Практическая работа № 7

Практическая работа № 7

Тема: Стали и сплавы с особыми свойствами.

Цель: изучить классификацию, структуру и области применения сталей и сплавов с особыми свойствами.

Время: 4 часа.

1. 209-219

Сталью называются сплавы железа с углеродом и дру­гими элементами, содержащие менее 2,14 % С. Стали широко применяются во всех сферах жизнеде­ятельности человека. В промышленности сталь являет­ся основным материалом, широко применяемым в ма­шиностроении, а также для изготовления различного инструмента.

Для улучшения физических, химических, механиче­ских и технологических свойств стали легируют, т. е. вводят в состав дополнительные элементы (хром, никель, ­ молибден и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства. Сумма легирующих элементов у низ­колегированных сталей до 2,5 %, у среднелегированных 2,5-10,0 %, у высоколегированных - бо­лее 10,0%.

1. Влияние легирующих элементов.

Основной структурной составляющей в кон­струкционной стали является феррит. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Боль­шинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вяз­кость (за исключением никеля).

Высокая прочность стали обеспе­чивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) приводит к снижению вязкости и способствует хрупкому разрушению стали.

Хром в количестве до 2 % оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали.

Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в количестве от 1 до 5 %.

Марганец вводят в сталь до 1,5 %. Он заметно повы­шает предел текучести стали, но делает сталь чувстви­тельной к перегреву.

Кремний значительно повышает предел текучести ста­ли и при содержании более 1 % снижает вязкость и по­вышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам в количестве 0,2—0,4 % и 0,8—1,2 % соответственно, в комплексно-легированных ста­лях способствуют измельчению зерна, увеличивают про­каливаемость и улучшают некоторые другие свойства.

Ванадий и титан вводят в небольшом количестве (до 0,3 % V и 0,1 %Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из­-за образования труднорастворимых при нагреве карби­дов этих элементов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают стали.

Бор вводят для увеличения прокаливаемости и в очень небольших количествах (0,002—0,005 %).

При обозначении марок стали используют следую­щие обозначения химических элементов: Г — марганец, М — молибден, Д — медь, Р — бор, С — кремний, В — вольфрам, Ю — алюминий, П — фосфор, Н — никель, Ф — ванадий, Б — ниобий, А — азот, X — хром, Т — титан, К — кобальт, Ц — цирконий.

Для маркировки стали в России пользуются опреде­ленным сочетанием цифр и букв, показывающих при­мерный химический состав стали.

Первые цифры в марке стали указывают содержание углерода в сотых долях процента. Если в начале марки­ровки перед буквами стоит одна цифра, то она выража­ет содержание углерода в десятых долях процента; при содержании углерода свыше 1 % цифру перед буквами не ставят.

Далее в маркировке следуют буквы, показывающие наличие соответствующих легирующих элементов в со­ставе стали.

Цифры за буквами показывают среднее (ок­ругленное до 1) процентное содержание легирующего элемента.

При этом, если содержание элемента до 1,5 %, цифра не ставится. В отдельных случаях может быть указано более точно содержание легирующего элемен­та. Например, сталь 32Х06Л — содержит в среднем 0,32 % С и 0,6 % Сг. Последняя буква «Л» указывает, что сталь литейная.

Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву «А». Высо­кокачественная сталь содержит меньше серы и фосфо­ра, чем качественная.

Некоторые стали специального назначения выделе­ны в отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква и ставится впереди:

Ж — хромистая нержавеющая сталь;

Я — хромоникелевая нержавеющая сталь;

Р — быстрорежущая сталь;

Ш — шарикоподшипниковая сталь;

Е — электротехническая сталь.

2. Строительные низколегированные стали

Стали с повышен­ным содержанием марганца (Г1 — 0,4—0,7 % и Г2 — 1,2—1,6 %) и кремния (0,6—1,2 %) после горячей про­катки или термической обработки используют для из­готовления сварных и клепаных конструкций строи­тельных ферм, конструкций мостов, рам и т. п. Марганцовистую сталь марок 19Г и 14Г применяют для изготовления магистральных нефтепроводов, стали 35ХС, 25Г2С — для производства арматуры обычных и предварительно напряженных железобетонных конст­рукций.

Низколегированные стали после прокатки значи­тельно превосходят по техническим свойствам углеро­дистые стали. Оптимальное сочетание их свойств дости­гается при введении нескольких легирующих элементов (например, стали 10Г2С1Д, 15Г2СФ, 14Г2АФД и др.). Конструкции, эксплуатируемые при низких температу­рах окружающей среды, выполняют из сталей, легиро­ванных никелем.

