IEGULDĪJUMS TAVA NĀKOTNĒ!

Transkript

1 Mācību centra Riman sākotnējās profesionālās izglītības programmu īstenošanas kvalitātes uzlabošana un īstenošana Līgums Nr. 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 IEGULDĪJUMS TAVA NĀKOTNĒ! Lekciju konspekts Materiālmācībā Rīga 2012

2 Saturs 1. PAMATINFORMĀCIJA PAR METĀLU UN TO SAJAUSĒJUMU UZBŪVI, 3 ĪPAŠĪBĀM UN IZMĒĢINĀJUMU METODĒM 2. MELNIE UN KRĀSAINIE METĀLI 3 3. METĀLU UN SAKAUSĒJUMU IEKŠĒJA STRUKTŪRA 3 4. KRISTALIZĀCIJAS PROCESS 5 5. METĀLU FIZISKĀS ĪPAŠĪBAS 7 6. METĀLU ĶĪMISKĀS ĪPAŠĪBAS 7 7. METĀLU MEHĀNISKĀS ĪPAŠĪBAS 7 8. PAMATINFORMĀCIJA NO SAKAUSĒJUMU TEORIJAS DZELZS UN OGLEKĻA SAKAUSĒJUMI ČUGUNI. SASTĀVS, ŠĶIRNES, MARĶĒJUMS, PIELIETOJUMS TĒRAUDA IEGŪŠANAS PAŅĒMIENI NO ČUGUNA ĪSAS ZIŅAS PAR AUGSTAS KVALITĀTES TĒRAUDA IEGŪŠANAS 19 VISJAUNĀKAJĀM METODĒM 13. TĒRAUDA KLASIFIKĀCIJA PĒC SASTĀVA, PIELIETOJUMA UN 20 KVALITĀTES 14. OGLEKĻA TĒRAUDI. ĪPAŠĪBAS, MARĶĒJUMS, PIELIETOJUMS OGLEKĻA TĒRAUDU MARĶĒŠANA PĒC EN LEĢĒTIE TĒRAUDI. ĪPAŠĪBAS, MARĶĒJUMS UN PIELIETOJUMS LEĢĒTO TĒRAUDU MARĶĒŠANA PĒC ГОСТ (GOST) LEĢĒTO TĒRAUDU MARĶĒŠANA PĒC EN DZELZS UN OGLEKĻA SAKAUSĒJUMU TERMISKĀ APSTRĀDE TĒRAUDU TERMISKĀ APSTRĀDE PELĒKĀ ČUGUNA TERMISKĀ APSTRĀDE BALTĀ ČUGUNA TERMISKĀ APSTRĀDE (KAĻAMĀ ČUGUNA 35 IEGŪŠANA) 23. TĒRAUDA VIRSMAS NOSTIPRINĀŠANA TĒRAUDA VIRSMAS RŪDĪŠANA ĶĪMISKI TERMISKĀ APSTRĀDE TĒRAUDA IZSTRĀDĀJUMU VIRSMAS NOSTIPRINĀŠANA AR PLASTISKU 38 DEFORMĒŠANU 27. KRĀSAINIE METĀLI UN TO SAKAUSĒJUMI VARŠ UN TĀ SAKAUSĒJUMI ALUMĪNIJS, MAGNIJS, TITĀNS UN TO SAKAUSĒJUMI KARSTUMIZTURĪGIE SAKAUSĒJUMI UZ NIĶEĻA UN KOBALTA 43 PAMATA 31. GRŪTI KŪSTOŠI METĀLI UN SAKAUSĒJUMI PRETBERZES MATERIĀLI CIETIE SAKAUSĒJUMI UN MINERĀLKERAMISKIE MATERIĀLI METĀLKERAMISKIE CIETIE SAKAUSĒJUMI JĒDZIENS PAR PULVERMETALURĢIJU VISJAUNĀKIE METĀLAPSTRĀDES MATERIĀLI NEMETĀLISKIE MATERIĀLI ABRAZĪVIE MATERIĀLI LAKU UN KRĀSU UN LĪMĒŠANAS MATERĀLI PĀRBAUDES TESTS IZMANTOTO AVOTU UN LITERATŪRAS SARAKSTS 54 ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 2

3 1. PAMATINFORMĀCIJA PAR METĀLU UN TO SAKAUSĒJUMU UZBŪVI, ĪPAŠĪBĀM UN IZMĒĢINĀJUMU METODĒM Izvēloties metālu mašīnu detaļu izgatavošanai, ir jāzina tā sastāvs, uzbūve, fiziski mehāniskās īpašības, kā arī jāņem vērā ekspluatācijas apstākļi, mehānisko slodžu un citu faktoru iedarbība, kas ietekmē mašīnu darbaspēju un drošumu. 2. MELNIE UN KRĀSAINIE METĀLI Par metāliem tiek dēvēti ķīmiski elementi, kuru raksturīgā īpašība ir necaurspīdīgums, spīdums, laba elektriskā un siltuma vadāmība, plastiskums, bet daudziem metāliem arī kaļamība un spēja sametināties. Visi metāli un to sakausējumi atkarībā no pamatsastāvdaļas iedalās divās lielās grupās: melnajos un krāsainajos. Pie melnajiem metāliem tiek pieskaitīta dzelzs un sakausējumi uz tās pamata, kas satur oglekli un citus elementus. Pie šīs pašas grupas parasti tiek pieskaitīti dzelzs sakausējumi. Visa modernā rūpniecība balstās uz melno metālu pielietošanu. No krāsainajiem metāliem svarīga rūpnieciska nozīme ir: varam, alumīnijam, magnijam, svinam, cinkam, alvai, titānam, niķelim, molibdēnam, kobaltam, volframam, tantalam u.c. Krāsainie metāli un sakausējumi no melnajiem metāliem atšķiras ar virkni tādu fizikāli ķīmisku īpašību, kuras tos padara par nepieciešamiem tehnikā. Piemēram, varam un alumīnijam piemīt augsta elektriskā vadāmība un siltuma vadāmība, un tas tiek izmantots elektrotehniskajā rūpniecībā. Alvai ir raksturīga augsta korozijas izturība pret daudzām organiskām skābēm. Alva tiek izmantota baltā skārda iegūšanai, pārtikas gatavošanā izmantojamo katlu lodēšanai, bet sakausējumos ar svinu ar vara un citām piedevām to izmanto kā pretberzes vai gultņu sakausējumu, ko dēvē par babītu. 3. METĀLU UN SAKAUSĒJUMU IEKŠĒJA STRUKTŪRA Metālu un sakausējumu iekšējās struktūras pētīšana zinātniekiem deva iespēju secināt, ka īpašību izmaiņu metāliem un sakausējumiem nosaka to iekšējās struktūras īpatnības. Pēc modernās atomu uzbūves teorijas katrs atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādētiem elektroniem, kas riņķo ap kodolu ar loti lielu ātrumu. Kodolā, kas salīdzinājumā ar atoma lielumu ir loti niecīgs, koncentrēti 99,98% visas atoma masas. Tas sastāv no pozitīvām elementārām daļiņām protoniem un neitrālām elementārām daļiņām neitroniem. Elektroni riņķo pa orbītām, kas atrodas dažādā attālumā no atoma kodola. Ķīmisko elementu īpašības visvairāk ietekmē tie elektroni, kas riņķo pa ārējo orbītu. Šie elektroni, kuru skaits ārējā orbītā ir no 0 līdz 8, nosaka ķīmiskā elementa vērtību,. un tāpēc tos sauc par vērtības elektroniem. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 3

