Черные и цветные сплавы. Что определяет их свойства? Большинство производственников полагают, что зная элементарный химический состав сплава, можно с уверенностью говорить о его механических свойствах, определиться с маркой сплава, и применять в производственных условиях для изготовления деталей с заданными свойствами.
На самом деле, это не так. Свойства сплавов определяются не элементарным хим. составом, а формой в которой находятся те или иные химические элементы. Поэтому, при производстве сплавов, основной задачей является подобрать режимы, технологию изготовления сплавов, которая обеспечит образование хим. соединений задающих нужные физические свойства. Самым простым примером является форма в которой находится углерод в черных сплавах: либо в виде графита (сталь преимущественно мягкая и легко обрабатывается), либо в виде карбидов железа или легирующих элементов, которые придают твердость.
Поэтому, работа химической лаборатории (в основном на металлургических предприятиях) призвана выяснить не только элементарный химический состав, но и форму химических соединений в которой находится тот или иной элемент.
Лет 10 назад, я посещал конференцию, организованную в одном из областных центров Украины, цель которой, познакомить работников лабораторий с современными аналитическими приборами. На конференции были рассмотрены газоанализаторы углерода, серы, азота, рентгенофлуоресцентные аналитические приботы, стилоскопы, спектрометры. Основной положительной характеристикой этих приборов, является то, что они очень быстро определяют элементарный химический состав сплава, с высокой точностью. А основным недостатком - "космическая цена", от 30000$ и низкая информативность. Например, менеджер, проводивший конференцию, пришел в замешательство и не смог ответить на вопрос: "Существуют ли современные приборы, способные определить карбидный состав стали?".
В моей Лаборатории химического анализа черных и цветных сплавов, применяются в основном классические методы химического анализа для определения хим. состава сплавов - ручной труд. Это долго, трудно, требует высокой концентрации внимания, знаний, опыта. Но информативность таких методов гораздо выше чем у современных приборов. В моей практике, неоднократно возникали ситуации, в которых при стандартном химическом составе, сильно менялись механические свойства сплава. Как пример, могу привести случай, когда в нашу лабораторию обратилась частная литейная компания, с просьбой провести химический анализ сплава алюминия. Несмотря на то, что компания имеет переносной спектрометр, который показал, что элементарный хим. состав данной партии алюминия соответствует ГОСТу, у них возникли сомнения в качестве этой партии, на основе результатов механических испытаний, которые не соответствовали стандарту. Проведенная нами работа, подтвердила результаты по хим. составу алюминия. Но, в процессе хим. анализа, при растворении навесок алюминия в кислоте, наблюдались микро взрывы (вспышки с характерным звуком). Именно на основе этого наблюдения, удалось определить что кремний в сплаве находится в виде силицидов магния и алюминия, и дать заключение о нарушении технологии изготовления сплава - был нарушен порядок закладки компонентов сплава в плавильный тигель.
Касательно черных сплавов, в реальных производственных условиях, актуальным является вопрос о форме углерода в сплаве.
Отдельное значение имеет послойный анализ образца сплава. Современные приборы выполняют эту работу чрезвычайно быстро и эффективно, отрисовывая 3D-график на экране монитора. Но, еще в 40х годах 20 века, известный Советский химик Тананаев, разработал отдельную методику "Безстружковый метод химического анализа сплавов". Основным назначением этого метода, было его применение в полевых условиях, для маркировки и сортировки сплавов, после боя во время второй мировой. Отдельным направлением его метода является послойный химический анализ сплава, который позволял определять хим. состав оддельных слоев исследуемой детали химическими методами. Ну и естественно в его методе описаны методики определения карбидного состава сталей.
Обычно, в лабораторных условиях, методики определения массовой доли химических элементов в сплаве определены ГОСТами. Но на практике, мы пользуемся и другими источниками: специальной литературой, практикумами по хим. анализу сплавов, ну и конечно же собственным опытом.
