Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание 4. Стали и чугуны 4.2. Углеродистые конструкционные стали 4.3. Углеродистые инструментальные стали (гост 1435-99) 4.4. Легированные конструкционные стали 4.5. Стали и сплавы с особыми свойствами 4.6. Легированные инструментальные стали

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2836.1kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2979.19kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2143.51kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 785.31kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 793.69kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 901.29kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2591.69kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 814.76kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2075.7kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 1147.22kb.

4. СТАЛИ И ЧУГУНЫ


4.1. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ


Все виды сталей можно классифицировать по следующим признакам.

4.1.1. По химическому составу:

а) Углеродистые стали.

Углеродистыми сталями называются сплавы на. основе железа, содер­жащие менее 2,14% С и некоторое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, P).

По содержанию углерода углеродистые стали подразделяют на низ­коуглеродистые ( менее 0,З% С ), среднеуглеродистые ( 0,3 - 0,7% С), высокоуглеродистые ( более 0,7% С ).

б) Легированные стали.

Легированными сталями называются сплавы на основе железа, содер­жащие, кроме углерода, специально вводимые химические элементы ( Сr, Ni, Тi, W, Si, Mn и др ).

По суммарному содержанию легирующих элементов легированные ста­ли подразделяют на низколегированные ( менее 5%), среднелегированные (5-10%), высоколегированные ( более 10% ).


4.1.2. По назначению:

а) Конструкционные стали, применяющиеся для изготовления соору­жений, конструкций, деталей машин и приборов .

б) Инструментальные стали, обладающие высокой твердостью, проч­ностью, износостойкостью и применяющиеся для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов.

в) Специальные стали, обладающие особыми физическими и хими­ческими свойствами и имеющие специфическое назначение.

Углеродистые стали по назначению бывают конструкционными и ин­струментальными, а легированные – конструкционными, инструментальны­ми и специальными.

4.1.3. По качеству:

а) Обыкновенного качества (содержат максимально допустимое ко­личество вредных примесей ).

б) Качественные.

в) Высококачественные (помечаются буквой А в конце марки).

г) Особовысококачественные (помечаются буквами Ш или ВД в кон­це марки ).

Качество сталей определяется содержанием вредных примесей ( се­ры, фосфора, неметаллических твердых включений, газов ). Чем чище сталь, тем выше ее качество. Для очистки стали используются следую­щие методы: обработка синтетическим шлаком, вакуумная дегазация, элек­трошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, плавка в электронно-лучевых печах, плавка в плазменно-дуговых печах.


4.1.4. По степени раскисления:

а) Кипящие ./ кп /.

б) Полуспокойные / пс /.

в) Спокойные / сп /.

4.1.5. Схема классификации сталей


СТАЛИ

углеродистые легированные




конструкционные инструментальные констр. инстр. специальные




обыкновенного качественные качественные, высококачеств.,

качества особовысококачественные


кп пс сп кп пс сп качеств. высококачеств


4.2. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ


4.2.1. Обыкновенного качества ( ГОСТ 380-94 )

Эти стали выплавляют обычно в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами Ст и условным номером марки от 0 до 6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода).

Марка стали	Ст0	Ст1	Ст2	Ст3	Ст4	Ст5	Ст6
С,%	0,.23	0,06-0,12	0,09-0,15	0,14-0,22	0,18-0,27	0,28-0,37	0,38-0,49
Mn,%	-	0,25-0,5	0,25-0,5	0,30-0,65	0,40-0,7	0,5-0,8	0,5-0,8

В конце марки ставят степень раскисления, которую обозначают: сп, пс или кп ( например, Ст2пс; Ст3сп; Ст4кп ). В их составе разное содер­жание кремния и кислорода: в спокойных 0,15-0,3% Si и 0,002% 0₂; в по­луспокойных 0,05-0,15% Si и 0,01% 0₂; в кипящих не более 0,05% Si и 0,02% 0₂.

Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилицием и алюминием в печи, а затем в ковше. Они застыва­ют без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем, и в них содержится повышенное количество FeO, процесс восстановле­ния которого углеродом продолжается вплоть до застывания. Образующие­ся пузырьки СО создают впечатление кипения металла. Полуспокойные стали раскисляют ферромарганцем и ферросилицием. Их структура проме­жуточная между спокойной и кипящей сталями.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее деше­вые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Количество серы должно быть не более 0,05%, а фосфора – не более 0,04%.

В зависимости от назначения различают 3 группы сталей обыкновен­ного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, а группу А не указывают.

Стали группы А поставляются только по механическим свойствам, химический состав не гарантируется. Стали этой группы обычно исполь­зуются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и свар­ки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пластичность. Примеры: Ст3кп, Ст6сп, Ст4пс.

Стали группы Б поставляются только с гарантируемым .химическим составом, а механические свойства не гарантируются. Чем больше цифра условного номера, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальней­шем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в от­дельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки. Примеры: БСт2пс; БСт4сп.

Стали группы В поставляются с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Эти стали можно сваривать, обрабатывать давлением и подвергать термической обработке. Примеры: ВСт1сп, ВСт5пс, ВСтЗсп.

Кроме вышеназванных марок ГОСТ предусматривает стали с повышенным содержанием марганца (0,8-1,1%, которые маркируются добавочной буквой Г, например: СтЗГпс; БСт5Гсп.

В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств, химического состава) стали каждой группы подразделяются на катего­рии. Категории определяют те характеристики, которые испытываются в данной стали. Категории в группах следующие: группа А – 1,2,3; груп­па Б – 1,2; группа В –1 ,2,3,4,5,6.

Для обозначения категории стали к марке добавляют в конце номер категории. Первую категорию в обозначении марки не указывают. Например, марку стали ВСт4Гпс2 следует расшифровывать так: сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества, группы В (с гарантированными химическим составом и механическими свойствами), условный номер 4, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, второй категории.

Из Ст1, Ст2, Ст3 группы А изготавливают крепеж, баки и др. Эти же стали групп Б и В идут для изготовления цементируемых изделий (малонагруженных деталей машин, работающих на износ, измерительных инструментов), Ст4 используются в судостроении (обшивка корпусов и др.), Ст5, Ст6 идут на изготовление средненагруженных деталей (ва­лов, пружин, рессор, крюков, кранов и т.д.).

Российским маркам сталей углеродистых конструкционных обыкновенного качества по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82 соответствуют следующие марки: Ст0 – Fe310-0; Ст3кп – Fe360-A; Ст3пс – Fe360-B; Ст3Гпс – Fe360-B; Ст3сп – Fe360-C; Ст3Гсп – Fe360-C, Fe360-D; Ст4кп – Fe430-A; Ст4пс – Fe430-B; Ст4сп – Fe430-C; Ст5пс – Fe510-B, Fe490; Ст5Гпс – Fe510-B, Fe490; Ст5сп – Fe510-C, Fe490; Ст6пс – Fe590; Ст6сп – Fe590.

4.2.2. Качественные (ГОСТ 1050-88)

Этот класс сталей выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах с соблюдением более строгих условий в от­ношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: S  0,04%; Р  0,035%, а также меньшее количество неметаллических включений, газов.

Качественные углеродистые конструкционные стали маркируются двузначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях %. Например: 08; 10; 15; 20; 25;.........; 85, где соот­ветственно содержится 0,08% С, 0,10% С, 0,15% С,..........0,85% С.

Низкоуглеродистые стали могут быть кипящими, полуспокойными или спокойными. Кипящие и полуспокойные стали имеют в конце марки буквы кп или пс. Например: 08кп; 10пс; 15кп.

К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,8-1,2%). К марке таких сталей добав­ляется в конце буква Г, например, 60Г.