4 Metālos brīvie elektroni nepārtraukti pārvietojas starp joniem, bet neaizlido no metāla virsmas. Metālos un sakausējumos atomi veido kristāliskos režģus un izvietojas tajos noteiktā secībā. Vielas, kurās atomi izvietojas haotiski, t. i., nekārtīgi, sauc par amorfam vielām. Šādas vielas ir līme, plastmasas, stikls, sveķi u. c. Metālu kristāliskie režģi ir dažādi. Atomu (jonu) izvietojums triju veidu elementārajos kristāliskajos režģos kubiskā telpiski centrētā, kubiskā skaldnē centrētā un heksagonālā kristāliskajā režģī parādīts 1. zīmējumā. Telpiska koncentrēta kuba (TKK) kristāliskais režģis (1. zīm. a) ir centrēts kubs ar deviņiem atomiem, no kuriem astoņi atomi atrodas kuba virsotnēs, bet viens atoms kuba centrā. Plaknēs koncentrētā kuba (PKK) kristāliskajam režģim (1. zīm. b) ir četrpadsmit atomu, kas izvietoti režģa virsotnēs un katras skaldnes centrā. 1. zīm. Elementārie kristāliskie režģi: a kubisks telpiski centrēts kristāliskais. režģis; b kubisks skaldnēs centrēts kristāliskais režģis; c heksagonāls kristāliskais režģis Heksagonālam kristāliskajam režģim (HKR)(1. zīm. c) ir septiņpadsmit atomi, no kuriem divpadsmit atomi izvietoti sešskaldņu prizmas virsotnēs, divi atomi pamatņu centros un trīs atomi vidējā šķēlumā. Kristāliskā režģa izmērus raksturo tā parametri. Tā, piemēram, kubiskā kristāliskā režģa izmēru nosaka viens parametrs kuba šķautnes garums a, bet heksagonālā kristāliskā režģa izmēru divi parametri a un c vai attiecība c/a utt. Kristālisko režģu daudzkārtīgs atkārtojums veido metāla kristālu. Dažādu ķermeņu kristāliskie režģi 1.tabula PKK TKK HKR Cu, Ag, Au, Al, Pb, Ni Li, Na, K, V, Mo, W Be, Mg, Zn, Cd, Zr ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 4

5 4. KRISTALIZĀCIJAS PROCESS Metālu un sakausējumu īpašības ir atkarīgas no kristālu formas, daļiņu skaita, kuras veido atsevišķus kristālus, daļiņu attāluma kristālā un kristālu savstarpējā izvietojuma. Metālu un sakausējumu īpašības stipri ietekmē arī kristalizācijas procesa īpatnības, t. i., parādības, kas noris, pārejot metāliem un sakausējumiem no šķidrā agregātstāvokļa cietā agregātstāvoklī. Temperatūru, pie kuras metāls vai sakausējums pāriet no šķidrā agregātstāvokļa cietā agregātstāvoklī, sauc par kristalizācijas temperatūru vai kritisko punktu. Kristālisko graudu veidošanās shēma attēlota 2. zīmējumā. Atdziestot līdz temperatūrai, kas ir noteikta un atšķirīga katram metālam, šķidrā metālā vai sakausējumā rodas kristalizācijas centri (2. zīm. a). Turpinoties atdzišanai, rodas arvien jauni kristalizācijas centri un palielinās iepriekšējie kristalizācijas centri (2. zīm. b, c, d un e). Šajā stadijā šķidrā metālā var izveidoties pareizas ģeometriskas formas kristāli, jo to formēšanos netraucē blakus kristāli. Pirms pilnīgas sacietēšanas beidzas kristālu brīvā augšana un savstarpējā spiediena iedarbībā tiek izkropļota to forma (2. zīm. f). Tāpēc sacietējošā metāla lūzuma vietā izveidojas jau nepareizas formas kristāli, kurus sauc par graudiem. Līkumainās līnijas, kas redzamas 2. zīm. f, norāda graudu robežas. Graudu veidošanās procesam ir liela praktiska nozīme, jo no graudu izvietojuma un formas, bet it īpaši no lieluma ir atkarīgas metāla īpašības. To pirmais konstatēja D. Černovs. Viņš atklāja, ka lielgabalu stobru lūzuma vietā tēraudam ir rupjgraudaina struktūra un ka šādam tēraudam ir mazāka izturība salīdzinājumā ar sīkgraudainas struktūras tēraudu. 2. zīm. Kristālu graudu veidošanas shēma: a kristālu grupas (kristalizācijas centri); b, c, d un e kristālu grupu augšana un jaunu kristalizācijas centru rašanās; f kristālu formas izkropļojums ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 5

6 Par graudu lielumu jeb graudainību pēc metāla lūzuma var spriest tikai aptuveni. Pareizu priekšstatu par graudiem sniedz metālu šlifa metalogrāfiskā pētīšana, ko veic ar metalogrāfisko vai elektronu mikroskopu. Šlifs ir rūpīgi nopulēta un ar speciālu sastāvu kodināta metāla virsma. Graudu lielumu izsaka ar graudu skaitu uz šlifa virsmas 1 cm 2. Metāli un sakausējumi ar sīkgraudainu struktūru ir cietāki un labāk apstrādājami nekā metāli un sakausējumi ar rupjgraudainu struktūru. Melno un krāsaino metālu sakausējumu ražošanā graudu lielumu un -formu bieži vien izmaina mākslīgi, pievienojot izkausētiem metālu sakausējumiem nelielu devu modifikatoru vielu, kas gandrīz nemaina sakausējuma ķīmisko sastāvu, bet veicina kristalizāciju un ļauj iegūt sakausējumus ar labākām mehāniskām īpašībām. Graudu lielumu un formu var izmainīt, apstrādājot metālu ar spiedienu, kaļot, štancējot, velmējot, izvelkot utt., vai pēc citiem paņēmieniem, pēc kuriem izraisa metālā plastisku deformāciju, t. i., deformāciju, kas paliek pēc slodzes noņemšanas. Plastiskā deformācija palielina metālizstrādājuma izturību, bet metāla graudi sasmalcinās un tiek izstiepti pieliktā spēka virzienā (3. zīm.). Lai samazinātu spriegumus, kas radušies metālā, to apstrādājot ar spiedienu, metālu sakarsē; rodas jauni graudi ar nedeformētu kristālisko režģi. Šo procesu sauc par rekristalizāciju. Tātad metālu un sakausējumu īpašības ir atkarīgas no to iekšējās struktūras. 3.zīm. Mikrostruktūras izmaiņas shēma: a- kristāliska struktūra; b struktūra pirms deformācijas; c plastiski deformēts kristāls; d - struktūra pēc rekristalizācijas. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 6

7 5. METĀLU FIZISKĀS ĪPAŠĪBAS Pie metālu fiziskajām īpašībām pieder krāsa, blīvums, kušanas temperatūra, siltumvadāmība, termiskā izplešanās, elektriskā vadāmība, magnētiskās īpašības. Par krāsu dēvē metālu spēju atstarot uz tā krītošos gaismas starus. Piemēram, varam ir rozīgi sarkana krāsa, alumīnijam- sudrabaini balta u.c. Metāla blīvums tiek raksturots ar tā masu, kas ietverta tilpuma vienībā. Kušana ir metāla pārejas process no cieta stāvokļa šķidrā. Dzelzs kušanas temperatūra ir 1539 C, varam tā ir 1083 C, alvai 232 C. Siltumvadāmība ir metālu spēja vadīt siltumu, sasilstot, un atdot to, atdziestot. Vislabākā siltumvadāmība piemīt tīram sudrabam, varam, alumīnijam. Siltumvadāmību izmanto siltumtehniskajos aprēķinos. Termiskā izplešanās ir metālu īpašība izplesties, tiem sasilstot. Atdziestot, notiek pretējā parādība. Šī īpašība tiek ņemta vērā, būvējot tiltu kopnes, liekot dzelzceļu sliedes u.c. Siltumietilpība ir metāla īpašība, tam sasilstot, absorbēt noteiktu siltuma daudzumu. Dažādu metālu siltumietilpības salīdzinājumam kalpo īpatnējā siltumietilpība- siltuma daudzums kilokalorijās, kas nepieciešams, lai paaugstinātu 1 kg metāla temperatūru par 1 C. Metālu spēja vadīt elektrisko strāvu tiek novērtēta ar diviem savstarpēji pretējiem raksturojumiem- ar elektrisko vadāmību un elektrisko pretestību. Laba elektriskā vadāmība ir nepieciešama, piemēram, strāvu vadošiem vadiem (varš, alumīnijs). Izgatavojot elektriskās sildierīces un krāsnis, ir nepieciešami sakausējumi ar augstu elektrisko pretestību (nihroms, konstantāns, manganīns). Magnētiskās īpašības- metālu spēja magnetizēties. Augstas magnētiskās īpašības ir dzelzij, niķelim, kobaltam un to sakausējumiem, kas tiek dēvēti par feromagnētiķiem. Materiālus ar magnētiskām īpašībām izmanto elektrotehniskajā aparatūrā. 6. METĀLU ĶĪMISKĀS ĪPAŠĪBAS Ķīmiskās īpašības- metālu un sakausējumu spēja pretoties oksidācijai vai veidot savienojumus ar dažādām vielām: gaisa skābekli, ogļskābi, mitrumu, sārmiem u.c. Jo labāk metāls veido savienojumus ar citiem elementiem, jo vieglāk tas noārdās. Metālu ķīmiskā noārdīšanās apkārtējās vides iedarbības rezultātā parastajā temperatūrā tiek dēvēta par metālu koroziju. Pret oksidāciju izturīgie metāli, stipri sakarsēti, tiek dēvēti par karstumnoturīgiem. Tādi metāli tiek izmantoti, izgatavojot detaļas, kuras tiek ekspluatētas augstu temperatūru zonā. No karstumnoturības ir jāatšķir karstumizturība, t.i. metālu spēja augstu temperatūru apstākļos saglabāt savu struktūru, nekļūt mīkstiem un nedeformēties slodzes iespaidā. Ķīmisko īpašību zināšana ir galēji nepieciešama, izvēloties metālus vai sakausējumus detaļām vai izstrādājumiem. 7. METĀLU MEHĀNISKĀS ĪPAŠĪBAS Īpašības, kuras raksturo metāla vai sakausējuma spēju pretoties ārējo spēku iedarbībai, tiek dēvētas par mehāniskajām. Ārējie spēki (slodzes) var būt statiskas, dinamiskas vai cikliskas (atkārtoti mainīgas). Pēc spēka (slodzes) darbības ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 7