В зависимости от типа сплава, методики определения одного и того же хим. элемента заметно отличаются. Например, в сплавах на основе меди (латуни, бронзы), массовая доля меди определяется электролитическим осаждением меди на платиновых электродах, в сталях, применяется йодометрический метод из за малого содержания меди. Кремний, при высоком его содержании в сплаве, мы применяем гравиметрический метод с прокаливанием, а вот при малых его количествах - фотоколориметрический. Такой же подход применяется и для других элементов. Выбор методики определяется ожидаемой массовой долей элемента. Если его лишь следы - применяется высокочувствительная реакция, в основном цветная. Если образец сплава неизвестной марки, сначала делается полуколичественный анализ (на глаз) с применением стилоскопа или качественных реакций.
Литература по химическому анализу металлов и сплавов.
Практическое руководство по неорганическому анализу. В.Ф. Гиллебранд, Г.Э. Лендель, Г.А. Брайт, Д.И. Гофман, под. ред. Ю.Ю. Лурье, изд. "Химия", Москва, 1966 г. изд. 3-е
Очень интересная и полезная книга, которая дает общее представление о методиках определения тех или иных химических элементов (практически вся таблица Менделеева изложена на 1111 с). В основном книга предназначена для геологический химических лабораторий, проводящих анализ горных пород, но многие рекомендации настолько полезны, что применимы и к методикам анализа сплавов. В книге излагаются тонкости методов анализа элементов..., например определение марганца методом Фольгарда и все его тонкости, которые работают на практике.
Анализ черных металлов, сплавов и марганцевых руд. Степин В.В., Силаева Е.В., Курбатова В.И., Федорова Н.Д. и др. изд. "Металлургия", 1971, 2-е изд. 392 с.
Также, очень полезная книга. Изложены методики определения основных химических элементов в черных сплавах. В том числе и Ванадий, Вольфрам, Молибден. Самое главное, что их практическая реализация осуществляется просто на отлично: сходятся результаты контрольных анализов по стандартным образцам химического состава, и воспроизводимость отличная (сегодня это редкость для хим. методик).
Химический анализ черных металлов. Коростелев П.П. М. "Металлургия", 1979, 272 с.
Книга предназначена для профессионально технических училищ, занимающихся подготовкой лаборантов цеховых лабораторий. Книга хорошая, можно почерпнуть основные знания о практической работе в лаборатории, правилах взятия навески, рассмотрены общие принципы различных методик химического анализа.
Сборник стандартов. Цветные металлы и сплавы. Методы испытаний. В 2-х томах, М. 1964
Сборник старых ГОСТов - методик химического анализа цветных сплавов - без комментариев, бесценная литература. Хотя ГОСТы и устарели, но методики актуальны и сегодня, чаще всего, новые методики химического анализа, просто переписывают со старых ГОСТов.
Есть и совсем раритетные:
ГОСТ 1953-54 Бронзы оловянные. Методы определения химического состава. М. 1955
ГОСТ 1762-51 Силумин в чушках. Методы химического анализа. М., 1955
Вот подборка современных ГОСТов по алюминиевым сплавам:
ГОСТ 11739.6-99 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения железа.
ГОСТ 11739.7-99 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения кремния.
ГОСТ 11739.11-98 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения магния.
ГОСТ 11739.12-99 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения марганца.
ГОСТ 11739.13-99 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения меди.
ГОСТ 11739.24-99 Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые. Методы определения цинка.
Предприятие заменило сталь 09Г2С на сталь optima 700 ms. Искал в интернете хим. состав, механические свойства - информации очень мало. Находится только пропиаренная реклама этой стали. Посмотрим, что оно такое...