Применение этих сталей весьма различно в зависимости от содер­жания углерода. Низкоуглеродистые стали марок 08кп; 08; 10кп; 10; 15; 15Г; 20; 25; 25Г применяются для изготовления малонагруженных деталей ( кузова автомобилей, корпуса приборов, трубы, бачки, шайбы, заклепки, болты и т.д.). Термическая обработка значительно повышает проч­ность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл.

Среднеуглеродистые стали с содержанием 0,3.....0,55% С применя­ются после нормализации, улучшения, поверхностной закалки и низкого отпуска (в зависимости от требуемых свойств) для изготовления валов, шестерен, шатунов, шпинделей и т.д.

Стали с более высоким содержанием углерода 0,6..... 0,85% С обла­дают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Их применяют после закалки и отпуска для изготовления пружин, рессор, прокатных валков и т.д.


4.3. УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ (ГОСТ 1435-99)


Эти стали маркируются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента, например: У7 – 0,7% С; У13 – 1,З% С. Они подразделяются на качественные (У7, У8,........У13), содержащие менее 0,035% S и Р и высококачественные (У7А, У8А,....... У13А), со­держащие менее 0,02% S и Р. При повышенном содержании марганца ставится буква Г (У8Г, У7ГА, У8ГА).

Из сталей марок У7, У7А, У7ГА, У8, У8Г, У8А, У8ГА изготавливают деревообрабаты­вающие инструменты (пилы., отвертки, стамески, топоры), слесарные и кузнечные инструменты (кернеры, зубила, кузнечные штампы), другие инструменты, подвергающиеся ударным нагрузкам.

Стали марок У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А идут для изготовления инструментов, не подвергающихся ударным нагрузкам, требующих высокой твердости режущей кромки (фрезы, .сверла, метчики, резцы, ножи для резки кожи, листовые штампы и т.п.).

Стали марок У12, У12А, У13, У13А применяются для инструментов, обладающих высокой твердостью, износостойкостью и не подвергающихся ударным нагрузкам (напильники, резцы, сверла, гравировальные и измерительные инструменты и т.п.).

Достоинством углеродистых инструментальных сталей является низ­кая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в ото­жженном состоянии. Недостатки – невысокая скорость резания, низкая прокаливаемость, значительные деформации после закалки в воде.


4.4. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ


Основными преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упроч­нения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость. К недостаткам леги­рованных сталей можно отнести бОльшую, чем для углеродистых сталей, склонность к внутрикристаллитной ликвации, худшую (при равном со­держании углерода) обрабатываемость резанием.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых до­лях процента, затем следует буква, обозначающая легирующий элемент, и цифра, указывающая его содержание в целых процентах. Если содержа­ние легирующего элемента менее 1,5%, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

Легирующие элементы принято обозначать следующими буквами: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – вана­дий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляет­ся качественными ( S  0,035% и Р  0,035%). Высококачественные ста­ли содержат S  0,025% и Р  0,025% и обозначаются буквой А в конце марки (если буква А расположена в середине марки, то она обознача­ет легирующий элемент азот ).

Рассмотрим некоторые виды легированных конструкционных сталей.

4.4.1. Автоматные стали (ГОСТ 1414-75)

Автоматными называют стали, применяемые для массового изготовления изделий на станках – автоматах. Они должны обладать повышенной обрабатываемостью резанием, которая оценивается допускаемой скорос­тью резания, стойкостью режущего инструмента, чистотой поверхности резания. Достигается это за счет увеличения содержания серы ( 0,08 - 0,3%), фосфора ( 0,04- 0,15%), а также добавления свинца, селе­на и кальция.

Маркируются автоматные стали буквой А и двумя, цифрами, показывающими: содержание углерода в сотых долях процента, например, А12 – 0,12% С, А20, АЗО, А40Г ( с повышенным содержанием марганца 1,2-1,55% ).

Сера в этих сталях находится в виде сульфидов марганца, вытяну­тых вдоль направления прокатки и способствующих образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфида марганца.

Фосфор, повышая твёрдость и охрупчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности.

