Високоміцні металеві сплави

Визначення і загальна характеристика

ВИСОКОМІЦНІ́ МЕТАЛЕ́ВІ СПЛА́ВИ — метали з присадкою легувальних елементів, що мають під­вищену міцність (часто і пластичність) у порівнян­ні з технічними металами. Назву сплавів ви­значають за осн. металом, вміст якого значно пере­вищує кількість додаткових хім. елементів. Високої міцності більшості сплавів досягають шляхом по­єд­на­н­ня процесів мікролегува­н­ня, термомех. обробки, обробки тиском тощо. Гол. зав­да­н­ням при створен­ні В. м. с. є одночасне під­вище­н­ня міцності та збереже­н­ня (або під­вище­н­ня) пластичності. Проте більшість В. м. с. характеризуються пониженою технологічністю (погано зварюються, оброблюються різа­н­ням тощо), тому створе­н­ня машин і кон­струкцій з цих сплавів вимагає нових спец. технол. і кон­структор. під­ходів. У промисловості пере­важно за­стосовують високоміцні алюмінієві, титанові і мідні сплави, високоміцні сталі та чавуни.

Високоміцний чавун — сплав на основі заліза з вуглецем (2– 4,5 %), з домішками марганцю, кремнію, сірки і фосфору. Високої міцності (на роз­тяг 400– 1500 МПа) досягають за допомогою модифікува­н­ня структури домішками хрому, магнію, кальцію, церію і деяких ін. елементів, завдяки чому вуглець знаходиться у куля­стій формі графіту. Має під­вищену пластичність (видовже­н­ня 2– 20 %), значну стійкість проти зноше­н­ня, корозійну стійкість, високі ливарні властивості. Із високоміц. чавуну виготовляють деталі двигунів, прокатні валки, шестерні, труби тощо. Маса литих заготовок прибл. вдвічі нижча ніж ін. видів чавуну. Використовують замість сталі, деяких кольор. металів.

Високоміцна сталь — сплав на основі заліза з вуглецем (до 2 %) та ін. елементами, який завдяки легуван­ню, термомех. обробці має міцність 1100– 1500 МПа, видовже­н­ня 15– 20 %. Сортамент багатокомпонент. сталей, які мають 6–8 легувал. елементів, складає бл. 100 марок. Під­вище­н­ня міцності сталей до­зволяє полегшити різноманітні кон­струкції одночасно з покраще­н­ням екс­плуатац. якостей. Нові типи сталей роз­робляють для виготовле­н­ня труб і буд. кон­струкцій, на замовле­н­ня судно-, мосто-, автомобілебуд. пром-стей, регулюючи склад легувал. елементів, режими гарячої і холод. прокатки. Створе­н­ня нових типів великих автомобілів, літаків та від­повід­но потуж. двигунів вимагало марок сталей з високою міцністю (до 1200 МПа) і пластичністю (видовже­н­ня 12 % після термооб­робки). Хромомолібденові сталі використовують для виготовле­н­ня високоміц. зварювал. деталей і кон­струкцій (вісі, вали, труби, листи), при­значених для роботи при під­вищених т-рах, та деталей машин, що мають високу межу витривалості (зубчасті колеса, шпинделі тощо) і працюють в умовах знач. навантажень та швидкостей; нікелемолібденові сталі — для виготовле­н­ня деталей моторів, молотів, пресів тощо. Набула роз­витку група хромонікелемолібденових марок сталей, які під­лягають цементації, гартуван­ню і по­єд­нують високу поверх­неву твердість і міцність зі знач. пластичністю серцевини. Її використовують у машинобудуван­ні для виготовле­н­ня деталей з великими удар. навантаже­н­нями при великих швидкостях (зубчасті колеса складної конфігурації, кулачкові муфти).