Стали Optim механические свойства (жалко что нельзя в виде таблицы оформить):
Optim 600 MC
Толщина листа: 2,2 - 10,0 мм;
Предел текучести ReH или Rp0,2МПа не менее: 600;
Предел прочности на разрыв Rm МПа: 650 - 810;
Удлинение % не менее: А801 - 12; А5 - 16;
Ударная вязкость продольный минимум: t˚C - -20; V-образный надрез по Шарпи, Дж - 40;
Optim 650 MC
Толщина листа: 2,5 - 10,0 мм;
Предел текучести ReH или Rp0,2МПа не менее: 650 2;
Предел прочности на разрыв Rm МПа: 700 - 870;
Удлинение % не менее: А80 - 12; А5 - 15;
Ударная вязкость продольный минимум: t˚C - -20; V-образный надрез по Шарпи, Дж - 40;
Optim 700 MC
Толщина листа: 3,0 - 10,0 мм;
Предел текучести ReH или Rp0,2МПа не менее: 700 2;
Предел прочности на разрыв Rm МПа: 750 - 940;
Удлинение % не менее: А80 - -; А5 - 13;
Ударная вязкость продольный минимум: t˚C - -20[sup]3)[/sup]; V-образный надрез по Шарпи, Дж - 403;
Optim 700 MC Plus
Толщина листа: 6,0 - 12,0 мм;
Предел текучести ReH или Rp0,2МПа не менее: 700 4;
Предел прочности на разрыв Rm МПа: 750 - 940;
Удлинение % не менее: А80 - -; А5 - 13;
Ударная вязкость продольный минимум: t˚C - -60; V-образный надрез по Шарпи, Дж - 40;
Optim 500 MC и 700 MC: Предел текучести и предел прочности на разрыв испытываются вдоль направления прокатки и гарантируются в продольном и поперечном направлениях. Относительное удлинение проходит испытание вдоль направления прокатки.
Ударная вязкость проходит испытание с помощью V-образного надреза по Шарпи согласно EN ISO 148-1:2010. Требуемое значение 40 Дж предполагает, что испытания проведены с помощью продольных стандартных испытательных образцов 10 х 10. В случае испытания толщины менее 10 мм ширина испытательных образцов соответствует толщине полосы, и требуемые значения уменьшаются в прямой зависимости от площади поверхности испытательного образца.
Испытания на ударную вязкость не проводятся для толщины менее 6 мм.
1 Относительное удлинение А80 используется для толщины менее 3 мм.
2 Для толщины (8) - 10 мм минимальный предел текучести может быть 20 МПа и ниже.
3 По отдельной договоренности марка стали Optim 700 MC также может быть доставлен с гарантируемой ударной вязкостью V-образный надрез по Шарпи 29 Дж при температуре -40˚С.
4 Для толщины (8) - 12 мм предел текучести может быть 20 МПа и ниже.
Optim 700 MC Plus: предел текучести, предел прочности на разрыв и относительное удлинение испытываются вдоль направления прокатки. Ударная вязкость также проходит испытание вдоль направления проката, но гарантируется в продольном и поперечном направлениях.
Химический состав сталей Optim, % (ковшевая проба):
Optim 500 MC: C - не более 0.10; Si - не более 0.20; Mn - не более 1.50; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0,36
Optim 550 MC: C - не более 0.10; Si - не более 0.20; Mn - не более 1.70; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0.38
Optim 600 MC: C - не более 0.10; Si - не более 0.20; Mn - не более 1.90; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0.41 (при толщине 2,2 - 4,6 мм, CEV - не более 0,45)
Optim 650 MC: C - не более 0.10; Si - не более 0.20; Mn - не более 2.00; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0.41
Optim 700 MC: C - не более 0.10; Si - не более 0.20; Mn - не более 2.10; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0,41
Optim 700 MC Plus: C - не более 0.10; Si - не более 0.50; Mn - не более 2.10; P - не более 0.020; S - не более 0.010; Al - не более 0.015; CEV - не более 0,40 (пи толщине 6 - 10 мм, среднее значение CEV - 0.37, а максимальное - 0,40; при толщине (10) - 12 мм, среднее значение CEV - 0,40, максимальное - 0,44)
Дополнительно в качестве легирующих элементов (самостоятельно или в сочетании) используется ниобий (Nb), ванадий (V), молибден (Mo), титан (Ti) или бор (B)
Значение углеродного эквивалента (CEV): CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
Твердость образца optim 700 mc: 26 HRC (255 HB)
Химический анализ образца стали optim 700 mc показал следующий состав:
С - 0.040%
Cr - 0.051%
Si - 0.17%
Mn - 1.76%
Ni - /
Al - 0.04%
P - 0.01%
S - 0.008%