию более глубокого обезуглероженного слоя на по-
верхности отливок. Вместе с тем литье по выплавляемым моделям
является наиболее длительным и трудоемким технологическим
процессом среди всех способов литья. Масса отливок при литье по
выплавляемым моделям ограничена. Отливки изготавливают мас-
сой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов,
но преимущественно в пределах 50...500 г. Наибольшие размеры
отливок достигают 1 000 мм.

Данный способ оказывается наиболее рентабельным:

•	при крупносерийном и массовом производстве мелких, но
сложных и ответственных деталей, с высокими требованиями к
точности размеров и шероховатости поверхности; особенно эф-
фективно применение литья по выплавляемым моделям, если эти
требования могут быть обеспечены в литом состоянии без после-
дующей механической обработки;

•	для деталей сложной конфигурации, которые нельзя изгото-
вить как одно целое никакими иными способами;

•	при изготовлении отливок со сложными внутренними очер-
таниями, когда достигается снижение себестоимости отливки за
счет экономии металла;

•	для деталей, изготавливаемых из металлов и сплавов, кото-
рые не поддаются обработке давлением, а также сплавов с низки-
ми литейными свойствами.

Способ литья по выплавляемым моделям используют для по-
лучения отливок из литейных сплавов на основе железа, никеля,
титана, меди и алюминия. Однако чаще всего этот способ литья
применяют при производстве отливок из сталей, особенно из спе-
циальных, и сплавов, плохо поддающихся механической обра-
ботке.

Заливка форм, имеющих высокую температуру, позволяет по-
лучать отливки с малой толщиной стенок (0,5... 1,0 мм) при про-
тяженности стенки до 50 мм. Отдельные кромки отливок могут
иметь толщину 0,7...0,8 мм и протяженность не более 10 мм. Оп-
тимальная толщина стенок отливки составляет 6 мм, так как при
большей толщине и недостаточном питании отливки жидким ме-
таллом могут появиться усадочные и газовые раковины и порис-
тость.

При конструировании деталей, ориентируемых на изготовле-
ние их способом литья по выплавляемым моделям, избегают ме-
стных утолщений и резких переходов от толстого сечения к тон-
кому. Отношение толщин сопряженных стенок не должно превы-
шать 1 : 4. Для исключения коробления литых деталей с тонкими
стенками протяженностью более 150 мм либо со стенками нерав-
номерной толщины предусматривают технологические окна (от-
верстия) или ребра жесткости. Отверстия в отливках можно полу-
чить любой формы — как сквозные, так и глухие, однако диамет-
ром не менее 3 мм. Отверстия диаметром 3...5 мм рекомендуют
выполнять только в отливках из сплавов, не поддающихся меха-
нической обработке. Сквозные отверстия рекомендуют выполнять
в отливках при отношении их глубины к диаметру не более 2: 1, а
глухие — при отношении 1:1; отверстия малого диаметра в стен-
ках большой толщины выполняют при помощи трубок, залитых в
отливке. Прямые стенки большой протяженности рекомендуют за-
менять искривленными или предусматривать в них технологичес-
кие окна для увеличения жесткости конструкции отливки; сопря-
жение стенок оформляют по радиусам или галтелью.

При данном способе литья наиболее качественными получа-
ются сложные корпусные, компактные детали, поэтому желательно
объединять несколько деталей в одну с последующим разделени-
ем их тем или иным способом. Крупные плоскостные детали, на-
оборот, целесообразно расчленять на более мелкие с последую-
щей сборкой отдельных частей.

Экономическую целесообразность изготовления деталей лить-
ем по выплавляемым моделям необходимо рассчитывать в каждом
конкретном случае сравнением себестоимости детали, получен-
ной этим способом, с себестоимостью деталей, полученных ме-
ханической обработкой, штамповкой или литьем иным способом.
Использование деталей, полученных литьем по выплавляемым мо-
делям, вместо штампованных позволяет снизить расход металла
на 55 ...75 %, трудоемкость механической обработки — на 50... 60 %
и себестоимость деталей — на 20 %.

Себестоимость 1 т литья, получаемого по выплавляемым моде-
лям, при всех условиях значительно выше, чем при литье в песча-
ные или оболочковые формы. Например, в условиях массового
производства на автомобильных заводах себестоимость 1 т отли-
вок по выплавляемым моделям в 6 —7 раз выше по сравнению с
отливками, получаемыми в сырых песчано-глинистых формах, и
в 5 —6 раз — по сравнению с отливками, получаемыми в оболоч-
ковых формах.

Поэтому способ литья по выплавляемым моделям применяют,
прежде всего, в тех случаях, когда необходимо осуществить полу-
чение точных по конструкции и размерам отливок из сплавов со
специальными свойствами, которые с очень большим трудом об-
рабатываются режущим инструментом, а также не могут подвер-
гаться обработке давлением (штамповке). К таким отливкам отно-
сят лопатки газовых турбин, работающие при высоких температу-
рах газа (900...950 °C), изготавливаемые из специальных жаростой-
ких сверхтвердых сплавов. Другим примером может служить тур-
бинное колесо турбокомпрессора, имеющее 18 лопаток сложного
профиля, минимальная толщина которых равна (0,8 ±0,2) мм, а
отклонение по шагу допускается не более ±0,3 мм. Изготовить
подобную деталь методом механической обработки сложно. Похо-
жими на рассмотренную деталь являются насосные крыльчатки
или роторы. Для получения подобных деталей способ литья по
выплавляемым моделям может оказаться единственно возможным
или наиболее оптимальным.

Отливки, выполняемые литьем по выплавляемым моделям,
применяют для изготовления разнообразных деталей авиацион-
ной и автотракторной промышленности, тяжелого, транспортно-
го и нефтяного машиностроения, приборостроения, а также для
деталей подшипников, весов, пресс-форм и штампов, бурового,
режущего и измерительного инструмента.

Применение литья по выплавляемым моделям может оказать-
ся рентабельным в условиях мелкосерийного производства, а так-
же для получения опытных образцов деталей, которые при круп-
носерийном производстве должны изготавливаться другими спо-
собами точного литья, требующими дорогостоящей оснастки (ли-
тье под давлением, литье в оболочковые формы). В таких случаях
рекомендуют снижать затраты на специальную оснастку путем при-
менения гипсовых пресс-форм и разовых полистироловых моде-
лей.

Контрольные вопросы

1.	За счет чего отливки при литье по выплавляемым моделям имеют
высокую точность?

2.	Из каких материалов изготавливают выплавляемые модели?

3.	Применяют ли стержни для получения отверстий в отливках, полу-
чаемых литьем по выплавляемым моделям?

4.	За счет чего обеспечивается прочность оболочки формы для литья
по выплавляемым моделям?

5.	Сравните трудоемкость технологического процесса литья по вы-
плавляемым моделям с другими способами литья.

6.	Для каких изделий экономически целесообразно применять литье
по выплавляемым моделям?
ГЛАВА 19

ЛИТЬЕ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

19.1.	Сущность литья в металлические формы

Литье в металлические формы (кокиль) является одним из про-
грессивных способов получения отливок из чугуна, стали и цвет-
ных сплавов массой от нескольких граммов до десятков тонн.

Сущность процесса заключается в многократном применении
металлической формы, имеющей гораздо более высокую стой-
кость, чем обычная песчано-глинистая, поэтому их иногда назы-
вают постоянными. Полости в отливке выполняют при помощи
металлических или песчаных стержней, которые извлекают из
отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной темпе-
ратуры. Чаще всего металлические формы изготавливают из серого
чугуна, реже из различных марок стали. В последнее время для из-
готовления металлических форм стали применять сплавы алюми-
ния с анодированными рабочими поверхностями (при анодирова-
нии создается прочная и огнеупорная пленка оксидов алюминия).

Характерным свойством металлических форм является высо-
кая теплопроводность. Вследствие этого процесс кристаллизации
сплавов, залитых в металлические формы, и их дальнейшее ох-
лаждение протекают с большой скоростью. Это приводит к обра-
зованию мелкозернистой структуры, что сказывается на повыше-
нии механических свойств металла отливок. Исключением являет-
ся серый чугун, так как большая скорость охлаждения серого чу-
гуна в металлической форме вызывает образование так называе-
мого отбела, когда в поверхностных слоях отливки, а иногда даже
во всем ее объеме возникает структура с высокой твердостью и
хрупкостью. Поэтому приходится проводить тщательный подбор
химического состава чугуна в зависимости от толщины сечений
отливки, осуществлять покрытие рабочих поверхностей металли-
ческих форм огнеупорными, теплоизоляционными составами или
красками и нагревание их перед работой до 300 °C.

