Види сталей та особливості їх використання

Магнітні сплави дуже тверді, і крихкі і не піддаються деформації, а тому обробляються тільки шліфуванням електроерозійним способом. Магніти із цих сплавів виготовляють литтям і спіканням з порошку.

Високі магнітні властивості сплави отримують після гартування з температур 1250 - 1280 ⁰ С і відпуску при 580 - 600 ⁰ С. Підвищення магнітної енергії досягається створенням в сплавах магнітної та кристалографічної текстури.

Магнітом ' які сталі та сплави. До цих сплавів відносять електротехнічне залізо ( армко - залізо ), електротехнічну сталь, залізонікелеві сплави і ферити. Електротехнічне залізо або низьковуглецева тонколистова сталь марок Э, ЭА, ЭАА містить не більше 0,04% С, має високу магнітну проникність і малу коерцитивну силу Не = 64 - 96 А\м. Застосовують його для виготовлення осердь, полюсних наконечників електромагнітів, якорей і полюсів електротехнічних машин, магнітопроводів, статорів і роторів електродвигунів, для силових трансформаторів та ін.

Для отримання мінімальної коерцитивної сили і високої магнітної проникності феромагнітний матеріал повинен бути чистим від домішок і включень, мати гомогенну структуру ( чистий метал чи твердий розчин). Найбільш негативною домішкою є вуглець ( у вигляді Fe₃C). Магнітна проникність зростає при збільшенні зерна фериту. Наклепування, навіть не значне, знижує магніту проникність і підвищує коерцитивну силу, тому матеріал повинен бути повністю рекристалізованим. Набагато кращі магнітні властивості в крупнозернистої листової електротехнічної сталі з розташуванням зерен переважно вздовж листа.

Електротехнічна сталь містить до 4,8 % Si. Кремній, що утворює з залізом твердий розчин, сильно підвищує електроопір, а відповідно, зменшує втрати на вихрові струми, підвищує магнітну проникність, знижує коерцитивну силу.

Марки електротехнічної гарячекатаної листової сталі за вмістом Si ділять на чотири групи:

- низьколеговану 0,8 - 1,8 % - Э11, Э12, Э13;

- середньо леговану 1,8 - 2,8% - Э21, Э22;

- підвищенолеговану 2,8 - 3,8% - Э31, Э32;

- високолеговану 3,8 - 4,8% - Э41, Э48.

Э - електрохімічна сталь, перша цифра - вміст Si, друга - властивості по стандарту - гарантовані електричні та магнітні показники. Сталі групи Э1 і Э2 називають динамними, а сталі групи Э3 і Э4 - трансформаторними. Динамні сталі містять менше кремнію, порівняно з трансформаторними, пластичніші, проте менш магнітом ' які.

Трансформаторна сталь відноситься до феритного класу сталей і має високі магнітні характеристики, хоча більш крихка.

Залізонікелеві сплави (пермалої) містять 45 - 80% Ni і їх додатково легують Cr, Si, Mo. Магнітна проникність у цих сплавів дуже висока. Найкращі властивості має пермалой марки 79 НМ, що містить 79% Ni і 4% Мо. Мо і Cr, як легувальні елементи зменшують чутливість до пластичної деформації, і підвищують питомий електроопір і магнітну проникність. Мідь підвищує електроопір і стабілізує властивості. Пермалої виготовляють із надчистих сортів нікелю і заліза вакуумним переплавом. Термічна обробка - відпал при 1100 - 1300⁰С у вакуумі (водні) з наступним охолодженням з (певними) визначеними температурами.

Використовують пермалої у апаратурі, що працює у слабких магнітних полях ( апаратура зв'язку, радіо, телефон).

Ферити - магнітом 'які матеріали, які отримують змішуванням порошків оксиду заліза Fe₂O₃ і оксидів двовалентних ZnO, NiO, MgO. У феритів дуже високий питомий електричний опір, що визначає їх застосування в пристроях, що працюють в області високих і надвисоких частот.

Багато деталей приладів і машин повинні бути виготовленні із немагнітного матеріалу, які називаються парамагнітні сталі. Для даної мети використовують кольорові метали і сплави ( латунь, бронза), а також парамагнітні аустенітні сталі 17Х18Н10, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3.

