Классификация легирующих сталей. Влияние легирующих примесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В ГОРОДЕ ЖЕЛЕЗНОГОРСКЕ»

Кафедра научно-прикладных дисциплин

Курсовая работа

По дисциплине «Материаловедение»

Тема: Классификация легирующих сталей. Влияние легирующих примесей

Железногорск 2008

Содержание

Введение

1. Легированная сталь - общее понятие

2. Классификация легированных сталей

3. Маркировка легированных сталей

4. Легированные стали машиностроения

4.1 Конструкционные стали

4.2 Стали и сплавы, устойчивые к воздействию температуры и агрессивной среды

4.3 Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

4.4 Инструментальные стали

5. Материалы изменяющие свойства стали

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Материаловедение - наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях. Все материалы по химической основе делятся на две основные группы - металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют около 4/5 всех известных химических элементов. В свою очередь металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе - стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические). Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др. Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы - пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время oпe-режающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности в качестве конструкционных материалов относительно невелико и предсказание того, что неметаллические материалы существенно потеснят металлические, не оправдалось. Технология конструкционных материалов представляет собой совокупность современных знаний о способах производства материалов и средствах их переработки в целях изготовления изделий различного назначения. Ее основные разделы: металлургия, литейное производство, обработка давлением, сварка, обработка резанием.

Цель данной работы: ознакомление с разделом материаловедения «Легированные стали».

Задачи:

1. Найти понятие определяющее «Легированная сталь».

2. Создать классификацию легированных сталей.

3. Определить действия легирующих материалов на сталь.

1. Общее понятие

Легированные стали - это такие стали, которые для обеспечения требуемых свойств содержат легирующие компоненты.

Легирующими компонентами называют такие элементы периодической системы Д.И. Менделеева, которые специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств. Все другие компоненты, попадающие в сталь при выплавке из руд, шихты или воздуха, являются примесями, среди которых различают постоянные (вредные и полезные) и случайные примеси. Характерно, что кремний и марганец, относящиеся к полезным примесям и вводимые в сталь в качестве технологических добавок для раскисления (без них выплавка стали практически невозможна), также могут быть легирующими компонентами, если они присутствуют в металле в количествах, сверх требуемых по технологии выплавки (например, при содержании марганца и кремния в количестве 1 % и более).

В зависимости от концентрации в сталях легирующих компонентов различают конструкционные низколегированные (до 2-3 %) и среднелегированные (3-10 %) стали, высоколегированные стали с особыми свойствами (более 10 %). В машиностроении наиболее широкое применение нашли конструкционные стали, содержащие 1-6 % легирующих компонентов. Важным условием легирования сталей является то, что легирующими компонентами могут быть лишь те элементы периодической системы Д.И. Менделеева, которые взаимодействуют с основными компонентами стали: железом и углеродом. Только в этом случае возможно изменение структуры и свойств сталей.

2. Классификация легированных сталей

легированный сталь материаловедение

Легированные стали классифицируются по следующим признакам:

1. По структуре в равновесном состоянии;

2. По структуре после охлаждения на воздухе;

3. По количеству легирующих элементов;

4. По химическому составу;

5. По качеству;

6. По назначению.

По равновесной структуре, т.е. по структуре после медленного охлаждения (отжига), различают:

А) Доэвтектоидную. Структура стали состоит из легированного перлита и легированного феррита;

Б) Эвтектоидную. Эвтектоидная сталь имеет перлитную структуру;

В) Заэвтектоидную. В заэвтектоидной стали кроме перлита имеются избыточные (вторичные) карбиды;

Г) Ледебуритную стали. В структуре ледебуритной стали имеются первичные карбиды.

По структуре после охлаждения на воздухе (нормализации) различают три основных класса сталей:

А) Перлитный. Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов;

Б) Мартенситный. Стали мартенситного класса характеризуются средним содержанием легирующих элементов;

В) Аустенитный. Стали аустенитного класса имеют повышенное содержание легирующих элементов.

По суммарному количеству легирующих элементов стали делятся на:

А) Низколегированные, которые содержат до 2,5 % легирующих элементов;

Б) Среднелегированные - от 2,5 до 10 %;

В) Высоколегированные, содержащие свыше 10 % легирующих элементов.

По химическому составу легированные стали классифицируются в зависимости от введенных легирующих элементов. Если введен один легирующий элемент, то сталь называют по этому элементу, например хромистая, марганцевая и т.д. Если сталь легирована двумя и более элементами, то она является комплексно-легированной и ее называют по нескольким введенным легирующим элементам. Например хромоникелевая, хромомарганцевая, хромоникельмолибденовая.

По качеству легированную сталь разделяют на:

А) Качественную (массовое содержание вредных примесей - серы и фосфора не более 0,035 % каждого) ;

Б) Высококачественную (не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора) ;

В) Особовысоко-качественную (не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора).

По назначению легированные стали разделяют на конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инструментальные, идущие на изготовление режущего, мерительного и ударно-штамповочного инструмента, а также стали с особыми свойствами: коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др.