Большим и основным недостатком металлических форм явля-
ется отсутствие податливости. Это часто приводит к необходимо-
сти применения песчаных стержней, формирующих внутренние
полости и отверстия, а также участки внешней поверхности от-
ливки между выступающими элементами. В таких случаях форма
становится комбинированной или полуметаллической.
Металлические формы в зависимости от величины, массы,
материала и формы отливаемой заготовки изготавливают литьем
или механической обработкой. Литые металлические формы мо-
гут иметь обработанные и необработанные рабочие поверхности.
Формы с необработанными рабочими поверхностями, отлитые
из чугуна и стали, имеют более высокую стойкость.

Конструкция металлических форм зависит от конфигурации и
массы отливок, вида сплава и способа его заливки в форму, мас-
штабов производства и других факторов. Они могут быть одно-
гнездными и многогнездными, неразъемными (вытряхными) и
разъемными (с вертикальной или горизонтальной плоскостью
разъема), с одним или несколькими разъемами, с металлически-
ми или песчаными стержнями. Число рабочих полостей в метал-
лической литейной форме зависит от массы и размера литых де-
талей. Многогнездные металлические формы применяют только
для получения небольших деталей. Неразъемные формы обычно
отличают простота конструкции, легкость изготовления и обслу-
живания. Их применяют для получения деталей простой конфигу-
рации, легко извлекаемых из металлической формы. К подобным
деталям относятся грузы, вкладыши, крышки, колосники и др.
На рис. 19.1, а представлена одногнездная неразъемная металли-
ческая форма, а на рис. 19.1, б — полуметаллическая форма, в

Рис. 19.1. Конструкции металлических форм:

а — одногнездная неразъемная форма; б — полуметаллическая форма с песча-
ным стержнем; в — многогнездная форма с вертикальной плоскостью разъема;
г — полуметаллическая форма; д — форма с горизонтальной плоскостью разъе-
ма; е — форма с двумя разъемами и металлическими стержнями; 1,5 — верти-
кальные половины формы; 2, 3, 4 — отдельные части стержня, формирующие
внутреннюю полость; 6 — поддон
которой предусмотрено применение песчаного стержня. Для не-
больших отливок простой конфигурации применяют также разъем-
ные металлические формы. На рис. 19.1, в показана многогнездная
металлическая форма с вертикальной плоскостью разъема. На рис.
19.1, г показана полуметаллическая форма с вертикальным разъе-
мом для получения более сложных деталей — тройников из лату-
ни. Часто применяют металлические формы с горизонтальной
плоскостью разъема (рис. 19.1, д). Для отливок сложной формы
приходится применять несколько разъемов. Пример такой метал-
лической формы с двумя разъемами и металлическими стержня-
ми для получения отливки поршня из алюминиевого сплава по-
казан на рис. 19.1, е. Форма состоит из двух частей (7 и 5) с верти-
кальной плоскостью разъема, которые устанавливаются на под-
дон 6 с образованием горизонтальной плоскости разъема. Цент-
ральный стержень, выполняющий внутреннюю полость поршня,
имеет сложную разъемную конструкцию, состоящую из трех от-
дельных частей 2, 3 и 4. После заливки формы сплавом и его за-
твердевания неподатливые металлические стержни необходимо
своевременно удалять из отливки, чтобы предотвратить образова-
ние трещин в отливках из-за развития больших усадочных напря-
жений.

Металлические формы с металлическими стержнями приме-
няют преимущественно для получения небольших по размерам
деталей из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов и зна-
чительно реже — при отливке деталей из чугуна и сплавов на
основе меди. Детали значительных размеров и сложной конфигу-
рации, как правило, отливают в полуметаллических формах.

Процесс получения отливок в металлических формах легко
поддается механизации. Сборку металлических форм перед залив-
кой металлом и разборку для извлечения отливок осуществляют
как с помощью отдельных механизмов, так и с помощью разно-
образных машин (однопозиционных и многопозиционных). В за-
висимости от массы металла, заливаемого в форму, производи-
тельность существующих машин колеблется в пределах 4 — 200 от-
ливок в час.

19.2.	Технологические особенности проектирования
деталей

В общих чертах технологический процесс литья в металличес-
кие формы совпадает с процессом литья в разовые песчаные фор-
мы, отличаясь только некоторыми специфическими особенно-
стями.

Технологичность конструкции и предъявляемые к ней тех-
ническими условиями требования во многом определяют воз-
можность перевода данной детали на литье в металлические
формы.

Отливки должны иметь простую форму, без выступов, острых
углов, поднутрений и т. п., чтобы легко было извлекать их из фор-
мы; полость отливки выполняют минимальным числом стержней.
Разъем формы должен быть плоским для удешевления ее изготов-
ления и увеличения точности отливки. Конусность стенок метал-
лической формы и металлических стержней должна быть доста-
точной для быстрого извлечения из формы, в противном случае
из-за затрудненной усадки могут возникнуть остаточные напря-
жения и трещины. Конусность стенок формы выбирают в преде-
лах 0,5... Г, металлических стержней — 1,5...3°.

Отливка не должна иметь резких переходов от стенок одной
толщины к стенкам другой толщины. Чтобы устранить возмож-
ность образования усадочных раковин и снизить гидравлическое
сопротивление формы движению металла при заливке, применя-
ют плавные переходы толщин стенок отливки.

Ребра, бобышки и иные выступы должны быть расположены
перпендикулярно плоскости разъема формы, что устраняет при-
менение дополнительных стержней или отъемных частей. Не до-
пускают двустороннюю механическую обработку стенок отливки,
так как припуск при этом увеличивает разностенность, а при об-
работке резанием удаляется наиболее качественный слой металла.
Литым деталям, изготавливаемым из сплавов с большой линей-
ной усадкой и имеющим значительную плоскую поверхность,
придают изогнутую форму или применяют ребра жесткости.

В отливке избегают глубоких отверстий малого диаметра. При-
менение металлических форм с металлическими стержнями при
изготовлении отливок из цинковых, алюминиевых и магниевых
сплавов позволяет получать их со сквозными отверстиями диа-
метром от 8 мм и более, при толщине стенок не более 3 диамет-
ров, а из медных сплавов — 10 мм, при толщине стенок не более
2 диаметров. Глубина глухих отверстий не должна превышать со-
ответственно 2 и 1,5 диаметров.

В процессе проектирования литых деталей, намечаемых для
изготовления в металлических формах, вначале определяют по-
ложение отливки в форме. Положение отливки в форме определя-
ет конструкцию последней, необходимость того или иного разъе-
ма у формы, а следовательно, конструктивное оформление на-
ружных поверхностей и внутренних полостей у отливок.

Отливки, основу геометрической формы которых составляют
цилиндры, следует располагать в металлической форме, как по-
казано на рис. 19.2, а. Если у таких отливок диаметр в 1,5 раза и
более превышает высоту, то металлическую форму целесообразно
проектировать без разъема. Если форма должна иметь разъем, то
он проходит по вертикали.
Рис. 19.2. Схемы расположения отливок в металлических формах:
а — отливки с отверстиями цилиндрической формы; б — плоские отливки; в —
отливки типа коробок

Отливки больших и средних размеров, основу геометрической
формы которых составляют плиты (типа крышек, фланцев, ра-
мок), целесообразно располагать в форме вертикально (рис. 19.2, б).
Отливки типа закрытых коробок или корпусов следует располагать
при расположении выходными отверстиями вниз (рис. 19.2, в).

В связи с пониженной газопроницаемостью металлических форм
в протяженных плоских элементах литых деталей, располагаемых
в форме в горизонтальном положении (особенно в верхней части
формы), образуются подкорковые газовые раковины (рис. 19.3, а).
Если невозможно избежать подобного явления, следует изменить
конструкцию соответствующих элементов литой детали, придав
им уклоны (рис. 19.3, б). Оптимальный вариант расположения от-
ливки в форме должен обеспечить возможность получения наибо-
лее простой конструкции самой металлической формы, с неслож-
ным и легким ее разъемом. Определяя положение отливки, следу-
ет по возможности не допускать пересечения разъемом базовых
поверхностей.

Любая конструкция металлической формы обязательно долж-
на обеспечить свободное, беспрепятственное удаление из нее го-
товой отливки. Для этого проектируемые детали должны иметь
простую внешнюю конфигурацию. Препятствовать свободному
извлечению отливки из формы могут различные элементы, вы-

Рис. 19.3. Изменение формы отливок для исключения газовых раковин:
а — форма, при использовании которой образуются раковины; б — измененная
форма
ступающие на наружной поверхности, или местные углубления,
если они конструктивно оформлены без учета положения поверх-
ности разъема формы.

