Теорія конструкційних матеріалів

Налита у виливницю сталь охолоджується нерівномірно. Кристалізація починається біля стінок та дна виливниці. Так як потік теплоти направлений перпендикулярно до стінок виливниці, то в цих напрямках утворюються стовпчасті кристали. В процесі охолодження зливка зменшується його об'єм і утворюється усадкова порожнина у верхній частині зливка.

Безперервне розливання полягає втому, що сталь із ковша виливають у металевий кристалізатор, який охолоджується водою. Розжарений зливок валками протягується вниз, додатково охолоджується водою. Тому кристалізація відбувається швидко. В результаті структура зливка щільна, дрібнозерниста і хімічно однорідна. На виході з машини зливок розрізується на частини необхідної довжини. Поперечний переріз кристалізатора визначається конфігурацією майбутнього виробу. Зливки мають якісну поверхню, відсутня усадкова порожнина, нема потреби у великій кількості виливниць.

В Японії, Італії, Південній Кореї та ФРН понад 95% сталі розливають на таких машинах. Дуже відстають в цьому КНР, Росія, Індія та Україна.

Тема 2.3 Вуглецеві сталі

Вуглецеві сталі - це багатокомпонентні сплави заліза з вуглецем, марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою та іншими компонентами.

Вплив постійних домішок на властивості сталі

Вуглець у сталях перебуває в складі фериту і цементиту. Ферит має невисоку міцність, малу твердість і добру пластичність, але зі збільшенням кількості вуглецю частка фериту у сталі поступово зменшується, а частка високотвердого і малопластичного цементиту зростає. Така зміна у співвідношенні фаз фериту й цементиту збільшує міцність та твердість і зменшує її пластичність та ударну в'язкість. Міцність зростає доти, поки частка вуглецю не досягне 0,8...0,9 %. Подальше збільшення вуглецю спричинює зменшення міцності, що призводить до руйнування під час навантаження крихкої сітки вторинного цементиту навколо перлітних зерен.

Поруч з механічними властивостями змінюються також і властивості технологічні. Зокрема з ростом кількості вуглецю в сталі її зварюваність і оброблюваність різанням погіршуються. Сталі добре зварюються, якщо кількість вуглецю в них не перевищує 0,25 %.

Марганець, як відомо, використовують в металургії з метою дезоксидації та десульфідизації рідкого металу. При цьому частина марганцю у вигляді МnО і МnS потрапляє в шлак, який згодом зливають, а інша -- залишається в металі у складі фериту i цементиту. Розчинений у фериті марганець спотворює кристалічну решітку, внаслідок чого помітно підвищується міцність сталі, хоч пластичність змінюється мало.

Кремній застосовують для дезоксидації. Він утворює з феритом твердий розчин, спотворена гратка якого збільшує міцність і знижує пластичність сталі.

Фосфор розчиняється у фериті і хоч підвищує міцність, проте зменшує пластичність та ударну в'язкість сталі. Спад ударної в'язкості стає причиною холодноламкості, тобто схильності сталі до крихкого руйнування при низьких температурах.

Сірка не розчиняється в залізі, входить до складу хімічної сполуки FeS. Низька температура плавлення сполуки спричинює червоноламкість -- схильність сталі до крихкого руйнування під час гарячої обробки тиском. Тому сталь з підвищеною концентрацією сірки не рекомендують для гарячої обробки тиском. Сірка, як і фосфор, є шкідливою домішкою.

Негативний вплив сірки істотно пом'якшує марганець, оскільки він утворює хімічну сполуку МnS з температурою плавлення 1620 °С. В межах температур гарячої обробки тиском (800...1200 °С) МnS пластичний і не сприяє крихкому руйнуванню, але сульфіди марганцю при нормальній температурі можуть стати центрами зародження тріщин під повторно-змінними навантаженнями.

Кисень, азот і водень у сталях можуть перебувати у складі оксидів і нітридів, у твердому розчині б-заліза та у газоподібному стані в мікропорожнинах. Неметалеві вкраплення знижують ударну в'язкість і втомну міцність.

Розчинність кисню, азоту та водню в б-залізі незначна й істотно зменшується зі зниженням температури. Це призводить до виділення в пограничних зонах оксидів чи нітридів. Що стосується водню, то він не утворює із залізом хімічних сполук і може протягом тривалого часу поступово виділятись зі сталі. Як наслідок -- окремі властивості сталі поліпшуються. Якщо водню багато, то він утворює в мікропорожнинах високий тиск, що призводить до виникнення внутрішніх тріщин -- флокенів. Флокени трапляються в усіх сталях, однак їх найбільше в сталях, що містять хром. Що більша міцність сталі, то флокени небезпечніші. Шкідливий вплив газів можна зменшити, дегазуючи рідкий метал перед розливанням.

Класифікація вуглецевих сталей

Вуглецеві сталі класифікують за структурою, способом виробництва, ступенем дезоксидації, якістю та призначенням.

За структурою вуглецеві сталі поділяють на доевтектоїдні, евтектоїдні, та заевтектоїдні.

За способом виробництва розрізняють сталі, виплавлені в кисневих конвертерах, в електропечах і в мартенівських печах.

Залежно від ступеня дезоксидації сталі поділяють на спокійні, напівспокійні й киплячі. Всі вони за однакової масової частки вуглецю мало відрізняються статичною міцністю, проте мають різні пластичні властивості, зумовлені неоднаковою масовою часткою кремнію, яка найбільша в спокійній сталі (0,15...0,30 %) і найменша в киплячій (до 0,05 %). Через найменшу кількість кремнію, розчиненого у фериті, кипляча сталь найпластичніша.

За якістю розрізняють сталі звичайної якості, якісні та високоякісні. Критерієм якості сталей є масові частки шкідливих домішок -- фосфору і сірки.

Відповідно до призначення сталі поділяють на конструкційні з масовою часткою вуглецю до 0,65 % та інструментальні з масовою часткою вуглецю в межах від 0,65 до 1,35 %. Конструкційні сталі використовують для виготовлення деталей машин, металевих конструкцій та будівельних споруд. З інструментальних сталей виробляють різальні, вимірювальні інструменти та штампи.

Сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості

Вуглецеві сталі звичайної якості є найдешевшими серед сталей. Вони мають підвищену масову кількість фосфору (до 0,07 %) і сірки (до 0,06 %). Марки цих сталей позначають літерами и цифрами. Літери Ст означають „сталь", цифри - умовний номер марки (від 0 до 6) залежно від хімічного складу, літери кп, пс, сп - ступінь дезоксидації (кп - кипляча, пс - напівспокійна, сп - спокійна). Хімічний склад можна визначити з довідників.

При підвищеному вмісті в сталі марганцю в марці після цифри записують літеру Г, наприклад Ст3Гсп.