Вместе с тем, повышенное количество серы и фосфора снижает качество стали. Автоматным сернистым сталям характерна анизотропия механических свойств – пониженные вязкость, пластичность и, особенно, сопротивление усталости в поперечном направлении прокатки. Это обстоятельство, а также низкая коррозионная стойкость ограничивают их при­менение для изготовления ответственных деталей машин.

Стали А12; А20 используют для крепежных деталей, а также малонагруженных деталей сложной формы, к которым предъявляются требования высокой точности размеров и чистоты поверхности. Стали АЗО; А40Г пред­назначаются для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Автоматные свинцовистые (0,15 - 0,35% Рb) стали ( АС14; АС40; АС12ХМ; АС20ХГНМ; АС38ХГМ и др.) по обрабатываемости заметно превос­ходят сернистые. Свинец не растворяется в стали и находится в виде дисперсных частиц, которые вместе с сульфидами действуют как энергич­ные измельчители стружки. Кроме того, от теплоты резания свинец пла­вится, растекается в виде пленки по обрабатываемой поверхности, эф­фективно снижая трение между инструментом и деталью. Введение свинца повышает скорость резания на 30-40%.

Автоматные селенистые стали ( А35Е; А45Е; А40ХЕ и др.) содержат, 0,04-0,10% Se и 0,06-0,12% S. Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов. Они обволакивают твердые оксидные включения и тем самым устраняют их истирающее действие. Применение селенистых сталей позволяет в 2 раза снизить расход инструмента и до 30% повысить производительность обработки.

Автоматные кальциевые (0,002 - 0,008% Са) стали (АЦ20; АЦЗО; АЦ40Х; АЦ30ХН и др.) с добавлением свинца и теллура предназначены для изготовления термически упрочненных деталей, обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких (100 м/мин. и более) скоростях резания. Необходимость использования высоких скоростей обработки диктуется тем, что тугоплавкие кальцийсодержащие включения, образующие­ся в этих сталях, способны размягчаться и проявлять смазывающее дей­ствие лишь при высоких температурах в зоне резания.

4.4.2. Строительные низколегированные стали (ГОСТ 19282-73)

Эта группа сталей содержит относительно малые количества угле­рода до 0,25%. Более высокая прочность по сравнению с углеродистыми сталями достигается у этих сталей упрочнением феррита за счет леги­рования малыми количествами кремния и марганца, а также хрома, вана­дия, меди и некоторых других элементов.

Применяются эти стали для создания строительных конструкций, магистральных нефте- и газопроводов, армирования бетона.

Основное требование – хорошая свариваемость. К низколегированным строительным сталям относятся: 09Г2С; 14ХГС; 15ХСНД (работает до -70˚С без перехода в хрупкое состояние); 25Г2С ( для армирования бетона ); 17Г2АФБ (для изготовления сварных конс­трукций без дополнительной термической обработки) и др.

Применение в строительных конструкциях более прочных низколегированных сталей вместо углеродистых дает возможность снизить расход металла на 15-25%. Несмотря на несколько более высокую стоимость, их использование экономически целесообразно.

4.4.3. Высокопрочные стали

Эти стали характеризуются высокими значениями прочности (σ_в =1500 – 3000 МПа) в сочетании с высокой вязкостью, пластичностью и очень малым содержанием углерода (< 0,03%).

Упрочнение стали достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превращения и старения мартенсита.

Основным легирующим элементом является никель, содержание которого составляет 17-26%. Для более эффективного протекания процесса старения мартенсита стали дополнительно легированы титаном, алюмини­ем, молибденом, ниобием и кобальтом. Наиболее распространенная сталь Н18К9М5Т (эта сталь может маркироваться еще так: О3Н18К9М5Т или ООН18К9М5Т). Химический состав этой стали: < 0,03% С, 18% Ni,  9%Со,  5%Мо, 0,5-1,2% Ti.

Некоторые виды высокопрочных сталей: Н16К4М5Т2Ю (σ_в = 2050 МПа), Н17К10М2В10Т (σ_в = 2350 МПа), Н12К12М10ТЮ (σ_в = 3000 МПа).