Внутренние полости и отверстия при литье в металлические
формы выполняют за счет применения металлических или песча-
ных стержней. Применение металлических стержней дает ряд пре-
имуществ: обеспечивает более равномерное охлаждение сплава,
как с внешних, так и с внутренних сторон отливки, повышает
размерную точность и уменьшает шероховатость поверхностей у
отливок, приводит к увеличению производительности в работе с
металлическими формами. Внутренние полости отливок, получа-
емые с помощью металлических стержней, не должны иметь эле-
ментов, препятствующих свободному извлечению этих стержней.
Здесь целесообразно перенесение подобных элементов с внутрен-
них поверхностей на наружные, с соответствующим их конструк-
тивно-технологичным оформлением. Металлические стержни де-
лают обычно подвижными. Удалять стержни нужно своевремен-
но, так как преждевременное удаление стержня может вызвать
повреждение отливки, а задержка приводит к возникновению
больших усадочных напряжений и затрудняет извлечение стерж-
ня, что нередко приводит к возникновению трещин в отливке.
Следовательно, применение металлических форм с металличес-
кими стержнями возможно только в условиях механизации про-
цессов их сборки и разборки. Это также приводит к усложнению
конструкции металлических форм, значительному повышению
стоимости их изготовления, необходимости применения специа-
лизированных литейных машин, что в конечном итоге оказывает-
ся экономически целесообразно только в условиях крупносерий-
ного и массового производства. В большинстве случаев металли-
ческие формы с металлическими стержнями применяют для по-
лучения отливок с относительно несложной конфигурацией из
легких цветных сплавов.

Если по конструктивным или иным соображениям внутренние
полости невозможно выполнить в отливке за счет металлических
стержней, то применяют песчаные стержни. Песчаные стержни
позволяют получать внутренние полости сложной конфигурации,
и при этом возможно перенесение отдельных элементов конст-
рукции детали (мешающих удалению из формы) с наружных по-
верхностей на внутренние. При этом следует учитывать, что ме-
талл в элементах, расположенных на внутренних поверхностях и
выполняемых в стержнях, охлаждается значительно медленнее,
чем в наружных стенках. Поэтому необходимо уменьшать сечение
таких элементов (например, ребер) и принимать их толщину рав-
ной 0,6...0,7 толщины наружных стенок. В случае применения пес-
чаных стержней положение проектируемой детали в литейной
металлической форме должно обеспечивать удобство и легкость
установки стержней в форму при сборке, надежное их крепление
и устойчивое положение.

Для обеспечения легкого извлечения металлических стерж-
ней из отливок и удаления самой отливки из формы в конструк-
ции деталей должны быть предусмотрены литейные конструк-
тивные уклоны. Уклоны на внутренних поверхностях, выполняе-
мых металлическими стержнями, применяют для отливок из цин-
ковых и магниевых сплавов в пределах 2...3%; алюминиевых и
медных сплавов — 1,5 %. Уклоны на наружных стенках отливок,
располагающихся в форме перпендикулярно поверхности ее
разъема, зависят от метода получения форм. Если форма имеет
литые необработанные поверхности, то уклоны составляют
2...4 %, у форм с обработанными поверхностями 1...2 % при вы-
соте стенок до 100 мм, и меньше 1 % — при большей высоте
стенок.

В целях повышения стойкости металлических форм у деталей
не допускают острых углов. У деталей из серого чугуна наличие
острых углов может вызвать явление отбела. Поэтому даже у не-
больших по размерам и массе деталей радиусы скругления не долж-
ны быть менее 3...4 мм. Минимальная допустимая толщина сече-
ний у элементов литых деталей зависит от вида сплава и размеров
детали: для мелких деталей цветных металлов и серого чугуна она
составляет 4 мм, для деталей из углеродистой стали — 8... 10 мм;
для крупных деталей — соответственно 5...6 мм и 12...20 мм.

Повышенные скорости охлаждения сплавов требуют особенно
строгого выполнения всех рекомендаций, способствующих умень-
шению внутренних напряжений. Наиболее благоприятными сле-
дует считать конструкции, создаваемые по принципу одновремен-
ного затвердевания металла в форме. Детали с массивными сече-
ниями или с узлами местного скопления металла, особенно из
сплавов с повышенной объемной усадкой, необходимо проекти-
ровать по принципу направленного затвердевания металла. Они
должны быть технологичны с точки зрения удобства установки
прибылей и питающих выпоров. В металлических формах прибыли
чаще всего бывают открытого типа и размещаются по возможно-
сти в песчаных стержнях. Для удобства установки прибылей и вы-
поров массивные узлы отливок располагают в верхних частях метал-
лической формы.

Точность размеров отливок зависит в первую очередь от точно-
сти изготовления металлической формы. Металлические формы
без механической обработки рабочих поверхностей чаще всего
применяют при изготовлении тяжеловесных крупных отливок из
чугуна и стали, точность их невысока. Металлические формы, из-
готовленные механической обработкой, имеют большую точность,
и получаемые в них отливки из чугуна и стали имеют отклонения
в среднем 0,6... 1,2 мм. Если в подобных формах получаются от-
ливки из цветных сплавов, то допуски на их размеры могут со-
ставлять 0,5...0,9 мм.

Если отливки необходимо механически обрабатывать, то при
проектировании деталей уделяют большое внимание выбору ба-
зовых поверхностей, системе простановки размеров и влиянию
припусков на технологичность конструкции.

19.3.	Область применения литья в металлические
формы

Литье в металлические формы используют для получения от-
ливок из большинства литейных марок цветных сплавов, чугуна и
стали. Масса отливок может находиться в пределах от нескольких
десятков граммов до нескольких тонн, в отдельных случаях из
чугуна и стали получают отливки весом более 10 т.

Точность отливок, получаемых в металлических формах, и
шероховатость их поверхностей зависят от многих факторов, и в
первую очередь от методов изготовления самих металлических
форм. Литые металлические формы, применяемые без механичес-
кой обработки рабочих поверхностей (главным образом для отли-
вок из чугуна и стали), могут обеспечить точность отливок в пре-
делах 15-го квалитета и шероховатость поверхности в пределах
Лг80...20 мкм. Формы, изготовленные методом механической об-
работки и применяемые в основном для получения отливок из
цветных сплавов, могут обеспечить точность до 14-го квалитета и
шероховатость поверхности в пределах Rz 20... 10 мкм. Таким об-
разом, литье в металлические формы, по сравнению с литьем в
песчаные формы, несколько увеличивает точность и уменьшает
шероховатость поверхностей отливок, что дает возможность умень-
шить припуски на механическую обработку и снизить расход ме-
талла.

При оценке возможности изготовления отливок в металличес-
ких формах учитывают особенности формирования отливок:

•	интенсивность теплообмена между отливкой и кокилем в 3 —
10 раз выше, чем при литье в разовые песчано-глинистые формы;
в связи с этим металл отливок имеет более мелкозернистую струк-
туру, что существенно повышает их механические свойства; в то
же время высокая скорость охлаждения может привести к нерав-
номерности свойств по сечению стенки отливки, а в чугунных
отливках — к отбелу;

•	быстрое охлаждение заливаемого металла стенками кокиля
снижает жидкотекучесть расплава, поэтому толщина стенок отли-
вок при кокильном литье больше, чем при литье в песчано-глини-
стые формы. Минимальная толщина стенок отливок из алюминие-
вых и магниевых сплавов 3 мм, чугуна — 6 мм, стали — 8 мм.
Снижение жидкотекучести затрудняет получение сложных тонко-
стенных крупногабаритных отливок. Это ограничивает примене-
ние для кокильного литья сплавов с пониженной жидкотекучес-
тью.

Учитывая указанные особенности, в металлических формах
целесообразно изготавливать следующие отливки:

•	массивные, необрабатываемые, а также отливки с повышен-
ными требованиями к герметичности;

•	чугунные с отбеленной поверхностью, с повышенными гер-
метичностью и плотностью, простой конфигурацией;

•	из высокопрочного чугуна с толщиной стенок не менее 8 мм,
особенно те, которые могут заменить поковки;

•	стальные простой конфигурации со стенками толщиной бо-
лее 8... 10 мм;

•	алюминиевые со стенками толщиной более 2,5 мм;

•	из кремнистой латуни со стенками толщиной более 3,5 мм и
габаритными размерами 600x700 мм.

Высокая прочность материала металлической формы позволя-
ет выполнять рабочие полости формы с более точными, стабиль-
ными размерами и получать отливки с точностью до 15-го квали-
тета.

Минимальное физико-химическое взаимодействие материала
отливки и формы способствует повышению качества поверхности
отливки и полностью устраняет пригар. Параметр шероховатости
отливки может достигать Rz 80...20 мкм.

Повышенная скорость охлаждения сплавов в металлических
формах приводит к снижению в отливках дефектов ликвационно-
усадочного характера, улучшению структуры и повышению меха-
нических свойств сплавов в отливках в среднем на 10... 15 %. Полу-
чение при литье в металлические формы более плотной структу-
ры особенно благоприятно сказывается на деталях, испытываю-
щих в работе повышенные давления жидкостей или газов. В связи
с этим большинство литых деталей, проходящих испытания на
гидравлических стендах (за исключением лишь очень крупных),
получают способом литья в металлические формы, что позволяет
снизить брак из-за негерметичности стенок в 5 —6 раз. Получае-
мые в металлических формах отливки из высокомарганцовистой
стали за счет улучшения структуры аустенита имеют более высо-
кую износостойкость (например, оправки для производства свар-
ных и бесшовных труб).