3. Маркировка легированных сталей

Маркируются легированные стали с помощью цифр и букв, указывающих примерный химический состав стали. Первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее показывается содержание легирующих элементов.

Каждый элемент обозначается своей буквой:

Н - никель, Г - марганец, Ц - цирконий, Т - титан, X - хром, Д - медь, С - кремний, А - азот, К - кобальт, Р - бор, П - фосфор, Ф - ванадий, М - молибден, Б - ниобий,

В - вольфрам, Ю - алюминий, Е - селен, Ч - редкоземельные элементы.

Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует.

Например, сталь 12X18Н10Т содержит приблизительно 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Высококачественные стали обозначаются буквой А, которая помещается в конце марки, например, 38ХНЗМФА. Если же буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), это говорит о том, что сталь легирована азотом. Особовысококачественная сталь обозначается буквой Ш, которая располагается в конце марки и пишется через дефис, например, 3ОХГС-Ш. Если в конце марки стоит буква Л, это означает, что данная сталь предназначена для изготовления деталей литьем (литейная сталь). Например, 15Х25ТЛ.

Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку, которую я буду указывать при рассмотрении этих сталей.

4. Легированные стали машиностроения

4.1 Конструкционные стали

Конструкционные стали идут на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений. Они должны обеспечивать длительную и надежную работу деталей и конструкций в условиях эксплуатации. Поэтому основное требование к конструкционным сталям - комплекс высоких механических свойств.

Строительные стали

Содержат малые количества углерода (0,1-0,22 % ). Это объясняется тем, что детали строительных конструкций обычно соединяются сваркой. Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость.

В качестве строительных, используются углеродистые стали обыкновенного качества Ст2 и СтЗ, имеющие условный предел текучести 24О МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1,5 % Мn и 0,7 % Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами азота (около 0,02 % ) ванадия и ниобия (около 0,1 % ) повышает предел текучести до 450 МПа за счет уменьшения величины зерна. При этом также снижается порог хладноломкости, что особенно важно для строительных конструкций, работающих в условиях низких температур. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, 17Г2АФБ. Одновременное введение меди и никеля (15ХСНД) или меди и фосфора (10ХНДП) увеличивает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях и снижает порог хладноломкости. Приведенные стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов. Некоторые стали (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) подвергают закалке и отпуску. Это значительно повышает их прочность и уменьшает склонность к хрупкому разрушению.

Цементуемые стали

Содержат 0,1-0,25 % углерода и небольшое количество легирующих элементов. Эти стали предназначены для деталей машин, работающих в условиях трения и износа, испытывающих ударные и переменные нагрузки (кулачки, зубчатые колеса, коленчатые валы двигателей и др.) Они подвергаются цементации, закалке и низкому отпуску. После этой обработки твердость поверхности составляет HRC 58-62, а сердцевины HRC 15-40. Упрочнение сердцевины в этих сталях тем сильнее, чем больше содержание легирующих элементов.

Хромоникелевые цементуемые стали

(12ХНЗА, 20ХНЗА, 12Х2Н4А) применяются для крупных деталей ответственного назначения. Дополнительное легирование вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА; 18Х2Н4МА) еще более увеличивает прокаливаемость стали. Эти стали используются для особо ответственных деталей. Никель - дорогостоящий легирующий элемент, поэтому хромоникелевые стали иногда заменяют хромо-марганцевыми сталями с повышенным содержанием углерода. Для уменьшения зерна эти стали дополнительно легируются титаном (18ХГТ) или молибденом (25ХГМ).

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали

Содержат 0,3-0,45 % углерода и небольшое количество легирующих элементов (до 3-5 % ). Эти стали подвергаются улучшению, состоящему из закалки в масле и высокого отпуска. После термообработки имеют структуру сорбита. Применяют улучшаемые стали для ответственных деталей общего машиностроения, работающих в условиях циклических или ударных нагрузок (валов, осей, полумуфт, шатунов, штоков и др.). Поэтому они должны обладать высокими пределами прочности и текучести в сочетании с достаточной вязкостью и пластичностью.

Высокопрочные стали

Новейшая техника предъявляет высокие требования к прочности стали (предел прочности доходит до 1500-2500 МПа). При этом данные стали должны иметь достаточную пластичность и вязкость. Этим требованиям удовлетворяют среднеуглеродистые комплексно-легированные стали.

Среднеуглеродистые комплексно-легированные стали

В целях достижения максимальной прочности подвергаются закалке с низким отпуском или термомеханической обработке. Закалка с низким отпуском обеспечивает высокую прочность даже для углеродистых сталей с содержанием приблизительно 0,4 % углерода. Легирование большим количеством элементов производится для повышения вязкости, уменьшения зерна, увеличения прокаливаемости. Для достижения этих целей производится легирование никелем (1,5-3 %) и небольшими количествами: кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, хрома и марганца (ЗОХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА и др.).

