Легированные конструкционные стали. Большая энциклопедия нефти и газа

Механические свойства сталей и, следовательно, конструктивная прочность повышается введением в их состав легирующих добавок, основные из которых – хром, никель, кремний и марганец. Другие легирующие элементы (вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор) вводят обычно в сочетании с основными для дополнительного улучшения свойств, обусловленного их влиянием на свойства феррита, прокаливаемость, устойчивость мартенсита при отпуске, дисперсность карбидной фазы и размер зерен.

Применяют легированные стали, как правило, с закалкой и отпуском, т. к. их положительные качества обнаруживаются только после термического упрочнения и состоят в следующем:

а) у всех термоупрочненных легированных сталей сопротивление пластической деформации σ т выше, чем у углеродистых (при равном содержании углерода);

б) прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых (большинство легирующих элементов увеличивает устойчивость аустенита), поэтому нагруженные детали крупного сечения изготовляют из легированных сталей со сквозной прокаливаемостью;

в) повышенная устойчивость аустенита легированных сталей позволяет применять при закалке «мягкие» охладители – масло и снизить брак по закалочным трещинам и короблению в изделиях сложной формы;

г) легирование никелем, повышая вязкость стали и сопротивление ее хладноломкости, увеличивает эксплуатационную надежность деталей машин, поэтому тяжело нагруженные детали ответственного назначения изготовляет из сталей, содержащих никеля от 1–3% до 9–18%.

Таким образом, наиболее важной характеристикой легированных конструкционных сталей являются механические свойства и их распределение по сечению. При этом уровень механических свойств стали и ее закаливаемость (способность воспринимать закалку) зависят от содержания углерода, а прокаливаемость (глубина закаленной зоны), закаливаемость и несколько механические свойства (не считая никеля и молибдена, значительно улучшающих вязкость) – от состава и количества легирующих элементов.

К недостаткам легированных сталей относят:

а) склонность к обратимой отпускной хрупкости, дендритной ликвации и флокенообразованию;

б) повышенное количество остаточного аустенита после закалки, понижающего твердость и сопротивление усталости;

в) дефицитность и высокую стоимость легирующих элементов.

Производят легированные стали качественными, высококачественными и особовысококачественными. Но в основном выплавляют качественными, а по степени раскисления – спокойными.

Они идут на изготовление разнообразных деталей (валов, осей, шестерен, пружин и т. д.) практически во всех отраслях машиностроения и несколько меньше – на изготовление строительных конструкций.

Маркируют конструкционные легированные стали буквами и цифрами, по которым в большинстве случаев можно судить об их качественном и, в первом приближении, о количественном составе.

Основные легирующие элементы обозначают соответствующими буквами:

Ni – Н, Cr – Х, Со – К, Мо – М, Мn – Г, Cu – Д, В – Р, Nb – B, N – A, Si – С, W – B, Ti – Т, V – Ф, Al – Ю.

Цифры после буквы, соответствующей легирующему элементу, указывают на его содержание в целых процентах; если элемента менее 1,0–1,5% – число не ставится.

Количество углерода указывается двухзначным числом в начале марки стали и соответствует содержанию его в сотых долях процента (например, 40Х – углерода 0,40%, хрома – 1%).

Если сталь высококачественная, то в конце марки ставится буква А, если особовысококачественная – буква Ш (например: 40ХНМА – высококачественная легированная конструкционная сталь, 30ХГСШ – особовысококачественная конструкционная сталь).

Конструкционные легированные стали, как правило, подвергают термической обработке, в зависимости от режима которой их делят на используемые без термической обработки представляют отдельную группу – строительных и автоматных сталей; цементуемые (подвергаемые цементации); улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску).

Строительные стали предназначены для строительных конструкций (мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т. д.), которые обычно изготовляют сварными, поэтому свариваемость – основное свойство таких сталей.

Автоматные стали предназначены для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах и отличаются хорошей обрабатываемостью резанием из-за повышенного содержания серы (0,08–0,30%) и фосфора (0,06%), способствующих образованию ломкой «сыпучей» стружки.

Их маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие).

Наличие серы и фосфора, улучшая обрабатываемость, ухудшает качество стали: понижает вязкость, пластичность, усталостную прочность и коррозионную стойкость.

Эти стали используют для крепежных и мелких слабонагруженных деталей.

Улучшают обрабатываемость резанием: химические аналоги серы – селен и теллур, которые вводят в высоколегированные нержавеющие стали; небольшие добавки свинца (0,1–0,3%), не понижающие механические характеристики стали; микродобавки кальция (0,002–0,008%).

Конструкционные низколегированные стали (повышенной прочности) содержат до 0,22% углерода и до 2–3% недефицитных легирующих элементов (17ГС, 16Г2АФ, 14ХГС, 09Г2С). Они мало различаются по составу и свойствам; их структура (феррит + перлит) и служебные свойства формируются при производстве (например, контролируемой прокаткой).

Применяют низколегированные стали вместо углеродистых для конструкций, где необходим материал с высоким пределом текучести. Стали, легированные хромом, никелем и медью, имеют повышенную вязкость и коррозионную стойкость, а кремнием и марганцем – используют в котлостроении до 470°С; профилями с повышенным содержанием углерода (0,20–0,35%) – армируют железобетон.

Конструкционные цементуемые – низкоуглеродистые (не более 0,25–0,30% С) низко- и среднелегированные стали после цементации и нитроцементации, закалки и низкого отпуска имеют высокую поверхностную твердость (НRС 58–62) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине.

Они предназначены для деталей, работающих на износ при переменных и ударных нагрузках, т. е. работоспособность которых зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины.

Высокие служебные свойства в поверхностном слое (высокая твердость, контактная выносливость и предел усталости при изгибе) после цементации получают при его высокой закаливаемости, что зависит, прежде всего, от содержания углерода.

Легирующие элементы оказывают косвенное влияние на свойства поверхностного слоя, изменяя в нем концентрацию углерода:

– карбидообразующие элементы увеличивают степень науглероживания и поверхностную твердость, повышая тем самым износостойкость и контактную выносливость (чрезмерно высокая твердость – HRC > 63 нежелательна из-за опасности хрупкого разрушения);

– никель и кремний снижают степень науглероживания и, следовательно, хрупкость слоя.

После закалки детали цементированный слой должен иметь мартенситно-аустенитную структуру без продуктов перлитного и промежуточного превращений аустенита, наличие которых резко снижает предел выносливости.

Работоспособность цементованных деталей при одинаковых свойствах поверхностных слоев зависит от свойств сердцевины:

– при невысокой твердости сердцевины в подслоевой зоне возможна пластическая деформация, которая вызовет перенапряжение поверхностного слоя и его преждевременное разрушение;

– повышение прочности сердцевины способствует увеличению контактной прочности, особенно при циклических нагрузках.

Степень упрочнения сердцевины увеличивается с повышением содержания в стали углерода и легирующих элементов. Поэтому цементуемые легированные стали в зависимости от структуры, получаемой в сердцевине (при охлаждении в масле), подразделяются на следующие группы:

а) среднепрочные низколегированные (I5X, 20Х, 15ХФ, I5XP, 20ХН) с упрочняемой сердцевиной, структура которой после закал- ки – троостит или бейнит.