Особую группу отливок, всегда получаемых в металлических
формах, составляют детали из чугуна с отбеленной поверхностью
(всевозможные валки, опорные рамки, катки для размольных бе-
гунов, шары для размольных мельниц и т. п.).

Литье в металлические формы, по сравнению с литьем в пес-
чаные формы, позволяет значительно повысить производитель-
ность труда, снизить брак отливок и улучшить санитарно-гигие-
нические условия труда.

Недостатком металлических форм является отсутствие у них
податливости, что ограничивает их применение, особенно для
деталей из чугуна и стали сложной конструкции, имеющих боль-
шое число внутренних полостей и литых отверстий.

Другой причиной, ограничивающей более широкое примене-
ние металлических форм, служит их высокая стоимость. Даже при
очень простой и наиболее рациональной конструкции металли-
ческих форм, получаемых методом литья без последующей меха-
нической обработки, их применение в индивидуальном и мелко-
серийном производстве оказывается часто экономически невы-
годным. Однако в серийном и массовом производстве даже высо-
кая стоимость металлической формы, разделенная на большое
число получаемых из нее отливок, может оказаться ниже стоимо-
сти разовой песчаной формы.

Контрольные вопросы

1.	Металлическая форма является одноразовой или многоразовой?

2.	В чем заключается основной недостаток металлических форм?

3.	Из каких материалов изготавливают стержни для литья в металли-
ческие формы?

4.	В каких случаях целесообразно применение металлических форм без
разъема?

5.	Почему при литье в металлические формы толщина стенок отливок
должна быть больше, чем при литье в песчано-глинистые формы?

6.	При каком типе производства экономически целесообразно приме-
нять литье в металлические формы?
ГЛАВА 20

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ЛИТЬЯ

20.1.	Литье под давлением

20.1.1.	Сущность литья под давлением

Сущность процесса заключается в том, что на расплавленный
металл, залитый в камеру прессования машин, сообщающуюся
посредством литниковых каналов с замкнутой рабочей полостью
разъемной металлической формы, воздействуют поршнем маши-
ны, заставляя металл под давлением заполнить рабочую полость
формы и образовать отливку при затвердевании металла.

Литье под давлением, являясь высокопроизводительным про-
цессом, дает возможность получать сложные фасонные отливки
любой конфигурации с круглыми и фасонными отверстиями с
малой шероховатостью поверхности и точными размерами. Это
позволяет резко сократить объем механической обработки и зна-

Рис. 20.1. Схема работы ма-
шин для литья под давле-
нием:

1 — поршень; 2 — камера сжа-
тия; 3 — неподвижная часть
формы; 4 — подвижная часть
формы

чительно уменьшить расход металла.

Процесс литья под давлением осу-
ществим при наличии литейной маши-
ны, металлической формы и установ-
ки для расплавления металла.

На рис. 20.1 представлена схема ра-
боты машины для литья под давлени-
ем с вертикальной камерой прессова-
ния, ось которой расположена парал-
лельно плоскости разъема металличес-
кой литейной формы, состоящей из
двух половинок: неподвижной 3 и под-
вижной 4. Металл в форму подается под
углом 90° к оси прессующего поршня 1.

Металл, залитый в камеру сжатия 2,
запрессовывается поршнем 1 в форму.
Неподвижная часть формы соединяет-
ся с камерой сжатия литниковой сис-
темой.

Существуют также машины для ли-
тья под давлением с горизонтальной
камерой сжатия, которая представля-
ет собой горизонтально расположен-
ный цилиндр.
20.1.2.	Достоинства и недостатки литья под давлением

Основные преимущества литья под давлением по сравнению с
другими способами литья следующие:

•	многократное использование литейных форм;

•	полное исключение формовочных и стержневых смесей;

•	высокая точность размеров и чистота поверхности, практи-
чески не требующих механической обработки;

•	возможность получения отливок с малой толщиной стенок
(менее 1 мм) большой протяженности;

•	полное исключение трудоемких операций формовки, сборки
и выбивки форм;

•	возможность комплексной автоматизации производственно-
го процесса.

Одним из важных достоинств способа литья под давлением яв-
ляется возможность получения армированных отливок. Использо-
вание при заливке вставок позволяет решить множество конст-
рукторских задач:

•	получение отливок с местным увеличением прочности де-
тали;

•	придание отдельным элементам отливки особых физико-тех-
нических свойств (износоустойчивости, электро-, теплопровод-
ности, электромагнитных свойств и т.п.);

•	конструирование узлов, состоящих из различных материалов;

•	формообразование сложных внутренних полостей, системы
разветвленных, изогнутых каналов и т.д.

К недостаткам способа литья под давлением относят:

•	высокую стоимость пресс-форм, сложность и длительность их
изготовления;

•	невысокую стойкость пресс-форм, особенно при литье спла-
вов с высокой температурой плавления (сталь, чугун, медные спла-
вы);

•	трудность выполнения отливок со сложными полостями и
поднутрениями;

•	неподатливость металлической формы, что способствует по-
явлению напряжений в отливках при охлаждении; поэтому спла-
вы для литья под давлением должны иметь узкий интервал крис-
таллизации, высокую жидкотекучесть и достаточную прочность и
пластичность.

20.1.3. Область применения литья под давлением

Литье под давлением по технологическим и экономическим
показателям занимает ведущее место среди способов получения
отливок, так как при наибольшем приближении формы и разме-
ров отливки к готовой детали, высокой точности и малой шеро-
ховатости поверхности обеспечивает и наиболее высокий уровень
производительности труда, возможность полной автоматизации
технологического процесса.

Литьем под давлением изготавливают сложные тонкостенные
отливки из легкоплавких цветных сплавов на основе алюминия,
магния, цинка, меди. Это отливки различного назначения: детали
приборов, корпусы, платы, панели, шестерни, детали автомоби-
лей, тракторов, самолетов, двигателей внутреннего сгорания,
электрических машин, буровых установок и т.п.

Масса полученных отливок находится в пределах от несколь-
ких граммов до десятков килограммов, характер производства,
как правило, массовый или крупносерийный. Наибольшей эффек-
тивности достигают при получении отливок массой 0,15...0,20 кг,
ранее изготавливаемых из проката с применением большого объема
фрезерных работ. Применение черных металлов — стали и чугуна —
для литья под давлением ограничено, так как при этом наблюда-
ется очень низкая стойкость литейных форм.

Сочетание двух особенностей процесса — металлической фор-
мы и давления на жидкий металл в период его заливки в форму —
позволяет получать плотные отливки с высокими механическими
свойствами, с высокой точностью размеров и малой шероховато-
стью поверхности. Точность изготовления деталей литьем под дав-
лением соответствует в основном 12-му квалитету, однако тща-
тельной доводкой форм можно добиться увеличения точности
размеров до 11-го и даже 10-го квалитетов. Параметр шероховато-
сти поверхности деталей Rz 40...20 мкм.

Прочность отливок при литье под давлением на 15...20 % пре-
вышает прочность отливок из того же сплава, изготовленных ли-
тьем в песчано-глинистые формы. Пластические свойства отливок
несколько снижаются, так как в процессе заполнения формы ме-
таллом воздух, находящийся в форме, и газы, образующиеся от
сгорания смазки, создают газовоздушную пористость, которая
уменьшает плотность и герметичность отливок.

Как правило, детали, полученные литьем под давлением, не
подвергают механической обработке, за исключением посадоч-
ных мест.

В автомобилестроении литье под давлением применяют для от-
ливки деталей карбюраторов, коробок передач, бензонасосов,
ручек, фитингов и блоков цилиндров.

Литьем под давлением получают также небольшие цилиндри-
ческие зубчатые колеса диаметром 12... 15 мм, шириной 1,5...2,0 мм
с модулем 0,5 мм и более, изготавливают также конические зуб-
чатые колеса. Для изготовления зубчатых колес применяют цин-
ковые, алюминиевые, магниевые, а иногда и оловянисто-свин-
цовые сплавы. Отливки зубчатых колес, как правило, не подвер-
гают механической обработке, мелкозернистый поверхностный
слой и окисная пленка способствуют повышению износостойко-
сти зубьев.

В оптико-механической промышленности литье под давлением
широко используют в технологических процессах изготовления
корпусов фото- и киноаппаратов, деталей биноклей, микроско-
пов, а также в производстве различных бытовых приборов и ма-
шин — пылесосов, стиральных машин, домашних вентиляторов
и др.

В санитарно-технической промышленности из разных марок
латунных сплавов литьем под давлением изготавливают смесите-
ли для раковин и ванн, трубопроводную арматуру.

20.2. Центробежное литье

20.2.1.	Сущность центробежного литья

При центробежном способе литья жидкий сплав заливают во
вращающуюся форму. Под воздействием центробежных сил жид-
кий сплав распределяется в полости литейной формы и, кристал-
лизуясь при охлаждении, образует фасонную отливку. В некоторых
случаях вращение придается заранее заполненной металлом фор-
ме. При центробежном литье используют как разовые, так и по-
стоянные формы.