Мартенситностареющие стали

Превосходят по прочности и технологичности среднеуглеродистые комплексно-легированные стали. Они представляют собой практически безуглеродистые (до 0,03 % С) сплавы железа с никелем (17-26 % Ni), дополнительно легированные титаном, алюминием, молибденом, ниобием и кобальтом. Широкое распространение получила сталь 03Н18К9М5Т. Она подвергается закалке на воздухе с 800-850°С. Высокую прочность мартенситностареющие стали получают в результате старения, производимого при температуре 450-500°С. В результате такой термообработки сталь 03Н18К9М5Т имеет предел прочности 2000 МПа.

Кроме упомянутой выше стали нашли применение стали Н12К8МЗГ2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2 и другие. Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, судостроении и т. д. Они обладают хорошей свариваемостью и обрабатываемостью. Эти стали являются достаточно дорогостоящими.

Высокопрочные стали

Повышенной пластичности называются также трип-сталями или ПНП-сталями (ПНП - пластичность, наведенная превращением). Эти стали содержат 0,2-0,3 % С, 8-10 % Сг, 8-25 % Ni, 2-6 % Mo, 1-2,5 % Мn, до 2 % Si.

Пружинные стали

В пружинах, рессорах и других упругих элементах используются только упругие свойства стали. Возникновение пластической деформации в них недопустимо, поэтому высоких требований к пластичности и вязкости не предъявляется. Основное требование к пружинной стали - высокий предел упругости. Кроме того, многие пружины и рессоры подвергаются воздействию циклических нагрузок. Поэтому от пружинных сталей также требуется высокий предел выносливости. Хорошие упругие свойства стали достигаются при повышенном содержании углерода (0,5-0,7 %) и применении термообработки, состоящей из закалки и среднего отпуска при температуре 350-450°С. После такой термообработки сталь имеет троститную структуру. Пружинные стали должны иметь хорошую закаливаемость и прокаливаемость. Мартенситная структура после закалки должна быть по всему сечению. Наличие немартенситных продуктов превращения аустенита после закалки снижает упругие свойства стали.

Углеродистые пружинные стали

(65, 70, 75) вследствие низкой прокаливаемости используются для пружин небольшого сечения. Они могут работать при температуре до 100° С. Стали, легированные кремнием и марганцем (60С2, 60СГ и др.), предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их длительную и надежную работу. Для ответственных пружин применяют высококачественные стали легированные хромом и ванадием (50ХФА, 50ХГФА). Эти стали могут работать при температуре до 300° С. Из них изготавливают, например, рессоры легковых автомобилей. Для особо ответственных крупных пружин и рессор, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, применяют сталь, содержащую никель 60С2Н2А.

Шарикоподшипниковые стали

Применяются для изготовления шариков, роликов и колец подшипников качения. Эти детали в процессе работы испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки. Поэтому шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Высокая твердость и прочность обеспечивается применением высокоуглеродистой стали (содержащей приблизительно 1 % С) и термической обработки, состоящей из закалки и низкого отпуска. Для повышения прокаливаемости и возможности закалки в масле шарикоподшипниковая сталь легируется небольшим количеством хрома. На контактную выносливость отрицательно влияют неметаллические включения, пористость, карбидная неоднородность, так как эти дефекты попадая на контактные поверхности, вызывают преждевременное усталостное разрушение. Поэтому шарикоподшипниковые стали подвергают электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву.

Маркируются подшипниковые стали буквами

Ш (шарикоподшипниковая), X (хромистая) и числами, показывающим содержание хрома в десятых долях процента. Применяются стали ШХ4, ШХ9, ШХ15, а также ШХ15СГ и ШХ20СГ, легированные дополнительно кремнием и марганцем. Чем больше содержание легирующих элементов, тем для более крупных шариков и роликов можно использовать данную сталь. Термическая обработка деталей подшипников состоит из закалки в масле от температур 820-840 °С и отпуска при температуре 150-170 °С. Этим обеспечивается высокая твердость (62-65 HRC).

4.2 Стали и сплавы, устойчивые к воздействию температуры и агрессивной среды

Износостойкие стали

Способны сопротивляться процессу изнашивания. Изнашивание - это процесс постепенного разрушения поверхностных слоев трущихся деталей, который приводит к уменьшению их размеров (износу). Прежде всего, износостойкость может достигаться высокой твердостью поверхности. Стали, имеющие высокую поверхностную твердость, подвергаются закалке и низкому отпуску или химико-термической обработке. К этой группе можно отнести рассмотренные выше цементуемые и шарикоподшипниковые стали, а также рассматриваемые ниже инструментальные стали.

Хромистые коррозионностоикие

Стали могут содержать 13, 17 или 25-27 % хрома. В зависимости от структуры, полученной при охлаждении на воздухе, различают хромистые стали ферритного (08X13, 12X17,15Х25Т, 15X28), мартенсито-ферритного (12X13) и мартенситного (20X13, 30X13, 40X13) классов.

Стали, содержащие 13 % хрома - наиболее распространенные и дешевые коррозионностоикие стали. Они хорошо свариваются и обрабатываются давлением. Применяют их для изготовления деталей с повышенной пластичностью, повергающихся ударным нагрузкам, работающих в слабоагрессивных средах. Стали 30X13, 40X13. обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Из них изготавливают режущий, мерительный и хирургический инструмент, пружины и подшипники, работающие в коррозионной среде.