При цементации этих сталей возможно образование цементитной сетки в поверхностном слое, что повышает его чувствительность к надрезам.

Стали этой группы применяют для небольших деталей (поршневых пальцев и колец, распределительных валиков, толкателей, копиров и т. п.), работающих при средних нагрузках, так как их прокаливаемость невелика (до 25 мм);

б) высокопрочные комплексно-легированные (20ХНР, 18ХГТ, I2XH3, 12X2Н3, 18Х2Н4В) и экономнолегированные с содержанием углерода до 0,25–0,30% (30ХГТ, 25ХГМ) с сильно упрочняемой сердцевиной вследствие образования в ней при закалке мартенсита.

Наиболее ответственные детали, эксплуатируемые с динамическими нагрузками, из высокопрочных цементуемых сталей:

– зубчатые колеса авиадвигателей и судовых редукторов – из I8X2H4MA;

– зубчатые колеса и валы автомобилей – из 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ;

– зубчатые колеса, червяки, кулачковые муфты – из 20ХГР, 20ХНР.

Ответственные детали, работающие при циклических и ударных нагрузках, а иногда при пониженных температурах (валы, штоки, шатуны и т. п.) изготовляют из улучшаемых среднеуглеродистых (0,3–0,5% С) низколегированных (до 5% легирующих элементов) сталей, подвергаемых термическому улучшению – закалке и высокому отпуску на сорбит.

Эти стали должны иметь высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой чувствительностью к надрезу в любом сечении детали, что достигается термическим улучшением при сквозной прокаливаемости, которая является их важнейшей характеристикой и определяется присутствием легирующих элементов.

В деталях небольшого сечения при одинаковом содержании углерода и разном количестве легирующих элементов улучшенные стали имеют близкие прочностные свойства, которые значительно отличаются в деталях крупных сечений.

Следовательно, не механические свойства, а прокаливаемость является критерием при выборе состава стали: чем больше сечение детали, тем более легированной должна быть сталь для ее изготовления.

Сложные по конфигурации детали, особенно подвергающиеся ударным нагрузкам, изготовляют из сталей, которые содержат никель.

Улучшаемые легированные стали условно делят по прокаливаемости на группы, с увеличением номеров которых повышаются степень легирования и размер сечения сквозной прокаливаемости:

а) хромистые стали прокаливаемостью до 20–25 мм (30Х, 40Х, 40ХР);

б) хромистые стали с марганцем, молибденом, кремнием, титаном прокаливаемостью до 40 мм (30ХМ, 30ХГТ, 30ХГС, 40ХГТР);

в) хромоникелевые (l,0–l,5% Ni) стали с бором, марганцем прокаливаемостью до 40–70 мм (40ХН, 40ХНР, 40ХНМ, 42ХМФ);

г) хромоникельмолибденовые (2–3% Ni) стали с ванадием прокаливаемостью свыше 70 мм (30ХН3, 30ХН2ВФ, 38ХНЗМФ).

Рессорно-пружинные стали составляют особую группу конструкционных сталей, у которых используются только упругие свойства из-за специфических требований, предъявляемых к изделиям из них.

Эти стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости при достаточных пластичности и вязкости, иметь повышенную релаксационную стойкость, хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость.

Указанные свойства рессорно-пружинных сталей достигаются повышенным содержанием в них углерода (чаще всего 0,5–0,7%), определенной степенью легированности и соответствующей термической обработкой (закалкой со средним отпуском).

Рессоры, пружины, упругие элементы механизмов работают при различных нагрузках, температурах и в разных средах (на воздухе и в коррозионно-активных), поэтому пружинные стали подразделяют:

– на стали общего назначения (с высокими механическими свойствами) – углеродистые (65, 70, 75, 85) и легированные (65Г, 60С2, 70СЗ, 50ХГ, 55ХГР, 50ХФА, 55ХГСФ, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА) стали;

– стали специального назначения с дополнительными химическими и физическими свойствами (немагнитные, коррозионно-стойкие, с высокой электропроводностью и др.), т. е. с особыми свойствами – мартенситные и аустенитные коррозионно-стойкие (30X13, 40X13, I2XI8H9T) и мартенситно-стареющие стали (Н18К9М5Т).

Легированной называется сталь, в которую для придания ей определенных механических, технологических или специальных свойств введены легирующие элементы. Легирующие элементы. Элемент

Маркировка легированных сталей
Для обозначения марок сталей разработана система, принятая в ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элем

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЕЙ
Цель работы: изучение состава, структуры маркировки и механических свойств легированных сталей, выбор оптимального состава материала и режимов упрочняющей обработки в соответствие

К деталям
Какай выбрать материал для изготовления детали, как ее изготовить и упрочнить – зависит, прежде всего, от условий работы детали, величины и характера, нагружения при эксплуатации, ее размеров, масс

Стали и упрочняющая обработка для типовых деталей машин
Валы. В зависимости от условий эксплуатации стойкость валов определяется усталостной прочностью при кручении и изгибе, контактной прочностью или износостойкостью. Малонагруженные ме

Прокаливаемость
Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны. Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверх

Цементация стали
При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Поскольку для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сер

Натурные и эксплуатационные испытания
В заключение необходимо отметить, что какими бы точными ни были предварительные расчеты конструкционной прочности, обеспечить которую должен выбираемый материал, нельзя судить только по ним о надеж

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Цель работы: ознакомление со строением, свойствами инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов; изучение их структу

Углеродистые стали
Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят: – качественными - У7, У8, У9, …, У13; – высокачественными - У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква У

Химический состав (ГОСТ 5950-73, ГОСТ 19265-73, ГОСТ 28393-89) и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей
Марка стали Содержание элементов, % Температура, °С С Si Cr W Mo

Температуры отпуска различного инструмента из углеродистой стали
Инструмент Сталь Приемочная твердость рабочей части HRC Температура отпуска, °С Метчики У10–У12

Низколегированные стали
Эти стали содержат до 5% легирующих элементов (табл. 3.1), которые вводят для увеличения закаливаемости, прокаливаемости, уменьшения деформаций и опасности растрескивания инструмент

Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна обладать высокой горячей твер

Некоторых быстрорежущих сталей
Сталь Температура закалки, °С Состав твердого раствора, % (атомн.) К4р58, °С Остаточный аустенит, %

Из быстрорежущих сталей
Марка стали Закалка Отпуск Температура, °С Твердость HRC Количество аустенита, % Температура,

Штамповые стали
Для обработки металлов давлением применяют инструменты, деформирующие металл, – штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода,

Ударного деформирования в холодном состоянии (ГОСТ 6950-73)
Сталь Содержание элементов, % Закалка Отпуск С Si Cr W Температура.