Вращение литейных форм при центробежном литье осуществ-
ляют с помощью специальных машин. В зависимости от положе-
ния оси вращения машины подразделяют на два вида: с горизон-
тальной осью вращения (рис. 20.2, а) и с вертикальной осью вра-
щения (рис. 20.2, б, в).

На первых получают литые заготовки или детали, имеющие
форму простых тел вращения. При этом соотношение высоты (или
длины) отливки к ее диаметру может быть в довольно широких
пределах — примерно от 0,07...0,08 до 10... 12 и более (например,
трубы длиной до 6 м при наружном диаметре 150 мм). Машины с
вертикальной осью вращения применяют, как правило, для по-

Рис. 20.2. Литейные формы для центробежного литья:
а - - с горизонтальной осью вращения; б, в — с вертикальной осью вращения


лучения отливок, имеющих небольшое отношение высоты к диа-
метру (0,3... 0,4). На машинах с вертикальной осью вращения можно
получать не только трубы, но и заготовки в виде тел вращения
сложной формы. Перед заливкой на вращающийся стол устанав-
ливают готовые формы таким образом, чтобы ось вращения стола
обязательно совпадала с осью канала, через который заливают
жидкий металл. Литейные формы для получения отливок на цен-
тробежных машинах чаще всего изготавливают из чугуна или ста-
ли. В металлическую форму могут быть установлены стержни для
получения отливки необходимой конфигурации (см. рис. 20.2, б).
В некоторых случаях формы изготавливаются в цилиндрической
опоке из песчано-глинистой смеси (см. рис. 20.2, в).

Поверхности формы покрывают теплоизоляционными краска-
ми или сыпучими материалами для уменьшения скорости охлаж-
дения отливки, но чтобы металлические формы не перегревались,
их охлаждают.

Фасонная наружная поверхность отливок приводит к торможе-
нию усадки, поэтому на поверхность формы перед каждой залив-
кой наносят слой формовочной смеси. Нанесение на поверхности
металлических форм теплоизоляционных покрытий увеличивает
их долговечность в работе.

Кристаллизация сплава, заливаемого во вращающуюся метал-
лическую форму, начинается у стенок формы, а затем фронт кри-
сталлизации продвигается по направлению к оси вращения или к
свободной поверхности отливки. Скорость кристаллизации зави-
сит от температуры формы, наличия теплоизоляционных покры-
тий на ее поверхности и физических свойств самого сплава. Благо-
даря кристаллизации, протекающей в одном направлении от стен-
ки формы, а также действию центробежных сил, происходит не
только хорошее питание объемной усадки, но и обеспечивается
удаление неметаллических включений: они, как более легкие,
выносятся из кристаллизующегося сплава на внутреннюю поверх-
ность отливки. В результате этого структура металла в отливках
улучшается и повышаются механические свойства.

20.2.2.	Область применения центробежного литья

Способом центробежного литья получают отливки из серого и
легированных чугунов, углеродистой и легированной стали, а также
из многих марок сплавов на основе меди и алюминия. Значитель-
ные трудности возникают при получении отливок из сплавов,
имеющих большую склонность к ликвации.

Масса отливок, получаемых в металлических изложницах при
центробежном способе литья, колеблется в пределах от несколь-
ких килограммов до нескольких тонн. Точность и шероховатость
поверхности получаемых отливок зависят от многих факторов (ва-
рианта технологического процесса, размера и конструкции отли-
вок). Так, при получении отливок типа втулок в металлических
изложницах можно достичь относительно высокой точности по их
длине и наружным диаметрам, но трудно получить эту точность
по внутренним диаметрам. При получении отливок типа шкивов,
колес и других, похожих по форме отливок, необходимо приме-
нение стержней, что приводит к снижению их точности и увели-
чивает шероховатость поверхности.

Центробежное литье наиболее широко применяют для получе-
ния из чугуна и стали труб различного назначения (водопровод-
ных, фановых, нефтеперегонных и др.), а также литых заготовок
деталей, имеющих форму тел вращения в различных отраслях
машиностроения (втулки, вкладыши, муфты, венцы червячных
колес, фланцы, крышки и т.д.). Для подобных деталей этот спо-
соб литья обеспечивает более высокое качество, чем литье в пес-
чаные формы. Специфика кристаллизации при центробежном ли-
тье позволяет избавиться от ряда дефектов в отливках, которые
свойственны литью в песчаные формы (усадочные раковины,
рыхлость и пористость, шлаковые включения, газовые раковины).
Кроме того, по механическим свойствам качество металла в от-
ливках, получаемых центробежным способом литья, бывает луч-
ше. Достигается также экономия металла на отливки за счет устра-
нения необходимости установки прибылей и устройства литни-
ковой системы.

Центробежное литье способствует также сокращению расхода
формовочных и стержневых смесей, резкому повышению произ-
водительности труда. Так, на одном из заводов при переводе на
центробежное литье значительного числа разнообразных загото-
вок было достигнуто увеличение производительности труда почти
в 3 раза, при снижении себестоимости по каждой из деталей от 15
до 60 %.

Центробежным способом литья возможно получать биметал-
лические втулки и вкладыши вместо цельнолитых из цветных спла-
вов. Переход с цельнолитых втулок и вкладышей из цветных спла-
вов на биметаллические с основой из чугуна позволяет достичь
экономии в расходовании дорогостоящей бронзы до 40%. Очень
перспективно получение центробежным литьем двухслойных труб
для химической промышленности.

Наконец, центробежное литье может успешно применяться в
отдельных случаях вместо поковок или проката. Отливки, получа-
емые центробежным способом, могут иметь конфигурацию, бо-
лее близкую к окончательной форме детали, чем поковки. Это
приводит к снижению расхода металла и значительному умень-
шению объема механической обработки. Особенно целесообразно
получение труб из различных марок сталей способом центробеж-
ного литья вместо прокатки при относительно большой толщине
их стенок (до 170 мм), когда прокатка становится затруднитель-
ной.

Для центробежного способа литья характерны следующие не-
достатки, которые необходимо иметь в виду при выборе способа
литья:

•	трудность получения качественных отливок из ликвирующих
сплавов, так как химическая неоднородность (ликвация) у цент-
робежных отливок выражена значительно более резко, чем у ста-
ционарных отливок;

•	неточность диаметра полости отливок со свободной поверх-
ностью;

•	загрязнение свободной поверхности отливок неметалличес-
кими включениями, а у толстостенных отливок эта поверхность
может иметь пористость, что вынуждает увеличивать припуск на
механическую обработку свободных поверхностей на 25 %;

•	для получения отливок требуются специальные машины; ли-
тейные формы дорогостоящие, они должны иметь высокие проч-
ность и герметичность ввиду повышенного давления металла.

20.2.3. Технологические особенности проектирования
деталей

Центробежное литье применяют главным образом для получе-
ния деталей, основу геометрической формы которых представля-
ют полые цилиндры. Наиболее технологичными являются полые
цилиндрические втулки с постоянным сечением, или втулки,
усложненные с одного торца фланцем. Бурт фланца не должен
превышать толщины двух стенок. Для получения внутренних цен-
тральных отверстий без применения стержня детали должны иметь
постоянный диаметр по всей длине или высоте.

При наличии у цилиндрических деталей фасонной наружной
поверхности применение металлических форм-изложниц стано-
вится невозможным, так как металлическая форма будет тормо-
зить усадку. В этом случае изложница должна иметь вид опоки, в
которой создается литейная форма, собранная из стержней или
выполненная из формовочных смесей.

При проектировании фасонных деталей типа шестерен, чер-
вячных колес, крышек и т.п., которые можно получить в метал-
лических формах без стержней, следует особое внимание обра-
щать на устранение острых углов в местах переходов и принимать
меры по уменьшению торможения усадки детали при охлаждении
отливки в форме. Для этого на внутренних поверхностях, парал-
лельных оси детали, которые охватывают части металлической
формы, предусматривают значительные уклоны (до 30°). Для из-
влечения отливки из изложницы на ее наружных поверхностях
также предусматриваются уклоны до 3°. Минимальная толщина
стенок у отливок зависит от их размеров, но должна быть не меньше
4 мм.

Вид формы, применяемой при центробежном литье, опреде-
ляет основные условия технологичности конструкции деталей.
Размер припусков на механическую обработку зависит также от
вида литейной формы, характера сплава, размеров и сложности
отливки. Следует иметь в виду, что на внутренних поверхностях
центральных отверстий припуски должны быть повышены. Это
объясняется необходимостью полного удаления при механичес-
кой обработке слоя металла, в котором собираются всевозмож-
ные загрязнения.

Контрольные вопросы

1.	Из какого материала изготавливают литейные формы для литья под
давлением?

2.	Каким образом при литье под давлением извлекают из формы гото-
вую отливку?