Якщо для виплавлення сталей звичайної якості використовують значну кількість скрапу, то в їхньому складі допускається масова частка міді до 0,40%, хрому та нікелю - до 0,35%.

Сталі звичайної якості постачають замовникам у вигляді листів та прокатаних напівфабрикатів стандартного профілю. Ці профілі й листи попередньо розрізують до заданих розмірів, після чого з них виготовляють різні металоконструкції або прості заготовки, призначені переважно для малонавантажених деталей. Заготовки складнішої форми отримують куванням або штампуванням.

Застосовуючи термічну обробку (в тому числі й зміцнювальну), можна змінювати в певних межах структуру та властивості сталей звичайної якості.

Сталі конструкційні вуглецеві якісні

Сталі конструкційні вуглецеві якісні відрізняються від сталей звичайної якості меншою масовою часткою фосфору (не більше ніж 0,035 %), сірки (не більше ніж 0,040 %), а також меншими частками неметалевих вкраплень і газів. Металургійний завод, що виплавляє ці сталі, гарантує не лише хімічний склад, але й механічні властивості.

Марки конструкційних вуглецевих якісних сталей позначають двозначними числами (що означають середню масову частку вуглецю у сотих частках відсотка) і літерами кп (кипляча сталь) або пс (напівспокійна). Спокійні сталі маркують без індексу сп. Наприклад, сталь 45 -- спокійна; вона має в середньому 0,45 % вуглецю.

Зі збільшенням у сталі кількості вуглецю від 0,08 до 0,60 % її міцність ув у нормалізованому стані зростає від 320 до 680 МПа, а відносне видовження д зменшується від 33 до 12 %. Із маломіцних сталей марок 05, 08, 10 завдяки високій пластичності виготовляють вироби холодним штампуванням, Зі сталей марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 виготовляють різноманітні деталі (в тому числі і відповідальні), що вимагають нормалізації або поверхневого гартування.

Недоліком вуглецевих сталей є мала прогартовуваність.

Різновидністю конструкційних вуглецевих сталей є автоматні сталі, які використовуються для виготовлення малонавантажених деталей на верстатах-автоматах. Ці сталі мають підвищену оброблюваність, для чого часто підвищують вміст сірки (до 0,3%), фосфору (до 0,15%) і марганцю (0,70 - 1,55%). Такі сталі маркують літерою А та цифрами, які показують середній вміст вуглецю (А12, А20). Якщо сталь призначена для виготовлення виливків, то в кінці її марки записують літеру Л (25Л, 45Л), а у марках якісних сталей, призначених для виготовлення котлів, що працюють під тиском, після двохзначного числа пишуть літеру К (12К, 22К).

Сталі вуглецеві інструментальні

Сталі інструментальні нелеговані (вуглецеві) бувають якісні і високоякісні. Масова частка шкідливих домішок у якісних сталях не більше ніж 0,030 % фосфору й не більше ніж 0,028% сірки, а у високоякісних сталях - не більше ніж 0,025 % фосфору й не більше ніж 0,018% сірки.

Марки інструментальних вуглецевих сталей позначають літерою У (вуглецева) і числами, що означають масову частку вуглецю у десятих долях відсотка (У7, У12). В сталі У7 маємо в середньому 0,7 % вуглецю, а в сталі У12 -- 1,2 %. За підвищеної кількості марганцю у сталі після числа дописують літеру Г (У8Г). Високоякісні сталі позначають літерою А (У8А, У12А).

Інструменти для різання металів працюють в умовах високого тиску, температури й тертя. Щоб ефективно їм протистояти, ці матеріали повинні мати високу твердість, зносостійкість, теплостійкість і міцність.

Твердість різальної частини інструмента має значно перевищувати твердість оброблюваного матеріалу.

Зносостійкість -- це здатність інструмента якомога довше протистояти поступовому його руйнуванню з боку матеріалу заготовки. Внаслідок такого руйнування різальний інструмент затуплюється. Що твердіший матеріал інструмента, то вищою буде його зносостійкість.

Теплостійкістю називають температуру, при нагріванні до якої твердість інструмента починає стрімко знижуватись внаслідок структурних змін.

Міцність різального інструмента повинна бути достатньою, щоб сприймати великі сили різання.

Із сталей У7, У7А виготовляють інструменти для обробки дерева (сокири, стамески, долота) та ударні інструменти (пуансони, молотки, зубила). Для виготовлення деревообробних інструментів (фрез, пил, свердл) використовують сталі У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А.

Із сталей У10, У10А, У12, У12А виготовляють металообробний інструмент, що працює при невисоких температурах (мітчики, плашки, штампи, вимірювальні інструменти).

Із сталей У12, У12А, У13, У13А виготовляють напилки, шабери.

Тема 2.4 Чавуни

Чавуни -- це залізовуглецеві сплави, масова частка вуглецю в яких перебуває в межах від 2,14 до 6,67 %. Крім заліза та вуглецю, в чавунах промислового виробництва є постійні домішки кремнію, марганцю, фосфору та сірки в кількостях більших, ніж у сталях. Чавуни характеризуються добрими ливарними властивостями, у зв'язку з чим широко використовуються для виготовлення різноманітних виливків. Ливарні властивості чавуну підвищуються зі зменшенням його температурного інтервалу кристалізації. Чавуни мають достатню міцність, а при значній кількості цементиту в структурі -- добру зносостійкість. З огляду на невисоку пластичність чавуни не можна обробляти тиском. Чавун, як правило, дешевший від сталі. Механічні властивості чавунів і галузі їх застосування визначаються структурою, на формування якої впливає не лише хімічний склад, але й швидкість охолодження.

За структурою чавуни поділяють на білі, чавуни з пластинчастим графітом (сірі), ковкі та чавуни з кулястим графітом (високоміцні).

Білі чавуни

Білими називаються чавуни, в яких весь вуглець перебуває у хімічній сполуці Fе3С. Їх злами мають білий колір.

При охолодженні чавуну на лінії ліквідус із рідкого розчину виділяються кристали аустеніту й первинного цементиту. На ділянці ЕСF лінії солідус відбувається евтектична реакція з утворенням ледебуриту. Між лініями ЕСF і РSК із аустеніту виділяється вторинний цементит, а на лінії РSК аустеніт розпадається на дисперсну двофазову структуру -- перліт. Отже, у структурі всіх білих чавунів наявна дуже тверда й крихка евтектика -- ледебурит. Білі чавуни застосовують лише для виготовлення зносостійких деталей машин, при виготовленні яких не потрібна механічна обробка.

Графітизація чавунів

На відміну від білих, сірі, ковкі й високоміцні чавуни мають вкраплення графіту з металевій основі. Графіт виділяється з рідкого і твердого розчинів, а також з цементиту. Залежно від умов кристалізації у чавунах формується графіт або цементит. Утворення графіту потребує меншої швидкості охолодження. Враховуючі ці та інші особливості, можна керувати процесом структуроутворення в чавунах.