Стали 12X17, 15Х25Т, 15X28 имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению со сталями, содержащими 13 % хрома. Термической обработкой эти стали не упрочняются. Их недостатком является склонность к сильному росту зерна при нагреве до 850° С. Поэтому сварке эти стали подвергаются редко. Для получения однородного твердого раствора и повышения коррозионной стойкости они подвергаются отжигу при температуре 700-780°С. Используются для оборудования заводов легкой и пищевой промышленности, труб, работающих в агрессивных средах, для кухонной посуды.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали

Обычно содержат 18 % хрома и 9-12 % никеля (03Х18Н12, 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 17Х18Н9 и др.). Они имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями, лучшие механические свойства, хорошо свариваются.

Недостатком хромоникелевых сталей является склонность к межкристаллитной коррозии. Она появляется при нагреве свыше 400°С вследствие образования карбидов Чтобы карбиды хрома не образовывались, надо либо использовать стали с пониженным содержанием углерода (до 0,04 %), либо дополнительно легировать сталь более сильными карбидообразующими элементами, чем хром. В качестве таких элементов используются титан или ниобий в количестве равном пятикратному содержания углерода. В этом случае образуются карбиды TiC или NbC, а весь хром остается в твердом растворе. Стали 03Х18Н12, 04Х18Н10, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др., вследствие малого содержания углерода или дополнительного легирования не склонные к межкристаллитной коррозии, называются стабилизированными.

Используются хромоникелевые стали для деталей изготовляемых из листовой стали штамповкой и сваркой в пищевой и химической промышленности, в холодильной технике. Поскольку никель дорогостоящий элемент, иногда его частично заменяют марганцем и используют сталь 10Х14Г14Н4Т.

Жаростойкие стали

Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями понимают стали, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности при высокой температуре (свыше 550 °С). При нагреве стали происходит окисление поверхности и образуется оксидная пленка (окалина). Дальнейшее окисление определяется скоростью проникновения атомов кислорода через эту пленку. До температуры 570 °С окалина на железе состоит из оксидов Fe3O4 и Fe2O3. Они являются относительно плотными и скорость проникновения атомов кислорода через них невелика. При температуре выше 570 °С окалина состоит в основном из рыхлого оксида FeO. Через пленку этого оксида атомы кислорода проникают очень легко и скорость окисления многократно возрастает. Для повышения жаростойкости сталь легируют элементами, образующими плотную пленку, через которую атомы кислорода не проникают. Эти элементы - хром, алюминий, кремний. Так как алюминий и кремний повышают хрупкость стали, чаще всего применяют хром в количестве до 30 %. Алюминий и кремний добавляются в хромистые стали в небольших количествах, что дополнительно повышает их жаростойкость. Стали, легированные хромом и кремнием, называются сильхромами, хромом и алюминием - хромалями, хромом; алюминием и кремнием - сильхромалями.

Чем больше содержание хрома, тем более жаростойкой является сталь. Сталь 15X5 сохраняет жаростойкость до 600 С, рассмотренные ранее 12X13 до 700°С, 12X17 до 900 °С, 15Х25Т до 1050 °С, 15X28 до 1100 °С. Эти стали используются для труб, деталей котлов и печей, теплообменников турбин, работающих при соответствующих температурах. При этом жаростойкость, в отличие от коррозионной стойкости, зависит только от химического состава стали, а не от структуры.

Сильхромы 40Х9С2, 40Х10С2М жаростойки до 850 °С. Они применяются для клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Сильхромали 15Х6СЮ (жаростоек до 850 °С), 10Х13СЮ (до 950 °С), 15Х18СЮ (до 1050 °С) устойчивы в серосодержащих соединениях.

Железоникелевые и никелевые

Жаростойкие сплавы обладают большей жаростойкостью, чем стали, что связано с защитными свойствами оксида NiO. Высокая жаростойкость нихромов (сплавов никеля с хромом) объясняется образованием шпинели NiО-Сг2О3. Например, железоникелевый сплав ХН45Ю жаростоек до 1300 °С, никелевый сплав ХН70Ю - до 1200 °С.

Теплоустойчивые стали и жаропрочные стали

Способны противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. При этом они должны обладать достаточной жаростойкостью. Эти стали классифицируются по структуре. Теплоустойчивые стали предназначены для работы до 650 °С относятся к перлитному или мартенситному классу. Жаропрочные стали относятся к аустенитному классу.

Перлитные стали

Содержат малое количество углерода (0,1-0,25 %). Углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К предназначены для работы при температурах не выше 400 °С. Число в марке, как и обычно, показывает содержание углерода в сотых долях процента, а буква К означает, что сталь котельная. Эти стали подвергаются нормализации. Используются главным образом в котлостроении и для изготовления труб.