8 virziena rodas stiepes, saspiešanas, izliekuma, vērpes un cirpes deformācija. Praksē parasti uz detaļu vai izstrādājumu spēki iedarbojas nevis atsevišķi, bet apvienojumā cits ar citu, šajā gadījumā rodas elastīgā vai plastiskā (sarežģītā) deformācija. Mehāniskās īpašības kā galvenos ietver izturības, cietības, plastiskuma, lokanības un viskozitātes raksturojumus. Bez tam, tiek veikti metālu izmēģinājumi uz nogurumu (izturību), plūstamību u.c. Detalizēta izmēģinājumu veikšanas metodika ir izklāstīta attiecīgajos standartos. Statiskie izmēģinājumi uz izstiepšanu. Pēc statisko izmēģinājumu metodikas tiek noteiktas tādas metālu izturības īpašības kā proporcionalitātes robeža, elastības robeža, plūstamības robeža, izturības robeža, kā arī plastiskās īpašības- relatīvais pagarinājums un relatīvais sašaurinājums. Lai veiktu stiepes izmēģinājumus, no izmēģināmā materiāla tiek izgatavoti apaļi (4.zīm., a) vai plakani (4.zīm., b) paraugi, kuru formu un izmērus nosaka standarts. Stiepes izmēģinājumos paraugs tiek stiepts pakāpeniski pieaugošas slodzes iedarbībā līdz sagrūšanai. 4.zīm. Stiepes statiskā pārbaude: a-b standarta paraugi priekš stiepes pārbaude, c mazoglekļa tērauda stiepes diagramma Tipiska darba diagramma plastiskiem materiāliem un sakausējumiem, kas sniedz plūstamības laukumu, ir redzama 4.zīm., c; daudzu sakausējumu stiepes diagrammās plūstamības laukumu nav. Diagramma atspoguļo raksturīgos iecirkņus un punktus, kas ļauj noteikt izmēģināmo metālu un sakausējumu virkni vērtīgu īpašību. Iecirknī 0-P PC parauga pagarinājums l palielinās tieši proporcionāli slodzei. Slodzi P PC, līdz kurai saglabājas proporcionalitātes likums starp slodzi un deformāciju, dēvē par proporcionalitātes robežu. To nosaka pēc formulas PC = P PC /F 0 MPa, kur F 0 - parauga sākotnējais šķērsgriezuma laukums. Diagrammas iecirknī no P PC līdz P NR parādās parauga pārpalikuma pagarinājums. Praktiskajiem mērķiem slodze, pie kuras pārpalikuma pagarinājums sasniedz 0,005-0,05% no parauga sākotnējā aprēķina garuma, tiek dēvēta par nosacīto elastības robežu. Nosacītās elastības robežas apzīmējumā tiek norādīta pārpalikuma deformācija, piemēram 0,05. Augstāk par punktu P NR diagrammas līkne plūstoši pāriet horizontālajā iecirknī pie pastāvīgas slodzes P T. Slodzi P T, pie kuras sākas ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 8

9 metāla vai sakausējuma plūšana, tiek dēvēta par plūstamības robežu, bet iecirknis TT 1 - par plūstamības laukumu. Spriedze, kas atbilst maksimālajai slodzei P B, kuru izmēģinājumu procesā iztur paraugs līdz sagraušanai, tiek dēvēta par izturības robežu- laika pretestību pārrāvumam (MPa): B = P B /F 0 Līdz punktam B (4.zīm., c) paraugs pagarinās vienmērīgi visā garumā, vienlaikus samazinoties biezumam. Punktā B sākas kakliņa veidošanās. Paraugs vienā vietā kļūst aizvien tievāks- turpinās pagarināties un, visbeidzot, pārtrūkst. Veidojoties kakliņam, tiek pārrauti tikai plastiskie metāli. Tāpēc līknes BK iecirknis raksturo metāla plastiskuma rādītāju. Kā plastiskuma raksturojumu izmanto parauga relatīvo pagarinājumu. Par relatīvo pagarinājumu pēc pārrāvuma dēvē % izteikto relatīvo parauga garuma pieaugumu l k pēc pārrāvuma pret tā sākotnējo aprēķina garumu l 0. Plastiskuma rādītājs ir arī metāla relatīvais sašaurinājums, kas tiek noteikts kā procentos izteikta parauga šķērsgriezuma laukuma samazinājuma F k pēc pārrāvuma attiecība pret tā šķērsgriezuma sākotnējo laukumu. Relatīvais pagarinājums un relatīvais sašaurinājums nosaka metālu un sakausējumu tā saucamo statisko viskozitāti. Cietības mērīšanas metodes. Cietība ir metāla īpašība pretoties, iespiežot tajā cietāku ķermeni. Metālu cietības izmēģinājumi ražošanas apstākļos ir guvuši plašu izplatību kā visvienkāršākais un visātrākais mehāniskās īpašības noteikšanas paņēmiens. Ir trīs (statiskās) cietības izmēģināšanas metodes, kas tiek dēvētas to izgudrotāju vārdos: Brinella metode; Rokvela metode; Vikersa metode. Cietības mērīšana, iespiežot tērauda lodīti pēc Brinella metodes notiek tādā veidā, ka ar cietības mērinstrumenta palīdzību izmēģināmā metāla virsmā tiek iespiesta rūdīta tērauda lodīte ar diametru 2,5; 5 vai 10 mm statiskās slodzes iedarbībā (5.zīm., a). Slodzes P attiecība pret iegūtā nospieduma (cauruma) virsmas laukumu sniedz cietības vērtību, kas tiek apzīmēta ar HB. Nospieduma diametrs tiek mērīts, izmantojot speciālu lupu ar iedaļām. Lai nebūtu jānodarbojas ar ilgstošiem un samērā sarežģītiem cietības aprēķiniem, praksē tiek izmantota speciāla standartam pievienota tabula, kurā ir sniegts nospieduma diametra pārrēķins cietības skaitlī HB. Cietības mērīšana pēc Rokvela metodes balstās uz to, ka izmēģināmajā metālā tiek iespiesta rūdīta tērauda lodīte ar diametru 1,59 cm (1/16 collas)- mīkstajiem metāliem un sakausējumiem vai dimanta konusu ar virsotnes leņķi īpaši cietiem tēraudiem un sakausējumiem. Uz cietības mērinstrumenta indikatora ir trīs skalas: A, B un C. Veicot izmēģinājumus ar dimanta konusu pie slodzes 1500 N, cietības skaitļa nolasīšana notiek pēc indikatora skalas C un tas tiek apzīmēts ar HRC, pie slodzes 600 N- pēc skalas A un tiek apzīmēts ar HRA, bet veicot izmēģinājumus ar tērauda lodīti pie slodzes 1000 N- pēc skalas B un apzīmē ar HRB. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 9