Перетворення цементиту в графіт відбувається також під час тривалого нагрівання.

Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавунів

Постійні домішки, (кремній, марганець, сірка та фосфор), а також швидкість охолодження істотно впливають на процес графітизації.

Кремній найбільше посилює графітизацію чавуну і під час первинної кристалізації, і під час розкладання цементиту. Підвищуючи вміст кремнію, можна збільшувати кількість графіту та зменшувати кількість цементиту, наближаючись до створення чавуну з феритною металевою основою. Зменшуючи частку кремнію, можна сформувати структуру чавуну з перлітною основою.

Марганець протидіє графітизації, сприяючи утворенню цементиту. Водночас він дещо поліпшує механічні властивості відливків.

Сірка -- шкідлива домішка, що погіршує механічні й ливарні властивості чавуну. Вона сильніше від марганцю протидіє графітизації і сприяє виділенню цементиту. Крім цього, сірка знижує рідкоплинність чавуну, збільшує усадку, підвищує схильність до утворення газових бульбашок і тріщин. З цієї причини вміст сірки в чавунах дуже обмежують.

Фосфор практично не впливає на графітизацію. Його використовують у чавунах для підвищення рідкоплинності, твердості та зносостійкості. Чавуни з високою концентрацією фосфору широко використовують для художнього лиття.

З-поміж легувальних елементів найпомітніший вплив на графітизацію мають мідь, нікель і хром. Мідь і нікель інтенсифікують графітизацію, а хром її послаблює.

Дрібні тверді частинки, зрівноважені в рідкому розчині, сприяють виділенню графіту, будучи центрами графітизації.

Збільшення швидкості охолодження гальмує виділення графіту і сприяє утворенню цементиту.

Крім швидкості охолодження, сильно впливають на графітизацію чавуну вуглець і кремній. Зі збільшенням їх сумарної частки графітизація посилюється.

Таким чином, регулюючи сумарну частку складових металу та швидкість охолодження, можна досягти бажаної структури металевої основи сірого чавуну.

Сірі чавуни (з пластинчастим графітом)

В структурі цих чавунів більша частка вуглецю перебуває у вигляді графіту пластинчастої форми в площині шліфа. Решта вуглецю разом із залізом утворює структуру металевої основи (феритну, феритно-перлітну або перлітну).

На формування структури чавуну з пластинчастим графітом впливають такі фактори, як хімічний склад, швидкість охолодження, а також наявність у рідкому розчині дрібних твердих частинок. Вуглець (2,9...3,7 %) і кремній (1,2...2,6 %) сприяють виділенню графіту, а марганець (0,5...1,1 %) і сірка (0,12...0,15 %) -- утворенню цементиту. Змінюючи сумарну масову частку вуглецю та кремнію з одного боку і зменшуючи сумарну масову частку марганцю та сірки з другого, можна регулювати співвідношення між вільним та хімічно зв'язаним вуглецем.

Чавуни з пластинчастим графітом мають добрі ливарні властивості, легко обробляються різанням, здатні гасити вібрації, що виникають в конструкціях, є найдешевшими і найпоширенішими серед ливарних сплавів. Водночас чавуни з пластинчастим графітом відзначаються невисокою міцністю (ув = 100...350 МПа) і пластичністю через особливості форми графітових вкраплень з гострими краями. Такі вкраплення можна розглядати як сильні внутрішні концентратори напружень або навіть як мікротріщини.

Умовне позначення марки має літери СЧ -- сірий чавун й цифри -- значення мінімальної межі міцності матеріалу на розрив ув в 10-1 МПа.

При виборі марки чавуну для конкретних умов роботи беруть до уваги як механічні так і технологічні властивості. Феритні сірі чавуни СЧ10, СЧ15, СЧ18 призначені для мало- і середньо-навантажених деталей: кришок, фланців, маховиків, корпусів редукторів і підшипників, супортів, гальмівних барабанів, дисків зчеплення тощо. Ферито-перлітні сірі чавуни СЧ20, СЧ21, СЧ25 використовують для деталей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоків циліндрів, картерів двигунів, поршнів, станин верстатів, зубчастих коліс тощо. Перлітні сірі чавуни СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 мають найвищі механічні властивості (завдяки дрібним відокремленим графітним вкрапленням) і використовують для деталей, які працюють при великих навантаженнях або у важких умовах стирання: зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, шпинделі, розподільчі вали і т.п. Ці чавуни мають найвищу герметичність, тому з них виготовляють також корпуси насосів і компресорів, арматуру гальмівної пневматики та гідроприводів. Для деталей, які працюють при підвищених температурах, сірі чавуни легують. Жаростійкості сприяють домішки хрому та алюмінію, жароміцності -- хрому, нікелю й молібдену. 3 метою підвищення зносостійкості гільз циліндрів, розподільчих валів та інших деталей їх робочі поверхні піддають зміцнювальній термічній обробці, а також насичують азотом.

Ковкі чавуни

Ковкими називають чавуни з пластівчастою формою графіту, отримані внаслідок спеціального довготривалого відпалу відливків з білого чавуну. Щоб отримати ковкий чавун, необхідно виготовити відливки білого чавуну, потім їх відпалити з метою графітизації. Утворений внаслідок відпалу графіт мас компактну майже рівноосьову, але не сферичну форму. Назва ковкий чавун умовна, тому що відливки завжди виготовляють литтям, а не куванням. Графіт пластівчастої форми є слабшим внутрішнім концентратором напружень порівняно з графітом пластинчастим, що міститься в сірому чавуні, внаслідок чого ковкі чавуни міцніші і пластичніші, ніж сірі. Залежно від режиму відпалу металева основа ковкого чавуну може бути феритною, перлітною і рідше -- феритно-перлітною.

Щоб не допустити навіть часткової графітизації білого чавуну під час його охолодження в ливарній формі, треба вибирати товщину стінок відливка в межах від 3 до 50 мм, а хімічний склад рідкого розчину підтримувати в доволі вузьких межах: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Sі; 0,3...1,0 % Мn; до 0,2 % Р і до 0,18 % S. Тобто чавун має порівняно низький вміст вуглецю, кремнію та марганцю. Після відпалу на графітизацію чавуни з такою низькою часткою вуглецю матимуть у структурі небагато компактних графітових вкраплень, що сприятиме поліпшенню їхніх механічних властивостей. Тому, що вища міцність ковкого чавуну потрібна, то менше вуглецю повинно бути у вихідному білому чавуні.

Відпал білого чавуну виконують в одну або дві стадії залежно від структури, яку необхідно сформувати, але графітизація доволі тривала та енергомістка, що стримує широке застосування ковких чавунів у машинобудуванні.

