Сплавы на основе железа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Сплавы на основе железа. Общие сведения

2. Стали

3. Конструкционные стали

4. Инструментальные стали

5. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

6. Чугуны

Заключение

Список литературы

сталь сплав чугун металл

Введение

Так как технически чистые металлы сравнительно редко применяются в машиностроении из-за недостаточных прочностных свойств, в качестве конструкционных материалов главным образом применяют сплавы. Сплав представляет собой вещество, состоящее из двух и более компонентов, полученное в процессе смешивания этих компонентов в жидком виде. Компонентами могут быть металлы и неметаллы. Кроме главных компонентов в сплаве могут содержаться примеси, которые могут быть полезными, улучшающими эксплуатационные свойства сплава, или вредными, ухудшающими эти свойства. Так же примеси делятся на случайно попадающие в сплав при его приготовлении и специально добавляемые с целью придать сплаву нужные свойства.

После отвердения сплава компоненты образовывают твердый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В твердом растворе один из компонентов (основа) обычно сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой в виде отдельных атомов распределяется внутри этой решетки. В химическом соединении компоненты вступают в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решетки. В механической смеси компоненты обладают полной нерастворимостью и сохраняют каждый свою кристаллическую решетку, и сплав состоит из смеси кристаллов этих компонентов.

Сплавы всегда имеют конкретную основу, по которой их разделяют на группы, так, например, сплавы на основе железа называются черными, к ним относятся стали и чугуны, а сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия имеют малую плотность и называются легкими цветными сплавами, сплавы на основе меди, свинца, олова и ряда других - тяжелыми цветными сплавами, сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута - легкоплавкими цветными сплавами, сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и ряда других металлов - тугоплавкими цветными сплавами.

1. Сплавы на основе железа. Общие сведения

Наиболее распространены в промышленности сплавы на основе железа с добавлением углерода, которые называют железоуглеродистыми сплавами и делят стали и чугуны. При содержании углерода меньше 2,14% сплавы являются сталями, больше - чугунами. Стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство их по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в 10 раз.

По назначению стали подразделяют на следующие группы:

1) Конструкционные стали (машиностроительные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов, а строительные стали - для конструкций и сооружений).

2) Инструментальные стали (обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента).

3) Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства).

В процессах получения черных металлов чугун занимает особо важное место, так как является первичным продуктом плавки из руд в доменных печах. По назначению доменные чугуны делятся на:

1) Передельные чугуны, то есть идущие в переработку на сталь.

2) Литейные чугуны - для производства фасонного литья.

3) Специальные чугуны, или доменные ферросплавы.

Чугун отличается от стали: по составу - более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам - более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

- белый чугун (углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белы цвет и металлический блеск);

- серый чугун (весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8% углерода, из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет);

- половинчатый (часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не более 2% углерода находится в форме цементита, мало используется в технике).

2. Стали. Общие сведения

Одним из важнейших классификационных признаков сталей является их химический состав, так как для получения заданных свойств в них вводят дополнительные - легирующие компоненты.

Так по химическому составу стали разделяют на:

1) Углеродистые стали:

низкоуглеродистые с 0,09 - 0,2% содержания углерода,

среднеуглеродистые с 0,2 - 0,45% углерода,

высокоуглеродистые с более 0,5% угерода;

2) Легированные стали:

низколегированные, содержащие легирующих элементов до 2,5%,

среднелегированные, содержащие легирующих элементов 2,5 - 10%,

высоколегированные, содержащие легирующих элементов более 10%.

Под легированием понимают ввод в основной металл добавок других металлов для улучшения его свойств.

Свойства сталей определяются количеством углерода и примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

С ростом содержания углерода в структуре стали уменьшается пластичность и увеличивается прочность и твердость. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, потом она начинает уменьшаться. С увеличением содержания углерода также увеличивается порог хладоломкости (при этом снижается ударная вязкость), электросопротивление, коэрцитивная сила, снижается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4%), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на 4 группы:

1) Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Фосфор искажает пластическую решетку, увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость, вызывает хладоломкость. Сера - вредная примесь, попадает в сталь из чугуна, вызывает красноломкость (повышение хрупкости при высоких температурах), снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание фосфора и серы в стали нежелательно выше 0,03% каждого.

2) Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) - попадают в сталь при выплавке. Примеси внедрения (азот и кислород) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов. Флокены - тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3) Специальные примеси специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированными сталями. Марганец и кремний так же могут считаться легирующими элементами, если их содержание более 1,0 и 0,8% соответственно. Фосфор и сера - крайне редко, но все же тоже используются в виде легирующих элементов в некоторых специальных сталях.

4) Случайные примеси.

Основным легирующим элементом является хром. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали.

Бор и марганец увеличивают прокаливаемость, а также повышают порог хладоломкости.

Титан вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости, увеличивает статистическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Никель повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется молибденом). Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным металлом и применение таких сталей ограничено. Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают стали - хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетаниемпрочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости. Добавка свинца, кальция улучшает обрабатываемость резанием.

Все конструкционные материалы маркированы, то есть имеют марку (своего рода ярлык), зачастую отражающую в их составе наличие наиболее важных химических элементов.

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей. И по типу обозначений стали так же делятся на несколько групп:

1) Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380)

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора. Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп., ВСт.3пс., ВСт.4сп.

Ст - индекс данной группы сталей.

Цифры от 0до 6 - условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность.

По гарантиям при поставке существуют 3 группы сталей: А, Б и В. А - гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Б - гарантируется химический состав. В - гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс и сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

2) Качественные углеродистые стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали маркируются 2-значным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Сталь 08кп, сталь 10пс, сталь 45.

Содержание углерода соответственно: 0,08%, 0,10%, 0,45%.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода соответственно 0,8% и 1,3%.

Инструментальные высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Сталь У10А.

3) Качественные и высококачественные легированные стали.

Легирующие элементы имеют условные обозначения буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, К - кобальт, Т - титан, А - азот (указывается в середине марки), Г - марганец, Д - медь, Ф - ванадий, С - кремний, П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, Ц - цирконий, Ю - алюминий.

Легированные конструкционные стали (сталь 15Х25Н19ВС2). В начале марки указывается 2-значное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5%. В указанной марке стали содержится 0,15% углерода, 35% хрома, 19% никеля, до 1,5% вольфрама, до 2% кремния. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали (сталь 9ХС, сталь ХВГ). В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1% число не указывается. Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

4) Быстрорежущие инструментальные стали (сталь Р18).

Р - индекс данной группы сталей. Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента - вольфрама. Здесь - 18%. Если стали содержат легирующий элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

5) Шарикоподшипниковые стали (сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС).

Ш - индекс данной группы сталей, Х - указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях соответственно 0,6% и 1,5%. Также указываются входящие в состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1%.

3. Конструкционные стали

К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин, предъявляют следующие требования:

- сочетание высокой прочности и достаточной вязкости;

- хорошие технологические свойства;

- экономичность;

- недефицитность.

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин. Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести, являющимся основной характеристикой при расчете деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью, сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости. Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости, износу и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали. Высокая конструктивная прочность стали достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества. Решающую роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6%.

Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна. Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств. Металлургическое качество также влияет на конструкционную прочность. Чистая сталь при одних и тех же прочностных свойствах имеет повышенные характеристики надежности. Машиностроительные конструкционные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов. Они классифицируются:

- по химическому составу (углеродистые и легированные);

- по обработке (цементуемые, улучшаемые);

- по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).

Углеродистые стали различаются по качеству (стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали), содержанию углерода.

Стали обыкновенного качества используют для изготовления горячекатаного рядового проката: балок, швеллеров, уголков, прутков, а также листов, труб и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и другие) и поступают по особым техническим условиям. Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладоломкости понижен закалкой в воде с прокатного нагрева.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования и по химическому составу и структуре.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода менее 0,25%) обладают малой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяются для малонагруженных деталей - шайб, прокладок и т.п. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5 % углерода) применяются после нормализации, термического улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. В отожженном состоянии стали хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость невелика, в связи с чем их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу.