3.	Приведите примеры решения конструкторских задач применением
литья под давлением.

4.	Заготовки какой массы целесообразно получать литьем под давле-
нием?

5.	За счет чего происходит заполнение жидким сплавом литейной
формы при центробежном литье?

6.	Как распределяется прочность отливки, полученной центробежным
литьем, по направлению от центра заготовки к периферии?

7.	В каких местах отливок, полученных центробежным литьем, будет
повышенная точность, а в каких — пониженная?

8.	Какие заготовки, полученные центробежным литьем, не могут быть
получены никаким иным способом литья?
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Аблация — унос массы с поверхности твердого тела потоком горячих
газов; наблюдается при движении через земную атмосферу с большими
скоростями ракет, космических аппаратов, метеоритных тел.

Автогенная сварка (резка) — сварка, при которой местное расплав-
ление металла изделий производят пламенем, которое образуют горю-
чие газы (ацетилен, водород) при соединении с кислородом.

Автоматизация — применение приборов, приспособлений и машин,
позволяющее осуществлять производственные процессы без непосред-
ственных физических усилий и лишь под его контролем.

Адиабатный процесс — изменение состояния физического тела без
притока и отдачи теплоты.

Алитирование — насыщение поверхностного слоя изделий из стали и
чугуна алюминием, образующим с этими металлами твердый раствор.

Аморфный — бесформенный; состояние вещества, в котором его свой-
ства в естественных условиях одинаковы по всем направлениям.

Анодно-механическая резка — электрофизический способ отрезки за-
готовок от прутка, состоящий в образовании окислов под влиянием элек-
тролитических явлений и одновременном удалении их из зоны обработ-
ки механическим путем.

Антифрикционный порошковый материал — порошковый материал
для производства изделий, от которых требуются низкие потери на тре-
ние.

Баба молота — деталь подвижной части молота, на которой крепится
верхняя половина штампа.

Бесшаботный молот — молот, в котором работа деформации совер-
шается за счет встречного движения верхней и нижней баб.

Бронза — медный сплав, содержащий олово, цинк и свинец.

Габбро — глубинная магматическая горная порода бедного кремнезе-
мом состава. Имеет темный цвет и используется как строительный и об-
лицовочный материал.

Гидравлический пресс — кузнечно-прессовая машина, в которой пе-
ремещение ползуна осуществляется с помощью штока гидроцилиндра.

Градирня — сооружение для охлаждения воды в системе оборотного
водоснабжения.

Дефектный слой — слой металла на поверхности поковки, который
отличается от глубинной части по составу либо по структуре и который
должен быть удален при механической обработке.
Диабаз — глубинная магматическая горная порода темного цвета,
употребляется для мощения улиц и как строительный материал.

Допустимая скорость нагрева заготовки — скорость нагрева, обеспе-
чивающая сохранение целостности металла заготовки, т.е. отсутствие мик-
ро- и макротрещин.

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в жидком состоя-
нии заполнять форму и воспроизводить в отливке ее очертания.

Заготовка — порция металла в той или иной форме, поступающая на
кузнечно-прессовую машину для обработки давлением.

Закрепленный штамп — штамп, у которого верхняя половина крепит-
ся на бабе молота, а нижняя — в штамподержателе на шаботе.

Закрытая пористость порошковой формовки — отношение объема
пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой фор-
мовки.

Закрытый штамп — штамп, в котором в процессе штамповки созда-
ется замкнутая полость, откуда металл практически не вытекает.

Заусеничная канавка — специальная полость на поверхности разъема
открытых штампов, расположенная по периметру окончательного ру-
чья, в которую происходит вытекание металла.

Зерна — мелкие кристаллы металла, имеющие неправильную форму.
Изотропия — одинаковость свойств объектов по всем направлениям.

Индукционный нагрев токами высокой частоты — нагрев металла пу-
тем создания в поверхностных слоях заготовки вихревых токов с помо-
щью переменного магнитного поля.

Карбидосталь — порошковый материал, подвергшийся в отожжен-
ном состоянии обработке и состоящий из стали и карбидов с массовой
долей от 20 до 70 %.

Керамика — общее название всех видов изделий из обожженной гли-
ны (майолика, терракота, фаянс, фарфор и др.).

Кермет — порошковый материал, состоящий из тугоплавких оксид-
ных соединений и тугоплавких металлов.

Ковкий чугун — чугун, имеющий в основной массе включения угле-
рода в виде компактных округлых зерен.

Кокиль — литейная многоразовая форма, изготавливаемая из чугуна
или стали.

Композиционный порошковый материал — порошковый материал,
представляющий механическую смесь металлов или металлов и неметал-
лов, исключающих взаимную диффузию при спекании.

Конструкционный порошковый материал — порошковый материал для
несущих деталей машин, приборов и механизмов.

Контактный нагрев (нагрев сопротивлением) — вид нагрева, при ко-
тором заготовка служит частью вторичной обмотки понижающего транс-
форматора.

Коэффициент использования материала — отношение массы готовой
детали к массе заготовки.

Кривошипный горячештамповочный пресс (КГШП) — кузнечно-
прессовая машина, выполняющая работу деформации металла путем
перемещения верхней половины штампа ползуном кривошипного ме-
ханизма.
Латунь — медный сплав, содержащий значительное количество цинка.

Ликвация — неоднородность сплава по химическому составу в раз-
личных частях отливки.

Литейная форма — комплект элементов, формирующих замкнутое
пространство, и каналы для заливки расплавленного металла.

Литейное производство — процесс получения заготовок или деталей
из металлов и сплавов, нагретых до жидкого состояния.

Литье по выплавляемым моделям — способ литья, в котором литей-
ную форму изготавливают в виде неразъемной огнеупорной оболочки по
разовым моделям, которые перед заливкой металла выплавляют.

Магнетрон — электровакуумный прибор для генерирования колеба-
ний в диапазоне сверхвысоких частот, в котором управление электрон-
ным потоком осуществляется с помощью магнитного поля.

Макроструктура — строение металла, выявляемое травлением шли-
фованной поверхности и видимое невооруженным глазом или при не-
большом увеличении (до 10 раз).

Металлический порошок — совокупность частиц металла, сплава и
металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся
во взаимном контакте и не связанных между собой.

Механизация — замена ручного труда машинами и механизмами.

Микроструктура — строение металла, видимое при помощи микро-
скопа как конгломерат зерен.

Модель — изделие, предназначенное для получения в форме отпе-
чатка, соответствующего форме и размерам отливки.

Мелирование — изгибание стекла на металлических (пустотелых и
литых), керамических и других формах.

Молот — кузнечно-прессовая машина ударного действия, выполня-
ющая работу деформации металла за счет кинетической энергии под-
вижных частей.

Наклеп — процесс упрочнения металла, выражающийся в дроблении
зерен под действием усилий деформации.

Нанометр — 10“9 м.

Напуск — элемент формы поковки, который вводится для упроще-
ния формы и облегчения изготовления заготовки штамповкой.

Оболочковая форма — литейная форма в виде прочной оболочки,
изготовленной из термореактивных смол.

Окалина — слой окислов на поверхности металла, образовавшийся в
результате угара.

Открытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор,
сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

Открытый штамп — штамп, полость которого в процессе штамповки
имеет достаточно широкую щель (заусеничную канавку) для вытекания
излишков металла.

Отливка — заготовка, полученная каким-либо методом литья.

Отрубной ручей (нож) — ручей, применяемый при штамповке от прут-
ка и служащий для отделения готовой поковки.

Пережимной ручей — заготовительный ручей, служащий для уменьше-
ния площади поперечного сечения заготовки в одних местах при незначи-
тельном увеличении площади поперечных сечений в других местах.
Плазма — вещество в сильно ионизированном состоянии, причиной
которого может быть высокая температура или столкновения частиц газа
с быстрыми электронами в газовом разряде.

Плакирование — покрывание листов металла в процессе горячей про-
катки тонким слоем какого-либо другого металла, более устойчивого к
коррозии, для предохранения от разрушения и улучшения внешнего
вида.

Планетарный механизм — механизм, в котором одно или несколько
зубчатых колес, кроме вращения вокруг своей оси, могут одновременно
вращаться около оси другого вращающегося зубчатого колеса.

Подкладной штамп — штамп, нижняя половина которого укладыва-
ется на плоский боек молота без крепления, а верхняя половина не со-
вершает движения с бабой молота, а только воспринимает ее удары.

Пористый порошковый материал — порошковый материал, имеющий
пористость, обеспечивающую его проницаемость при эксплуатации.

Порошковая формовка — тело, полученное из металлического по-
рошка и имеющее заданную форму, размеры и плотность.

Порошковое изделие — изделие из металлического порошка.

Порошковый материал — материал, изготовленный из металлическо-
го порошка или его смеси с неметаллическим порошком.

Порошковый твердый сплав — порошковый материал на основе ме-
таллоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладаю-
щих твердостью более 80 HRA.