Залежно від механічних властивостей ковкі чавуни відповідно маркують. Марки ковких чавунів позначають літерами КЧ і числами, перше з яких відповідає межі міцності на розрив ув в 10-1 МПа, а друге -- відносному видовженню -- д у %. Феритні чавуни (КЧ 30-6...КЧ 37-2) характеризуються високою пластичністю (д = 6...12 %), а перлітні (КЧ 45-7...КЧ 80-1,5) -- підвищеною міцністю й твердістю.

З ковких чавунів виготовляють відливки, що працюють під ударними або знакозмінними циклічними навантаженнями (корпуси редукторів, корпуси задніх мостів вантажних автомобілів, вилки карданних валів, муфти тощо).

Високоміцні чавуни (з кулястим графітом)

Чавун з кулястим графітом має в металевій основі графіт кулястої форми. Структура металевої основи -- ферит, ферито-перліт або перліт. Чавун з феритною основою найменш міцний, але високопластичний, а чавун з перлітною основою -- міцний, але малопластичний.

Щоб отримати високоміцний чавун, перегрівають рідкий метал та додають до нього модифікатори (магній, цезій, кальцій), які сприяють сфероїзації графіту під час кристалізації. Кулястий графіт порівняно з пластинчастим є слабшим концентратором напружень. Високоміцні чавуни мають добрі ливарні показники, вони перевершують чавуни з пластинчастим графітом за механічними властивостями (ув = 350...1000 МПа, д = 2...22 %) і успішно конкурують з ковкими чавунами та сталями. У промислово розвинутих країнах частка чавунів з кулястим графітом серед ливарних сплавів становить 20...30 %. Завдяки високій міцності й пластичності високоміцних чавунів з них виготовляють відповідальні деталі: колінчасті та розподільчі вали, поршні та поршневі кільця, шестерні та зірчатки, валки прокатувальних станів, шаботи ковальських молотів, корпуси парових турбін, супорти, різцетримачі і планшайби металорізальних верстатів. Марки чавунів з кулястим графітом позначають літерами ВЧ і числами, перше з яких відповідає межі міцності на розрив ув в 10-1 МПа, а друге -- відносному видовженню -- д у %. (ВЧ 35-22, ВЧ 60-3, ВЧ 100-2).

Тема 2.5 Основи термічної і хіміко-термічної обробки металів

Теорія термічної обробки сталі

Термічною обробкою сталі називають процес її нагрівання до визначеної температури, витримування при цій температурі і подальше охолодження із заданою швидкістю з метою зміни структури та властивостей у бажаному напрямі.

Термічно обробляють заготовки, отримані відливанням, куванням, прокатуванням, волочінням або пресуванням, зварні вироби, деталі машин та інструменти різного призначення. Термічну обробку застосовують або як проміжну операцію для поліпшення технологічних властивостей (оброблюваності тиском чи різанням), або як прикінцеву технологічну операцію для досягнення певних експлуатаційних властивостей матеріалу.

На результат термообробки впливають швидкість (час) нагрівання, температура нагрівання, тривалість (час) витримування при цій температурі та швидкість (час) охолодження, тобто основними факторами є час і температура.

Перетворення, що відбуваються у сталях під час нагрівання

Якщо нагрівати дуже повільно, то всі фазові перетворення у вуглецевих сталях описує ліва частина діаграми залізо-вуглець. Критичні температури цих перетворень позначають буквою А з певними індексами. Зокрема, температуру лінії РSК позначають через А1, температури лінії GS -- через А3, а температури лінії SЕ -- через Аст. До цих позначень додають індекс с в разі охолодження або індекс r -- при нагріванні, наприклад: Аc1, Асст , Аr3 . Відхилення від рівноважних умов спричинює тепловий гістерезис, тобто розбіжність критичних температур нагрівання та охолодження.

Структура доевтектоїдної сталі при невисокій температурі -- ферит і перліт. При температурі АС1 (лінія РSК) перліт перетворюється в аустеніт. Вище від цієї лінії буде двофазова структура: ферит + аустеніт. В інтервалі температур Ас1…Ас3 ферит поступово розчиняється у аустеніті і при Ас3 зовсім зникає.

В евтектоїдній сталі структура перліту зберігається до температури Ас1, при якій перліт повністю перетворюється в аустеніт.

У заевтектоїдній сталі з перлітно-цементитною структурою при температурі Ас1 перліт перетворюється в аустеніт, а в проміжку температур Ас1…Асст вторинний цементит поступово розчиняється в аустеніті.

Отже, в результаті описаних перетворень у сталях формується однофазова аустенітна структура, яка займає частину діаграми вище лінії GSЕ аж до лінії солідус.

У виробничих нерівноважних умовах нагрівання температура перетворення перліту в аустеніт дещо перевищує Ас1 залежно від швидкості охолодження.

Продукти розпаду аустеніту

Під час повільного охолодження сталі по лінії PSK відбувається розпад аустеніту з утворенням фериту та цементиту в результаті дифузії вуглецю та заліза.

Утворення перліту завершується при температурі 6500. Пластинки перліту мають розмір 0,6…1,0 мкм. Твердість перліту 180…250 НВ.

При розпаді аустеніту в інтервалі температур 650…6000 утворюється більш дрібнозерниста феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,25…0,3 мкм. Такий дисперсний перліт називають сорбітом. Сорбіт має твердість 250…350 НВ.

При подальшому збільшенні швидкості охолодження в інтервалі температур 600…5500 утворюється феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,1…0,15 мкм. Таку структуру називають троостит. Твердість 350…450 НВ.

Перліт, сорбіт та троостит є двофазовими пластинчастими (іноді зернистими) структурами з різним ступенем дисперсності. Зі збільшенням дисперсності збільшується твердість сталі.

Зі зниженням температури розпад аустеніту сповільнюється, а при температурах нижче 5000 припиняється зовсім.

При різкому переохолодженні сталі відбувається тільки поліморфне перетворення г - заліза в б - залізо без виділення вуглецю з твердого розчину. Такий пересичений твердий розчин вуглецю в б - залізі називають мартенситом. Це основна структура загартованої сталі голчастої форми розміром 0,1…0,001 мкм з твердістю до 60…65 НRС.

Температура початку та кінця мартенситного перетворення залежить від концентрації вуглецю і легувальних елементів у сталі. Що більша концентрація вуглецю, то нижчий інтервал мартенситного перетворення. В сталях з вмістом вуглецю понад 0,5 % мартенситне перетворення зсувається в зону мінусових температур. Всі легувальні елементи, крім кобальту і алюмінію знижують інтервал температур мартенситного перетворення.

Атоми вуглецю сильно деформують решітку б - заліза, збільшуючи міжатомні відстані. Це веде до збільшення об'єму та виникнення внутрішніх напружень.

