Конструкционные стали и сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкционные стали и сплавы

1. Углеродистые конструкционные стали

раскисление сталь штамповка закалка

В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:

1) спокойные «сп» (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп, Ст4сп, Стбсп, Стбсп);

2) полуспокойные «ПС» (Ст1пс, Ст2пс, СтЗпс, Ст4пс, Ст5пс, Стбпс);

3) кипящие «кп» (Сткп, Ст2кп, СтЗкп, Ст4кп).

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее, дешевые ликвация и они содержат сравнительно большое количество, неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также" листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса).

Качественные.

Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, Юкп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью <тв = 330-5-340 МПа, о0,а = 200-ь210 МПа и б = ЗЗ-т-31 % г. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Стали 15, 15кп, 20, 25 (ав = 380-5-460 МПа, оод = 230 & 280 МПа и 6 = 27-5-23 %) чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0,3--0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Стали с высоким, содержанием углерода (0,6--0,85 % С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные, валки и т. д.

2. Легированные конструкционные стали

В качестве легирующих элементов чаще используют сравнительно недорогие и недефицитные элементы -- марганец, кремний и хром. Стали, содержащие эти элементы, нередко добавочно легируют титаном, ванадием и бором. Для изготовления высоконагруженных деталей стали легируют значительно более дорогими и дефицитными элементами, такими как никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5 %, относятся к низколегированным, содержащие 2,5--10 % -- к легированным, и более 10 % -- к высоколегированным (содержание железа более 45 %).Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Особенно дороги стали, содержащие большое количество никеля, молибдена, вольфрама и кобальта. Легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Благодаря большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет проводить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин.

Маркировка легированных конструкционных сталей. Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А -- азот, Б -- ниобий, В -- вольфрам, Г -- марганец, Д -- медь, Е -- селен, К -- кобальт, Н -- никель, М -- молибден, П -- фосфор, Р -- бор, С -- кремний, Т -- титан, Ф -- ванадий, X -- хром, Ц -- цирконий, Ч -- редкоземельный, Ю -- алюминий.

Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей «0,025 % S и 0,025 % Р) и обозначаются буквой «А», помещенной в конце марки. Особовысококачественная сталь обозначается буквой «Ш», располагаемой в конце марки (например, ЗОХГСА-Ш). Если буква «А» расположена в середине марки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азотом 0,015--0,025 %, а если в начале марки (например, А40) -- сталь автоматная (хорошо обрабатываемая резанием), содержащая 0,4 % С.

Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная легированная свинцом (АС35Г2).

3. Строительные низколегированные стали

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1,8 % Мn, до 1,2 % Si, до 0,8 % Сr, а также до 0,8 % Ni, до 0,5 % Си, до 0,15 % V, до 0,03 % Ti, до 0,15 % N и других порознь или совместно. К этим сталям относятся стали 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 17ГС, 15ГФ, 15Г2СФ, ЮГ2Б, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие.

Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки, сварные конструкции.

4. Арматурные стали

Для армирования железобетонных конструкций при меняют углеродистую или низколегированную сталь. СтЗ, Ст5сп2, 18Г2С, 80С, 20ХГ2Ц, 22Х2Г2АЮ, в виде гладких и периодического профиля стержней. Существуют: горячекатаные арматурные стали и упрочненные термической и термомеханической обработкой

5. Стали для холодной штамповки

В автомобильной и многих других отраслях промышленности для изготовления деталей широко применяют холодную штамповку из листовой стали. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Поэтому для холодной штамповки более широко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фкп (0,02--0,04 % V) и 08Ю (0,02--0,07 % А 1). Штампуемость зависит и от величины зерна феррита. При мелком зерне стали обнаруживается пружинящий эффект и сильно изнашиваются штампы, а при крупном зерне образуется шероховатая поверхность («апельсиновая корка») и разрывы. Рекомендуется сталь с зерном номерами 6--8. Для штамповки изделий, требующих повышенной прочности, применяют низколегированные «двухфазные стали» со структурой, состоящей из высокопластичной ферритной матрицы и упрочняющей фазы мартенсита или бейнита в количестве 20--30 % *. Такая структура получается в низкоуглеродистых (0,06--0,12 % С) низколегированных сталях (09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 10Г2Ф, 12ХМ и др.) после закалки в воде из межкритического интервала температур ^а (между ac-l -- Ас₃).

После такой закалки сталь обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести (менее 450 МПа) и высоким временным сопротивлением более 700 МПа (о₀₎₈/сг_в = 0,5). Это облегчает выполнение глубокой штамповки без образования трещин. В процессе штамповки за счет деформационного упрочнения (наклепа) и старения а_в и а₀,_а существенно повышаются.

6. Конструкционные цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали

Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0,15--0,25 % С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость 58--62 HRC, а сердцевина 30--42 HRC. Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Хромистые стали 15Х, 20Х предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину 1,0--1,5 мм. Легирование хромистой стали ванадием (0,1--0,2 %) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ).

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

7. Конструкционные улучшаемые стали

Стали с повышенной обрабатываемостью резанием. Широко применяют так называемые автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием и с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности. Наиболее часто применяют автоматные углеродистые стали А12, А20, А40Г, имеющие повышенное содержание серы (0,08-- 0,3 %), фосфора «0,05 %) и марганца (0,7--1,0 %).

8. Мартенситно-стареющие высокопрочные стали

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают безуглеродистые менее 0,03 % С) мартенситно-стареющие тали (углерод и азот -- вредные примеси, снижающие пластичность и вязкость стали), упрочняемые закалкой и последующим старением. Мартенситно-стареющие стали представляют собой сплавы железа с никелем (8--20 %), а часто и с кобальтом. Н18К9М5Т менее 0,03 % С, ~18 % Ni,' -9 % Со, ~5 % Mo, ~0,6 % Ti). Сталь закаливают на воздухе от 820--850 °С. Н10Х11М2Тi , Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ Эти стали дорогостоящие.