Низколегированные низкоуглеродистые стали хоро­шо свариваются. Свойства сварных швов и прилегаю­щих к ним участков близки к свойствам основного ме­талла. Стали, используемые для сварных конструкций, содержат алюминий или титан, предотвращающие ­ ук­рупнение зерна металла в околошовной зоне. Легирование медью, никелем, хромом, фосфором способству­ет увеличению коррозионной стойкости сталей в газо­воздушных и влажных средах.

3. Машиностроительные цементуемые легированные ста­ли.

Стали этой группы содержат 0,1-0,3 % углерода и 0,2-4,4 % легирующих элементов.

Цементуемые легированные стали применяют для из­готовления нагруженных деталей, испытывающих зна­копеременные и ударные нагрузки (зубчатых колес, ва­лов, кулачков и т. п.). Характерные представители этой группы - стали 15ХФ, 15Х, 20Х - отличаются средней прочностью. После закалки в масле сердцевина деталей из таких сталей упрочняется, но поверхностный слой чувствителен к надрезам. Применяют их для изготовле­ния небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках.

Комплекс­но легированные стали 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН4А применяют для изготовле­ния деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повышен­ных нагрузках (зубчатых колес, поршневых пальцев, осей и др.).

Особо ответственные детали — зубчатые колеса авиа­ционных двигателей, судовых редукторов – изготовляют из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, которые мало разупрочняются при отпуске. Они могут быть использованы и без цементации после закалки и отпуска.

Экономно легированными сталями 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГТ можно заменить хромоникелевые. Главным их преимуществом является наследственная мелкозернис­тость, что позволяет сократить технологический цикл обработки деталей. Такие стали применяют для изготов­ления ответственных деталей крупносерийного и мас­сового производства.

4. Машиностроительные улучшаемые легированные ста­ли

Эти стали используются преимущественно после термической операции - улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500-600⁰ С на сорбит). Улучшаемые легированные стали характеризуются содержанием углерода 0,3-0,5 % и легирующих элемен­тов не более 5 %. Основное их назначение - изготовле­ние ответственных деталей машин, эксплуатируемых при воздействии циклических и ударных нагрузок. По­этому они должны обладать высоким пределом текуче­сти, низкой чувствительностью к концентрации напря­жений, достаточными вязкостью и пластичностью.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х применяют для из­готовления средненагруженных деталей машин и меха­низмов, технологической оснастки.

Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) марок 30ХГСА, 35ХГСА отличаются сочетанием хороших ме­ханических и технологических свойств. Хорошо свари­ваются и штампуются. Широко применяются в автомо­билестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 50ХН обладают высокой прокаливаемостью в сочетании с достаточными прочно­стью и вязкостью. Из них изготовляют ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38НХ3МА, 38ХН3МФА относятся к числу наиболее прочных улуч­шаемых сталей. Введение никеля способствует сниже­нию порога хладноломкости и повышению прокалива­емости стали. Легирование молибденом и вольфрамом обеспечивает повышение механических свойств стали, стойкости ее к воздействию повышенных температур

(до 450⁰ С). Используют такие стали для изготовления особо ответственных крупных деталей - валов и рото­ров турбин, компрессоров, редукторов. Недостатки этой группы сталей - трудность обработки резанием.

5. Мартенситостареющие высокопрочные стали.

Стали этой группы (Н18К9М5Т, Н12К1510, Н10Х11М2Т) являются перспективными конструкцион­ными материалами. Высокие механические свойства этих сталей достигаются за счет старения мартенсита, легирования твердого раствора и закалки на воздухе при температурах 800-900⁰С.

Мартенситостареющие стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали и теплоустойчивы до + 500-700⁰ С. Достоинством сталей данного класса является высокая технологичность их переработки. Стали находят широкое при­менение для изготовления ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и криогенной технике.

6. Пружинные стали.

Стали с высокими пределами уп­ругости и выносливости, сочетающимися с достаточной их пластичностью и вязкостью, применяют для изготов­ления упругих элементов общего назначения — пружин, рессор, амортизаторов и т. п. Упругие элементы простой формы изготовляют из термически обработанных сталей. Крупные пружины получают навивкой отожженной проволоки.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств в стали вводят не менее 0,5 % углерода, их под­вергают закалке и отпуску на троостит.

Рессорно-пружинные стали относят к классу перлитных. Основными легирующими элементами таких сталей являются кремний, марганец, хром, ванадий, ни­кель. Легирование обусловливает в основном повыше­ние стали, предела ее выносливости, снижение остаточных деформаций.

Кремнистые стали 50С2, 55С2, 60С2 имеют высокий предел текучести и используются для изготовления рес­сор автомобилей, торсионных валов, пружин и др. Стали марок 60С2ХА, 60С2ФА применяют для высо­конагруженных рессор и пружин. Стали марок 70СЗА, 60С2ХА, 60С2Н2А обладают наиболее высокими механическими свойствами и идут на изготовление нагруженных и ответственных упругих элементов.