10 5.zīm. Cietības pārbaude pēc Brineļa un Vikersa Metāla cietības mērīšanas metode pēc Vikersa metodes principiāli neatšķiras no Brinela metodes. Ar cietības mērinstrumenta palīdzību metālā tiek iespiesta četrskaldņu dimanta piramīda ar virsotnes leņķi = 136 (5.zīm., b), bet pēc tam pēc iegūtā nospieduma diagonāles garuma tiek atrasts cietības skaitlis. Šo metodi izmanto, mērot rūdītu tēraudu, detaļu ar biezumu līdz 0,3 mm un plānu ārējo cementēto, ar slāpekli apstrādātu un citu detaļu cietību. Triecienu viskozitātes, noguruma un plūstamības mērījumi. Svarīga metālu īpašība ir to spēja pretoties triecienu, cikliskām (atkārtoti mainīgām) slodzēm un slodzēm augstās temperatūrās. Triecienu viskozitāti nosaka uz svārsta siteņiem, kur automātiski tiek fiksēts svārsta pacelšanas leņķis pēc standarta parauga saārdīšanas; pēc tam pēc tabulas tiek atrasts trieciena darbs, kas patērēts parauga salaušanai (J). Cikliskie izmēģinājumi uz nogurumu tiek veikti tiem materiāliem un mašīnu detaļām, kuras darbojas pie daudzkārtējām atkārtoti mainīgām slodzēm: iekraušana un izkraušana; izstiepšana un saspiešana u.tml. Noguruma saārdīšana tiek novērota atsperēm, pretatsperēm, pārvadiem, klaņiem u.c. Metālu īpašību turēties pretī nogurumam dēvē par izturību. Izmēģinājumi uz nogurumu (izturību) tiek veikti speciālās mašīnās atkarībā no mašīnas detaļas darba rakstura. Pie augstām temperatūrām, kuras izraisa plūstamību, darbojas lielākā daļa tvaika un gāzes turbīnu detaļu (lāpstiņas, diski, pārvadi), cauruļvadi karstu gāzu un tvaiku transportēšanai zem spiediena, reaktīvo dzinēju detaļas u.c. Visos šajos gadījumos pielietojamā metāla sakausējuma galvenais kvalitātes rādītājs ir tā noturība pret plūstamību. Plūstamības izmēģinājumi tiek veikti saskaņā ar standartos izklāstītu speciālu metodiku. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 10

11 8. PAMATINFORMĀCIJA NO SAKAUSĒJUMU TEORIJAS Tīrie metāli ne vienmēr atbilst prasītajām īpašībām. Tāpēc tehnikā tiek plaši pielietoti sakausējumi. Sakausējumu priekšrocība ir tāda, ka tos var iegūt ar gandrīz jebkurām uzdotām īpašībām. Par metāliskajiem sakausējumiem tiek dēvēti kristāliski ķermeņi, kas ir iegūti, sakausējot metālus ar metāliem vai metālus ar nemetāliem. Piemēram, misiņš ir vara un cinka sakausējums, tērauds un čuguns- dzelzs sakausējums ar oglekli. Sakausējumu sastāvdaļas tiek dēvētas par komponentēm. Sakausējumi var sastāvēt no divām, trim, četrām un vairāk komponentēm. Sakausējumiem sacietējot, veidojas dažādi savienojumi, kas nosaka sakausējumu iekšējo uzbūvi, kas krasi atšķiras no to veidojošo metālu uzbūves. Tāpēc sakausējumu īpašības atšķiras no to komponenšu īpašībām kā fizikāli ķīmisko, tā mehānisko parametru ziņā. Atkarībā no komponenšu savienojumu rakstura, sacietējot, veidojas dažādas sakausējumu struktūras: a) mehānisks maisījums; b) ciets šķīdums; c) ķīmisks savienojums. Mehāniskā maisījumā ir visu savienojušos komponenšu kristāli. Cietajā šķīdumā saglabājas tās komponentes, kura ir šķīdinātājs, kristāliskais režģis, bet izšķīdinātās komponentes atomi izvietojas šķīdinātāja režģī. Ķīmiskajos savienojumos tiek iegūti kristāli ar pilnīgi jaunām īpašībām. No sakausējumu uzbūves ir atkarīgas to īpašības. Tā piemēram, cietie šķīdumi viegli norūdās, ir viegli kaļami, pretojas triecienu slodzēm; ķīmiskajiem savienojumiem piemīt augsta cietība; mehāniskiem maisījumiem ir labas liešanas īpašības. Likvācija un sarukums Uzkausētā metāla sacietēšanas procesā lielākā vai mazākā mērā noris likvācija un sarukums. Likvācija ir sastāvdaļu nevienmērīgs sadalījums, kas rada sakausējuma ķīmiskā sastāva neviendabīgumu. Sakausējumos likvācijai var būt dažāds raksturs. Zonālā likvācija novērojama lietņos lēnas sacietēšanas gadījumā, un tāpēc uzkausētā metāla normālajā atdzišanā un sacietēšanā tā nav sastopama. Dendrīta likvācija noris sakausējumos, kas veido jauktus kristālus un izpaužas pakāpeniskā cietā šķīduma koncentrācijas maiņā. Tēraudos likvācija parasti ir saistīta ar piemaisījumu (C, S, P) atšķirīgo šķīdināšanu cietā un šķidrā fāzēs. Lai novērstu likvāciju tērauda izgatavošanas laikā ievada dezoksidētājus, tādus kā mangāns Mn, silīcijs Si un alumīnijs AI. Atkarībā no dezoksidācijas pakāpes tēraudus iedala 3 grupās: Verdošs tērauds - ir likvācija (tēraudu nepilnīgi dezoksidē un oglekļa oksīda un citu gāzu izdalīšanās dēļ tas ieplūst kokilē burbuļodams - no tā rodas tērauda nosaukums). ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 11

12 Mierīgs tērauds - tiek pilnībā dezoksidēts ar Mn, Si vai AI un kokilē sastingst mierīgi. Pusmierīgais tērauds - pēc reakciju veida kokilē un viendabīguma ir starpposms starp mierīgo un verdošo tēraudu. Viendabīgāks nekā verdošs tērauds, maza likvācija. Sarukums uzkausētam metālam rodas, samazinoties sakausējuma tilpumam atdzišanas un sacietēšanas procesā. Tā ietekmē veidojas sarukuma dobumi, rodas paliekošie spriegumi un plaisas. 9. DZELZS UN OGLEKĻA SAKAUSĒJUMI Pie dzelzs un oglekļa sakausējumiem pieder čuguns un tērauds. Čuguns ir pats lētākais mašīnbūves materiāls, kam piemīt labas liešanas īpašības. Bez tam, tas ir izejas produkts tērauda iegūšanai. Pamatinformācija par tērauda ražošanu Čuguns tiek iegūts no dzelzs rūdas ar kurināmā un kušņu palīdzību. Dzelzs rūda ir kalnu iezis, kas satur dzelzi pārstrādei piemērotā daudzumā. Dzelzs rūdās ir oksīdu veidā (Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 u.c.). Kā kurināmais čuguna ražošanā kalpo kokss un dabas gāze. Kušņi ir kaļķakmens, kas tiek izmantots, lai tukšos iežus, kaitīgos piemaisījumus pārveidotu izdedžos, kā arī lai no koksa aizvāktu pelnus un sēru. Pirms kausēšanas dzelzs rūda daļēji tiek atbrīvota no tukšajiem iežiem. Čuguns tiek kausēts domnu krāsnīs. Domnas krāsns uzbūve un darbība. Domnas krāsns ir izmūrēta ar ugunsizturīgiem ķieģeļiem, bet no augšas pārklāta ar tērauda apvalku. Mūsdienu domnu krāšņu augstums sasniedz 100 m, lietderīgais tilpums ir 5000 m 3, ražīgums t diennaktī. Domnas krāsns uzbūves shēma ir attēlota 6.zīm. Domnas krāsns sastāv no 5 galvenajām daļām: domnas mutes, šahtas, kausēšanas zonas, nokāpes un pavarda. Domnas mutē I tiek padotas izejvielas: rūda, kokss, kušņi. Šahtā II notiek rūdu izžāvēšana un dzelzs atjaunošana. Kausēšanas zonā III sākas metāla kušana un izdedžu veidošanās. Nokāpēs IV veidojas čuguns un izdedži. Vissvarīgākā domnas krāsns daļa ir pavards V. Pavardā ir domnas dūkas 1- iekārtas, kas kalpo karstā gaisa iepūšanai krāsnī, kurš nonāk no gaisa vada 2. Pavarda apakšējā daļā atrodas lūkas 3 izdedžu izlaišanai un lūkas 4 čuguna izlaišanai. Lielās domnu krāsnīs ir trīs vai četras lūkas čuguna izlaišanai, ar to tiek panākta metalurģiskā procesa nepārtrauktība. Gaisa uzkarsēšana līdz notiek gaisa sildītājos. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 12