9. Высокопрочные стали с высокой пластичностью

Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями (TRIP от начальных букв -- Transformation Induced Plasticity) или ПНП-сталями (пластичность, наведенная превращением). Эти стали содержат 8--14 % Сг, 8-- .42 % Ni, 0,5--2,5 % Мп, 2--6 % Мо, до 2 % Si (например, .50Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1). Отличительной особенностью сталей является то, что после аустенитизации при 980--1200 °С температуры мартенситного превращения Мв и Мя (начало образования мартенсита деформации) находятся ниже 20 °С, т. е. стали имеют аустенитную структуру. Для придания стали высоких механических свойств после аустенитизации ее подвергают 80 %-ной деформации (прокатка, молочение, гидроэкструзия и т. д.) при 250--550 °С (ниже температуры рекристаллизации). При этом точка М становится выше 20 °С.

10. Рессорно-пружинные стали общего назначения

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Стали поступают в виде проволоки и ленты, а также горячего и холоднокатаного проката или катанки, из которых изготовляют пружины. Стали для пружин должны обладать f высокими сопротивлением малым пластическим деформациям, пределом выносливости при достаточной пластичности и вязкости. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть подвергнуты термической обработке -- закалке и отпуску или деформационному упрочнению после патентирования. Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью. Для пружин применяют углеродистые стали:70, 75, 85. 50С2, 55С2А, 60С2ХФА, 60С2Н2А, 50ХГА

11. Шарикоподшипниковые стали

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец не больших сечений обычно используют сталь ШХ15 (0,95--1,05 % С и 1,3--1,65 % Сг), а больший сечений -- хромомарганцевокремнистую сталь ШХ15СГ (0,95 1,05% С, 0,9--1,2 % Сг, 0,4--0,65% Si и 1,3--1,65% Mn), прокаливающуюся на большую глубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, уменьшая количество неметаллических включений (сульфидов, оксидов др.), повышает долговечность подшипников. 20Х2Н4А, 18ХГТ подвергают цементации на толщину 0,9--1,8 мм. После закалки и низкого отпуска они имеют твердость 61--65 HRC.

12. Износостойкие стали

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов (например, для траков некоторых гусеничных машин, щек дробилок, черпаков землечерпательных машин, крестовин железнодорожных и трамвайных путей и т. д.), применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0,9--1,3 % С и 11,5--14,5 % Мп. Структура этой стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)3C, выделяющихся по границам зерен, что снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим литые изделия закаливают с нагревом до 1100 °С и охлаждением в воде.

13. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы

36Х18Н25С2, 12Х17, 20Х23Н17 - жаростойкие.

20Х13, 12Х18Н9, 09Х15Н8Ю - коррозионно-стойкие.

Инструментальные стали и твердые сплавы.

Инструментальными называют углеродистые и легиванные стали, обладающие высокой твердостью (60--65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали. Все инструментальные стали подразделяют на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3--4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400--500 °С (содержащие свыше 0,6--0,7 % С и 4--18 % Сг) и теплостойкие до 550--650 °С (высоколегированные стали, содержащие Сг, W, V, Мо, Со, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т. д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные стали X, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых нолях процента, если его содержание <1 %. Если содержание углерода ~1 %, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры -- содержание (и целых процентах) соответствующего легирующего элемента. Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р». (Р18, Р6М5, Р9). Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали -- вольфрама (в процентах). Среднее содержание молибдена (в процентах) в стали обозначают цифрой, проставленной за буквой «М».

Стали для режущего инструмента.

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость в режущей кромки (HRC 62--68), значительно превышающую твердость обрабатываваемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании. Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 - эти стали применяют для инструментов небольших размеров. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла,), шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т. д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У 10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура -- мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, вертки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8. Их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190--200 °С.

11ХФ, 9ХС - легированные стали.

Быстрорежущие стали. В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают теплостойкостью (красностойкостью) до 600--650 °С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2--4 раза) и стойкость инструментов (в 10--30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью. Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и его химический аналог -- молибден. Составы широко применяемых быстрорежущих металлов (ГОСТ 19265--73) умеренной Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К.

Стали для измерительного инструмента.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обширно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X (0,95--1,1/0 С и 1,3--1,65 % Сг) и 12X1 (1,15--1,25 % С, 1,3-- 1,55 % Сг. Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с возможно более низкой температурой (обычно от 850-- 870 °С) с целью получения минимального количества остаточного аустенита. Твердость после указанной обработки составляет 63--64 HRC. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Стали для штампов холодного деформирования.

Штампы для холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. Наиболее часто применяют стали Высокохромистые Х12Ф1 и Х12М, Х12Ф1 и Х12М, 7ХГ2ВМ.

Стали для штампов горячего деформирования - 5ХНМ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС.

Твердые сплавы.

Твердыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой.

1) вольфрамовые (ВКЗ, ВК6, ВК8, ВКЮ);

2) титановольфрамовые (ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12);

3) титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б).

Структура вольфрамовых сплавов представляет собой частицы карбида вольфрама WC, связанные кобальтом.

Магнитные (ЕХ5К5, ЮН14ДК25А) и парамагнитные(12Х18Н10Т) стали.

Окалиностойкие с высоким электрическим сопротивлением.

Фехраль - Х13Ю4 Хромель - 0Х23Ю5 Нихром - Х20Н80 - на никелевой основе сплавы с эффектом «памяти формы» - никель-титан - нитинол.

Размещено на Allbest.ru