Так як зі зниженням температури розпад аустеніту сповільнюється, то при швидкому охолодженні сталі в структурі залишається певна кількість не перетвореного аустеніту, який називають залишковим аустенітом. Залишковий аустеніт, кількість якого зростає зі збільшенням вмісту вуглецю у сталі, спричиняє неоднорідність властивостей загартованої сталі.

Термічна обробка сталей

Відпал сталей

Відпалом називається процес термічної обробки - нагрівання сплаву до певної температури, витримка і наступне, як правило, повільне охолодження (в печі) з метою одержання більш рівноважної структури.

Відпал першого роду. Це відпал, при якому, як правило, не відбувається фазових перетворень (перекристалізації), а якщо вони мають місце, то не впливають на кінцеві результати, передбачені його цільовим призначенням.

Розрізняють такі різновиди відпалу першого роду: дифузійний і рекристалізаційний.

Дифузійний відпал. Це відпал зливків з вуглецевих та легованих сталей при температурі 1100-1300 оС з витримкою 20…50 годин, а зливків алюмінієвих сплавів - при 420…520 оС з витримкою 20…30 годин з метою вирівнювання хімічного складу.

Рекристалізаційний відпал. Це відпал заготовок з наклепаної сталі при температурі, що перевищує температуру початку рекристалізації, з метою усунення наклепу і одержання певної величини зерна. Його проводять після холодного деформування (прокатування, волочіння та ін.). В процесі цього відпалу зменшується міцність і твердість та відновлюється пластичність деформованого металу. Для сталей з вмістом вуглецю 0,08…0,20% температура відпалу становить 680…700 оС, для високовуглецевих легованих сталей - 700 оС з тривалістю витримки 0,5…1,5 години.

Відпал другого роду. Це відпал, при якому фазові перетворення (перекристалізація) визначають його цільове призначення. Розрізняють такі різновиди відпалу другого роду: повний, неповний, ізотермічний, нормалізаційний (нормалізація).

Повний відпал. Цьому виду відпалу піддають доевтектоїдну сталь з метою досягнення дрібнозернистості, зниження твердості і підвищення пластичності, зняття внутрішніх напружень. Сталь нагрівають до температури на 20-30о вище точки Ас3. При нагріванні крупна початкова ферритно-перлітна структура перетворюється в дрібну структуру аустеніту. При цьому відпалі відбувається повна фазова перекристалізація сталі. Забезпечується висока в'язкість і пластичність, а також можливість досягнення високих властивостей після остаточної термічної обробки. Повному відпалу зазвичай піддають сортовий прокат, поковки та фасонні відливки.



Рис. 2.4. Температурні режими відпалів другого роду:

1 - повний відпал;

2, 3 - неповний відпал;

4 - нормалізація.

Неповний відпал. Цьому відпалу піддають заевтектоїдну і евтектоїдну сталь з метою перетворення пластинчатого перліту в зернистий. Для одержання зернистого перліту заевтектоїдну сталь нагрівають до температури трохи вище точки Ас1 (до 740-780 оС). При нагріванні відбувається перетворення перліту в аустеніт без розпаду цементиту. Після охолодження сталь має зернисту феритно-цементитну структуру.

Нормалізаційний відпал (нормалізація). Нормалізацією називають процес термічної обробки - нагрів до температури вище точки Ас3 для евтектоїдної або Аcсm на 30…50 оС для заевтектоїдної сталі з наступною витримкою та охолодженням на повітрі. Мета нормалізації - виправлення структури сталі, подрібнення зерна, пом'якшення сталі перед обробкою різанням, загальне покращення структури перед гартуванням, вилучення сітки вторинного цементиту в заевтектоїдній сталі. Нормалізація, в порівнянні з відпалом, більш економічна операція, тому що не вимагає охолодження разом з піччю, але твердість після нормалізації вища ніж після відпалу.

Гартування сталі

Гартуванням називають процес термічної обробки, що складається з нагріву сталі до певної температури, витримки і подальшого швидкого охолодження з метою отримання нерівноважної структури. Внаслідок гартування підвищується міцність і твердість та знижується пластичність сталі. Основні параметри при гартуванні - температура нагріву і швидкість охолодження.

Температура гартування. Для вуглецевих сталей температуру гартування можна визначити по лівій нижній частині діаграми стану залізо-цементит.

При гартуванні доевтектоїдні сталі нагрівають до температури на 30-50о вище точки Ас3. При гартуванні заевтектоїдні сталі нагрівають до температури на 30-50о вище точки Ас1. Сталі, леговані кремнієм, вольфрамом, молібденом і титаном, гартують при більш високих температурах, щоб розчинились в аустеніті важкорозчинні карбіди. Швидкорізальні сталі гартують при 1200…1300 оС, а штампові, наприклад 3Х2В8Ф, при 1050…1100 оС.

Час нагрівання вибирається в залежності від розмірів та конфігурації деталей. Час витримки при температурі гартування вибирають таким, щоб повністю завершились фазові перетворення. Практично час нагріву в електричних печах прийнято 1,5-2 хвилини на 1 мм перерізу.

Охолодження при гартуванні має вирішальний вплив на результат гартування. Найбільш розповсюджені середовища для гартування - вода, водяні розчини солей (KNO2 + NaNO3) і лугів (NaOH + KOH), масло, повітря, розплавлені солі.

Вода охолоджує значно швидше, ніж масло: в 6 разів швидше при 550-650 оС і в 28 разів швидше при 200 оС. Тому воду використовують для охолодження сталей з великою критичною швидкістю гартування (вуглецеві сталі), а в маслі охолоджують сталі з малою критичною швидкістю гартування (леговані сталі). Основний недолік води, як охолоджувача - висока швидкість охолодження при занижених температурах в області утворення мартенситу, що призводить до виникнення великих структурних напружень і створює небезпеку виникнення тріщин. Додавання до води солей та лугів підвищує її гартувальну здатність.

Масло охолоджує значно повільніше, ніж вода. Але перевага масла як охолоджувача полягає в тому, що воно володіє невеликою швидкістю охолодження в області температур мартенситного перетворення, тому при охолодженні в маслі небезпека утворення тріщин значно зменшується. Недолік масла - його вогненебезпечність, пригоряння до поверхні деталі.

Прогартовуваність сталі. Під прогартовуваністю розуміють здатність сталі гартуватися на певну глибину. Глибину загартованої зони можна визначити на зламі зразка. Загартована зона має блискучу дрібнозернисту поверхню. Легувальні елементи, крім кобальту, збільшують прогартовуваність сталі. Прогартовуваність не слід плутати з загартовуваністю, яка характеризується максимальним значенням твердості, яку набула сталь внаслідок гартування. Вона залежить від вмісту вуглецю. Якщо вміст вуглецю не перевищує 0,2%, то такі сталі практично не гартуються.