Сплави із заданим коефіцієнтом теплового розширення

Такі сплави містять велику кількість нікелю і використовуються в приладо - та машинобудуванні. У них коефіцієнт лінійного розширення при температурах від - 100 до +100 ⁰ С при збільшенні нікелю до 36% різко зменшується і є близьким до нуля, а при більш його високому вмісті знову зростає. Сплав 36Н - називається інвар, застосовують для деталей приладів, які не повинні змінювати своїх розмірів у межах кліматичних перепадів температур (геодезичні прилади, маятники хронометрів, еталони довжини, штрихові міри у метрології), 36Н - 0,5%С, 36%Ni. Сплав 29НК ( 29% Ni, 18% Со) називаються коваром. Він має коефіцієнт теплового розширення в інтервалі температур від -70 до +420⁰С такий як у скла. З нього виготовляють деталі, які вплавляють у скло при вакуумно-щільних спаїв, наприклад телевізійних кінескопах. Під час нагріву при впаюванні сплаву 29НК на його поверхні утворюється плівка окислів, яка взаємодіє зі склом. Це призводить до утворення щільного зчеплення (адгезії) між склом і сплавом.

Для виготовлення деталей шляхом пайки зі склом застосовують і більш дешеві феритні залізо-хромисті сплави 18ХТФ, 18ХМТФ. Сплави мають одинакові властивості, але 18ХФТ дешевше ніж 18ХМТФ.

Сплави з високим електричним опором.

Високий електроопір сплавів може бути досягнутим в тому випадку, коли їх структура - твердий розчин. Відповідно до правила Курнакова, при утворенні твердих розчинів електроопір зростає, і досягає максимального значення при певній для кожної системи кількості компонентів. Ця ж структура дозволяє деформувати сплави з великим ступенем стискування і отримувати тонку стрічку і проволоку, які володіють високим електроопором. Окрім високого електроопору, сталі і сплави цього призначення при нагріві повинні володіти окалиностійкістю і достатньою міцністю для збереження форми нагрівальних елементів у процесі роботи. Таким чином метали для нагрівальних елементів і реостатів мають бути жаростійкими, повинні мати високий електроопір і задовільну пластичність у холодному стані. Цим вимогам відповідають залізохромоалюмінієві сплави, наприклад марок Х15Н60 - фероніхром, Х20Н60 - ніхром. Жаростійкість нагрівачів із Fe - Cr - Al сплавів вища ніж ніхромів. Сплави Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80 у вигляді дроту і стрічки застосовують для побутових приладів, а також для промислових і лабораторних печей - сплав 0Х23Ю5 ( фехраль), 0Х23Ю5 ( хромель), 0Х27Ю5А.

Матеріали для реостатів повинні мати високий електричний опір, малий температурний коефіцієнт опору в області високих температур і незмінні в часі електричні властивості. Даним вимогам відповідають мідно - нікелеві сплави МНМц3-12 ( манганін), і МНМц 40-1.5 ( константан).

Сплави із заданими пружними властивостями - 40КХНМ - 0,07-0,12%С; 15-17% N; 19 -21% Cr; 6 -7% Mo; 39 -41%Co. Цей сплав застосовують для пружин годинникових механізмів, витих циліндричних пружин, які працюють при температурах до 400⁰С.

Сплави з особливими властивостями

Залежно від умов експлуатації (температури, типу та складу агресивного середовища, рівня та характеру прикладених напружень, тривалості) та спеціальних вимог, що ставляться до функціональних властивостей конкретних виробів для їхнього виготовлення використовують різні групи сплавів з особливими властивостями: корозійнотривкі, жаротривкі, жароміцні, холодотривкі, магнітні з малим та заданим коефіцієнтом розширення, тобто сталі та сплави, що володіють особливими електрохімічними, електрофізичними, ядерно-фізичними, фізико- механічними властивостями та можуть надійно працювати за умов одночасної дії на матеріал напружень, опромінення, агресивного середовища, кріогенних або підвищених температур, та ін.

Корозійнотривкі сталі

Корозією називають руйнування металів під дією навколишнього середовища. При цьому часто метали покриваються продуктами корозії (ржавіють). В результаті впливу зовнішнього середовища механічні властивості металів різко погіршуються, іноді навіть при відсутності видимої зміни зовнішнього вигляду поверхні.