Применяются в судо-, самолето- и ракетостроении, а также в криогенной технике, т.к. они обладают высокой пластичностью и вязкостью при низких температурах.

Недостатком этих сталей является их высокая стоимость.

4.4.4. Рессорно-пружинные стали

Основными требованиями, предъявляемыми к рессорно-пружинным сталям, являются высокое сопротивление малым пластическим деформаци­ям (высокий предел упругости), высокий предел выносливости.

Высокие упругие свойства обеспечиваются при содержании 0,5-1,2% С и получении зернистого сорбита за счет закалки и среднего отпуска при температуре 350 – 450˚С.

Рессорно-пружинные стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью. Для повышения сопротивления пластической де­формации важную роль играет получение мелкозернистой структуры.

Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали марок: 60Г; 65; 65Г; 70; 70Г; 75; 80; 85; У9А; У10А; У11А; У12А.

Часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали, содержащие 1,5-2,8% Si, 0,6-1,2% Mn, 0,2-1,2Сr, 0,1-0,25%V, 0,8-1,2% W и 1,4-1,7% Ni.

Для автомобильных рессор, пружин вагонов, в станкостроении при­меняют стали марок: 55С2; 60С2А; 70СЗА; 50ХФА; 5ОХГФА. Для изготов­ления крупных высоконагруженных пружин и рессор используют стали 60С2ХФА, 65С2ВА и 60С2Н2А.

4.4.5. Шарикоподшипниковые стали

Стали для изготовления подшипников должны обладать высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости.

Эти стали маркируют буквой Ш, содержание хрома указывают в десятых долях процента, углерода в них содержится 0,95-1,05%

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений применяют стали марок ШХ15 и ШХ15СГ, для изготовления роли­ков большого диаметра ШХ20СГ, кольца тяжелонагруженных роликовых подшипников для букс железнодорожных вагонов изготавливают из стали ШХ4.

Для повышения долговечности подшипников используют электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы, уменьшающие количество вредных примесей и неметаллических включений. В этом случае к марке стали добавляются буквы Ш или ВД , например: ШХ15Ш; ШХ15ВД.

4.4.6. Износостойкие стали

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения, высоких давлений и ударов (траки гусеничных машин, щеки дробилок, зубья ковшей экскаваторов и т.п.) применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0,9-1,3% С и 11,5-14,5% Mn. Эту сталь называют сталью Гадфильда. Марганцевый аустенит хорошо на­клепывается с превращением аустенита в мартенсит и после деформации в процессе эксплуатации приобретает твердость до НRС55.

Высокой стойкостью при циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании обладает литая сталь 60Х5Г10Л, пре­терпевающая при эксплуатации мартенситное превращение.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии применяют сталь 3ОХ10Г10.

Зарубежные аналоги некоторых отечественных марок легированных сталей приведены в таблице.

Россия, ГОСТ	Германия, DIN	США, ASTM	Япония, JIS
15Х 40Х 30ХМ 12ХН3А 20ХГНМ 08Х13 20Х13 12Х17 12Х18Н9 08Х18Н10Т 10Х13СЮ 20Х25Н20С2	15Cr3 41Cr4 25CrMo4 14NiCr10* 21NiCrMo2 X7Cr13* X20Cr13 X8Cr17 X12CrNi18 9 X10CrNiTi18 9 X7CrAl13* X15CrNiSi25 20	5115 5140 4130 - 8620 410S 420 430 302 321 405* 30314, 314	SCr415 SCr440 SCM430, SCM2 SNC815 SNCM220 SUS410S SUS420J1 SUS430 SUS302 SUS321 SUS405* SCS18*, SUH310*

DIN – Deutsche Industrienorm

ASTM – American Society for Testing Materials

JIS – Japaneese Industrial Standard

* - Сталь, близкая по составу.