Гартування в одному охолоднику. Деталь нагрівають до температури гартування і охолоджують в одному охолоднику (вода, масло). Для зниження короблення довгих циліндричних та тонких плоских деталей використовують спеціальні гартувальні машини і преси. Недолік гартування у воді - виникнення значних внутрішніх напружень, які можуть викликати тріщини.

Гартування в двох охолодниках - спочатку швидко охолоджують у сильному охолоднику (вода, водяні розчини солей або лугів), а пройшовши температурний інтервал 650…400 оС, де стійкість аустеніту мінімальна, охолоджують у слабшому охолоднику, наприклад в маслі. При цьому складно визначити момент переносу заготовки з одного охолодника в інший.

Поверхневе гартування сталі

Поверхневе гартування відбувається внаслідок швидкого нагрівання поверхневого шару сталі до температури вище критичної і наступне охолодження з метою одержання в поверхневому шарі структури мартенситу.

Поверхневе гартування використовують для підвищення зносостійкості деталей при збереженні високого опору динамічним навантаженням, зростанню міцності втомлювання. Поверхневе гартування відбувається дуже швидко і тому на поверхні деталі не утворюється окалини.

Методи нагрівання можуть бути різними - струмами високої частоти (СВЧ), полум'ям газової горілки, в електролітах. Нагрів СВЧ є найбільш продуктивним. При нагріванні СВЧ (2…50 сек.) гартують деталі різноманітної конфігурації, повністю автоматизуючи процес гартування. Після гартування деталі піддають низькому відпуску.

Перспективним є нагрівання заготовки лазерним променем протягом 10-3…10-7 сек. Товщина зміцненого шару не перевищує 0,1…0,15 мм.

Відпуск сталі

Відпуском називають процес нагрівання загартованої сталі до температури не вище точки Ас1 (727 оС), витримування при цій температурі і подальшого охолодження. Відпуск виконують для зниження або повного усунення внутрішніх напружень, зменшення крихкості загартованої сталі та отримання необхідної структури і механічних властивостей.

Низькотемпературний відпуск проводять з нагріванням сталі до температури 150-250о С протягом 1…3 годин. Цей відпуск знижує внутрішні напруження в сталі при збереженні високої твердості (58-63 HRC). Він використовується переважно для інструментів з вуглецевих і низьколегованих сталей, а також для деталей, які підлягають поверхневому гартуванню, цементації і нітроцементації, до яких пред'являють високі вимоги по твердості і зностостійкості. При охолодженні одержують структуру мартенситу відпуску.

Середньотемпературний відпуск здійснюють при температурах 350-500 оС. Метою цього відпуску є покращення структури трооститу. Твердість загартованої сталі при цьому знижується до 40-50 HRC, межа пружності досягає максимальної величини. Середньому відпуску підлягають ресори, пружини і ударні інструменти.

Високотемпературний відпуск здійснюють при темпе-ратурах 500-650 оС. Сталь при цьому набуває структурі сорбіту (сорбіт відпуску). Твердість загартованої сталі знижується до 250-350 НВ, міцність зменшується в 1,5-2 рази, пластичність і в'язкість збільшуються в декілька разів, внутрішні напруження повністю знімаються. Гартування з високим відпуском називають поліпшенням. Поліпшена сталь в порівнянні з відпаленою або нормалізованою має більш високі показники міцності, пластичності і в'язкості. Поліпшенню піддають вироби з конструкційних сталей марок 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ тощо (напівосі, колінчасті вали, шатуни, поворотні кулаки, важилі, балки передніх осей вантажних автомобілів, а також болти, гайки, гвинти тощо), які сприймають значні ударні та знакозмінні навантаження.

Хіміко-термічна обробка сталі

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають процес, який представляє собою поєднання термічного і хімічного впливу з метою зміни хімічного складу, мікроструктури і властивостей поверхневого шару заготовки.

Для зміни хімічного складу заготовку нагрівають у середовищі, збагаченому дифузантом (елементом, який насичує), витримують протягом певного часу при заданій температурі, а потім охолоджують. Під час цього відбувається дифузійне збагачення поверхневого шару заготовок неметалами або металами з метою поверхневого зміцнення. В результаті утворюється дифузійний шар, що відрізняється від основного металу хімічним складом, структурою та властивостями. Товщина дифузійного шару залежить від температури та тривалості процесу, виду утворюваного твердого розчину і концентрації дифузанту на поверхні заготовки. З підвищенням температури та часу витримки товщина дифузійного шару зростає.

ХТО змінює хімічний склад і структуру поверхневого шару, тоді як поверхневе гартування -- лише структуру. Тому різниця у властивостях поверхні та осердя в деталях після хіміко-термічної обробки більша, ніж у поверхнево загартованих деталях. Результати ХТО не залежать від форми деталей. Проте поверхневе гартування продуктивніше.

До найпоширеніших способів ХТО належать цементація, азотування, ціанування, нітроцементація, алітування, силіціювання та інші.

Цементація сталі

Цементацією називають процес дифузійного насичення вуглецем поверхневого шару сталевих заготовок. Мета цементації в комплексі з подальшою термообробкою -- надати поверхні деталі високої твердості та зносостійкості, зберігши в'язке осердя. Як правило, цементують сталі з низькою масовою часткою вуглецю в межах від 0,1 до 0,25 % . Перед цементацією заготовки попередньо обробляють різанням, залишивши припуск (0,05...0,1 мм) на шліфування.

Після ХТО концентрація вуглецю найвища на поверхні заготовки (0,8...1,0 %) і поступово зменшується в глибину. Значення ефективної глибини лежить в інтервалі від 0,5 до 2 мм.

Дифузійна металізація

Дифузійна металізація -- дифузійне насичення поверхневих шарів переважно сталевих виробів різними металами (алюмінієм, хромом) і металоїдами (кремній, бор) при високій температурі. Дифузійна металізація зумовлює підвищення корозійної тривкості, жаро- і зносостійкості.

Дифузійне насичення виробів алюмінієм з метою підвищення жаростійкості називають алітуванням. Алітують сталі з 0,1...0,2 % С. За наявності кисню на поверхні алітованого виробу формується щільна плівка оксиду алюмінію А1203, яка захищає виріб від взаємодії з середовищем до температури 900 °С.

Хромування -- дифузійне насичення хромом поверхонь переважно сталевих виробів з метою підвищення до 800 °С жаростійкості, корозійної тривкості (у воді, морській воді та азотній кислоті) та поверхневої твердості. Глибина дифузійного шару 0,2...0,25 мм. Підвищенню поверхневої твердості до 1200...1300 НV сприяє вуглець у сталі в кількості понад 0,3 %, який утворює карбіди заліза і хрому.

