Легированные стали - конструкционные и инструментальные

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ

КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Легированные стали - конструкционные и инструментальные. Обозначение легирующих добавок. Маркировка и расшифровка марок стали

Содержание

Введение

1. Легированные стали

1.1 Определение

1.2 Классификация легированных сталей

1.3 Маркировка легированной стали

2. Конструкционная легированная сталь

3. Инструментальная легированная сталь

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

В первую очередь стоит задуматься, почему в промышленности стали применять легированную сталь? У известной нам углеродистой стали существует один большой недостаток - резкое уменьшение пластичности и вязкости с увеличением содержания углерода, который увеличивает её твердость. Закаленные на мартенсит резцы и другие режущие инструменты углеродистой инструментальной стали тверды, но не выдерживают высокой скорости резания, так как плавятся, нагреваясь при работе до температуры 259 градусов С. Кроме того, режущие инструменты из углеродистой стали очень хрупки и непригодны при ударной нагрузке.

Прокаливаемость углеродистой стали также невелика, в связи с большой критической скоростью закалки. В результате на мартенсит закаливается только поверхностный слой деталей; внутренние слои оказываются закаленными на троостит или сорбит, а у более или менее массивных деталей - вовсе незакаленными. Таким образом, углеродистая сталь часто не отвечает требованиям ответственного машиностроения и инструментального производства. В таких случаях применяют легированную сталь.

1. Легированные стали

1.1 Определение

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали - легированными. Легирующие элементы изменяют механические (прочность, пластичность), физические, эксплуатационные и химические свойства стали. В конструкционных сталях, которые мы будем рассматривать далее, легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Легирующие элементы в стали по-разному взаимодействуют с железом и углеродом. Они образуют с железом как г-, так и б - твердые растворы различной концентрации, то есть они могут входить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементы оказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни расширяют этот интервал (например, никель) и при достаточном содержании делают аустенит устойчивым даже при комнатной температуре. Такие стали называют аустенитными. Другие (например, хром), наоборот уменьшают устойчивость г-железа и могут совсем устранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов(например более 13% хрома) , г -железа не существует при всех температурах, вплоть до плавления, и сталь остается ферритной. Аустенитные и ферритные стали закалки не принимают, так как они не имеют практически фазовых превращений в твердом состоянии.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы:

1) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения - карбиды (хром, марганец, вольфрам, ванадий, титан, молибден)

2) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твердый раствор - феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

1.2 Классификация легированной стали

легированный сталь хромоникелевый хромолибденовый

Классификация по структуре в отожженном состоянии.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды - легированный ледебурит. Ледебуритная сталь, по существу, является хромовым белым чугуном, но хром настолько улучшает его свойства, что он удовлетворительно куется и в производстве заменяет сталь. На рис.1(см.приложение) приведена структурная диаграмма отожженной хромовой стали в зависимости от содержания углерода и хрома. Концентрация легированного эвтектоида для стали с различным содержанием хрома характеризуется линией I, а предельная концентрация углерода в легированной аустените линией II. Доэвтектоидная сталь состоит из легированного перлита и избыточного легированного феррита, заэвтектоидная - из легированного перлита и карбидов, а ледебуритная - из легированных ледебурита, перлита и карбидов. На диаграмме также указана область ферритной стали, полученной при большом содержании хрома и малом содержании углерода.

Классификация стали по структуре в нормальном состоянии.

На рис.2 (см.приложение) приведена диаграмма для охлажденной на воздухе никелевой стали в зависимости от содержания в ней никеля и углерода. По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры. При меньшем содержании никеля и углерода мартенситная точка на диаграмме выше, так как мартенситное превращение проходит при более высокой температуре; охлажденная на воздухе до комнатной температуры сталь принимает структуру мартенсита. При небольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухе оказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, имеет структуру троостита, сорбита и перлита. Заштрихованные участки диаграммы указывают состав стали, занимающий положение промежуточных классов: перлитно-мартенситного и мартенситно-аустенитного.

Аналогичные диаграммы могут быть построены также для стали, легированной другими элементами, причем кроме трех названных классов стали могут образоваться, как видно из примера хромовой стали, еще два класса: ледебуритный(карбидный) и ферритный. Наличие карбидного класса характерно для стали, легированной карбидообразующими элементами; такая сталь очень тверда и идет на изготовление инструментов.

Таким образом, легированная сталь в зависимости от структуры и состояния, получаемых при охлаждении на воздухе делится на пять классов: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.

Классификация стали по назначению.

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В настоящее время широко применяется конструкционная сталь легированная и стали других видов в машиностроении и других отраслях промышленности.

В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента. Из них изготовляют режущие, измерительные, штамповые и другие инструменты. К сталям с особыми свойствами относят кислотоупорные, износоустойчивые, жаропрочные и жаростойкие: с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.д.