Порошковый тяжелый сплав — порошковый материал, имеющий плот-
ность выше 16,5 т/м3.

Прессовка — порошковая формовка, полученная прессованием ме-
таллического порошка.

Прессуемость металлического порошка — способность металлическо-
го порошка образовывать под воздействием давления тело, имеющее за-
данные размеры, форму, плотность.

Пресс-форма — металлическая многоразовая форма, применяемая для
литья под давлением.

Производительность кузнечно-прессовой машины — количество про-
дукции (в штуках или тоннах), производимое в единицу времени.

Протяжной (заготовительный) ручей — полость, служащая для умень-
шения площади поперечных сечений в отдельных местах заготовки.

Разъем штампа — поверхность, делящая штамп на отдельные части,
которые могут раздвигаться для извлечения готовой поковки.

Расчетная заготовка — условная заготовка с круглыми поперечными
сечениями, площади которых равны площадям соответствующих сече-
ний поковки.

Рекристаллизация — рост зерен металла под влиянием высокой тем-
пературы.

Ручей — полость штампа, в которой происходит пластическое тече-
ние металла.

Себестоимость — расходы предприятия в денежной форме, связан-
ные с производством детали (заготовки).

Серый чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2 %
углерода.
Синтегран (синтетический гранит) — высоконаполненный компози-
ционный материал на полимерной основе.

Спекание порошковой формовки или прессовки — нагрев и выдержка
порошковой формовки (прессовки) при температуре ниже точки плав-
ления основного компонента.

Стойкость штампа — характеристика штампа, показывающая, какое
число поковок может быть на нем изготовлено до ремонта (переточки).

Температурный интервал штамповки — интервал температур, в кото-
ром первое значение означает максимально допустимую температуру
нагрева под штамповку, а второе — минимально допустимую темпера-
туру окончания штамповки.

Температурный напор — разность между температурой печи и средней
температурой поверхности заготовки.

Технически возможная скорость нагрева заготовки — максимальная
скорость нагрева, определяемая максимальным температурным напором
печи.

Технологический процесс — совокупность действий, выполняемых в
определенной последовательности на производственных машинах, обес-
печивающих получение готового продукта или полуфабриката.

Трансплантация — перенос и внедрение частиц одного вещества в
другое.

Угар металла — окисление поверхности металла, происходящее под
влиянием высокой температуры при нагреве.

Форкамера — камера для предварительного сгорания топлива; по-
лость в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Формование металлического порошка — технологическая операция, в
результате которой металлический порошок образует порошковую фор-
мовку.

Формовочный материал — смеси, используемые для изготовления
литейных форм.

Формовочный ручей — заготовительный ручей, служащий для прида-
ния заготовке формы, близкой к форме поковки в плане.

Формуемость металлического порошка — способность металлического
порошка сохранять приданную ему под воздействием давления форму в
заданном интервале значений пористости.

Фрикционный винтовой пресс (ФВП) — кузнечно-прессовая маши-
на, у которой ползун приводится в движение винтом, являющимся ва-
лом фрикционной передачи.

Фрикционный порошковый материал — порошковый материал для
работы в тормозных и передаточных узлах машин и приборов.

Футеровка — облицовка внутренних поверхностей металлургических
печей, ковшов, труб огнеупорными и химически стойкими материалами.

Центробежное литье — способ литья, состоящий в заливке жидкого
сплава во вращающуюся форму.

Шабот — массивная часть молота, расположенная на фундаменте и
воспринимающая энергию удара падающих частей.

Шероховатость поверхности — качество поверхности, характеризуе-
мое величиной микроскопических неровностей, состоящих из чередую-
щихся впадин и выступов.
Шликер — тестообразная масса из смеси тонкоразмолотых силикат-
ных материалов с водой. Используют шликер при изготовлении фарфо-
ровых, фаянсовых и других керамических изделий.

Штамп — инструмент для изготовления деталей методом давления, в
полости которого происходит пластическое течение, причем рабочая
поверхность полости воспроизводит форму изготовляемой детали.

Штамповка — обработка металлов давлением, при которой форма и
размеры получаемой заготовки определяются формой инструмента (штам-
па).

Штамповка из штучных заготовок — вид штамповки, при котором
каждая поковка (иногда две поковки) штампуются из отдельной мерной
заготовки.

Штамповка от прутка — вид штамповки, при котором формоизмене-
нию подвергается конец прутка, после чего отштампованное изделие
отделяется от недеформированной части.

Штамповочный паровоздушный молот — молот, подвижные части
которого приводятся в действие паровым поршневым двигателем.

Штамповочный уклон — элемент напуска, предназначенный для об-
легчения извлечения поковки из полости штампа.

Штамповочный фрикционный молот с доской — молот, в котором
подъем бабы производится за счет трения приводных роликов о доску,
защемленную одним концом в бабе молота.

Шунт — электрическая или магнитная цепь, включаемая параллель-
но основному участку электрической или магнитной цепи измеритель-
ного прибора или устройства для ослабления тока (магнитного потока)
в основной цепи.

Экструзия — метод изготовления профилированных изделий из пла-
стмасс и резин, состоящий из непрерывного выдавливания размягчен-
ного материала шнеком или поршнем через профилирующее отверстие
(матрицу) на специальной машине — экструдере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Агафонъкин М.Г. Производство заготовок в машинострое-
нии / М. Г. Агафонъкин, М. В. Магницкая. — Л. : Машинострое-
ние, 1987. - 254 с.

2.	Актуальные проблемы машиностроения : пер. с англ. / под
ред. Э. Каданса. — М. : Мир, 1993. — 276 с.

3.	Братухин А. Г. Новые конструкционные и функциональные
материалы и возможности их более широкого применения /
А. Г. Братухин, Р. Е. Шалин, А. Г. Ромашин. — СПб. : Политехни-
ка, 1992. - 53 с.

4.	Брюханов А. Н. Ковка и объемная штамповка / А. Н. Брюха-
нов. — М. : Машиностроение, 1975. — 375 с.

5.	Гусев А. И. Нанокристаллические материалы / А. И. Гусев,
А.А. Рампель. — М. : Физматлит, 2001. — 224 с.

6.	Ковка и объемная штамповка стали : справочник : в 2 т. / под
ред. М.В.Сторожева. — М.: Машиностроение, 1967. — Т. 1. — 435 с.;
Т. 2. - 448 с.

7.	Колобков Ю. Р. Алмазы и СТМ : учеб, пособие для вузов /
Ю. Р. Колобков, А. В. Ногинина, Н. В. Чириков. — М. : Метал-
лургия, 1990. — 327 с.

8.	Зернографическая диффузия и свойства наноструктурных
материалов / [Ю. Р. Колобков, Р.З. Вальцев, Г. П. Грабовецкая
и др.]. — Новосибирск : Наука, 2001. — 232 с.

9.	Коротков А. И. Литье в оболочковые формы / А. И. Коротков,
А. М. Полевая. — М. : Машгиз, 1963. — 299 с.

10.	Кузнечно-штамповочное оборудование : учебник для маши-
ностроительных вузов / [А. И. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н. С.Доб-
ринский и др.] ; под ред. А. Н. Банкетова, Е. Н. Ланского. — М. :
Машиностроение, 1982. — 576 с.

11.	Материаловедение и технология металлов / [Г. П.Фетисов,
М.Г.Карпман, В.М.Матюшин и др.]. — М. : Высш, шк., 2001. —
638 с.

12.	Позняк Г. Г. Выбор и расчет штампованных заготовок /
Г. Г. Позняк. — М. : Изд-во Университета дружбы народов, 1980. —
52 с.
13.	Сторожев М. С. Теория обработки металлов давлением : учеб-
ник для вузов / М.С.Сторожев, Е.А.Попов. — М. : Машиностро-
ение, 1971. — 424 с.

14.	Фистуль В. И. Новые материалы / В. И.Фистуль. — М. : Ме-
таллургия, 1995. — 276 с.

15.	Шкаликов М. С. Технология производства отливок / М.С. Шка-
ликов. — М.: Изд-во Университета дружбы народов, 1969. — 234 с. —
(Технология машиностроения; вып. 1).