Состав сталей для штампов холодного деформирования,
% (ГОСТ 5950-73) Сталь С Сr Мо W V Х12 Х12М Х12Ф1 Х6ВФ

Режимы термической обработки стали Х12Ф1 (Х12М)
Режим Температура, °С Среда охлаждения Твердость HRC (после закалки) Количество аустенита, % Температура отпуска,

Состав стали для штампов горизонтально-ковочных
машин и прессов, % Сталь C Mr Si Cr w Mo V

Режимы термической обработки сталей для прессового инструмента
Марка стали Отжиг Закалка Отпуск Температура, °С Твердость НВ Температура, °С

Твердые сплавы
В настоящее время для скоростного резания металлов применяют инструмент, оснащенный твердыми сплавами. Рабочая температура резания инструмента из твердых сплавов до 800–1000°С.

Свойства некоторых твердых сплавов (гарантируемые)
Группа сплава Марка сплава Состав, % Сопротивление изгибу, МПа Плотность, г/см3 Твердость HRA

Сверхтвердые сплавы и керамические материалы
Применяемые для лезвийного инструмента синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) являются плотными модификациями углерода и нитрида бора. Алмаз и плотные модификации нитри

Порядок выполнения работы
1. Изучите марки и химический состав сталей и сплавов, классификацию сталей по способу изготовления и по назначению в зависимости от содержания хрома, никеля и меди, требования к ма

Белые чугуны
В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe

Серые, высокопрочные и ковкие чугуны
Серые, высокопрочные и ковкие чугуны относятся к материалам, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Излом этих чугунов – серый, матовый. В их структуре разли

Порядок выполнения работы
1. Изучите классификацию чугунов, их строение, маркировку и способы получения. 2. Исследуйте под микроскопом шлифы и указать, к какому виду чугунов относится каждый образец

Лекция 10.

Легированные конструкционные стали. Инструментальные легированные стали.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладать запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении - сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии, сопротивление хрупкому разрушению и т.д.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства – хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость.

Строительные стали

К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свариваемые стали, содержащие недорогие и недефицитные легирующие элементы и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями. Применение низколегированных сталей позволяет уменьшить массу строительных конструкций, получить экономию металла, повысить надежность конструкций. Низколегированные строительные стали содержат до 0,25% углерода, 2-3% легирующих элементов (Cr , Si , Mn ), микродобавки (Y , Nb , Ti , Al , N ) и др.

Требования к сталям:

Определенное сочетание прочностных и пластических свойств,

Малая склонность к хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости)

Коррозионная стойкость,

Хорошая свариваемость

Обработка резанием.

Строительные стали для металлических конструкций подразделяются по категориям прочности на: стали нормальной прочности, повышенной прочности и высокой прочности. Каждый класс прочности характеризуется минимально гарантированными значениями временного сопротивления разрыву и предела текучести.

Временное сопротивление при растяжении и предел текучести являются основными расчетными характеристиками при проектировании металлоконструкций и сооружений. От их значений зависит сечение элементов конструкций, а, следовательно, их масса.

Не менее важным критерием, определяющим эксплуатационную надежность строительных конструкций, является их склонность к хрупким разрушениям (порог хладноломкости). По хладостойкости строительные стали делят на стали без гарантированной хладостойкости, стали хладостойкие до -40 º С и стали для эксплуатации конструкций ниже -40 º С.

Детали строительных конструкций обычно соединяют сваркой, поэтому основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Стали этого класса не должны давать горячих и холодных трещин. Склонность к образованию трещин зависит от содержания углерода. Горячие трещины образуются в сварном шве в период кристаллизации. Образованию горячих трещин способствует расширение интервала кристаллизации металла шва. Интервал кристаллизации растет с увеличением содержания углерода. Металл шва и около шовной зоны нагревается выше критических точек. При охлаждении протекает процесс распада аустенита, сопровождающийся объёмными изменениями. Чем выше содержание углерода, тем выше объёмные изменения, тем больше опасность образования холодных трещин. Поэтому стали, используемые для изготовления строительных конструкций, не должны содержать более 0,25%С и устанавливается тем ниже, чем более легирована сталь.

Строительные стали могут быть углеродистыми и низкоуглеродистыми низколегированными.

Низкоуглеродистые низколегированные стали обычной прочности в горячекатаном или нормализованном состоянии применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Стали поставляются в горячекатаном состоянии с феррито-перлитной структурой. Прочностные свойства этих сталей обеспечиваются на стадии производства.

К низколегированным строительным сталям повышенной прочности относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 9Г2С и др. Введение в сталь небольших добавок ванадия и ниобия обеспечивает дополнительное упрочнение за счет образования карбонитридов этих элементов и измельчения зерна. К сталям такого типа (стали повышенной прочности) относятся стали марок 14Г2АФ, 17Г2АФБ, и другие с σ 0,2 = 450 МПа после нормализации. Такие стали используются в виде сортового проката для изготовления конструкций без дополнительной термической обработки. В эту же группу входят атмосферостойкие стали, в состав которых вводят в малом количестве Cu , P , Ni , Cr , Si . Они образуют на поверхности продукты коррозии с высокой плотностью и прочностью, обладающие лучшим сцеплением с поверхностью, чем антикоррозийные покрытия (10ХНДП, 15ХСНД).

Строительные стали высокой прочности марок 12Х2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ применяются в особо ответственных конструкциях, в которых прочность достигается карбонитридным упрочнением, термическим упрочнением и контролируемой прокаткой. Термическое упрочнение этих сталей заключается в закалке от 850 – 920 0 С и высоком отпуске при 600 – 680 0 С. После этого получается высокодисперсная смесь продуктов распада мартенсита и нижнего бейнита. Прочность после такой обработки достигает σ в = 700МПа.

Присутствие частиц карбонитридов и нитридов способствует заметному измельчению зерна. Стали с карбонитридным упрочнением применяют для ответственных металлоконструкций, пригодных для эксплуатации при температурах ниже – 40 0 С, а также для магистральных газопроводных труб северного исполнения.

Цементуемые (нитроцементуемые) стали

При работе деталей под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа для их изготовления применяют стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3%, подвергая их цементации, закалке и низкому отпуску.

Твёрдость поверхности готовой детали должна составлять около HRC 58 -62, твёрдость сердцевины в пределах HRC 20 – 40.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, слабо- и сильноупрочняемой сердцевиной.

К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20. Их применяют для малоответственных деталей небольших размеров. Под цементованным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-цементитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали марок 15Х, 20Х, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.

Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, имеющих большее сечение или сложную конфигурацию или подвергающихся действию больших знакопеременных напряжений. Эти стали легируют хромом, марганцем, молибденом, титаном, ванадием, никелем, алюминием. Названные элементы способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твёрдости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Легирование стали ванадием, титаном, алюминием, ниобием приводит к образованию дисперсных нитридов (YN , TiN и др.), карбидов (TiC , YC и др.), затормаживающих рост зерна аустенита. Уменьшение зерна способствует снижению хрупкости и повышению ударной вязкости стали. К данной группе относятся стали марок 25ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4МА, 20ХГНР и др.

Улучшаемые стали

Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые и улучшению, т.е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3 – 0,5% С,1 – 6% легирующих элементов. Стали закаливают с 820 – 880 0 С в масле (крупные детали в воде), высокий отпуск производят при 500 – 650 0 С с последующим охлаждением в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали). Структура стали после улучшения – сорбит зернистый. Наличие легирующих элементов обеспечивает этим сталям хорошую прокаливаемость и уменьшают склонность к отпускной хрупкости ІІ рода.