13 6.zīm. Domnas krāsns uzbūves shēma: I - domnas mutē, II - šahta, III - kausēšanas zona IV nokāpe, V - pavards; 1- Furma, 2 gaisa vads, 3 tekne izdedžu izvadīšanai, 4 - tekne čuguna izvadīšanai. Domnu process. Čuguna iegūšana ir sarežģīts ķīmisks process. Tas sastāv no trim posmiem: dzelzs atjaunošanas no oksīdiem; dzelzs pārvēršanās par čugunu; izdedžu veidošanās. Dzelzs atjaunošana no rūdas notiek saskaņā ar shēmu: Fe 2 O 3 - Fe 3 O 4 -FeO-Fe. Daļu dzelzs oksīdu atjauno cietais koksa ogleklis. Iegūtā dzelzs savienojas ar koksa oglekli, kurš izkūst dzelzī vai veido ar dzelzi ķīmiskus savienojumus. Tiek iegūts dzelzs sakausējums ar oglekli. Kausēšanas procesā čugunā no rūdas nonāk silīcijs, mangāns un fosfors, no koksa- sērs. Rezultātā tiek iegūts sarežģīts dzelzs sakausējums ar oglekli un piemaisījumiem: mangānu, silīciju, sēru un fosforu, kas tiek dēvēts par čugunu. Bez čuguna kausēšanas procesā domnas krāsnī tiek iegūti izdedži, tie tiek izmantoti celtniecībā. Trešais kausēšanas produkts gāze - ir kurināmais. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 13

14 10. ČUGUNI. SASTĀVS, ŠĶIRNES, MARĶĒJUMS, PIELIETOJUMS Čuguns sastāv no dzelzs (līdz 92%) un oglekļa (no 2,14 līdz 6,67%), bez tam, ir silīcija (līdz 4,3%), mangāna (līdz 2%), sēra (līdz 0,07%), fosfora (līdz 1.2%) piejaukumi. Čuguna piemaisījumu ietekme uz tā īpašībām. Ogleklis čugunā mēdz būt divos veidos: 1) brīvā stāvoklī- grafīta veidā; 2) ķīmiskā savienojumā ar dzelzi, kas tiek dēvēts par cementītu. Ja ogleklis čugunā ir grafīta veidā, čuguns lauzuma vietā ir pelēkā krāsā un tas tiek saukts par pelēko; ja cementīta veidā- šis čuguns tiek saukts par balto. Silīcijs veicina pelēkā čuguna iegūšanu, bet mangāns- baltā. Sērs un fosfors ir kaitīgi piemaisījumi. Pelēkā un baltā čuguna īpašības krasi atšķiras. Baltie čuguni ir ļoti cieti un trausli, grūti izlejami un grūti apstrādājami ar instrumentiem, tie tiek pārkausēti tēraudā un tiek dēvēti par pārstrādājamiem čuguniem. Daļa no baltā čuguna aiziet kaļamā čuguna ieguvei. Pelēkie čuguni ir lejamie čuguni: tiem ir labas liešanas īpašības- šķidrā plūstamība, mīkstums, labi apstrādājami, pretojas nodilumam. Pelēkie čuguni ar augstu fosfora saturu (0,3-1,2%) ir šķidri plūstoši un tiek izmantoti mākslinieciskajiem lējumiem. Pelēkais čuguns ražošanā nonāk lējumu veidā un tam ir raksturīga izturība un cietība. Ir noteiktas sekojošas lējumu markas no pelēkā čuguna: СЧ , СЧ u.t.t. СЧ nozīmē pelēko čugunu. Pirmais skaitlis norāda izturības robežu (MPa) izmēģinājumā uz pārrāvumu, bet otrais- izturības robežu izmēģinājumā uz lieci. Piemēram, СЧ min stiprības robeža stiepē min stiprības robeža liecē 120 MN/m MN/m 2 Bez norādītajiem čuguniem tiek izmantoti leģētie čuguni, kuri līdz ar parastajiem piemaisījumiem satur leģējošus elementus: hromu, niķeli, titānu un citus. Šie elementi uzlabo cietību, izturību, nodilumizturību vai pretestību rūsēšanai u.t.t. Tie izšķirti hroma, titāna, niķeļa čuguni. Tie tiek izmantoti kloķvārpstu, automašīnu detaļu, virzuļu gredzenu, dīzeļu u.tml. izgatavošanā. Speciālajiem čuguniem jeb dzelzs sakausējumiem ir paaugstināts silīcija vai mangāna saturs. Pie tiem pieder ferromangāns, kas satur līdz 25% mangānu; ferrosilīcijs, kas satur 9-13% silīcija un 15-25% mangānu. Šie čuguni tiek izmantoti, kausējot tēraudu, lai to dezoksidētu, t.i. atņemtu tēraudam kaitīgo piemaisījumuskābekli. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 14

15 Kaļamie čuguni, kas tiek iegūti no baltā čuguna, ir plastiskāki par pelēko un tiek izmantoti lauksaimniecības tehnikā, ķēžu posmiem, bremžu klučiem u.t.t. Piemēram, markās КЧ 3308, КЧ , КЧ КЧ apzīmē kaļamo čugunu, pirmais skaitlis norāda izturības robežu uz pārrāvumu, otrais skaitlis pēc domu zīmes,- relatīvo pagarinājumu %, kas raksturo plastiskumu. КЧ min stiprības robeža stiepē relatīvais pagarinājums 370 MN/m 2 12 % Augsti izturīgie čuguni tiek izmantoti atbildīgākiem izstrādājumiem, nomainot tēraudu. Markās ВЧ450-5, ВЧ600-2, ВЧ ВЧ nozīmē augsti izturīgu čugunu, bet skaitļi nozīmē to pašu, ko kaļamā čuguna markās. Augsti izturīgais čuguns tiek iegūts, pievienojot šķidrajam čugunam magniju vai silikokalciju. ВЧ min stiprības robeža stiepē relatīvais pagarinājums 420 MN/m 2 12 % Čugunu mehāniskas īpašības (pēc ГОСТ ) 2. tabula Čuguna marka СЧ 10 СЧ 15 СЧ 25 СЧ 35 σ b, MN/m 2 σ 0.2, MN/m Relatīvais pagarinājums δ, % Cietība, HB Struktūra Ferīts Ferīts+perlīts Ferīts Ferīts ВЧ 35 ВЧ 45 ВЧ 60 ВЧ Ferīts Ferīts+perlīts Ferīts+perlīts Perlīts КЧ 30-6 КЧ КЧ 45-7 КЧ Ferīts+perlīts Ferīts+perlīts Ferīts+perlīts Pērlīts+ferīts ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 15

16 Saskaņā ar Vācijas standartu DIN čuguns apzīmē šādi: Pelēkais čuguns apzīmē GG. Piemēram, GG-2 (σ b =200MPa, δ=0,4%). Augstas stiprības čuguns apzīmē GGG. Kaļamos čugunus apzīmē GTS. 3. tabula Čugunu mehāniskās īpašības (pēc DIN) Īpašības GG GTS GGG Ķīmiskais sastāvs, % C SI Mn S Mg < < σ b, N/mm σ 0.2,, N/mm Relatīvais pagarinājums δ, % 0, Cietība,HB ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 16

17 11. TĒRAUDA IEGŪŠANAS PAŅĒMIENI NO ČUGUNA Tērauds ir vissvarīgākais rūpnieciskais materiāls. Tā galvenā atšķirība no pelēkā čuguna ir tā, ka tērauds satur mazāk oglekli (līdz 2,14%) un kaitīgos piemaisījumus. Lai iegūtu tēraudu, no čuguna jāaizvāc daļa oglekļa un šo piemaisījumu. Tērauda ražošanas galvenie paņēmieni ir: konvertora, martena un elektriskais. Konvertora paņēmiens. Skābekļa konvertora kausēšana balstās uz to, ka šķidrajam čugunam tiek pūsts cauri skābeklis, kas tiek pievadīts no augšas konvertorā. Konvertoru jauda sasniedz 350 t vienā kausēšanas reizē. Mūsdienīga 250 tonnīga konvertora augstums ir 9 m un diametrs ir 11 m. Konvertors ir uzstādīts uz statnēm un tam ir pagriešanas mehānisms. Konvertora apakšējā daļā ir noslēgts pamats, bet augšējā atvere, caur kuru tiek ielādēts čuguns, metāllūžņi un kušņi. 8.zīm.. Skābekļa konvertora uzbūves shēma: 1- vanna, 2- ūdensdzesējamā furma, 3- tekne čuguna izlieša- Skābekļa konvertora shēma ir attēlota 8.zīm. Atverē tiek ievadīta ar ūdeni dzesējama skābekļa dūka, kas ir uzstādīta m augstumā virs kausējuma līmeņa, un tiek sākts iepūst skābekli. Sākumā oksidējas silīcijs, mangāns un fosfors, kuri pāriet izdedžos. Izdedži tiek nolieti. Pēc tam tiek ievadīti kaļķi, lai sērs pārietu izdedžos. Vienlaikus izdeg ogleklis. Process norit, vētraini izdaloties siltumam, tāpēc nav nepieciešams kurināmais. Temperatūras sasniedz 2500 C. Kausēšanas beigās tēraudu dezoksidē, t.i. atņem skābekli no FeO. Kausēšana 250 tonnīgā konvertorā ilgst min. Skābekļa konvertora priekšrocības ir sekojošas: nav nepieciešami lielas kapitāla izmaksas, augsts ražīgums, tērauda kvalitāte nav sliktāka par to, kas tiek iegūta ar martena paņēmienu. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 17