4.5. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

4.5.1. Коррозионно-стойкие стали

В машиностроении, в основном, применяют хромистые и хромоникелевые коррозионно-стойкие стали.

а) Хромистые: 20Х13; 12Х17; 15Х28 и др. С увеличением содержания хрома возрастает коррозионная стойкость ста­ли. Применяются для изготовления хирургических инструментов, обору­дования для заводов пищевой и легкой промышленности, аппаратов, ра­ботающих в агрессивных средах.

б) Хромоникелевые стали: 12Х18Н10Т; 04Х18Н10; О3Х18Н12 и др. Они имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями. Применяются в пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике. В ряде случаев дорогой никель заменяют на марга­нец. До –196˚С и в слабоагрессивных пищевых средах вместо стали 10Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.

4.5.2. Жаростойкие и жаропрочные стали

Способность металла сопротивляться химическому действию окружающей газовой среды при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью.

При нагреве выше 600˚С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа. Образующаяся на поверхности металла рыхлая пленка оксида железа не способна предотвратить диффузию кислорода в металл. Такие легирующие элементы, как хром, кремний, алюминий, улучшают состав и строение оксидной пленки. Она. становится плотной, хорошо прилегающей к металлу, что затрудняет диффузию кислорода. При этом жаростойкость растет с увеличением содержания хрома в сталях. Сталь, содержащая 5% Cr сохраняет окалиностойкость до 600˚С (15Х5); 9% Сr (40Х9С2) – до 800˚С ; 17% Сr ( 08Х17Т) – до 900°С. Для изготовления деталей газовых турбин и печного оборудования применяют сталь 20Х23Н18, имеющую жаростойкость 1050-1100˚С.

Способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью.

Виды жаропрочных сталей:

а) Перлитные стали. Используются для изготовления крепежа, труб паропроводов, пароперегревателей и коллекторов энергетических устано­вок, длительно работающих при 500-550˚С (12ХМ; 12Х1МФ).

б)Мартенситные стали. Используются для изготовления энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), дли­тельно работающего при 600-620˚С (15Х12МФ; 15Х12ВНМФ).

в) Аустенитные стали. Из них изготавливают роторы, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при 600-700˚С ( 09Х14Н16Б; 09Х14Н19В2БР; 45Х14Н14В2М).

4.5.3 Криогенные стали

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике и в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода ( –183˚С) называют криогенными. Для ра­боты при этих температурах необходимы специальные криогенные стали.

Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. От этих сталей нередко требует­ся высокая коррозионная стойкость. БОльшую часть разнообразных машин и аппаратов криогенной техники изготавливают из аустенитных сталей, не склонных к хрупкому разрушению.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы:

а) Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Из них изготавливают крупногабаритные газораспределительные установки боль­шой мощности для получения сжиженных газов (кислород, азот, водород и др.), транспортные емкости и хранилища сжиженных газов. Они хорошо свариваются и обладают большим запасом вязкости при криогенных тем­пературах.

б) Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности (при температуре –253˚С) 07Х21Г7АН5 и О3Х20Н16АГ6. Эти стали применяют для штампосварных изделий и толстостенных крупногабаритных емкостей.

в) Аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Т и О3Х13АГ19 как заменители более дорогих хромоникелевых аустенитных сталей. Эти стали рекомендуют для изготовления сварных конструкций, ра­ботающих при температурах от 20 до –196˚С (О3Х13АГ19) и –253°С (10Х14Г14Н4Т).

4.5.4. Магнитные стали и сплавы

а) Магнитно-твёрдые стали (ГОСТ 6862-71).

Эти стали применяют для изготовления постоянных магнитов. Для этого используются высокоуглеродистые стали с 1% С, легиро­ванные хромом (ЕХЗ), а также одновременно хромом и кобальтом: ЕХ5К5; ЕХ9К15М2.

Для изготовления постоянных магнитов также используются сплавы на основе железа, например, альнико (8%Al, 14%Ni, 24%Co, остальное Fe).

б) Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь ГОСТ 21427-75).