Улучшение обеспечивает высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью. Так, простая и дешевая конструкционная легированная сталь 40Х после закалки с 860 0 С и отпуска при 500 0 С имеет следующие свойства: σ в = 1000 МПа, σ 0, 2 = 800МПа, δ = 10%, KCU = 500 КДж/м 2 .

Для изготовления крупных изделий сложной формы, работающих при вибрационных и динамических нагрузках, применяются хромоникелевые стали марок 40ХН, 45ХН, 30ХН3А и др. Они содержат 0,5 – 0,8% хрома и 1 – 3% никеля. Отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью.

Хромистые и хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости ІІ рода (обратимой), поэтому должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью (в воде или масле). Дополнительное легирование молибденом 0,2 – 0,5% (или вольфрамом 0,5 -0,8%) снижают склонность к отпускной хрупкости.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (36Х2Н2МФА, 38ХН3МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий. Высокие свойства этих сталей достигаются вследствие их высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости (σ в = 1000 – 1200 МПа, σ 0, 2 = 950 – 1100МПа, δ = 12%, KCU = 0,8 МДж/м 2 ).

Из этих сталей изготавливают валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Износостойкие стали

К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда). Эта сталь имеет следующий химический состав: 1,25% углерода, 13% марганца, 1% хрома, 1% никеля. Сталь Гадфильда при низкой начальной твёрдости (1800 – 2200 МПа) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок. После литья структура стали состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца и железа (Fe , Mn ) 3 С. Если в результате кристаллизации карбиды выделились по границам аустенитных зерен, то отливки закаливают в воде с температуры 1050 – 1100 0 С, при этом образуется однофазная аустенитная структура. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность δ = 34 – 53%, φ = 34 – 43%, низкую твёрдость 1800 – 2200 МПа и невысокую прочность σ в = 830 – 654 МПа. У этой стали повышенная способность упрочняться в процессе холодной пластической деформации. Так, при пластической деформации, равной 70%, твёрдость стали возрастает с 2100 до 5300 МПа. Высокая износостойкость стали достигается не только деформированным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной решеткой.

Эти стали контролируются на содержание фосфора. При повышенном содержании фосфора сталь 110Г13Л хладноломка, так как при содержании в стали более 0,05% фосфора по границам зерна образуется хрупкая фосфидная эвтектика, на которой зарождается и растет хрупкая трещина при низких температурах. При использовании стали в северных районах содержание фосфора должно быть равно или менее 0,02 – 0,03%.

Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и износоустойчивостью делает сталь Гадфильда незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из этих сталей изготавливают траки гусеничных машин, щеки дробилок, зубья ковшей экскаваторов и т.д.

Для изделий, подвергающихся износу в результате действия потока жидкости или газа, рекомендована сталь 30Х10Г10, обладающая высокой кавитационной стойкостью вследствие образования на поверхности мартенсита деформации при гидравлических ударах.

Недостатком износостойких сталей является плохая обрабатываемость резанием, поэтому детали из неё чаще всего изготавливают литьём без механической обработки.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требованиями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости) с сохранением упругих свойств в течение длительного времени, а также необходимой пластичности и сопротивление хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5 – 0,7% углерода. Их дополнительно легируют кремнием (до 2,8%), марганцем (до 1,2%), ванадием (до 0,25%), вольфрамом (до 1,2%) и никелем (до 1,7%). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям.

Термическая обработка легированных пружинных сталей – закалка 850 – 880 0 С, отпуск 380 – 550 0 С обеспечивает получение высоких пределов прочности (σ в =1200 – 1900 МПа,) и текучести (σ 0, 2 = 1100 – 1700 МПа) при пластичности δ = 5 – 12%.

Структура после термообработки – троостит.

Рессорно-пружинные стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью по всему сечению. Существенное (до двух раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклёпом посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок. После таких обработок в поверхностных слоях создаются остаточные сжимающие напряжения, что увеличивает выносливость.

Наиболее часто в автомобилестроении применяют кремнистые и кремнемарганцевые стали 60С2А, 65Г, 60СГА, которые при работе разогреваются до температур менее 200 0 С. При нагреве до 300 0 С используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах сталь марки 3Х2В8Ф.

Для работы в агрессивных средах пружины изготавливают из хромистых коррозионностойких сталей типа 40Х13, 95Х18 и др.

Шарико-подшипниковые стали

В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.

Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости. К сталям предъявляют требования по минимальному содержанию неметаллических включений, развитию карбидной неоднородности и пористости. Эти дефекты, находясь в поверхностном слое, становятся концентраторами напряжений и вызывают преждевременное усталостное разрушение. Долговечность сферических подшипников в значительной мере определяется отклонением от сферической формы, приводящим к биению. Эти отклонения тщательно контролируются.

Подшипниковые стали маркируют буквами Ш и Х, что означает шарикоподшипниковая и хромистая. Цифра после буквы показывает содержание хрома в десятых долях процента. Подшипники общего назначения изготавливают из сталей ШХ15, ШХ15СГ. Они проходят термообработку – закалку при 820 – 850 0 С, охлаждение в масле. Перед отпуском детали охлаждают до 20 – 25 0 С для обеспечения стабильности их работы (за счёт уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск проводят при 150 – 170 0 С в течение 1–2 часов. После такой обработки структура стали состоит из мартенсита и мелких включений карбидов хрома и имеет твёрдость HRC 60 -64.

Подшипники, работающие в условиях агрессивных сред, изготавливаются из коррозионностойкой высокохромистой стали 95Х18-Ш, в которой содержится 0,95% углерода и 18% хрома.

Для, изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (марки таких сталей добавляют букву Ш, например ШХ 15 – Ш), отличающиеся наибольшей однородностью строения. Эти стали необходимы для изготовления высокоточных приборных подшипников, детали которых тщательно полируют с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой.

Автоматные стали

Обработка резанием – основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического состава.

Повышение обрабатываемости резанием достигается технологическими и металлургическими приемами. Более эффективны металлургические приемы. Они предусматривают введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметаллических включений; свинца, создающего собственные металлические включения; фосфора, изменяющего свойства металлической основы.

Эти включения создают в очаге резания внутреннюю смазку – тончайший слой, препятствующий схватыванию материала инструмента с материалом обрабатываемой детали, вследствие чего легче отделяется стружка. Легирование стали 0,15 – 0,3 % Р b повышает скорость резания на 20 – 35 %.

Сера в количестве 0,08 – 0,3 % находится в воде сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие, нарушая при этом сплошность металла.

Фосфор в количестве 0,06 % повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания.

Оба эти элемента способствуют уменьшения налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности. Однако повышенное содержание этих элементов ухудшают механические свойства, поэтому такие стали используют для изготовления изделий неответственного назначения.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора относятся к группе автоматных сталей и маркируются буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС». Буква Е в марке стали говорит о том, что в состав входит селен.