Низколегированные стали

Легируются хромом, молибденом, ванадием в небольших количествах (12ХМ, 12Х1МФ). Они подвергаются закалке и высокому отпуску. Температура отпуска должна быть выше рабочей, обычно 650-700 °С. Эти стали используются для изготовления труб, паропроводов и др. деталей, длительно работающих при температуре 500-550 °С.

Мартенситные стали

В большом количестве легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (15X11МФ, 15Х12ВНМФ). Кроме жаропрочности, эти стали обладают высокой жаростойкостью. Они подвергаются закалке от 1000-1050 °С в масле и последующему отпуску при 650-750 °С. Они используются для деталей энергетического оборудования, длительно работающего при температуре 580-620 °С. Особую группу мартенситных сталей составляют рассмотренные ранее сильхромы, применяемые для клапанов двигателей внутреннего сгорания (40Х9С2,40Х10С2М).

Аустенитные стали

Легированы большим количеством хрома и никеля для получения структуры аустенита. Для увеличения жаропрочности их дополнительно легируют молибденом, ванадием, вольфрамом, ниобием и бором. Из этих сталей изготавливают детали газовых турбин, работающих при температуре 600-700 °С. Аустенитные стали делятся на неупрочняемые термической обработкой (гомогенные) и упрочняемые закалкой и старением (дисперсионно твердеющие). Стали, не упрочняемые термической обработкой (09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР и др.) Дисперсионно твердеющие стали (45Х14Н14В2М, 10Х11H20ТЗР и др.) Сплавы на основе никеля, называемые нимониками, используются для работы при более высоких температурах (700-900 °С). Для получения высокой жаростойкости никель легируется хромом (10-20 % ), а для повышения жаропрочности - титаном (1-3 % ) и алюминием (0,5-5 %). Также никелевые сплавы легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, кобальтом. Наиболее широко применяется никелевый сплав ХН77ТЮР, содержащий кроме никеля приблизительно 20 % Сг, 2,5 % Ti, 1 % Al, 0,005-0,008 % В. Никелевые сплавы подвергаются закалке от 1100-1200 °С на воздухе для получения однородного твердого раствора и старению при 700-750 °С в течении 15-20 ч. Используются никелевые сплавы для деталей авиационных двигателей и газовых турбин.

4.3 Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Магнитомягкие стали

Предназначены для изготовления деталей, подвергаемых переменному намагничиванию, например сердечников трансформаторов, электромагнитов, статоров и роторов электродвигателей. Они способны к хорошему намагничиванию даже в слабых магнитных полях, т.е. имеют малое значение коэрцитивной силы. Эти материалы должны иметь однородную структуру с минимальным количеством примесей и включений.

В качестве магнитомягкого материала широко применяют электротехническую сталь, представляющую собой железокремнистый сплав (1-5 % Si) с очень низким содержанием углерода (0,005-0,05 % ). Электротехническая сталь изготовляется в виде тонких листов.

Высокую магнитную проницаемость имеют железоникелевые сплавы - пермаллои. Они используются для приборов, работающих в слабых магнитных полях (радио, телефон, телеграф). Они делятся на низконикелевые, содержащие 45-50 % Ni (45H, 50Н), и высоконикелевые, содержащие 79-83 % Ni (79HM, 81НМА.) Для замены дорогостоящих пермаллоев используется сплав алсифер, содержащий 9,6 % Si, 5,4 % Al и остальное - железо. Алсифер имеет очень высокую твердость и хрупкость, что делает его совершенно недеформируемым. Поэтому он используется в виде отливок или спеченных порошковых деталей.

Для радиоэлектроники необходимы высокочастотные магнитомягкие материалы, которые в отличие от рассмотренных выше способны сохранять высокую магнитную проницаемость при высоких частотах. Такими материалами являются ферриты, представляющие собой керамику, полученную путем спекания оксидов. Основой ферритов является оксид железа Fe2O3. Для повышения электрического сопротивления к нему добавляют оксиды других металлов - ZnO, MnO, NiO, MgO. Ферриты характеризуются очень высоким электрическим сопротивлением. Поэтому даже при сверхвысоких частотах они имеют незначительные тепловые потери.

Для изготовления постоянных магнитов используются углеродистые стали У10, У11, У12.

Электротехнические стали и сплавы

Электротехнические сплавы делятся на материалы высокой электрической проводимости и сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Материалы высокой проводимости применяются для передачи электрической энергии на расстояние. Для этой цели применяются чистые металлы, так как любые примеси создают искажения в кристаллической решетке и повышают электрическое сопротивление. Наиболее высокую электрическую проводимость имеют медь и алюминий, которые и применяются для проводников электрического тока. (Еще более высокая проводимость у серебра).

Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением используются для нагревательных элементов и точных элементов сопротивления (реостатов, резисторов, катушек сопротивления и др.). В этих целях используются сплавы, имеющие структуру твердых растворов. Электрическое сопротивление данных сплавов выше сопротивления металлов, составляющих сплав. Сплавы для нагревательных элементов кроме высокого электрического сопротивления должны обладать высокой окалиностойкостью. Низкоуглеродистые (0,06-0,18 % С) стали, легированные хромом и алюминием (хромали) марок Х13Ю4, Х23Ю5, Х27Ю5Т имеют рабочую температуру до 900-1200 °С. Их недостаткам является низкая пластичность и склонность к ползучести при высоких температурах. Сплавы на основе никеля - нихром Х20Н80 (20 % Сг, 80 % Ni) и ферронихромы Х15Н60 (25 % Fe, 15 % Сг, 60 % Ni) и Х25Н20 имеют несколько меньшую рабочую температуру (до 1100 °С), но более пластичны. Эти материалы выпускаются в виде проволоки, ленты и прутков. Их используют для промышленных электропечей и бытовых электронагревательных приборов.

Сплавы для точных элементов сопротивления (реостатные материалы) помимо высокого электрического сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электросопротивления (чтобы сопротивление мало изменялось при нагревании). Этим условием удовлетворяют медно-никелевые сплавы константан МНМц 40-1,5 (40 % Ni и 1,5 % Мn, остальное - Сu), копель МНМц 43-0,5, манганин МНМц 3-12. Рабочая температура этих сплавов не выше 300-500 °С.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Некоторые детали приборов должны обладать постоянством размеров при изменении температуры. Поэтому их температурный коэффициент расширения должен быть близок к нулю. Таким свойством обладает сплав инвар 36Н, содержащий 36 % никеля и 64 % железа. Он имеет также хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства. Низкий коэффициент температурного расширения сохраняется у инвара в диапазоне от -100 до 100 °С. Еще более низкий коэффициент температурного расширения имеет суперинвар 32ХНКД (32 % Nj, 3,6 % Со, 0,7 % Си).

Сплав ковар 29НК (29 % Ni, 18 % Со) имеет такой же температурный коэффициент линейного расширения, как и термостойкое стекло. При этом коэффициенты совпадают вплоть до 420 °С. У платинина 47НД (47 % Ni, 5 % Си) коэффициент расширения такой же, как и у обычного нетермостойкого стекла и платины. Для пайки с керамикой не требуется такого точного совпадения коэффициентов расширения, как для пайки со стеклом. Для нее используется сплав ЗЗНК (33 % Ni, 17 % Со).

Сплавы с постоянным модулем упругости

Во всех материалах модуль упругости уменьшается с повышением температуры. В ряде случаев требуется материал с модулем упругости, не изменяющимся при нагреве (для пружин точных приборов, камертонов и др.) Таким свойством обладают некоторые железоникелевые сплавы, называемые элинварами. В настоящее время применяются элинвары, содержащие 42-45 % никеля. Они дополнительно легируются хромом (5-6 % ), титаном (6-3 % ) и алюминием (до 1 % ). Эти сплавы (42НХТЮ, 44НХТЮ) подвергаются закалке от 950 °С в воде и отпуску при температуре 700 °С. Рабочая температура элинвара 42ХНТЮ - до 100 °С, а элинвара 44ХНТЮ - до 200 °С. Большой интервал рабочих температур - до 400 °С имеет элинвар 30Х25КТЮ, который содержит около 25 % кобальта.

4.4 Инструментальные стали

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, измерительного и штампового инструмента. Кроме сталей, для изготовления режущего инструмента применяются металлокерамические твердые сплавы и минералокерамические материалы. Режущий инструмент работает в сложных условиях, подвержен интенсивному износу, при работе часто разогревается. Поэтому материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Теплостойкость - это способность сохранять высокую твердость и режущие свойства при длительном нагреве.

Углеродистые инструментальные стали

Содержат 0,7-1,3 % углерода. Они маркируются буквой У и цифрой, показывающих содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,... У13). Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А,... У13А). Твердость качественных и высококачественных сталей одинакова, но высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам, дают при закалке меньше брака. Высококачественная сталь выплавляется в электрических печах, а качественная - в мартеновских печах и кислородных конвертерах.

Для углеродистых инструментальных сталей характерны низкая теплостойкость (до 200 °С) и низкая прокаливаемость (до 10-12 мм). Однако вязкая незакаленная сердцевина повышает устойчивость инструмента против поломок при вибрациях и ударах. Кроме того, эти стали достаточно дешевы и в незакаленном состоянии сами хорошо обрабатываются.

Стали У7, У7А - для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, слесарные и кузнечные молотки, штампы, клейма, масштабные линейки, инструменты по дереву, центры токарных станков и т. д.).

Стали У8, У8А - для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент, буры средней твердости). .

Стали У9, У9А - для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).

Стали У10, У10А - для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам, требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным породам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).

Стали У11, УНА, У12, У12А - для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).

Стали У13, У13А - для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников).

Стали У8 - У12 применяются также для измерительного инструмента.

Низколегированные инструментальные стали содержат в сумме около

1 -3 % легирующих элементов. Они обладают повышенной по сравнению с углеродистыми сталями прокаливаемостью, но теплостойкость их невлика - до 300 °С. Основные легирующие элементы - хром, кремний, вольфрам, ванадий. Маркируются эти стали так же, как конструкционные, но содержание углерода дается в десятых долях процента. Если первая цифра в марке отсутствует, то содержание углерода превышает 1 %. Например 9ХС, ХВГ, ХВ5.