16.	Шоршов М.Х. Ультрадисперсное структурное состояние ме-
таллических сплавов/ М.Х.Шоршов. — М. : Наука, 2001. — 155 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................. 3

РАЗДЕЛ I

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 1. Металлические сплавы............................ 5

1.1.	Традиционные металлические сплавы................... 5

1.1.1.	Классификация чугунов......................... 5

1.1.2.	Классификация сталей...........................7

1.1.3.	Алюминиевые сплавы............................12

1.1.4.	Медные сплавы.................................17

1.1.5.	Титановые сплавы..............................18

1.1.6.	Магниевые сплавы..............................19

1.1.7.	Никелевые сплавы..............................21

1.2.	Металлы и сплавы с особыми свойствами...............23

1.2.1.	Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами.23

1.2.2.	Металлы с памятью формы.......................27

1.2.3.	Радиационно стойкие материалы.................33

1.2.4.	Аморфные металлические сплавы.................36

1.2.5.	Сверхпроводящие материалы.....................40

1.2.6.	Материалы со специальными магнитными свойствами..43

Глава 2. Керамические и композиционные материалы.........47

2.1.	Керамические материалы .............................47

2.2.	Композиционные материалы............................63

2.2.1.	Состав и свойства композиционных материалов...63

2.2.2.	Дисперсно-упрочненные композиционные материалы...65

2.2.3.	Волокнистые композиционные материалы..........73

2.2.4.	Слоистые композиционные материалы.............82

Глава 3. Функциональные порошковые материалы.............89

3.1.	Особенности технологии порошковых материалов........89

3.2.	Конструкционные порошковые материалы................91

3.3.	Антифрикционные порошковые материалы................92

3.4.	Фрикционные порошковые материалы....................94

3.5.	Пористые фильтрующие элементы.......................95
Глава 4. Полимерные материалы..............................99

4.1.	Классификация и свойства полимеров....................99

4.2.	Пластические массы...................................102

4.2.1.	Состав и свойства пластических масс............102

4.2.2.	Термопластичные пластмассы (термопласты).......104

4.2.3.	Термореактивные пластмассы (реактопласты).......110

4.3.	Резины...............................................115

4.4.	Клеящие материалы....................................118

Глава 5. Методы получения объемных, порошковых и пленочных
наноструктурных материалов................................125

5.1.	Методы получения объемных наноструктурных металлов
и сплавов ................................................125

5.1.1.	Общие сведения.................................125

5.1.2.	Газовая конденсация порошков и	их консолидация..125

5.1.3.	Шаровой размол порошков и их компактирование....127

5.1.4.	Интенсивная пластическая деформация............131

5.2.	Методы получения наноструктурных порошков............136

5.2.1.	Плазмохимический синтез........................136

5.2.2.	Осаждение из коллоидных растворов..............137

5.2.3.	Термическое разложение и восстановление........137

5.2.4.	Механосинтез...................................138

5.2.5.	Детонационный синтез и электровзрыв............138

5.3.	Метод получения тонких пленок, осаждение на подложку..139

Глава 6. Синтетические сверхтвердые материалы и покрытия...142

6.1.	Синтетические сверхтвердые материалы.................142

6.2.	Покрытия для инструментов из сверхтвердых материалов..145

6.2.1.	Металлические и композиционные покрытия........145

6.2.2.	Неметаллические покрытия ......................147

Глава 7. Многофункциональные покрытия.....................149

7.1.	Виды покрытий и способы их	нанесения.................149

7.2.	Металлические покрытия...............................153

7.2.1.	Цинковые покрытия..............................153

7.2.2.	Алюминиевые покрытия...........................154

7.2.3.	Оловянные и хромсодержащие покрытия............155

7.2.4.	Покрытия плакированием.........................156

7.2.5.	Осаждение в вакууме или из газовой фазы........156

7.3.	Неметаллические покрытия ............................157

7.3.1.	Неорганические покрытия и способы их нанесения..157

7.3.2.	Органические полимерные покрытия и способы
их нанесения...........................................158

7.3.3.	Защитные технологические покрытия..............170

7.3.4.	Теплозащитные покрытия.........................171

7.3.5.	Терморегулирующие покрытия.....................172

7.3.6.	Лакокрасочные покрытия.........................173
РАЗДЕЛ II

ШТАМПОВОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Глава 8. Подготовительные операции перед пластическим
деформированием............................................177

8.1.	Резка металла на заготовки............................177

8.1.1.	Резка на ножницах и прессах.....................177

8.1.2.	Ломка на хладноломах............................179

8.1.3.	Резка на металлорежущих станках.................180

8.1.4.	Кислородная резка...............................181

8.1.5.	Анодно-механическая резка.......................182

8.1.6.	Выбор способа резки и допуски на длину заготовки.183

8.2.	Нагрев металла для ковки и штамповки..................184

8.2.1.	Температурный интервал ковки и штамповки........184

8.2.2.	Режимы нагрева заготовок и охлаждения поковок....184

8.2.3.	Угар металла. Борьба с окислением при нагреве...185

8.2.4.	Электрический нагрев заготовок..................187

Глава 9. Штамповка на молотах..............................189

9.1.	Виды и краткая характеристика штамповочных молотов.....189

9.2.	Особенности технологических процессов штамповки
на молотах.................................................192

9.2.1.	Классификация молотовых поковок.................192

9.2.2.	Виды молотовых штампов и штамповочных ручьев.....193

9.2.3.	Особенности технологического процесса штамповки
в закрытых штампах.....................................200

9.2.4.	Выбор молота и материала штампов................201

Глава 10. Штамповка на кривошипных горячештамповочных
прессах....................................................203

10.1.	Виды и краткая характеристика кривошипных
горячештамповочных прессов.................................203

10.2.	Особенности технологических процессов штамповки
на кривошипных горячештамповочных прессах..................205

10.2.1.	Основные технологические операции штамповки....205

10.2.2.	Устройство штампов и их узлов..................209

Глава И. Штамповка на горизонтально-ковочных машинах.......212

11.1.	Краткая характеристика
горизонтально-ковочных машин...............................212

11.2.	Особенности технологического процесса штамповки
на горизонтально-ковочных машинах..........................214

Глава 12. Специальные виды получения заготовок методами
пластического деформирования...............................218

12.1.	Штамповка на винтовых фрикционных прессах............218

12.2.	Штамповка на гидравлических прессах..................220

12.3.	Штамповка на ковочных вальцах (вальцовка)............225

12.4.	Обработка на ротационно- и радиально-обжимных машинах .... 227
12.5.	Раскатка кольцевых заготовок...........................229

12.6.	Накатка зубчатых колес, звездочек и винтов............230

12.7.	Новые виды штамповки...................................232

12.7.1.	Штамповка на высокоскоростных	молотах...........232

12.7.2.	Штамповка на горячештамповочном автомате........234

12.7.3.	Штамповка на импакторе..........................234

12.7.4.	Накатка шлицевых поверхностей...................236

Глава 13. Прессование заготовок из порошковых материалов.....241

13.1.	Область применения прессованных заготовок и свойства
металлических порошков.......................................241

13.2.	Производство металлических порошков и их свойства.....243

13.3.	Формирование заготовок................................244

13.4.	Спекание..............................................245

13.5.	Особенности формы изделий, получаемых порошковой
металлургией................................................246

13.6.	Достоинства и недостатки заготовок из порошковых
материалов..................................................247

РАЗДЕЛ Ill

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Глава 14. Общая характеристика методов литья................250

14.1.	Понятие литейного производства........................250

14.2.	Свойства литейных сплавов.............................252

14.3.	Основные литейные материалы и сплавы..................254

14.3.1.	Серый чугун ....................................254

14.3.2.	Высокопрочный чугун.............................256

14.3.3.	Ковкий чугун....................................257

14.3.4.	Углеродистые и легированные стали...............258

14.3.5.	Сплавы на основе меди...........................261

14.3.6.	Сплавы на основе алюминия.......................262

14.3.7.	Сплавы на основе магния.........................263

14.3.8.	Сплавы на основе цинка..........................264

14.4.	Технологические требования к конструкциям деталей,
получаемых методом литья....................................265

Глава 15. Литейные формы....................................269

15.1.	Общие сведения о литейных формах......................269

15.2.	Изготовление модельного комплекта.....................271

15.3.	Формовочные материалы и смеси.........................274

15.4.	Приготовление формовочных и стержневых смесей ........277

Глава 16. Литье в песчаные (песчано-глинистые) формы........280

16.1.	Общая характеристика литья в песчано-глинистые формы...280

16.2.	Определение поверхности разъема.......................281

Глава 17. Литье в оболочковые формы.........................284

17.1.	Сущность литья в оболочковые формы....................284
17.2.	Область применения литья в оболочковые формы.........286

17.3.	Технологические особенности проектирования деталей....288

Глава 18. Литье по выплавляемым моделям....................292

18.1.	Сущность литья по выплавляемым моделям...............292

18.2.	Область применения литья по выплавляемым моделям......296

Глава 19. Литье в металлические формы......................300

19.1.	Сущность литья в металлические формы.................300

19.2.	Технологические особенности проектирования деталей....302

19.3.	Область применения литья в металлические формы.......307

Глава 20. Специальные виды литья...........................310

20.1.	Литье под давлением..................................310

20.1.1.	Сущность литья под давлением...................310

20.1.2.	Достоинства и недостатки литья под давлением...311

20.1.3.	Область применения литья под давлением.........311

20.2.	Центробежное литье...................................313

20.2.1.	Сущность центробежного литья...................313

20.2.2.	Область применения центробежного литья.........314

20.2.3.	Технологические особенности проектирования деталей....316

Краткий словарь терминов...................................318

Список литературы..........................................324