Химический состав и механические свойства некоторых автоматных сталей приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства автоматных сталей

Марка стали
	С					Pb		Se	другие
А12	0,12	0,08 – 0,20		0,08 - 0,15					0,7-1,0 Mn
А40Г	0,40	0,18 – 0,30		≤0,05					1,2-1,55 Mn
АС40	0,40	≤0,04		≤0,04		0,15 – 0,30
А35Е	0,35	0,06 – 0,12		≤0,046				0,04 – 0,10
А40ХЕ	0,40	0,06 – 0,12		≤0,035					0,8 – 1,1 Cr
АС12ХН	0,12	≤0,035		≤0,035		0,15 – 0,30			0,4-0,7 С r ; 0,5-0,8 Ni
АС30ХМ	0,30								0, 8 - 1,1 С r ; 0, 1 5-0, 25 Mo
Марка стали	σ 0,2		σ В		δ		ψ			К CU МДж/м 2
	МПа
А12			420		22		34
А40Г			600		14		20
АС40	340		580		19
А35Е	320		540		20
А40ХЕ	800		1000		10		45			0,6
АС12ХН	450		650		10					0,9
АС30ХМ	750		900		12					0,10

Применение автоматных сталей обеспечивает снижение сил резания на 20 – 25%, уменьшение износа инструмента в 2 – 10 раз, повышение скорости резания на 20 – 40% при сохранении стойкости инструмента.

Коррозионностойкие стали

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали применяют для изготовления деталей машин и оборудования и конструктивных элементов, работающих в разных агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты и растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.).

В зависимости от химического состава стали и сплавы разделяют на классы по основному составляющему элементу: хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и др., сплавы на основе никеля. В зависимости от структуры: ферритные, мартенситные, аустенитные.

Основной легирующий элемент в коррозионных сталях – хром с содержанием от 12-30 %. Железо и хром образуют непрерывный ряд твердых растворов, а также интерметаллид - σ-фаза. Хром с углеродом образует карбид Cr 23 C 6 более устойчивый в сравнении с цементитом, а также карбид Cr 7 C 3 . В зависимости от соотношения углерода и хрома можно выделить три группы хромистых сталей – ферритные, не испытывающие γ α превращение (08Х18Т,15Х28), полуферритные, испытывающие частичное превращение γ α (08Х13, 12Х13) и мартенситные (20Х13, 30Х13, 40Х13).

Из рис. 1 видно, что в пределах 12-13 % Cr происходит скачкообразное изменение электродного потенциала, и сталь из активного состояния переходит в пассивное. Это и послужило поводом для создания группы сталей с 13 % Cr : 07Х13, 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13. Все эти стали страдают межкристаллитной коррозией (МКК). Это явление связано с образованием карбида Cr 3 С 6. Эти карбиды располагаются на границах зерен. На образование карбидов расходуется много хрома (на 1 % С – 12 % Cr ). Это неизбежно приводит к понижению концентрации хрома в зонах, прилегающих к карбидам, и зоны переходят в активное состояние. Именно по этим зонам развивается коррозия. Снижение склонности стали к МКК можно достичь введением сильных карбидообразователей (Ti , Nb , Ta ), например, сталь 07Х17Т.

Мартенситные и мартенсито-ферритные, феритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах и имеют высокие механические свойства. Ферритные стали применяют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах (напр., в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности.

Рис. 1. Электродные потенциалы сплавов Fe – Cr и коррозия этих сплавов в 1– H (HNO 3 (Δm )

В табл. 2 приведено основное назначение хромистых сталей.

Легирование хромистых сталей никелем или никелем и марганцем расширяет гамма-область, позволяя создать класс аустенитных сталей. Такие стали имеют улучшенные технологические и механические свойства. Хромоникелевые стали обладают стойкостью в концентрированных щелочных растворах при повышенных температурах, а также повышенной стойкостью в слабых растворах H 2 SO 4 при концентрации никеля 2/8 атомные доли (26 % масс.).

После медленного охлаждения эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита, феррита и карбидов хрома М 23 С 6 . Для получения аустенитной структуры, снятия внутренних напряжений и устранения склонности к МКК, которая возникает при сварке или горячей обработке давлением, стали подвергаются закалке с высоких температур (1100-1150 0 С) в воду или масло, с последующим отпуском. Кроме того, для уменьшения склонности к МКК в состав сталей вводят никель и ниобий в определенном соотношении к углероду.

Таблица 2

Применение хромистых сталей

Марка	Класс стали	Назначение
			12Х17	ферритный	Для изделий, работающих в окислительных средах, для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности, для теплообменного оборудования в энергомашиностроении
08Х18Т1
40Х13	мартенситный	Для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящимися в контакте со слабоагрессивными средами.
30Х13
20Х13	мартенсито-ферритный
08Х13

Из-за высокой цены никеля его частично заменяют химическим аналогом – марганцем, например сталь марки 20Х13Н4Г9Т. Такие стали хорошо работают в слабоагрессивных средах и при низких до -196 0 С температурах.

В табл. 2\3 приведены примеры применения хромоникелевых сталей.

Для изделий, работающих в высокоагрессивных средах при высоких температурах широко используют сплавы на основе никеля (Н70М28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В) с высоким содержанием молибдена. Никелевые сплавы с молибденом обладают высокой стойкостью в горячих растворах серной и соляной кислот.

На рис. 2 показано влияние молибдена на стойкость никеля в HCl .

Наиболее высокую коррозионную стойкость эти сплавы приобретают после закалки с 1050-1100 0 С. Структура сплавов – твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа М 6 С и V С.

Таблица 3

Применение хромоникелевых нержавеющих сталей

Марка	Класс стали	Назначение
			12Х18Н9	аустенитный	Для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах, для изготовления химической аппаратуры
10Х17Н13М3Т
20Х13Н4Г9	Для торгового и пищевого машиностроения.
12Х17Г9АН4

Существенным недостатком некоторых сплавов является их склонность к межкристаллитной коррозии (МКК). Дополнительное легирование хромом, ванадием и титаном, уменьшение содержания никеля, железа и кремния значительно уменьшает склонность к МКК.

Рис. 2. Влияние содержания молибдена на скорость коррозии никеля в 10%-й HCl при 70 о С

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т.д., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры существенно влияет на структуру и свойства материалов: снижается прочность, увеличивается пластичность, более интенсивно проходят процессы окисления.

Падение прочностных и повышение пластических свойств при возрастании температуры связано с ослаблением межатомных связей, возрастанием интенсивности диффузионных процессов, которые изменяют исходную структуру и свойства. С повышением температуры существенно возрастает число вакансий, увеличивается подвижность точечных дефектов. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные перемещения атомов не имеют направленного характера. При наличии даже небольших напряжений эти перемещения приобретают направленный характер, что способствует более быстрой деформации металла.

Высокие температуры вызывают более интенсивное разупрочнение границ зерен по сравнению с объемом зерна, вследствие особенностей строения границ, содержащих большое количество дефектов и легкоплавких примесей. Прочность границ зерна становится меньше прочности его объема, поэтому для работы в области высоких температур сплавы должны иметь более крупное зерно. В крупнозернистой структуре меньше протяженность границ, слабее выражена ползучесть по границам и диффузионный перенос.