Быстрорежущие стали

Предназначены для работы при высоких скоростях резания. Главное их достоинство - высокая теплостойкость (до 650 °С). Это достигается за счет большого количества легирующих элементов - вольфрама, хрома, молибдена, ванадия, кобальта. Маркируются быстрорежущие стали буквой Р, число после которой показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Далее идут обозначения и содержание других легирующих элементов. Содержание углерода во всех быстрорежущих сталях приблизительно 1 %, а хрома 4 %. Поэтому эти элементы в марке не указываются, например Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф2К8.

Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, используемого при обработке металла на металлорежущих станках (резцы, фрезы, сверла.)

Штамповые стали для холодного деформирования

Стали для инструментов холодной обработки давлением (штампов, пуансонов, матриц, фильер и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью. Так как инструменты подвержены ударным нагрузкам, эти свойства должны сочетаться с достаточной вязкостью. При больших скоростях деформирования рабочая кромка инструментов разогревается и от сталей требуется теплостойкость. Для различных условий холодного деформирования применяются различные стали.

Углеродистые стали

У10,…У12 и низколегированные 9ХС, ХВГ, ХВСГ используются для вытяжных и вырубных штампов. Вследствие низкой прокаливаемости этих сталей штампы имеют твердую износостойкую поверхность и вязкую сердцевину, что позволяет им работать при небольших ударных нагрузках.

Высокохромистые стали

С 12 % хрома Х12, Х12М, Х12Ф1, Х12Ф4М обладают высокой износостойкостью, глубокой прокаливаемостью (150-200 мм), при закалке в масле мало деформируются. Молибден и ванадий способствуют измельчению зерна. Они применяются для изготовления крупного инструмента сложной формы. Их высокая твердость и износостойкость обеспечивается присутствием в структуре большого количества карбидов хрома Сг7С3. Однако большое количество карбидов приводит к карбидной неоднородности, что вызывает снижение прочности и вязкости. Стали, содержащие 6 % хрома (Х6ВФ, Х6Ф4М), обладают меньшей карбидной неоднородностью и соответственно большей прочностью.

В тех случаях, когда от инструмента требуется ударная вязкость, применяют стали, содержащие 0,4-0,6 % углерода 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 6ХВ2С, 6ХВГ. Эти стали используют для ударного инструмента, испытывающего изнашивание или смятие, но без высоких удельных давлений.

Когда требуется сочетание высокой прочности с повышенной ударной вязкостью, применяются стали 6Х4М2ФС, 6Х6ВЗМФС, 7ХГ2ВМФ. При этом стали 6Х4М2ФС и 6Х6ВЗМФС обладают повышенной теплостойкостью (до 450-500 °С).

Штамповые стали для горячего деформирования

Стали для инструментов горячей обработки давлением работают в тяжелых условиях, испытывая ударную нагрузку в сочетании с чередованием нагрева и охлаждения. Поэтому они должны обладать высокой прочностью, износостойкостью, вязкостью, теплостойкостью и окалиностойкостью, а также устойчивостью к образованию поверхностных трещин при резкой смене температур (разгаро-стойкостью). Стали для крупных инструментов должны иметь достаточную прокаливаемость. Молотовые штампы имеют большие размеры, работают в условиях ударных нагрузок и малого времени контакта с горячей заготовкой. Поэтому требования к вязкости, сопротивлению пластической деформации и прокаливаемости достаточно высоки, а к теплостойкости пониженные. Для молотовых штампов используются стали 5ХНМ, 5ХНВС, 5ХГМ, 5ХНВ.

Штампы горизонтально-ковочных машин и прессов имеют меньшие размеры, чем молотовые штампы, при работе испытывают высокие давления без больших ударных нагрузок, нагреваются до гораздо более высоких температур. Поэтому основные требования к сталям для этих штампов - высокая теплостойкость и разгаростойкость. Этим требованиям удовлетворяют комплексно-легированные стали ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5ХЗВЗМФС. По составу и превращениям при термической обработке эти стали сходны с быстрорежущими.

Когда для инструмента горячего деформирования требуется сочетание повышенной теплостойкости и вязкости, применяют стали 4Х5МФС, 4Х5Ф2ФС, 4ХЗВМФ и др. В частности они используются для инструментов высокоскоростной штамповки.

В случае отсутствия требований по теплостойкости применяются стали повышенной вязкости 7X3 и 8X3.

Твердые сплавы

Вольфрамовые изготовляются на основе карбида вольфрама и кобальта, содержащегося в количестве от 3 до 15%. Маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах (ВК2, ВК6, ВК10). Чем выше содержание кобальта, тем выше вязкость сплава. На свойства сплавов влияет размер зерна карбидов. С уменьшением размера зерна возрастает износостойкость, но несколько снижается прочность. В обозначениях марки сплава с мелким зерном добавляется буква М (ВКЗ-М, ВК6-М). Вольфрамовые сплавы используются при обработке чугунов, сплавов высокой хрупкости, неметаллических материалов.