Розрізняють хімічну корозію, яка проходить під впливом на метал газів (газова корозія) і неелектролітів (нафта та її похідні), та електрохімічну, яка спровокована дією електролітів (кислот, лугів, солей). До електрохімічної корозії відносять також атмосферну та ґрунтову корозію. Електрохімічна корозія, в залежності від великої кількості факторів (умови експлуатації, хімічний склад, структура та ін.) є рівномірна, локальна, місцева, п'ятниста, точкова, інтеркристалітна, міжкристалічна, пітингова,корозія під напруженням, корозійне розтріскування та ін.

Сталь, яка стійка проти електрохімічної корозії, називається корозійнотривкою ( нержавіючою), підвищення стійкості сталі проти корозії досягається введенням до неї елементів, які утворюють на поверхні захисні плівки, що міцно зв'язані з основним металом і запобігають контакту між сталлю і зовнішнім агресивним середовищем, а також такі, що підвищують електрохімічний потенціал у різних агресивних середовищах. Антикорозійними властивостями сталь володіє у тому випадку, якщо вона містить велику кількість хрому, чи хрому та нікелю.

Вміст хрому у корозійнотривкій сталі повинен становити не менше 12%, оскільки при меншій кількості хрому електродний потенціал стає негативним ( від'ємним).

Хімічні склади сталей стійких проти електрохімічної корозії, встановлюють в залежності від середовища, для якого вони призначені. Їх можна розділити на два основних класи: хромисті, що мають після охолодження на повітрі феритну, мартенситноферитну (фериту більше 10%) чи мартенситну структуру, і хромонікелеві, які мають аустенітну, аустенітномартенситну або аустенітноферитну ( фериту більше 10%) структуру.

Хромисті сталі. До них відносяться сталі марок 40Х13, 30Х13, 20Х13 (М), 12Х13 (М - Ф), 08Х13, 12Х17, 08Х17, 15Х25Т, 15Х28 (Ф). при введенні в сталь 12-14% хрому її електрохімічний потенціал стає позитивним, і вона набуває стійкості проти корозії в атмосферних умовах, слабких розчинах кислот і солей та інших агресивних середовищах. Сталі мартенситного класу, що містять 13% Cr та 0,2 - 0,4 % С при охолодженні на повітрі мають структуру мартенситу і підвищену твердість, тому застосовуються для виготовлення деталей, що працюють на знос, пружних елементів та ріжучого інструменту. Термічна обробка сприяє практично однаковій корозійній стійкості. Більш високими корозійними властивостями володіють феритні сталі 0,8Х13 та Ф - М 12Х13.

Для підвищення корозійної стійкості хромистих сталей їх піддають гартуванню при температурах від 1000-1100 ⁰С та відпуску при 700-750 ⁰С. Застосовують сталі для виготовлення клапанів гідравлічних пресів, предметів домашнього вжитку, хірургічних інструментів.

Аустенітні сталі як правило містять 18% хрому та 9-12% нікелю. Після охолодження до кімнатної температури вони мають аустенітну структуру, низьку межу плинності, помірну міцність, високу пластичність і гарну корозійну стійкість в окислювальному середовищі. Ці сталі парамагнітні.

Високі корозійні властивості сталі надає хром, який пасивує поверхню. Це сталі 12Х18Н9 та 17Х18Н9. Після повільного охолодження сталі набувають структуру А + Ф + К ( Ме₂₃ С₆). Для отримання чисто аустенітної структури, що має високі корозійні властивості, сталь нагрівають до 1000-1070⁰С (для розчинення карбідів) та гартування у воду ( на повітрі)

Міцність при цьому падає, тому для підвищення цієї характеристики сталь піддають холодній пластичній деформації і застосовують у вигляді холоднокатаного листа, стрічки для виготовлення різних деталей. Завдяки високій корозійній стійкості сталі 12Х18Н9, 12Х1810Т, 0,8Х18Н10Т, 0,4Х18Н9Т та ін. застосовують в хімічній, нафтовій та харчовій промисловості, в автобудівництві, транспортному машинобудуванні, будівництві, застосовують для зварних конструкцій, що працюють з азотною кислотою та іншими окислювальними середовищами.