18 Martena paņēmiens. Tērauds martenkrāsnīs tiek kausēts no pārstrādājamā čuguna un metāllūžņiem vai dzelzsrūdas. Tiek ievadīti kušņi, galvenokārt kaļķis. Kā kurināmais kalpo gāzes: domnu, koksu, dabas gāze, kā arī mazuts vai nafta. 9.zīm. Martena krāsns uzbūve Martenkrāsns uzbūves shēma ir attēlota 9.zīm. Krāsns galvenā daļa ir darba telpa A, ko ierobežo velve 1, apakšdaļa 11, aizmugurējā un priekšējā siena un galvas 3 no sāniem. Priekšējā sienā ir ielādes logi 2, kas tiek aizvērti ar aizvariem. Caur ielādes logiem tiek pielādēta krāsns, ņemtas proves, novērots process. Aizmugurējās sienas apakšējā daļā ir viena vai divas atveres izdedžu un tērauda izlaišanai. Simetriski izvietotajās krāsns galvās, ir kanāli 4 un 5, caur kuriem krāsnī tiek ievadīta gāze (vai nafta) un gaiss, kā arī tiek izvadīti sadegšanas produkti. Gāzes un gaisa uzkarsēšana notiek reģeneratoros 6 un 7, kuriem ir ugunsizturīgs uzgalvis ar vertikāliem kanāliem. Apakšējā daļā reģeneratori ir savienoti ar kanāliem 8 un 9, pa kuriem tiek pievadīta gāze un gaiss un tiek novadīti sadegšanas produkti. Periodiski pārslēdzot vārstus 10, tiek mainīts gāzes un gaisa un novadāmo sadegšanas produktu virziens. Uzkarsējot gāzi un gaisu, krāsnī tiek sasniegta apmēram 2000 C temperatūra. Martena process ietver kausēšanu, vārīšanos un dezoksidēšanu. Kausēšanas laikā oksidējas silīcijs, mangāns, sērs un fosfors. Oksīdi, savienojušies ar kušņiem, pāriet izdedžos. Pēc tam izdeg ogleklis un notiek metāla vārīšanās. Vārīšanās procesā tiek veikta ķīmiska kontrole. Kausēšanas beigās tēraudu dezoksidē. Atkarībā no krāsns tilpuma process ilgst 6-14 stundas. Pēc dezoksidēšanas rakstura tērauds tiek iedalīts vārošajā, pusmierīgajā un mierīgajā. Vārošais tērauds ir mazāk blīvs. Tajā ir gāzu ieslēgumi, tas tiek izmantots mazāk svarīgām detaļām. Mierīgajā tēraudā gāzu nav, tas ir blīvāks, tiek izmantots pretatsperēm, kloķvārpstām. Pusmierīgajā tēraudā ir nedaudz gāzu, no tā tiek izgatavotas stieples un tiltu konstrukcijas. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 18

19 10.zīm. Loka elektrokrāsns Kausēšana elektriskajās krāsnīs. Kausēšana ar elektrību ir vissvarīgākais augstas kvalitātes tērauda iegūšanas paņēmiens svarīgu mašīnu un instrumentu detaļu izgatavošanai. Tam ir virkne priekšrocību, salīdzinot ar kausēšanu ar martena un skābekļa konvertora paņēmienu. Augstā temperatūra ļauj ievadīt lielu kušņu daudzumu, kas nodrošina pilnīgāku sēra un fosfora aizvākšanu. Kausēšana ar elektrību notiek loka un indukcijas krāsnīs. Moderno loka elektrisko krāšņu (10.zīm.) jauda sasniedz 200 t vienā kausējumā. Tērauds tiek kausēts no metāllūžņiem, pievienojot čugunu (bagātināšanai ar oglekli), plāvu un dzelzsrūdu (piemaisījumu oksidēšanai). Kausēšanas procesa būtība ir sekojoša. Pēc krāsns pielādēšanas elektrodiem tiek pievadīta strāva, rodas loks ar temperatūru 3500 C. Sākas materiālu kušana. Oksidējas silīcijs, mangāns, fosfors, t.i. visi piemaisījumi, izņemot sēru. Oksīdi pāriet izdedžos, kas tiek nolieti, pēc tam notiek metāla piesātināšana ar oglekli un tā dezoksidēšana. Pēc tam tiek aizvākts sērs. Kausēšanas nobeigumā tērauds tiek galīgi dezoksidēts un novests līdz vajadzīgā sastāva iegūšanai. Kausējot leģētu tēraudu krāsnī tiek ievadīti speciāli dzelzs sakausējumi. 12. ĪSAS ZIŅAS PAR AUGSTAS KVALITĀTES TĒRAUDA VISJAUN- ĀKAJĀM IEGŪŠANAS METODĒM Ar elektroizdedžu paņēmienu tiek iegūti augstas kvalitātes leģēti tēraudi. Šim nolūkam parastā tērauda lietnis tiek pārvērsts par elektrodu. Cauri tam plūstošās strāvas lielās pretestības rezultātā izdalās liels siltuma daudzums, tāpēc elektrods kūst. Katrs izkausētā metāla piliens iziet cauri īpašu šķidru izdedžu slānim un attīrās no kaitīgajiem piemaisījumiem un gāzēm. Cits paņēmiens ir liesmu- loka pār- ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 19

20 kausēšana. Par siltuma avotu šeit kalpo plazmas loks ar temperatūru līdz C. Izmantojot elektronu staru pārkausēšanu, kausēšana notiek augstsprieguma kobalta lielgabala izstarotu elektronu plūsmas iespaidā, kausēšanas telpā radot dziļu vakuumu. Visu šo paņēmienu priekšrocība ir iespēja iegūt ļoti augstas tīrības tēraudu un sakausējumus, kā arī tēraudu bez defektiem, kura pielietošana krasi samazina metāla patēriņu, atvieglo konstrukciju masu, palielina to drošumu un kalpošanas ilgumu. Šāds tērauds ir nepieciešams atomu, reaktīvajai, kosmiskajai tehnikai. 13. TĒRAUDA KLASIFIKĀCIJA PĒC SASTĀVA, PIELIETOJUMA UN KVALITĀTES Pēc sastāva tērauds tiek iedalīts oglekļa un leģētajā tēraudā. Oglekļa tērauds ir dzelzs sakausējums ar oglekli (līdz 2,14%) ar silīcija, mangāna, sēra un fosfora piemaisījumiem. Galvenais elements, kas nosaka šī tērauda īpašības, ir ogleklis. Elementu saturs tēraudā (%): Fe- 99; C- līdz 2,14; Si- 0,15-0,35; Mn- 0,2-0,8; S- līdz 0,07; P- līdz 0,07. Tēraudā esošais ogleklis paaugstina cietību, izturību, samazina plastiskumu un pretestību triecienu slodzēm. Silīcijs un mangāns, ja ir nelielā daudzumā, tērauda īpašības neietekmē. Sērs un fosfors ir kaitīgi piemaisījumi. Sērs (savienojuma FeS veidā) izraisa sarkankvēles trauslumu, t.i. trauslumu augstās temperatūrās, palielina nogurumu, samazina noturību pret koroziju. Tomēr vienlaikus sērs uzlabo apstrādājamību, tāpēc ar automātiskajiem darbagaldiem tiek apstrādāts tērauds ar sēra saturu līdz 0,2%. Fosfors tēraudam piešķir augstu trauslumu (trauslumu aukstā stāvoklī) pie parastām temperatūrām. Fosfora ietekme ir īpaši negatīva, ja oglekļa saturs ir augsts. Kaitīgs piemaisījums ir arī skābeklis. 14. OGLEKĻA TĒRAUDI. ĪPAŠĪBAS, MARĶĒJUMS, PIELIETOJUMS Oglekļa tērauds tiek klasificēts pēc pielietojuma un kvalitātes. Pēc pielietojuma tas iedalās konstrukciju un instrumentālajā tēraudā. Par konstrukciju oglekļa tēraudu tiek saukts tāds tērauds, kas satur līdz 0,6% oglekļa (kā izņēmums tiek pieļauts līdz 0,85%). Pēc kvalitātes konstrukciju oglekļa tērauds iedalās divās grupās: parastās kvalitātes un kvalitatīvais tērauds. Parastās kvalitātes tērauds tiek izmantots mazāk atbildīgu celtniecības konstrukciju, stiprināšanas detaļu, lokšņu velmējumu, kniežu, cauruļu u.t.t. izgatavošanā. Kvalitatīvs konstrukciju tērauds tiek izmantots detaļām, kas darbojas paaugstināta spiediena apstākļos un kam nepieciešama triecienizturība: zobratiem, skrūvēm, cementēšanai paredzētām detaļām u.t.t. Kvalitatīvā tēraudā ir mazāk sēra un fosfora, nekā parastajā. Parastās kvalitātes konstrukciju oglekļa tērauds iedalās trīs grupās: A grupa, kas tiek piegādāta pēc mehāniskajām īpašībām, Б grupa, kas tiek piegādāta pēc ķīmiskā sastāva, B grupa, kas tiek piegādāta pēc mehāniskajām īpašībām un ķīmiskā sastāva. A grupas tēraudam ir noteiktas sekojošas markas: СтО, Ст1, Ст3, u.t.t. A grupas tērauda īpašības nosaka izturības robeža un plastiskums. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 20