Хромують вироби, що працюють в агресивних середовищах в умовах спрацювання.

Силіціювання - насичення сталі кремнієм. При цьому підвищується корозійна стійкість виробів, однак цей вид хіміко-термічної обробки не отримав широкого використання в техніці.

Тема 2.6 Леговані сталі

Леговані сталі -- це сплави на основі заліза та вуглецю, у складі яких є легувальні елементи.

Легувальиими називаються хімічні елементи, які спеціально вводять у сталь, щоб змінити її структуру та властивості. Найчастіше використовують такі легувальні елементи, як Сr, Ni, Мо, W, Со, Сu, Ті, Zr, Nb, Аl, а також Мn і Sі, якщо масові частки двох останніх перевищують відповідно 0,8 і 0,5 %. Легувальні елементи дорожчі від заліза, тому вартість легованих сталей вища, нерідко значно вища за вартість вуглецевих сталей.

Поєднуючи легування з термічною обробкою, можна отримати бажану структуру, отже і механічні, технологічні, фізичні або хімічні властивості. Тому використання таких сталей є економічно вигідним, оскільки дає змогу зменшити масу механізмів і машин та збільшити їх надійність і довговічність.

Вплив легувальних елементів на властивості сталей

Легувальні елементи утворюють із залізом тверді розчини заміщення, впливаючи на критичні температури, при яких відбуваються поліморфні перетворення.

Нікель, марганець та кобальт розширюють зону існування г-заліза. Починаючі з певної концентрації цих елементів, у сталях не відбуваються фазові перетворення під час нагрівання та охолодження. Такі сталі називаються аустенітними.

Інші легувальні елементи розширюють інтервал температур, при яких існує б-залізо. Починаючі з певної концентрації, в сталях існує тільки б-твердий розчин. Такі сталі називаються феритними.

Хром, нікель, молібден, марганець підвищують прогартовуваність сталі, особливо коли сталь легують кількома елементами.

Легувальні елементи, крім алюмінію, кобальту і кремнію, знижують температуру початку мартенситного перетворення. Так 5% марганцю знижує цю температуру до 0єС, тому сталь має аустенітну структуру після повного охолодження.

Легувальні елементи, крім нікелю, кобальту, кремнію, алюмінію та міді, утворюють в сталі карбіди і збільшують твердість сталі.

Молібден, титан, ніобій, вольфрам та алюміній сприяють утворенню дрібнозернистої структури.

Більшість легувальних елементів підвищують міцність і корозійну стійкість сталі.

Леговані сталі мають нижчу теплопровідність, особливо сталі з високим вмістом вольфраму. Тому під час термічної обробки їх потрібно повільніше нагрівати, давати більшу витримку і значно повільніше охолоджувати. Режими термообробки для кожної сталі підбирають експериментальним шляхом.

Класифікація та маркування легованих сталей

За сумарною кількістю легувальних елементів розрізняють низьколеговані (до 2,5% легувальних елементів), середньолеговані (2,5…10%) та високолеговані сталі (понад 10%).

За призначенням розрізняють конструкційні, інструментальні та леговані сталі з особливими властивостями.

Для позначення марок легованих сталей стандартами розроблена система, яка передбачає цифрово-літерний запис марки. Кожний легуючий елемент позначається літерою: А - азот; Б - ніобій; В - вольфрам; Г - марганець; Д - мідь; К - кобальт; М - молібден; Н - нікель; П - фосфор; Р - бор; С - кремній; Т - титан; Ф - ванадій; Х - хром; Ц - цирконій; Ю - алюміній. В марці записують числами на початку вміст вуглецю, великими літерами і числами за ними -- вміст легуючих елементів. Вміст вуглецю в конструкційних сталях записують в сотих частках відсотка. В інструментальних сталях вміст вуглецю записують в десятих частках відсотка. Якщо за літерою відсутня цифра, то вміст цього елемента не більше 1%. Якщо вміст в сталі сірки та фосфору менший 0,03%, наприкінці марки записують літеру А.

Конструкційні леговані сталі

Сталі для цементації містять 0,1...0,3% вуглецю і легуючі елементи, що підвищують межу плинності та подрібнюють зерно. Їх використовують у стані найбільшого зміцнення, тобто після гартування та низького відпуску. Для отримання високої зносостійкості в деталях, що труться, наприклад, зубчасті колеса, кулачки тощо, поверхневий шар робочих поверхонь цементують. Після гартування та низького відпуску робоча поверхня має твердість 58...62 НRС, а серцевина -- 30...42 НRС. Хромисті сталі 15Х, 20Х, а також 15ХФ і 20ХР, додатково леговані ванадієм і бором, утворюють групу дешевих сталей нормальної міцності, їх використовують для виготовлення невеликих деталей (діаметром не більше 25 мм), що працюють при середніх навантаженнях.

Хромонікелеві сталі І2ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А використовують для виготовлення великих відповідальних деталей, сталь 18Х2Н4МА -- для деталей, що несуть великі статичні та ударні навантаження. Високий вміст нікелю робить ці сталі дорогими і ускладнює термічну обробку. Їх замінюють оптимально леговані хромомарганцеві сталі з титаном (18ХГТ, 30ХГТ) і молібденом (25ХГМ), які мають дещо меншу в'язкість, але успішно працюють у зубчастих колесах автомобілів масового виробництва.

Поліпшені конструкційні сталі містять 0,3...0,5% вуглецю. Високі механічні властивості вони отримують після термічного зміцнення (гартування з високим відпуском) до структури сорбіту, їх використовують для багатьох деталей, що працюють не тільки при високих статичних, а й при циклічних навантаженнях та при роботі з ударами (вали, штоки, шатуни і т.п.). Високі механічні властивості сталі при поліпшенні можливі лише за умови високої прогартовуваності та дрібного зерна. Для цього їх легують хромом, нікелем, молібденом, ванадієм і марганцем. Сталі 40Х, 45Х, 50Х є відносно дешевим конструкційним матеріалом. Збільшення вмісту вуглецю зменшує в'язкість і обмежує їх застосування при динамічних навантаженнях.

Дешевими є також хромомарганцевокремнисті сталі 30ХГСА, 35ХГСА. Вони мають високі не лише механічні, а й технологічні властивості: добре зварюються всіма способами, штампуються, прогартовуються (при діаметрі до 30...40 мм), задовільно обробляються різанням. Із них виготовляють вали, зварні конструкції, деталі рульового керування.

Хромонікелеві сталі 40ХН, 45ХН мають комплекс високих механічних властивостей у деталях діаметром 40...50 мм, а при введенні молібдену або вольфраму (40ХНМА, 38ХНЗМА, а також 18Х2Н4ВА) -- до 100 мм, бо ці елементи зменшують крихкість після відпуску з малою швидкістю охолодження. З них виготовляють вали і ротори турбін, вали редукторів, що несуть значне навантаження, тощо. Недоліком цих сталей є висока вартість, низька оброблюваність різанням і схильність до утворення флокенів (внутрішніх тріщин).