Длительное воздействие температуры может привести к значительным структурным изменениям, связанным с потерей упрочнения, полученного при термической обработке (распад пересыщенных растворов, коагуляция и растворение упрочняющих фаз), а также с потерей упрочнения, вызванного пластической деформацией из-за прохождения процессов возврата и рекристаллизации.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то металл в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа . Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью . Чаще всего жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и длительной прочности.

Под условным пределом ползучести понимается напряжение, которое вызывается за установленное время испытания при заданной температуре, заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).

Для определения предела ползучести испытуемый образец в течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуре при фиксированной деформации образца во времени.

Процесс испытания представляют в виде первичной кривой ползучести в координатах, относительное удлинение – время (рис. 3). На кривых ползучести можно отметить участок 0а, соответствующий упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; затем следует участок аб , на котором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся скоростью (стадия неустановившейся ползучести) и участок бс , характеризующийся равномерной скоростью ползучести (стадия установившейся ползучести).

Рис. 3. Первичная кривая ползучести

Предел ползучести обозначают ГОСТ 3248-90 и числовыми индексами, например, - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 час испытания при температуре 700 0 С. При этом необходимо указывать, как определялся предел ползучести – по суммарной или остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести обозначают с двумя числовыми индексами. Нижний индекс означает заданную скорость ползучести (% час), верхний индекс – температуру испытания, 0 С, например: предел ползучести при скорости ползучести 1·10 -5 /час при 600 0 С.

Испытания на длительную прочность отличается от испытания на ползучесть тем, что испытуемый образец доводят при данной температуре и напряжении до разрушения. В результате определяют предел длительной прочности , т.е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при определенной температуре. Предел длительной прочности обозначается - предел длительной прочности за 1000 часов при температуре 700 0 С.

Существующие жаропрочные стали и сплавы представляют собой многокомпонентные твердые растворы на основе железа, никеля, кобальта и титана, которые упрочняются дисперсными выделениями избыточных фаз - карбидов, карбонитридов, боридов, интерметаллидов.

Стали и сплавы, предназначенные для работы при повышенных и высоких температурах, подразделяют на группы:

1. теплоустойчивые стали, работающие в нагруженном состоянии при повышенных (до 600 0 С) температурах в течение длительного времени;
2. жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью;
3. жаростойкие стали и сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550 0

К теплоустойчивым относятся стали, используемые в энергетическом, химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах. В зависимости от условий работы применяют углеродистые, низколегированные и хромистые стали.

При эксплуатации до 400 0 С и давлении до 6 МПа применяют углеродистые котельные стали 12К, 15К … 20К (номер марки соответствует среднему содержанию углерода).

Для более ответственных деталей, работающих при температурах до 585 0 С и давлении до 25,5 МПа, применяют низкоуглеродистые (0,08-0,2 % С) низколегированные стали (12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР), имеющие в зависимости от режима термообработки (закалка или нормализация, высокий отпуск) феррито-перлитную, перлитную или бейнитную структуру. Основными легирующими элементами этих сталей являются: хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий. Содержание каждого из них, кроме хрома, не превышает 1%.

Для различных деталей энергетического машиностроения, работающих длительное время при температурах 600-650 0 С применяют хромистые стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов (12Х2НВФА, 15Х11МФ, 18Х12ВМБФР), содержащие от 5 до 13% Cr , 0,08-0,22% С и дополнительно легированные карбидообразующими элементами (Mo , W , Nb , V ). Эти стали наряду с высокими значениями длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. Повышенная жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов, и интерметаллидных фаз.

К жаропрочным относят стали на хромоникелевой и хромоникелевомарганцевой основах. Высокую жаропрочность этим сталям придает аустенитная структура за счет более высокого сопротивления деформации, высокой температуре рекристаллизации в сочетании с затрудненностью диффузии и относительной легкости получения наклепанного состояния. Устойчивой аустенитной структуры, упрочненной дисперсными выделениями различных фаз, добиваются, применяя комплексное легирование и специальную термообработку. Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные – их рабочие температуры достигаю 750 0 С.

Условно жаропрочные стали аустенитного класса разделяются на:

1. неупрочняемые термообработкой (однофазные) аустенитные стали - низкоуглеродистые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими твердый (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР);
2. стали, упрочняемые термической обработкой, благодаря выделению карбидных, карбонитридных и интерметаллидных фаз.

Стали первой группы (09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2БР) применяют в закаленном состоянии и используются для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления.

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергаются закалке с 1050…1200 0 С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при 600…850 0 С. С увеличением легированности сталей применяют ступенчатое старение.

В аустенитных сталях с карбидным упрочнением (40Х12Н8Г8МФБ, 45Х14Н14В2М) высокая жаропрочность достигается введением 0,3…0,5 % С и карбидообразующих элементов (Mo , W , V ). Структура стали – аустенит и карбиды типа Ме 23 С 6 и МеС. Стали используются для изготовления клапанов авиационных двигателей и двигателей газотурбинных установок. Для повышения жаростойкости стали подвергают алитированию.

Стали с интерметаллидным упрочнением (12Х18Н10Т, 10Х12Н22Т3МР, 10ХН35ВТЮ) содержат небольшое количество углерода и дополнительно легированы титаном, алюминием, молибденом и бором. Титан и алюминий упрочняют структуру соединениями Ni 3 Ti , Ni 3 TiAl ). Бор упрочняет границы зерен, молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Стали используют для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин.

Жаропрочные сплавы разделены по металлической основе на сплавы на основе никеля и кобальта. Никелевые сплавы имеют хорошие свойства при температурах в интервале 700…1100 0 С. Их используют в газовых турбинах двигателей самолетов, кораблей, энергетических установок, для изготовления деталей ракетно-космической техники, в нефтехимическом оборудовании.

Структура этих сплавов состоит из γ-твердого раствора кобальта, хрома, вольфрама и молибдена в никеле, интерметаллидов типа Ni 3 (Al , Ti , Ta , Nb ) (γ’-фаза), упрочняющих твердый раствор. Упрочнение жаропрочных сплавов при выделении γ’-фазы объясняется образованием антифазных границ, которые препятствуют прохождению дислокаций. Кроме того, относительно высокая пластичность γ’-фазы препятствует охрупчиванию сплава. Для упрочнения границ зерен γ-раствора сплавы легируют углеродом, бором и цирконием. Примеси серы, сурьмы, свинца, олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением.

Термическая обработка сплавов на никелевой основе заключается в закалке и старении, условия для которого (температура, время) зависят от состава сплава и условий работы изделия, так как разупрочнение сплава не будет происходить, если рабочие температуры ниже температуры старения. Для некоторых сплавов производят двойную закалку и старение, что уменьшает проскальзывание по границам зерен и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

Применяемые жаропрочные никелевые сплавы подразделяются на деформируемые и литые. В деформируемых никелевых сплавах (ХН78Т, ХН77ТЮР, ХН70ВМТФКЮ, ХН62МВТЮ) количество упрочняющей γ’-фазы может достигать до 45 %.