Высокоуглеродистые стали (0,6 - 0,8 % углерода) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после термической обработки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статистических вибрационных нагрузок. Из этих деталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. Достоинства углеродистых качественных сталей - дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм.

Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, в тяжелом и транспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали широко применяют для тяжелонагруженных металлоконструкций. Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Цена калиброванной и шлифованной стали выше. Наибольшее распространение в строительстве получили низколегированные стали( из-за своей хорошей свариваемости, то есть свойства сварного соединения и участков, прилегающих к нему - зон термического влияния, близки к свойствам основного металла), а в машиностроении - легированные. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные).

Цементуемые стали используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся воздействию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35%). С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации. Цементуемые углеродистые стали используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки). Твердость на поверхности составляет 60-64 HRC, сердцевина остается мягкой. Цементуемые легированные стали используются для изготовления деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки). Режимы термической обработки и свойства сталей, утвержденные ГОСТ 4543-71, характерны только для образцов (при приемке стали) и не могут быть использованы применительно к изделиям. Свойства стали (детали) определяет конечная термическая и химико-термическая обработка, принятая на конкретном заводе.

Многие детали машин, работающие в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических), такие как коленчатые валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин, изготавливают из среднеуглеродистых сталей и подвергают термическому улучшению. Такие стали хорошо воспринимают ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению. Улучшаемые углеродистые стали дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения, и детали, требующие повышенной прочности. Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях с помощью соответствующей термической обработки, в мартенситно-стареющих сталях и трип- или пнп-сталях. 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%) мартенситно-стареющие стали, упрочняемые закалкой с последующим старением. Мартенситно-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике. Мартенситно-стареющие стали превосходят по конструктивной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением к хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа. Однако эти стали довольно дорогие. Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями (TRIP от начальных букв - Transformation Induced Plasticity) или ПНП-сталями (пластичность, наведенная превращением). Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости. При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие или легированные высокопрочные стали. Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы в работе испытывают многократные переменные нагрузки. Особенностью работы является то, что при значительных статистических и ударных нагрузках детали должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям - обеспечение высоких значений пределов упругости, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений. Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке. Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором. В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности. Кроме пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения. Кроме высоких механических свойств и сопротивления релаксации напряжений они должны обладать высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, теплостойкостью и другими особыми свойствами. К этим сталям относятся высоколегированные мартенситные (высокохромистые коррозионно-стойкие стали), мартенситно-стареющие, аустенитные (коррозионно-стойкие, немагнитные, жаропрочные) стали и др.

Шарикоподшипниковые стали подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций. Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома, подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.

Обрабатываемость резанием является одной из важных технологических характеристик стали. Хорошая обрабатываемость резанием повышает производительность труда и сокращает расход инструмента, что имеет особо важное значение для массового производства (авто- и тракторостроения, сельскохозяйственного машиностроения, станкостроения и т.д.).

Поэтому в промышленности широко применяют так называемые автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности. Значительная анизотропия ударной вязкости в сталях повышенной обрабатываемости не позволяет рекомендовать их для деталей, работающих в сложнонапряженном состоянии, а также со значительными концентрациями напряжений.

Коррозией называют разрушение металлов под действие окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействий внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозии. Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550єС), называют окалиностойкой (жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллической и другим видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и внешней агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали, состоящие из основного слоя - низколегированной или углеродистой стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6 мм из коррозионно-стойких сталей или никелевых сплавов.

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-183єС) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специальные криогенные стали и сплавы с пониженным порогом хладоломкости. Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требование высокой коррозионной стойкости. В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладоломкости.

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т.д., работающих при высоких температурах. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяются в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750єС. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность. Жаропрочные стали на основе никеля нередко называют нимониками. Эти сплавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т.д.). Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 850єС.

4. Инструментальные стали

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть способность сохранять высокую твердость при нагреве.

Все инструментальные стали подразделяют на 3 группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400-500єС (содержащие свыше 0,6-0,7% углерода и 4-18% хрома), и теплостойкие до 550-650єС (высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, ледебуритного класса), последние получили название быстрорежущих. Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Стали для режущего инструмента после соответствующей термической обработки должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью, так как режущие кромки могут нагреваться до температуры 500-900єС.