Эти стали используют для работы в переменных полях, то есть в условиях непрерывного перемагничивания. Их применяют для изготовле­ния сердечников катушек электромагнитов, трансформаторов и т.п. Для этого используются низкоуглеродистые (0,05-0,005%С ) кремнистые (0,8-4,8% Si ) стали.

Электротехническую сталь маркируют цифрами, например, 1212; 1311; 2011; 2111; 3411; 3416 . Первая цифра определя­ет структуру и вид прокатки: горячекатанная изотропная (1), холоднокатанная изотропная (2) и холодно-катанная анизотропная (3). Вторая цифра указывает содержание в стали кремния: 0 – до 0,4%; 1 – 0,4-0,8%; 2 – 0,8-1,8%; 3 – 1,8-2,8%; 4 – 2,8-3,8%; 5 – 3,8-4,8%. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери. Четвертая цифра – код числового значения нормируемого параметра.

Кроме электротехнической стали для работы в переменных полях используют сплавы на основе железа, например, альсифер (5,4%Al, 9,6%Si, остальное Fe) и сплавы на основе никеля.


4.6. ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ


Целью легирования инструментальных сталей является повышение твердости, прокаливаемости и теплостойкости.

Под теплостойкостью понимают способность стали сохранять струк­туру и свойства, необходимые для работы инструмента при нагреве ре­жущей кромки в процессе эксплуатации.

В качестве легирующих применяются карбидообразующие элементы: хром, молибден, ванадий, вольфрам и др. Маркируются легированные инструментальные стали так: цифра, стоящая впереди марки показывает содержание углерода в десятых долях процента; отсутствие цифры озна­чает, что углерода содержится от 1 до 2,14%. Легирующие элементы и их ко­личество обозначаются так же, как и в конструкционных сталях.

4.6.1. Стали для режущего инструмента

а) Нетеплостойкие. Из них изготавливают инструменты для обработки относительно мяг­ких материалов с небольшими скоростями резания. Теплостойкость не превышает 200-260˚С. К ним относятся стали 8ХВ; В2Ф; 9ХС – неболь­шой прокаливаемости; ХВГ; ХВСГ – повышенной прокаливаемости.

б) Полутеплостойкие. Все стали имеют повышенную прокаливаемость. Теплостойкость 270-300˚С. К ним относятся стали марок Х12М; Х12ФЗМ для изготовления фрез по дереву, ножей.

в) Теплостойкие (быстрорежущие). Теплостойкость 500-650˚С.

Маркируются буквой Р; цифра, стоящая за буквой, указывает на процентное содержание основного легирующего элемента вольфрама. Кро­ме того, эти стали содержат 0,7-1,0% С, 4% Cr, до 1% Мо и V, которые в марке не указываются, например, Р9; Р18. При содержании в быстро­режущей стали более 1% Мо, Со, V их указывают в марке, например, Р10М4ФЗК10.

Из стали марок Р12, Р18, Р6М5 изготавливают резцы, фрезы, мет­чики. Для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей применяют инструменты из сталей марок Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9М4К8.


4.6.2. Стали для измерительного инструмента

Эти стали должны обладать высокий твердостью (НRС63-64), из-носостойкостью, сохранять постоянство размеров и формы в течение дли­тельного времени и хорошо шлифоваться.

К ним относятся стали марок X; ХВГ; 12Х1 (1,15-1,25%С; 1,3-1,65% Сг).

4.6.3. Стали для штампов холодного деформирования

Эти стали работают в условиях высоких переменных нагрузок, выхо­дят из строя вследствие хрупкого разрушения, усталости, изменения формы и размеров за счет пластической деформации и износа. Поэтому они должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200-350^оС, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Для крупных штампов необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке.