21 Б grupas tēraudam ir noteiktas markas: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Oglekļa saturs (%):БСт0- ne vairāk kā 0,23; БСт1-0,06-0,12; БСт2-0,09-0,15, БСт3-0,14-0,22; БСт4-0,18-0,28; БСт5-0,28-0,37; БСт6-0,35-0,45. Sēra saturs ir 0,04%, fosfors 0,05%. B grupas tērauds ir uzlabots, ar augstākām mehāniskām īpašībām, tiek apzīmēts ar markām: BСт1, BСт2, BСт3, BCт4, BСт5. Ar burtiem Ст apzīmē tēraudu, ar skaitļiem- markas nosacīto numuru atkarībā no tērauda ķīmiska sastāva un mehāniskām īpašībām, kaut gan skaitlis šajos tēraudos nenorāda oglekļa skaitlisko saturu. Burti Б un B markas priekšā norāda tērauda piederību grupai, burts A markas priekšā neuzrāda. Kvalitatīvais konstrukciju oglekļa tērauds tiek piegādāts pēc ķīmiskā sastāva un mehāniskajām īpašībām. Saskaņā ar GOST ir noteiktas sekojošas kvalitatīvā konstrukciju oglekļa tērauda markas: 05кп, 08кп, 08сп, 08, 10кп, 10сп, 10пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г. Divi cipari markā norāda vidējo oglekļa saturu procenta simtdaļās, burts Г apzīmē paaugstinātu mangāna saturu, kas uzlabo nodilumizturību. Indekss кп apzīmē verdošu tēraudu, пс- pusmierīgo, сп- mierīgo. Kvalitatīvais konstrukciju tērauds tiek pielietots asu, bultskrūvju, klaņu, kloķvārpstu, darbvārpstu u.t.t. izgatavošanā. Pie konstrukciju oglekļa tēraudiem pieder arī automātu tērauds, ar paaugstinātu sēra saturu. Šī tērauda markas: A12, A20, AЗO, A35, A40. Burts A markas sākumā apzīmē automātu tēraudu; skaitlis aiz burta norāda oglekļa saturu procenta simtdaļās. Sēra saturs- no 0,06 līdz 0,2%, fosfora- no 0,06 līdz 0,15%. No šī tērauda uz automātiskajiem darbagaldiem tiek izgatavoti sīki mazāk atbildīgi stiprinājumi. Par instrumentu oglekļa tēraudu tiek dēvēts tērauds, kas satur 0,7% un vairāk oglekli. Tam ir raksturīga cietība un izturība. Šis tērauds tiek iedalīts kvalitatīvajā un augsti kvalitatīvajā. Kvalitatīvā tērauda markas: У7, У8, У8Г, У9, У10, u.tml.; augstas kvalitātes tērauda markas: У7A, У8A, У8ГA, У9A, У10A, u.tml. Burts У apzīmē oglekļa instrumentālo tēraudu. Aiz burta У esošie cipari norāda vidējo oglekļa saturu procenta desmitdaļās. Burts A markā apzīmē augstas kvalitātes tēraudu. Burts Г nozīmē paaugstinātu mangāna saturu. Kvalitatīvajā tēraudā ir ne vairāk kā 0,03% sērs, ne vairāk kā 0,035% fosfors; augstas kvalitātes tēraudā- 0,02% sērs, 0,03% fosfors. Pēc cietības kvalitatīvai un augstas kvalitātes tērauds neatšķiras, bet augstas kvalitātes tēraudi ir mazāk trausli, labāk iztur triecienu slodzes. No instrumentālā oglekļa tērauda tiek izgatavoti cirtņi, āmuri, vīles, urbji, skrūvgrieži, štances u.t.t. Pie oglekļa tērauda trūkumiem pieder: nav cietības un izturības apvienojuma ar plastiskumu; cietības un izturības zaudēšana pie 200 C; augsts termiskās izplešanās koeficients; zema izturība pret koroziju. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 21

22 15. OGLEKĻA TĒRAUDU MARĶĒŠANA PĒC EN Saskaņā ar Eiropas standartu EN Tēraudu šķirņu noteikšana un klasifikācija tēraudu klasifikācija veic pēc šādām galvenajām pazīmēm: ķīmiskā sastāva neleģēti un leģēti tēraudi. Neleģēts tērauds ir tāds tērauds, kurā atsevišķu elementu noteicošais saturs nesasniedz maksimālo robežvērtību, kas dota šiem elementiem un to apvienojumiem 4.1 tabulā un tās piezīmēs. Neleģētie tēraudi tiek dalīti trīs kvalitātes klasēs: bāzes (pamat) tēraudi ; kvalitatīvie tēraudi ; peciālie tēraudi ; Ķīmisko elementu robežvērtību saturs tēraudu klasifikācijai neleģētos un leģetos 4. tabula Dotie elementi Maksimālā robežvērtība (masas daļa %) Al Alumīnijs 0,10 B Bors 0,008 Bi Bismuts 0,10 Co Kobalts 0,10 Cr Hroms 0,30 Cu Varš 0,40 La Lantanīdi 0,05 (atsevišķa novērtēšana) Mn Mangāns 1,65 Mo Molibdēns 0,08 Nb Niobijs 0,06 Ni Niķelis 0,30 Pb Svins 0,40 Se Selēns 0,10 Si Silīcijs 0,50 Te Telūrs 0,10 Ti Titāns 0,05 V Vanādijs 0,10 W Volframs 0,10 Zr Cirkonijs 0,05 Citi elementi ( izņemot oglekli, fosforu, sēru, slāpekli ) 0,05 ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 22

23 Neleģētie bāzes tēraudi - tie ir tēraudi ar tādām kvalitātes prasībām, kuru izpildei nav vajadzīgi speciāli pasākumi ražošana un kuri atbilst sekojošiem nosacījumiem : a)tēraudi nav paredzēti termiskai apstrādei ( standartā EN atkvēlināšana nepilnīga atkvēlināšana, atlaidināšana spriegumu noņemšanai un normalizācija netiek uzskatīti par termisko apstrādi); b)tēraudi atbilst standartu vai piegādes nosacījumiem neapstrādātā vai normalizētā stāvoklī robežās, kuras norādītas apakšējā tabulā; c)nav dotas specifiskas kvalitātes pazīmes (piemēram, derīgums dziļai stiepšanai, profilēšanai aukstā stāvoklī u.tml.). d)leģējošiem elementiem (izņemot silīciju un mangānu) nav dotas citas satura vērtības, kuras ir norādītas augšējā tabulā. Neleģētie kvalitatīvie tēraudi tie ir tēraudi, kuri nav bāzes vai speciālo tēraudu grupās, un kuriem vispār nav prasības tīrības pakāpei attiecībā uz nemetāliskiem ieslēgumiem un virsmas termiskās apstrādes iespējai. Tomēr ņemot vērā ekspluatācijas slodzes, šiem tēraudiem tiek noteiktas stingrākas prasības nekā bāzes tēraudiem. Neleģētie speciālie tēraudi - tie ir tēraudi, kuri atšķiras no kvalitatīviem tēraudiem ar paaugstinātu tīrību attiecībā uz nemetāliskiem ieslēgumiem, stingrākām novirzēm un ķīmiskā sastāva šaurākām robežām, izgatavošanas tehnoloģijas un kontroles noteikumiem.ar to tiek sasniegtas tādas īpašības, kā, piemēram, augsta un šauri ierobežota stiprība un caurrūdamība kopā ar augstām prasībām deformēšanās spējām, stigrībai, metināšanas derīgumam. Šie tēraudi galvenokārt paredzēti virsmas rūdīšanai un atšķiras ar zemu caurrūdamību. Ķīmisko elementu robežvērtību saturs bāzes tēraudu klasifikācijai. 5. tabula Prasības Veids Derīgs biezumam, mm Rādītāju robežvērtības -minimālā stiprības robeža N/mm 2 -minimāla tecēšanas robeža N/mm 2 -minimālais relatīvais pagarinājums % -Minimālais dorna izmērs 3 1 x e -Minimālais trieciena enerģijas J pārbaudēs uz garenvirziena paraugiem pēc ISO-V pie 20ºC -Maksimāli pieļaujamais C saturs 0,10 % -Maksimāli pieļaujamais P saturs 0,045 % -Maksimāli pieļaujamais S saturs 0,045 % ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 23