7. Износостойкие конструкционные стали

Обладают вы­соким сопротивлением изнашиванию, для чего вводят легирующие добавки или применяют специальные ме­тоды обработки в зависимости от условий эксплуата­ции.

Шарикоподшипниковые стали по составу и структуре относят к классу инструментальных. Содержание угле­рода в них - около 1 %. Для увеличения прокаливаемо­сти в состав стали вводят легирующие элементы (Cr, Si, Mn), содержание которых зависит от размеров деталей. Например, сталь марки ШХ6 применяют для деталей с максимальным размером до 10 мм, а ШХ15ГС — свы­ше 30 мм, крупногабаритные детали изготовляют из ста­ли 20Х2Н44. Для подшипников, работающих в агрес­сивных средах, применяют коррозионностойкую высокоуглеродистую сталь 95X18.

Высокомарганцовистая сталь марки Г13Л применяется для деталей, эксплуатируемых при воздействии удар­ных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп (дробильно­-размольного оборудования, деталей экскаваторов, гусе­ничных тракторов).

Графитизированная сталь применяется для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения, скольжения. Эту сталь получают из высокоуглеродистой стали (1,5—2 % С) с повышенным содержанием крем­ния, который способствует графитизации.

Структура графитизированной стали – ферритно-­цементитная смесь и графит. Графит играет роль смазоч­ного материала, предотвращающего схватывание кон­тактирующих поверхностей.

8. Коррозионностойкие стали.

К коррозионностойким относят металлические материалы, не разрушающиеся под воздействием коррозионных сред. Коррозионно­стойкие стали подразделяют на два основных класса: хромистые и хромоникелевые.

Хромистые стали обладают высокой коррозионной стойкостью, которая повышается после термической обработки и придания высокой чистоты поверхности изделий (шлифованием, полированием).

Стали марки 3Х13, 4X13 используют для изготовле­ния хирургических инструментов; Х17, Х25Т — обору­дования химических заводов; Х25Т, Х28 — деталей, экс­плуатируемых в высокоагрессивных средах.

Хромоникелевые стали, легированные хромом и нике­лем (или марганцем), обладают более высокой устойчи­востью к коррозии по сравнению с хромистыми.

Стали этого класса (18% Сг, 9-10% Si) технологичны при обработке давлением, хорошо свариваются, однако име­ют низкие показатели литейных свойств и обрабатыва­емости резанием.

При нарушении режимов термической обработки, а также при эксплуатации деталей при повышенных тем­пературах (400-800⁰ С) коррозионная стойкость хромо­никелевых сталей резко снижается. Для устранения это­го недостатка стали дополнительно легируют титаном и ниобием (стали 04Х18Н10, 08Х18НЮ) и применяют в авиа-, судо-, машиностроении.

9. Жаростойкие (окалиностойкие) стали.

Сопротивляют­ся окислению (образованию окалины) при высокой температуре. Свойство жаростойкости стали придает хром. Для повышения жаростойкости хромистых сталей в них вводят алюминий и кремний.

Наиболее распространены жаростойкие стали, содер­жащие:

- хром и никель (сильхромы);

- хром и алюминий (хромали);

- хром, кремний и алюминий (сильхромали).

Типичные представители жаростойких сталей – 40Х9С2, 10Х13СЮ, 12Х18Н9Т, Х8СМ, Х8С2М. Из этих сталей изготовляют, например, клапаны двигателей внутреннего сгорания.

10. Жаропрочные стали

Сохраняют или мало снижают механические свойства и обеспечивают эксплуатацию изделий при температурах свыше 500°С.

Для изготовления изделий, эксплуатируемых при температурах 350-400 ⁰С применяют стали 15, 20, 25, 30, 40 и 45; для деталей с рабочей температурой среды 500-580 ⁰С - низкоуглеродистые стали, легированные кобальтом, молибденом и ванадием (16М, 25ХМ, 12Х1МФ).

Нагруженные детали установок с температурой рабо­чей среды 450-470 ⁰С изготовляют из хромистых сталей. Для повышения эксплуатационных характеристик ста­ли дополнительно легируют ванадием, вольфрамом, молибденом, ниобием и титаном. Эти элементы, обра­зуя карбиды, увеличивают жаропрочность стали. Леги­рование бором, цирконием, церием, а также азотирова­ние способствует дополнительному увеличению ее жаропрочности. Для достижения оптимальной жаро­прочности высокохромистые стали 15Х11МФ и

1ХКВНМФ закаливают в масле при 1000- 1060°С и отпускают при 700-740 ⁰С. Еще более высокой жаропроч­ностью обладают аустенитные стали 4ХН14В2М и 4Х15Н7Г7Ф2МС, применяемые для изготовления кла­панов авиационных двигателей.

Выводы:

4