Наиболее часто применяют стали марок Х12Ф1 и Х12М, обладающие высокой прокаливаемостью и износостойкостью; сталь 7ХГ2ВМ с повышенной ударной вязкостью; сталь 6Х6ВЗМФС с повышенным сопротивлением пластической деформации. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

4.6.4. Стали для штампов горячего деформирования

Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя вследствие пластической деформации, хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому эти стали должны иметь высокие механи­ческие свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, то есть способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того, эти стали должны иметь высокую теплопроводность для лучшего отвода теплоты, передаваемой обрабатываемой заготовкой.

Крупные ковочные штампы, а. также инструменты ковочных машин и прессов изготавливают из полутеплостойких сталей 5ХНМ и 5ХГМ, обладающих повышенной вязкостью. Средненагруженные инструменты, работа­ющие с разогревом поверхности до 600^оС, изготавливают из сталей 4Х5В2ФС и 4Х5МФ1С.

Штамповые стали нередко подвергают азотированию, борированию и реже хромированию.


4.7. ЧУГУНЫ


Чугун – сплав на основе железа, содержащий более 2,14% С, а также постоянные примеси Si, Mn, S и Р.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущество чугуна – высокие литейные свойства и небольшая стоимость по сравнению со сталью.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления разнообразных отливок).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

4.7.1. Белый чугун

Весь углерод находится в виде цементита. Очень твёрдый и хрупкий. В основном идёт на передел в сталь и для получения ковкого чугуна. Редко применяется для изготовления прокатных валков, лемехов плугов и других изденлий, работающих в тяжёлых условиях износа.


4.7.2. Серый чугун (ГОСТ 1412-85)

Содержит 2,4 – 3,8%С в основном в виде пластинчатого графита; 1,2 – 3,5%Si; до 1,4%Mn; <0,5%P; <0,2%S.

Маркируется буквами СЧ и числом, указывающим предел прочности при растяжении (σ_в) в кгс/мм², например, СЧ18, СЧ20, СЧ35.

Применяются: СЧ18, СЧ20 – станины станков, поршни; СЧ25, СЧ30, СЧ35 – детали, работающие на износ: тормозные барабаны, шестерни, поршневые кольца и др.

4.7.3. Ковкий чугун (ГОСТ 1215-79)

Содержит 2,2 – 3,0%С в виде хлопьевидного графита; 0,7 – 1,5%Si; 0,3 – 1,0%Mn; ≤ 0,12%S; ≤ 0,18%P. Получают длительным отжигом (до 100 часов) белого чугуна.

Маркируется буквами КЧ и двумя числами, первое из которых означает предел прочности при растяжении в кгс/мм², а второе – относительное удлинение в %, например, КЧ35-10; КЧ45-6; КЧ50-4; КЧ65-3.

Применяются для изготовления деталей, эксплуатирующихся при высоких динамических и статических нагрузках ( картеры, задние мосты, крюки, скобы).

4.7.4. Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293-85)

Содержит 2,7 – 3,7%С в виде шаровидного графита; 1,6 – 2,7%Si; 0,5 – 0,6%Mn; ≤ 0,10%S; ≤ 0,10%P. Получают добавлением в жидкий чугун магния в количестве 0,03 – 0,07%. Под действием магния графит принимает шаровидную форму и значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна. Такой чугун по механическим свойствам не уступает литой углеродистой стали, сохраняя хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием.

Маркируется буквами ВЧ и числом, означающим предел прочности при растяжении в кгс/мм², например, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.

Изготавливают коленчатые валы, шпиндели, суппорты.

4.7.5.Специальные чугуны

а) Антифрикционный чугун (ГОСТ 1585-85) маркируется АЧС-1, АЧС -3, АЧК-2, применяется в узлах трения.

б) Легированный чугун (ГОСТ 7769-82), обладающий жаростойкостью, коррозионной стойкостью.

Различают: хромистые (ЧХ22, ЧХ9Н5, ЧХ32); кремнистые (ЧС15, ЧС15М4); алюминиевые (ЧЮ6С5, ЧЮ22); марганцевые (ЧГ7Х4, ЧГ8Д3); никелевые (ЧН2Х, ЧН15Д7).