Жаропрочность литейных сплавов на 50…100 0 С выше по сравнению с деформируемыми. Объясняется это тем, что при высоких температурах, заметно превышающих температуры старения и рекристаллизации, диффузионные процессы разупрочнения в деформированном сплаве протекают с большей скоростью, чем в литом. Наличие в литейных сплавах первичной дендритной структуры, не разрушенной деформированием, увеличивает сопротивление ползучести и разрушению. Благодаря большим возможностям для легирования количество упрочняющей γ’-фазы в этих сплавах достигает до 55 %.

Наиболее распространенными среди литейных сплавов являются литейные сплавы ЖС3, ЖС6, ЖС6К, ЭП23.

Жаропрочные сплавы на основе кобальта имеют более низкие характеристика жаропрочности по сравнению со сплавами на основе никеля. Уровень жаропрочности кобальтовых сплавов связан с упрочнением твердого раствора при легировании и с выделением упрочняющих фаз.

Преимуществом сплавов на основе кобальта является их хорошая коррозионная стойкость при повышенных температурах. Они характеризуются высокой стабильностью структуры при длительных сроках службы под нагрузкой, что позволяет изготавливать из них неподвижные части длительного использования, работающие при малых напряжениях, но при температурах более высоких, чем у вращающихся деталей.

Рис. 4. Сравнительные характеристики прочности жаропрочных сталей и сплавов на основе никеля и кобальта.

Кобальтовые сплавы характеризуются более высокой теплопроводностью и более низким термическим расширением, поэтому они подходят для изготовления крупных деталей (сопловые и рабочие лопатки мощных газовых турбин).

Кобальтовые сплавы имеют менее сложный по сравнению с никелевыми сплавами фазовый состав: аустенитную γ-матрицу с г.ц.к. структурой, карбиды, бориды и карбонитриды. Прочность этих сплавов достигается вследствие упрочнения твердых растворов и выделения карбидов по зерну и границам зерен.

Легирующими элементами являются: никель (10-30%), хром (в деформируемых сплавах – 18-20%, в литых – 23-28%), вольфрам (до 10%), бор (до 1%), углерод (0,3-0,4 %), а также Nb , Ti , V .

Термическая обработка представляет собой рекристаллизационный отжиг или снятие напряжений у деформируемых сплавов или старение или отжиг у литых сплавов.

Сравнительные характеристики прочности жаропрочных сталей и сплавов на основе никеля и кобальта приведены на рис. 4.

Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах. Жаропрочные сплавы в принципе должны быть и жаростойкими, иначе они быстро выходят из строя из-за быстрого окисления. Однако, жаростойкие сплавы не всегда бывают жаропрочными.

К жаростойким относятся стали и сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550 0 С и обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах.

Повышение жаростойкости сплавов заключается в легировании добавками, которые, не снижая показателей жаропрочности и других свойств, снижают скорость окисления сплавов за счет образования на их поверхности плотной защитной пленки окислов, хорошо связанных с основой. Диффузия (особенно кислорода) через оксидные пленки затруднена, что приводит к торможению процесса дальнейшего окисления.

Жаростойкость стали достигается введением хрома, никеля, алюминия или кремния, образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr , Fe ) 2 O 3 , (Al , Fe ) 2 О 3 . Введение в сталь 5-8 % хрома повышает жаростойкость до 700-750 0 С, до 17% - до 1000 0 С, 25% - 1100 0 С. Дополнительное легирование к 25% хрома 5% алюминия – 1300 0 С.

Жаростойкие стали и сплавы разделены на следующие группы:

1. хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса;
2. хромокремнистые мартенситного класса;
3. хромоникелевые аустенитные стали;
4. сплавы на хромоникелевой основе.

К группе ферритных хромистых и хромоалюминиевых сталей отнесены высокохромистые стали на основе 13 − 28 % Сг, которые при достаточно низком содержании углерода или легирования их ферритообразующими элементами имеют однофазную ферритную структуру. Эти стали применяют для изготовления теплообменников, деталей аппаратуры химических производств, печного оборудования и других изделий, которые не испытывают значительных нагрузок и работают при высоких температурах длительное время (08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28, 1Х13Ю4).

Чем выше содержание хрома, алюминия и кремния в сталях, тем больше температуры, при которых они сохраняют требуемые эксплуатационные свойства.

Стали ферритного класса обладают невысокой прочностью и жаропрочностью, высокой пластичностью и удовлетворительными технологическими свойствами.

Изделия из хромоалюминиевых сталей (содержание А1 от 3,5 до 5,8 %) устойчивы в атмосфере воздуха, в среде сернистых газов, но резко теряют работоспособность в восстановительных средах, содержащих окись углерода, пары воды, а также хлорсодержащих средах. При длительной работе в азотсодержащих средах образуются нитриды алюминия, которые устойчивы до высоких температур и не оказывают вредного влияния на свойства сталей.

Хромистые и хромоалюминиевые стали имеют крупный недостаток: они могут охрупчиваться в процессах технологических нагревов и длительных выдержек при повышенных температурах во время эксплуатации

Жаростойкие стали, имеющие повышенное содержание углерода (до 0,5 − 0,8 %) и легированные совместно хромом (6 − 14%) и кремнием (1 − 3 %) (15Х6СЮ, 40Х10С2М), имеют после закалки или нормализации мартенситную структуру и обычно называются сильхромами . Они обладают хорошим сопротивлением газовой коррозии в продуктах сгорания различных топлив и высокой износостойкостью при трении и ударных нагрузках.

Основное назначение сталей этой группы − клапаны автомобильных, тракторных и авиационных двигателей средней мощности. Кроме того, сильхромы используют в качестве жаростойких сплавов для изготовления регуляторов, теплообменников и колосниковых решеток в котельном и химическом машиностроении.

Термическая обработка сильхромов состоит чаще всего из закалки на мартенсит и высокого отпуска.

Жаропрочные свойства сильхромов достаточно высоки до 600 °С, а при более высоких температурах резко снижаются.

В качестве жаростойких сталей аустенитного класса, главным образом, применяются стали на хромоникелевой основе. Эти стали не имеют больших преимуществ по жаростойкости перед высокохромистыми сталями ферритного класса, но выгодно отличаются от них по уровню механических свойств, в том числе жаропрочных, технологичности (способности к глубокой вытяжке, штамповке, свариваемости), они также менее склонны к охрупчиванию после длительных выдержек при высоких температурах.

Недостатком сталей этого класса является их сравнительно высокая стоимость, использование в больших количествах дефицитного никеля, низкие теплопроводность и сопротивление газовой коррозии в средах.

Аустенитные стали (08X18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 20Х25Н20С2) используют в качестве жаростойкого материала для выхлопных систем, труб, листовых и сортовых деталей при температурах 600—800 °С и невысоких нагрузках. Повышение жаростойкости аустенитных сталей достигается увеличением содержания в стали хрома, никеля, а также дополнительным легированием кремнием. В качестве жаростойких материалов для работы в науглероживающих средах до 1100°С (например, печные контейнеры и арматура) используют стали с повышенным содержанием углерода (сталь 36Х18Н25С2).

Термическая обработка аустенитных жаростойких сталей заключается обычно в закалке от температур 1000—1050 °С.