Ресорно-пружинні сталі. Для забезпечення високої межі пружності, витривалості та міцності в сталь, крім 0,5...0,7% вуглецю, вводять марганець, кремній, ванадій та хром. Деталі піддають гартуванню та середньому відпуску. Зі сталей 55С2, 60С2, 70СЗА виготовляють пружини та ресори товщиною до 18 мм.

Для ресор легкових автомобілів, пружин клапанів та інших відповідальних пружин, які працюють при температурах до 300°С, використовують сталі 50ХГ, 55ХГР, 50ХФА, 50ХГФА. Для великих і особливо відповідальних пружин та ресор використовують сталі 60С2ХА, 70С2ХА, 60С2ХФА, 60С2Н2А.

Для пружин, що працюють при високих температурах в корозійному середовищі застосовують сталі 30Х13, 40КХНМ, 44НХТЮ, 68НХВКТЮ, 12Х18Н9Т та ін.

Для виготовлення деталей підшипників кочення, що працюють в умовах високих контактних навантажень, використовують підшипникові сталі. Їх маркують літерами "ШХ" та числом, що показує вміст хрому в десятих частках відсотка, а також літерами наявних крім хрому легуючих елементів. У цих сталях вміст вуглецю сягає 0,95...1,05%. Сталі ШХ6, ШХ9, ШХ15 призначена для виготовлення деталей підшипників з розміром перерізу 10...20 мм, а сталі ШХ15СГ, ШХ20СГ -- для деталей з більшим перерізом, бо вони прогартовуються на глибину понад 80 мм.

Сталі та сплави з особливими властивостями

До цієї групи належать сплави, у яких переважають такі властивості, як корозійна стійкість, жароміцність, жаростійкість, зносостійкість, особливі електричні властивості тощо.

Для підвищення жаростійкості в сталь вводять хром, алюміній або кремній. При наявності 5,..8% хрому жаростійкість зростає до 700...750°С, при вмісті хрому 15...17% -- до 950...1000°С, а при збільшенні його вмісту до 25% сталь не окислюється навіть при 1100°С. Додавши 5% алюмінію, збільшують температуру до 1300°С.

Жаростійкі сталі виготовляють у вигляді листів, прутків, труб і литих деталей. При виборі сталі основним параметром є температура середовища, в якому працює деталь. Наприклад, сталь 12Х18Н9 жаростійка до 850°С, 15Х25Т -- до 1050°С, а ливарна 15Х25Н9С2Л -- до 1150°С.

Нержавіючі сталі за хімічним складом поділяють на хромисті з феритною або мартенситною структурою та хромонікелеві -- аустенітні. При введенні в сталь більше 12% хрому її електрохімічний потенціал стає позитивним і вона не взаємодіє з атмосферою, прісною водою, з рядом кислот, лугів і солей. Сталі 12X13 і 20X13 застосовують для виготовлення деталей з підвищеною пластичністю, на які діють ударні навантаження (клапани гідропресів, предмети домашнього вжитку), їх гартують в маслі з температурою 1000.,.1100оС і відпускають при 700...775°С з метою укрупнення карбідів. Сталі 30X13 і 40X13 використовують для голок карбюраторів, пружин, хірургічного інструменту. Після гартування при 1000...1050°С в маслі і низького відпускання сталь має мартенситну структуру (твердість НRС 50…60) і достатню корозійну стійкість. Сталь 12X17 використовують у харчовій промисловості і для виготовлення посуду; сталі 15Х25Т та 15X28 -- для зварних деталей.

Аустенітні нержавіючі сталі, леговані хромом, нікелем або марганцем, мають достатню міцність, пластичність і добру корозієстійкість в окиснювальних середовищах. Вони немагнітні. Сталі 12Х18Н10Т та 12Х18Н12Т є стійкими при контакті з азотною кислотою. Сталі 04Х18Н10, 03ХІ8Н12, 10Х14Г14Н4Т застосовують для виготовлення тари під рідкі гази, для оболонок паливних баків ракет та інших виробів.

Жароміцні сталі здатні витримувати механічні навантаження при високих температурах. Такі сталі потрібні для виготовлення деталей котлів, газових турбін, реактивних двигунів тощо.

Для роботи при температурах, нижчих за 700...950°С, основою сплаву вибирають залізо або кобальт, а при дуже високих (до 1500°С) молібден та інші тугоплавкі метали. Сталі 16М, 12Х1МФ мають структуру перліту, з них виготовляють труби паронагрівачів, арматуру парових котлів тощо. Зі сталей 15X11МФ та 40Х9С2 виготовляють лопатки турбін, що тривало працюють при 540°С, клапани автомобільних та авіаційних двигунів.

До сталей з особливими електричними властивостями належать магнітні сталі та сталі з високим електричним опором. Бувають магнітотверді, магнітом'які та парамагнітні сталі.

Магнітотверді сталі і сплави використовують для виготовлення постійних магнітів. Від них вимагають високих значень коерцитивної сили та залишкової індукції, а також їх стабільності у часі. Для невеликих магнітів використовують вуглецеві сталі У10, У12, для магнітів більших розмірів -- сталі ЕХЗ, в яких літера "Е" показує, що сталь магнітотверда, літери й числа -- назву і вміст легуючого елемента. Вміст вуглецю в них становить 0,9... 1,0%.

Магнітом'які матеріали, навпаки, повинні мати низьку коерцитивну силу, високу магнітну проникність, малі втрати на перемагнічування. З них виготовляють якорі та полюси електротехнічних машин, магнітопроводи силових трансформаторів, статори і ротори електродвигунів тощо.

Леговані чавуни

Жароміцні чавуни легують нікелем, хромом і марганцем, вони мають аустенітну структуру, вкраплення карбідів і кулястого графіту. Ці чавуни володіють високою циклічною в'язкістю, добре гасять вібрації, стійкі в лугах, слабких розчинах кислот, в середовищі перегрітої водяної пари та у морській воді. Крім того, вони немагнітні й задовільно обробляються різанням. З таких чавунів виготовляють деталі, що експлуатуються при високих навантаженнях і підвищеній (до 600°С) температурі, наприклад, вставки гільз циліндрів, головки поршнів, випускні колектори двигунів, вентилі, корпуси турбонагнітачів, газових турбін, насосів, а також немагнітні вироби. У марках жароміцних чавунів записують літеру "Ч", літери "X", "Н", "Г" і числа після них, що показують вміст хрому, нікелю та марганцю у відсотках, а також літеру "Ш", якщо графіт має кулясту форму.

...