Хромисті корозійнотривкі сталі широко застосовуються для виготовлення виливок різної ваги, конфігурації та призначення, це сталі 10Х13Л, 20Х13Л, 10ХН3ВФЛ, 10Х17Н3СЛ. Лопатки водяних турбін, суднових гребних гвинтів виготовляють із сталей 10Х13Л, а із сталі 20Х13Л такі самі деталі, що характеризуються підвищеною міцністю. Сталь 10Х17Н3СЛ доцільно використовувати для лопаток турбін, що працюють у середовищі волого повітря за температури до 500⁰С, де потрібна більша міцність та пластичність, ніж лопаток виготовлених із сталей 10Х13Л та 20Х13Л. Сталь 10Х13Н3ВФЛ рекомендується для аналогічних виробів, що працюють за температури до 550⁰С, а із сталі 12Х17Н2Л виливають напрямні та обертові лопатки осьових компресорів газових турбін.

Залежно від швидкості охолодження виливки формується її структура та властивості. Оптимальна структура повинна містити мінімальну кількість структурно вільного фериту (5%). Це досягається за швидкості охолодження 150 ⁰/год. У такому разі ферит присутній у структурі сталі у вигляді окремих зерен. Із зниженням швидкості охолодження до 60 ⁰/год. ферит утворюється у вигляді неперервної сітки по границях зерен, а його кількість збільшується до 20%. Термічне оброблення виливок, що складається із гартування від 1050- 1100⁰С з охолодженням на повітрі та 16 годинного відпуску при 700-720⁰С, сприяє стабілізації механічних властивостей за високих температур. Після гартування, відпалу та відпуску механічні властивості в залежності від структурного класу ливарних сталей знаходяться в межах у_в = 1200-560 мПа; у₀₂ =1000-400 мПа; ш= 50-10%; д= 20-7%; KCU= 8-1,5 мДж/м².

Жаротривкі сталі та сплави

Жаротривкість характеризує опір металів та сплавів на їхній основі газовій корозії за високих температур. Поверхневі шари деталей машин та елементів конструкцій різноманітного обладнання, наприклад, газових турбін, високотемпературних печей, ядерних реакторів, двигунів внутрішнього згорання за умови експлуатації за високих температур у агресивних середовищах та під час різних технологічних кування, штампування, термічного оброблення) руйнується внаслідок газової корозії, що спричиняє великі витрати матеріалу. Хімічна корозія, що спостерігається у такому разі, розвивається у кисневмісних середовищах ( повітря, вуглекислий газ, водяна пара, чистий кисень). Руйнівною силою газової корозії є термодинамічна нестабільність металів у цих середовищах у разі додаткової дії зовнішніх умов тиску, температури, складу середовища, тощо. На поверхні металу найчастіше утворюється оксидна плівка, будова, склад та властивості якої визначає швидкість газової корозії. Захисні властивості оксидних плівок підвищуються за умов, коли вони володіють такими властивостями: суцільністю, доброю адгезією до поверхні, співрозмірним коефіцієнтом лінійного розчинення плівки та основи матеріалу, температурної сублімації плівки, що повинна бути нижчою за температуру експлуатації виробу.

Жаротривкість сталей підвищується за рахунок легування алюмініем, кремнієм, хромом, а також введенням в сталь бору, цирконію, ніобію. Утворення на поверхні металу легованих оксидів є одним із важливих факторів підвищення жаротривкості металів та сплавів. Додаткове легування сталей нікелем істотно підвищує їхню жаротривкість. Позитивний вплив нікелю проявляється, коли його концентрація у сплаві вища за 10-12%. Збільшення жаротривкості сталей у разі легування кремнієм пояснюється утворенням жаротривкого оксиду SiO₂, а при легуванні алюмінієм - Al₂O₃, що підвищує стабільність до високотемпературної корозії за температур 1300 - 1400⁰С. Комплексне легування хромом та алюмінієм різко зменшує масу та підвищує товщину оксидної плівки, причому концентрація кожного із них, необхідна для цього, тим більша, чим вища робоча температура сталі. Легування хромом у кількості 6-7%, кремнієм у кількості 2,5% та алюмінієм у кількості 2% ефективно підвищує жаротривкість сталей перлітного класу до 600⁰С. Нікель підвищує жаротривкість сталей феритного та аустенітного класів у разі окислення на повітрі, ступінь його впливу збільшується із підвищенням температури. Молібден та ванадій можуть знизити жаротривкість сталей, а технологічні домішки, і зокрема вуглець негативно виливають на цю характеристику.

Жаротривкі сталі. До них відноситься такі класи.

- сталі мартенситного класу - сільхроми 40Х9С2, 40Х10С2М6, що надійно працюють до 950⁰С та використовуються у автомобілебудуванні.

Размещено на Allbest.ru