1.3 Маркировка легированной стали

Для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы: Х- хром, Н - никель, Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, М -молибден, Ф - ванадий, К -кобальт, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, А -азот, Е - селен, Ц - цирконий. Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы - наличие соответствующих элементов, а цифры, следующие за буквами, - процентное содержание этих компонентов в стали. Если после какой-то буквы отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %., например, марка 35Х обозначает хромовую сталь, содержащую около 0,35% С и до 1,5 % Сr, марка 45Г2 обозначает марганцевую сталь, содержащую около 0,45%С и около 0,3%С, до 1,5% Сr и около 3%Ni и т.д. Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках (Ш - шарикоподшипниковая, Б - быстрорежущая, Е - магнитотвердая). Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву А, например, 30ХГСА, для обозначения особо высококачественной стали - букву Ш (через дефис), например30ХГС-Ш. Качественная легированная сталь содержит серы более 0,035%, высококачественная - не более 0, 025%, особо высококачественная - не более 0,015%.

Для стали инструментальной легированной порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционной, но количество углерода указывается первой цифрой в десятых. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1% углерода.

2. Конструкционная легированная сталь

Конструкционная сталь, общее название группы сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов. Конструкционная сталь должна обладать хорошей свариваемостью, в связи с чем содержание в ней углерода не должно превышать 0,25%; она подразделяется на углеродистую и низколегированную (до 5% легирующих элементов) повышенной прочности, а также в зависимости от назначения -- для мостостроения и каркасов высотных зданий.

Конструкционная сталь, используемая в машиностроении, по химическому составу классифицируется на углеродистую и легированную (хромистая, хромоникелевая и др.); по методу изготовления -- на деформируемую и литейную; по условиям работы -- на конструкционную, жаропрочную, нержавеющую (коррозионностойкую), износостойкую. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистую цементуемую сталь (0,1--0,25% С) и так называемую улучшаемую сталь (0,25--0,45% С); для некоторых деталей (например, пружин, рессор) применяется сталь с более высоким содержанием углерода (0,5--0,65% С). По степени легированности сталь для машиностроения делят на низко- (до 5% легирующих элементов), средне- (5--10%) и высоколегированную (более 10%). Детали машин, изготовленные из стали, как правило, подвергают термической обработке. В зависимости от значения и характера воспринимаемых деталью нагрузок к стали предъявляются требования необходимого уровня прочности, пластичности, ударной вязкости, предела выносливости, свариваемости, прокаливаемости и др.

Тройная (железо + углерод + легирующий элемент) легированная сталь.

Хром в качестве легирующего компонента получил наибольшее распространение, так как способствует увеличению прочности стали и относительно дешев. Низко- и среднелегированную хромовые стали довольно широко применяют в авто- и тракторостроении, а также в других отраслях машиностроения для осей, валов, зубчатых колес и других деталей. Хромовая сталь при содержании 0,4-1,65% Cr и 0,95-1,15%С образует группу шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15. Низколегированную хромовую сталь применяют также для изготовления инструментов.

Никель - хороший легирующий компонент, но достаточно дорогой. Поэтому его по возможности сочетают с хромом или заменяют марганцем и другими легирующими элементами (сложнолегированная сталь). Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали.

Кремний при содержании свыше 0,8% повышает прочность, упругость и твердость стали, снижая, однако, её вязкость. Низкоуглеродистую кремнистую сталь применяют при сооружении мостов. Сталь 50С2, 60С2 и других марок применяют для изготовления пружин и рессор. После закалки она отличается высокой упругостью и прочностью.

Марганец повышает твердость и прочность стали, а также увеличивает её прокаливаемость и улучшает свариваемость. Низколегированную марганцевую сталь используют для деталей, от которых требуется износоустойчивость (зубчатые колеса, оси, болты). Это сталь маркировок 30Г2, 45Г2, 50Г2.

Сложнолегированная конструкционная сталь.

Эта сталь имеет широкое распространение. Путем одновременного легирования стали несколькими элементами получение нужных свойств достигается легче, полнее и при меньшем их содержании.

Хромоникелевая сталь. Она обладает высокой прочностью, вязкостью и является одним из лучших конструкционных материалов. Сталь такого вида получила распространение в авиастроении для изготовления наиболее нагруженных деталей авиамоторов, в авто- и тракторостроении. В зависимости от характера работы в изделии одни детали должны подвергаться цементации, другие- закалке и высокому отпуску(улучшению) В соответствии с этим хромоникелевая сталь делится на цементируемую и улучшаемую.

Цементуемые стали. Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10-0,30 % С, подвергая их затем цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1(0,2 %)-сталь 15ХФ-способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006-0,12 %): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемыхсталей, подвергают цементации на небольшую глубину.