Титановолъфрамовые твердые сплавы содержат дополнительно карбид титана. Они маркируются буквами Т, К и цифрами. После буквы Т указывается содержание карбида титана в процентах, а после буквы К - кобальта (Т15К10, Т15К6). По сравнению с вольфрамовыми эти сплавы обладают большей твердостью и теплостойкостью, но меньшей теплопроводностью и вязкостью. Теплостойкость повышается с увеличением содержания карбидов титана. Эти сплавы применяются для высокоскоростной обработки сталей.

Титаттанталоволъфрамовые сплавы содержат дополнительно карбид тантала. Маркируются буквами ТТ, после которых указывается суммарное содержание карбидов титана и тантала в процентах, и буквой К, после которой указывается содержание кобальта (ТТ7К12, ТТ10К8). Эти сплавы характеризуются меньшей хрупкостью, более высокой прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и ударам. Поэтому они применяются при тяжелых условиях резания: черновой обработке заготовок с неровной поверхностью. Главный недостаток твердых сплавов - высокая хрупкость.

Минералокерамические и сверхтвердые материалы. Минералокерамика является дешевым инструментальным материалом, не содержащим дефицитных и дорогостоящих элементов. В настоящее время используются следующие основные группы инструментальных минералокерамических материалов:

1. Оксидная (белая) керамика, состоящая из оксида алюминия А12О3 с небольшими добавками оксида магния (0,6-1 % ). Основной представитель этой группы - микролит ЦМ-332.

2. Оксидно-карбидная (черная) керамика, состоящая из оксида алюминия (60-80 % ), карбидов и оксидов тугоплавких металлов (TiC, ZrO, и др.).

3. Оксинитридная керамика, состоящая из нитрида кремния Si3N4 с добавкой тугоплавких оксидов.

5. Материалы изменяющие свойства стали

Исходя из выше изложенного материала можно сделать выводы, как и в какой степени изменяется структура стали при добавлении легирующих элементов. Например:

Х, Н, Д, А, в сумме - повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают хрупкость;

Х, С, Г, в сумме - уменьшает температурное расширение стали, повышает твердость, снижает хрупкость;

С, Г, Х, Ф, Н, - увеличивают прокаливаемость, предел выносливости стали, уменьшают остаточную деформацию;

Н - уменьшает чувствительность стали к надрезам;

С - способствует улучшению литейных свойств;

Г - способствует улучшению механических свойств, уменьшает хрупкость;

А - уменьшает предел выносливости, снижает хладколомкость;

Ф - высокая теплостойкость и разгаростойкость;

М - сочетание высокой прочности с повышенной ударной вязкостью;

В - способствует измельчению зерна в структуре, значительному увеличению твердости;

Т - повышает твердость, но одновременно повышается хрупкость;

X - повышает коррозийную стойкость стали, снижает хрупкость;

Д и К - создают низкий коэффициент температурного расширения;

Ю - создает модуль упругости, не изменяющийся при нагреве;

Р - для получения высокой жаростойкости;

Б - для повышения межкристаллитной коррозии;

S - сера, вредная примесь. Содержание не должно превышать 0,06%. Увеличивает хрупкость, снижает однородность строения стали, уменьшает предел выносливости.

Заключение

Основная цель изучения материаловедения по данному вопросу выработать научно обоснованные навыки по выбору оптимального материала для деталей машин и рациональной их упрочняющей обработки. Это находится в соответствии с требованиями развития экономики страны в условиях научного технического прогресса, так как недостатки машиностроительной продукции в значительной степени обусловлены неправильным решением специалистами - машиностроителями материаловедческих проблем. Особое внимание в данном курсе уделяется сознательному усвоению базовых знаний. Значение материаловедения как науки весьма велико и в настоящее время. Материаловедение - одна из важнейших приоритетных наук, определяющих технический прогресс. Современной промышленности требуются материалы с самыми различными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать как при весьма высоких, так и при очень низких температурах. Эта работа посвящена конструкционным и инструментальным сталям, которые относятся к легирующим, в ней я рассмотрел требования к эксплутационным и технологическим свойствам, методам получения материалов, свойства и применение их в промышленности.

Ответ на поставленные задачи:

1. Найдено конкретное определение «Легированным сталям».

2. Произведена классификация «Легированных сталей».

3. Определено действие легирующих материалов на сталь.

Список использованной литературы

1. Мозберг, Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - 2-е изд. / Р.К. Мозберг - М.: Высш. шк., 2000. - 448 с.

2. Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник. 3-е издание. / А.М. Пейсахов, А.М. Кучер; - СПб., 2005. - 416 с.

3. Учеб. для учрежд. средн. профессион. образования / А.М. Адаскин, Ю.Е. Седов, А.К. Онегина, В.. Климов; Ред. Ю.М. Соломенцева; - М.: Высш. шк., 2005. - 456 с.

Размещено на Allbest.ru

...