Углеродистые инструментальные стали сдержат 0,65-1,35% углерода. Вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Легированные инструментальные стали содержат 0,9-1,4% углерода и подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250єС. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью. Стали повышенной прокаливаемости имеют большую теплостойкость, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Общее содержание легирующих элементов до 5%. Эти стали используются для изготовления ударного и режущего инструмента.

Быстрорежущие стали получили свое название за свойства. Вследствие высокой теплостойкости, изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7-1,5% углерода, до 18% основного легирующего элемента - вольфрама, до 5% хрома и молибдена, до 10% кобальта, который повышает теплостойкость. Основными вилами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, про тяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью и износоустойчивостью, сохранять постоянство размеров в течение длительного времени и хорошо шлифоваться. Постоянство размеров обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени. Для изготовления измерительных инструментов применяются: высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые после соответствующей температурной обработки; малоуглеродистые стали после цементации; нитралои после азотирования на высокую твердость.

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы), изготавливают из штамповых сталей. Различают стали для штампов холодного и горячего 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. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200-350єС, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали, для более крупных изделий применяют легированные стали, которое обладают лучшей прокаливаемостью. Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью. Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. Довольно часто для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя (разрушаются) вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, то есть способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того стали должны иметь высокую прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента и теплопроводность для лучшего отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа. Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали.

Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях, где разогрев поверхности при деформировании до 600-700єС.Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии.

5. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами подразделяются на следующие группы:

v Магнитные стали и сплавы:

Ш Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для этого применяют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 1%, легированные хромом или хромом и кобальтом.

Ш Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д. В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05-0,005% углерода, 0,8-4,8% кремния)

Ш Парамагнитные стали (немагнитные) применяются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Недостатком этих сталей является низкий предел текучести, что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин.

v Металлические стекла (аморфные сплавы) - область применения примерно та же что и у магнитно-мягких сталей.

v Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов.

v Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения - широко применяют в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы железо-никель (инвары).

v Сплавы с эффектом «памяти формы». При напряжении выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно открыты сплавы, обладающие эффектом «памяти формы». Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Наиболее распространенным железосодержащим сплавами являются железоникелевые сплавы.

6. Чугуны

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам. В станкостроении - это базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.

Высокопрочные чугуны получают из серых в результате модифицирования магнием или церием. По сравнению с серыми чугунами механические свойства повышаются. Из высокопрочного чугуна изготавливают тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станков, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Ковкий чугун получают отжигом белого чугуна. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью и достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Отбеленные чугуны - отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун. Они имеют высокую поверхностную твердость и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Заключение

Мы рассмотрели основные особенности и характеристики, пожалуй, самого употребляемого на настоящий момент промышленностью материала. С давних времен люди использовали железо и его сплавы для создания орудий труда, украшений, оружия, предметов быта. На сегодняшний день в промышленности используется более 10 000 сплавов на основе железа. Ни один металл не способен к таким превращениям, как железо, и только железо широко применяет свои свойства при легировании и термической обработке. Диапазон свойств его сплавов необычайно велик: от мягкого как свинец чистого железа до твердой как алмаз инструментальной стали, от динамного и трансформаторного листа с особыми магнитными свойствами до немагнитных сплавов железа, от износостойких специальных сталей до коррозионностойких и нержавеющих. Легированием и термической обработкой с использованием давления и излучения удается получать железные материалы с невероятными свойствами. И это отнюдь не конец, а лишь начала грандиозного пути развития металлургии железа. Ученые постоянно заняты получением новых данных, способствующих совершенствованию и созданию новых способов получения и обработки материалов на основе железа.

Список литературы

1. Беккерт М. Железо. Факты и легенды. Пер.с нем.Г.Г.Кефера. М.: Металлургия, 1984. 232 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. 6-е изд., ООО «Издательство Альянс», 2011. 528 с.

3. Чечета И.А. Технологические процессы в машиностроении. Исходные параметры и определения: учебное пособие / И.А.Чечета. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 200 с.

Размещено на Allbest.ru

...