Високоміцні алюмінієві сплави — сплави на основі алюмінію з добавкою міді, магнію та ін. елементів. Мають високі мех. властивості (міцність 350– 450 МПа) та корозійну стійкість, малу обʼємну густину. Серед них: авіаль — з добавкою магнію і кремнію (прибл. по 1 %), міді, марганцю або хрому (бл. 0,5 %), під­дається загартуван­ню і штуч. старін­ню, використовують для виготовле­н­ня пресів і штампів, деталей авіакон­струкцій, буд. кон­струкцій тощо; дуралюмін (дюралюміній) — міді (2–5 %), магнію (до 2,7 %) і марганцю (до 1 %), під­дається загартуван­ню і старін­ню, використовують у транс­порт. кон­струкціях; силумін — кремнію (до 23 %), а також деяких ін. елементів (мідь, марганець, магній), з добрими ливар. властивостями, за­стосовують для виготовле­н­ня складних деталей двигунів, побут. техніки тощо; спец. сплави із літієм — 1420, 1430, 1460, 1201; сплави марки АМг із вмістом магнію 3–6 %; сплави марки В92Ц та інші із цинком і магнієм (разом 5–7 %), під­даються загартуван­ню, за­стосовують у авіа- і ракетобудуван­ні.

Під­вище­н­ня міцності титанових сплавів досягають завдяки введен­ню легувал. елементів (по декілька від­сотків) алюмінію, молібдену, ніобію, цирконію тощо, а також термомех. обробці. Міцність сплаву 4201У сягає 800–1000 МПа, багатокомпонент. сплаву ВТ23 — 1100–1200 МПа, вʼязкість — до 40 Дж/см². Використовують для виготовле­н­ня авіац. двигунів, корпусів під­вод. човнів, деталей аерокосміч. техніки тощо.

Високоміцні сплави міді (бронзи) — сплави з невеликою кількістю легувал. елементів, що мають найнижчу роз­чин­ність і під­вищують температуру рекри­сталізації (хром, кобальт, берилій, нікель тощо — бл. 1 % кожний, в сумі — бл. 5 %). Міцність на роз­тяг 400–900 МПа, видовже­н­ня — 10–20 %; мають високу тепло- і електро­провід­ність. Використовують для виготовле­н­ня електродів, електротех. арматури, теплооб­мін. агрегатів, кри­сталізаторів тощо.

Обсяг виробництва В. м. с. почав зро­стати від кін. 1960-х у звʼязку з інтенсив. роз­витком будівництва відп. інж.-тех. споруд, проектува­н­ня і виготовле­н­ня ракетно-косміч. техніки тощо. Окрім під­вище­н­ня екс­плуатац. показників машин і металокон­струкцій, впровадже­н­ня матеріалів з під­вищеною міцністю забезпечило економію матеріалів, зниже­н­ня маси виробів тощо. Зростаючі вимоги до екс­плуатац. якостей сучас. машин і кон­струкцій вимагають створе­н­ня нових В. м. с. В Україні роз­робкою таких сплавів і технологіями їх виробництва та обробки за­ймаються в ін­ститутах НАНУ — Про­блем матеріало­знавства, Електрозварюва­н­ня, Фіз.-технол. металів та сплавів, Про­блем міцності, Надтвердих матеріалів (усі — Київ), Чорної металургії (Дні­пропетровськ); ВНЗах — Нац. тех. університеті України «Київ. політех. ін­ститут», Нац. металург. академії України (Дні­пропетровськ), Приазов. тех. університеті (м. Маріуполь Донец. обл.); на металург. під­приємствах — ВАТах «Запоріж­сталь», «Криворіж­сталь» (Дні­проп. обл.), «Азов­сталь» (м. Маріуполь), «Маріупол. металург. комбінат ім. Іл­ліча», «Дні­проп. металург. завод ім. Петровського», «Запоріз. титано-магнієвий комбінат», «Артемів. завод з обробки кольор. металів» (Донец. обл.).

Літ.: Развитие метал­лургии в Украинской ССР. К., 1980; Неорганическое материаловедение в СССР. К., 1983; Николаев А. К., Новиков А. И., Ро­зенберг В. М. Хромовые бронзы. Москва, 1983; Патон Б. Е., Лобанов Л. М., Па­вловский В. И. Изготовление сварных крупногабаритных тонкостен­ных панелей из высоко­прочных алюминиевых сплавов // АС. 1989. № 10; Сучасне матеріало­знавство. ХХІ сторіч­чя. К., 1998; Мелехов Р. К., Похмурський В. І. Кон­струкційні матеріали енергетичного обладна­н­ня. К., 2003.

І. В. Воленко

Завантажити статтю