24 Eiropas standarts EN Tēraudu apzīmējumu sistēma. 1.daļa : Tēraudu nosaukumi un galvenie simboli nosaka tēraudu burtu skaitlisko apzīmējumu. Tēraudu apzīmēšanai tie ir klasificēti divās pamata grupās : 1. grupa tēraudi, kuri ir apzīmēti pēc to pielietošanas un mehāniskajām vai fiziskajām īpašībām ; 2. grupa tēraudi, kuri ir apzīmēti saskaņā ar to ķīmisko sastāvu. Neleģētos tēraudus (oglekļa tēraudus) apzīmē gan pēc to pielietošanas un mehāniskajām vai fiziskajām īpašībām, gan pēc ķīmiskā sastāva. Pēc ķīmiskā sastāva neleģētos tēraudus ar mangāna vidējo saturu mazāku par 1 % apzīmē šādi : C 22 Burts C skaitlis, kas apzīmē vidējo oglekļa saturu šajā gadījumā C = 0.22 % Piemēram : C35, C45,C60. Pēc pielietošanas un mehāniskajām vai fiziskajām īpašībām neleģētos tēraudus apzīmē šādi : S 355 J2 G4 Tērauda simbols S P L F Tērauds Vispārējās nozīmes konstrukciju tērauds Terauds tvertnēm, kas strādā zem spiediena Terauds cauruļvadu izgatavošanai Mašīnbūves tērauds Minimāla tecēšanas robeža; N/ mm 2 Trauslas sagraušanas darbs, J Dezoksidācijas pakāpe Tātad, 355 min tecēšanas robeža 355 N/mm ; J2 trauslas sagraušanas darbs 27 J, pārbaude pie temperatūras - 20, var būt ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 24

25 Triecienenerģija, Džouli (J) Pārbaudes temperatūra 27J 40J 60J C JR KR LR +20 JO KO LO 0 J2 K2 L2-20 J3 K3 L3-30 J4 K4 L4-40 J5 K5 L5-50 J6 K6 L tabula G4 - mierīgs tērauds, kura dezoksidācijas paņēmienu nosaka pats tērauda ražotājs. Apzīmējumā beigās var būt vēl simboli, piemēram: N tērauds pēc normalizācijas (termiskās apstrādes). 16. LEĢĒTIE TĒRAUDI. ĪPAŠĪBAS, MARĶĒJUMS UN PIELIETOJUMS Leģētajos tēraudos līdz ar parastajiem piemaisījumiem ir leģējošie elementi: hroms, volframs, molibdēns, niķelis, kā arī lielā daudzumā silīcijs un mangāns. Leģētajam tēraudam piemīt ļoti vērtīgas īpašības, kādas nav oglekļa tēraudam, un nav tā trūkumu. Leģējošie elementi daudzpusīgi ietekmē tērauda īpašības. Hroms paaugstina cietību, samazina rūsēšanu; niķelis nodrošina augstu izturību un plastiskumu, izturību pret koroziju; volframs palielina cietību un sarkankvēles izturību; vanādijs paaugstina blīvumu, izturību, pretestību triecieniem, nodilumam; kobalts paaugstina karstumizturību un magnētisko caurlaidību; molibdēns palielina sarkankvēles karstumizturību, izturību, pretestību oksidācijai augstās temperatūrās; mangāns, ja tā saturs pārsniedz 1%, palielina cietību, nodilumizturību, izturību pret triecienu slodzēm; titāns paaugstina izturību, pretestību korozijai; alumīnijs paaugstina izturību pret plāvu; niobijs paaugstina izturību pret skābēm; varš samazina koroziju. Tēraudā tiek ievadīts arī bors, selēns, slāpeklis, cirkonijs. Leģētajā tēraudā var vienlaikus būt vairāki leģējoši elementi. Pēc leģējošo elementu satura leģētais tērauds iedalās: mazleģētajā- ne vairāk kā 2,5% leģējošo elementu; vidēji leģētajā- 2,5-10%; augsti leģētajā- virs 10%. Pēc leģēšanas mērķa tērauds iedalās trīs grupās: konstrukciju tērauds, instrumentālais tērauds, tērauds ar sevišķām fizikāli ķīmiskajām īpašībām. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 25

26 17. LEĢĒTO TĒRAUDU MARĶĒŠANA PĒC ГОСТ (GOST) Leģētā tērauda marķējumā ir pieņemti leģējošo elementu sekojošie burtu apzīmējumi: X- hroms, H- niķelis, A- slāpeklis, B- volframs, E- selēns, Г- mangāns, Д- varš, Б- niobijs, P- bors, П- fosfors, Ю- alumīnijs, M- molibdēns, K- kobalts, Ц- cirkonijs, Ф- vanādijs. Šie burti kombinācijā ar cipariem veido tērauda marku. Standartā ir paredzēti burti, kas raksturo veselu tēraudu grupu: P- ātri griezošie, Ш- lodīšu gultņu; E un Э- magnētiskie. Burtu un ciparu kombinācija raksturo leģēto tēraudu. Ja markas priekšā atrodas divi cipari, tie norāda vidējo oglekļa saturu procenta simtdaļās. Viens cipars markas sākumā nozīmē vidējo oglekļa saturu procenta desmitdaļās. Ja markas sākumā nav cipara, tādā gadījumā oglekļa daudzums ir apmēram 1%. Cipari, kuri seko aiz burtiem, rāda attiecīgā elementa vidējo saturu procentos. Ja aiz burta nav cipara, tādā gadījumā šī elementa saturs ir apmēram 1%. Burts A markas beigās apzīmē augstas kvalitātes tēraudu, kas satur mazāk sēra un fosfora. Piemēram, 12X2H4A ir leģētais tērauds, augstas kvalitātes, ar oglekļa saturu 0,12%, hroma 2%, niķeļa 4%; tērauds Г13- leģētais tērauds ar oglekļa saturu 1% un mangāna 13%. Tēraudu grupai, kas apzīmēti ar vienu burtu Р, Ш, Е, Э, marķējuma noteikumi neder. Par tiem tiks stāstīts vēlāk. Konstrukciju leģētais tērauds saskaņā ar ГОСТ iedalās trīs grupās: kvalitatīvais tērauds, augstas kvalitātes tērauds, īpaši augstas kvalitātes. Augstas kvalitātes tērauds tiek apzīmēts ar burtu A markas beigās, bet īpaši augstas kvalitātes tērauds- ar burtu Ш aiz defises. Piemēram, 12XH3A- augstas kvalitātes tērauds, bet 30ГС-Ш - īpaši augstas kvalitātes tērauds. Kvalitatīvajā tēraudā tiek pieļauts sēra saturs līdz 0,025%, bet augstas kvalitātes tēraudā- līdz 0,015%. Konstrukciju leģētā tērauda pielietojuma joma ir ļoti plaša. Visplašāk ir izplatīti sekojošie tēraudi. Hroma tēraudi, tiem piemīt laba cietība, izturība, ir salīdzinoši lēti. Pie tiem pieder sekojošu marku tēraudi 15X, 20X, 30X, 45X, boru saturošie 40XP, ar cirkoniju 40XЦ. Mangāna tēraudi, piemēram 15Г, 20Г, 40Г, 45Г2, tiem ir raksturīga nodilumizturība. Īpaši nodilumizturīgs ir Г13 markas tērauds, kuru izmanto traktoru kāpurķēdēm, dzelzceļu pārmijām. Silīcija un hroma- silīcija tēraudi (33XC, 55XC), kam piemīt augsta cietība un elastība, tiek izmantoti atsperēm, pretatsperēm. Hroma- vanādija tēraudi (45ЧФ, 40ХВА) ir īpaši izturīgi, blīvi, labi pretojas noberšanai, tiek izmantoti automašīnu detaļām, asīm, vārpstām. ESF projekts 2010/0104/1DP/ /09/APIA/VIAA/021 26