Улучшаемые стали. Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3-05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Хромолибденовая сталь. Отличается высокой прочностью и вязкостью, простотой применяемой термической обработки. Её используют в котло- и трубостроении для котельных труб, труб пароперегревателей, котельных барабанов и т.п. Хромолибденовую сталь марки 15ХМ применяют для различного рода трубопроводов, работающих при высоких температурах в агрессивных средах. Кроме того, хромолибденовую сталь применяют в моторостроениии и других отраслях.

Хромованадиевая сталь. Эта сталь обладает высокой упругостью, применяется для изготовления осей, зубчатых колес(15ХФ,20ХФ), пружин(50ХФА) и др. Пружины, изготовленные из этой стали, сохраняют свою упругость при нагреве до температуры 380С. Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Низколегированная сталь повышенной прочности. Широкое применение в машиностроении строительстве находит низколегированная сталь повышенной прочности, не содержащая дорогостоящих элементов и легированная марганцем,кремнием,хромом.

Высокопрочные стали. С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из таких способов - легирование среднеуглеродистых сталей (0,4-0,5 % С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200-300.

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО (низкотемпературная термическая обработка) имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению

Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием специальной термической обработкой. Их достоинства - высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.

Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода ((0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей; Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800-860С.

Мартенситостареющие стали наряду с самолето- и ракетостроением используют в криогенной технике, так как они при низких температурах обладают высокой прочностью и достаточной вязкостью.

3. Инструментальная легированная сталь

Инструментальная сталь идет для изготовления различного инструмента: ударно-штампового, измерительного, режущего. Она имеет ряд преимуществ перед инструментальной углеродистой сталью. Штампы из углеродистой стали обладают высокой твердостью и прочностью, но плохо сопротивляются удару. Метчики, развертки и другие длинные и тонкие инструменты из углеродистой стали при закалке получаются хрупкими, они ненадежны в работе и часто ломаются.

Важнейшие легирующие примеси инструментальной легированной стали: хром, вольфрам, молибден, марганец, кремний. Содержание углерода в этой стали может быть ниже, чем в углеродистой, и колеблется от 0,3 до 2,3%. Условия работы отдельных видов инструментов различны, поэтому для каждого вида инструмента необходимо применять сталь, подходящую по своим качествам к данным условиям работы.

Сталь для ударно-штампового и измерительного инструмента.

Для нагруженных штампов, деформирующих металл в холодном состоянии, применяют высоколегированную хромовую сталь (х12), отличающуюся после закалки многократного высокого отпуска весьма высокой твердостью и износоустойчивостью. Примером стали для тяжелонагруженных штампов, деформирующих металл в горячем состоянии (горячая штамповка), может служить сталь марок 5ХНМ и 5ХГМ (для небольших штампов) После закалки и высокого отпуска подобная сталь обладает повышенной прочностью, вязкостью и износоустойчивостью при высоких температурах.

Низколегированная сталь для режущего инструмента.

Низколегированная сталь по своей режущей способности существенно не отличается от углеродистой стали и применяется при небольших скоростях резания, так как понижение твердости стали начинается уже при температуре 200-220С. Однако эта сталь имеет меньшую критическую скорость закалки по сравнению с углеродистой сталью и поэтому обладает более высокой прокаливаемостью, что позволяет получить структуру мартенсита в более крупных сечениях инструмента; кроме того, она менее хрупка. В качестве основного легирующего элемента для стали этих марок применяют хром, а также вольфрам. Наиболее распространенные марки стали для режущих инструментов являются: 9ХС, ХВГ и В1.

Быстрорежущая сталь.

Самые распространенные - Р18,Р6М3. Наиболее массовое употребление в СССР и России получила марка Р6М5.

Это высоколегированная инструментальная сталь, обладающая красностойкостью, то есть не теряющая режущих свойств при нагреве до 600-700С. Она способна резать металл со скоростями в 3-4 раза выше допустимых для углеродистых и низколегированных инструментальных сталей.

По структуре в равновесном состоянии быстрорежущая сталь относится к ледебуритному классу. После ковки и отжига она имеет перлитно-сорбитную основу с округлыми включениями зерен легированных карбидов. Термическая обработка быстрорежущей стали состоит из закалки с температурой нагрева до 1260-1300С и двух или трехкратного отпуска для уменьшения содержания остаточного аустенита. Высокая температура закалки необходима для растворения возможно большего количества легированных карбидов в аустените, чтобы получить мартенсит, более насыщенный легирующими элементами и стойкий против отпуска.

Заключение

Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение.

Достоинства легированных сталей:

1. особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

2. улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;

3. легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

4. возможно использование более "мягких" охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

5. повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Список литературы

1. Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров, Москва, 1968, Изд. “Высшая школа”.

2. Гуляев А.П. Металловедение.

Размещено на Allbest.ru