Жаростойкие сплавы на никельхромовой основе (нихромы) получили значительное распространение в качестве материалов для работы при 800—1100°С, а при кратковременной работе до 1200 °С. Эти сплавы применяют для изготовления деталей газовых турбин, не испытывающих больших рабочих нагрузок и работающих при высоких температурах (камеры сгорания, жаровые трубы, нагревательные элементы электрических печей и других деталей).

Сплавы представляют собой в основном твердый раствор хрома (15—27%) в никеле с г. ц. к. решеткой, слабо упрочняются при термической обработке, имеют высокую пластичность, высокое электросопротивление и хорошие технологические свойства.

В качестве элементов, дополнительно повышающих жаростойкость, применяется алюминий (до 3,5 %), титан, молибден, ниобий в небольших количествах, а также вольфрам.

Инструментальные легированные (штамповые) стали

В качестве материалов для деформирующих инструментов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали).

Штамповые стали для горячего деформирования условно можно разделить на три основные группы:

1) стали умеренной теплостойкости и повышенной ударной вязкости (стали типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.);

2) стали повышенной теплостойкости и ударной вязкости (4Х5МФС и др.);

3) стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 5Х4В18Ф1 и др.).

Общим характерным признаком штамповых сталей для горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для холодного деформирования содержание углерода (0,3 – 0,6 %). Это необходимо для обеспечения повышенной ударной вязкости.

Стали умеренной теплостойкости (типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.) используются для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях относительно невысоких (до 400-450 С) температур поверхностей гравюры в процессе штамповки, крупных прессовых штампов, контейнеров и блоков матриц для ГКМ. Содержание небольшого количества карбидообразующих элементов (до 2 % хрома, 0,7-1,0 % молибдена или вольфрама, 0,3-0,5 % ванадия) позволяет сохранять повышенную ударную вязкость в крупных сечениях (до 700-800 мм) и задерживать распад мартенсита при нагреве. Однако этого количества карбидообразующих элементов недостаточно для вторичного твердения. Легирование никелем или марганцем в пределах 1,5–2,5% увеличивает прокаливаемость.

Эти стали после закалки от температур 820-870 С и отпуска при 420-600 С приобретают твердость HRC 42-44 и сохраняют предел текучести 1000 МПа до 350-400 С. Механические свойства штамповых сталей умеренной теплостойкости при комнатной температуре: =1200-1300 МПа, =10–13 %, =40-45 %, 400–500 кДж/м 2 . При температуре 600 С: =350 МПа, =65 %, 800 кДж/м 2 .

Стали повышенной теплостойкости (4Х5МФС и др.) применяют для изготовления крупных молотовых и прессовых штампов, прессовых вставок, инструмента для высадки и выдавливания, разогревающихся в процессе работы до температуры 620-650 С. Характерной особенностью сталей второй группы является комплексное легирование (до 2,5–5,5 % Cr , 2-3 % W и Mo ; 1% V ), позволяющее повысить температуры закалки до 1000 -1100С при охлаждении в масле и обеспечивающее склонность к дисперсионному твердению при отпуске в интервале температур 540-560 С. При этом достигается твердость около 45-50 HRC

Благодаря меньшему содержанию углерода (0,3-0,4 %) эти стали, обладая повышенной теплостойкостью, сохраняют достаточно высокую ударную вязкость.

Стали высокой теплостойкости (до 660-680 С) отличаются повышенным содержанием вольфрама и молибдена (от 3 до 18 %). Штамповые стали с содержанием вольфрама и молибдена до 12 -8 % являются практически полными аналогами быстрорежущих сталей типа Р6М5, Р9, Р12 и Р18 с содержанием углерода 0,5-0,6 %. Эти стали очень дорогие, их применяют для некоторых наиболее ответственных операций, при деформировании трудно деформируемых и жаропрочных сплавов, а также для изготовления некоторых видов прессовых и холодновысадочных инструментов.

Стали для холодного деформирования также можно разделить на три группы:

1) износостойкие стали типа Х12 (Х12М, Х12Ф1) и типа Х6ВФ;

2) вторичнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию (например, 8Х4В2С2МФ);

3) высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью (типа 7ХГ2ВМ или типа 6Х6В3МФС).

Стали первой группы, содержащие 1,3-2,2 % С и 11-13 % Cr , могут быть дополнительно легированы в небольших количествах молибденом, ванадием и вольфрамом. Повышению износостойкости способствует легирование ванадием (до 4-5 %). Основное назначение этих сталей – инструменты для вырубки и пробивки высокопрочных материалов, накатки, объемного прессования, вставки вытяжных и формовочных штампов и др. при удельных давлениях до 1700 МПа. Пониженные теплостойкость и предел текучести при сжатии ограничивают применение этих сталей для тяжелых условий работы. Стали типа Х6ВФ с небольшим содержанием вольфрама, молибдена и ванадия и с меньшим содержанием углерода (0,8 -1,1 %) характеризуются меньшим количеством и более благоприятным распределением избыточных карбидов, что способствует повышению прочности и ударной вязкости при некотором снижении теплостойкости и износостойкости.

Стали второй группы (типа 8Х4В2С2МФ) содержат хром, вольфрам, молибден и ванадий при содержании углерода 0,8 -1,2 %. Они склонны к вторичному твердению при отпуске от температуры 520-560 С, что обеспечивает повышенную теплостойкость и износостойкость. После окончательной термической обработки эти стали обладают также высокой прочностью и ударной вязкостью. Эти стали соответствуют требованиям к материалу для тяжелонагруженных инструментов (операций объемного прессования, резки, высадки и калибровки).

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью, выделенные в третью группу, могут быть разделены на две подгруппы. К первой относятся стали типа 7ХГ2ВМ, содержащие около 2 % марганца и небольшие количества хрома, молибдена, вольфрама, ванадия. Высокомарганцовистые стали способны закаливаться на воздухе, обладают высокой прокаливаемостью, приобретают высокую прочность и ударную вязкость. После отпуска от 170 – 200 С приобретают твердость HRC 57-59. Инструменты из этих сталей применяют для прецизионной вырубки, пробивки, вытяжки и формовки изделий из низкоуглеродистых сталей и цветных сплавов.

Стали второй подгруппы (типа 6Х6В3МФС), благодаря вторичному твердению, имеют не только повышенное сопротивление смятию, но и повышенную теплостойкость. Это расширяет область их рационального применения для изготовления инструментов ударного выдавливания, высадки и т.п.

Наряду с рассмотренными сталями в качестве материала для тяжелонагруженных штампов холодного и горячего деформирования используют быстрорежущие стали (Р6М5К5, Р6М5, Р12, Р12Ф4К5, Р18, Р18К5Ф2), которые более подробно будут рассмотрены ниже. Применение быстрорежущих сталей позволяет повысить стойкость штампов при высоких удельных давлениях до 2200 – 2400 МПа. Недостатком применения быстрорежущих сталей в качестве штамповых является их высокая стоимость, а также повышенная склонность к охрупчиванию из-за наличия большого количества крупных избыточных карбидов.

Режущие инструментальные и быстрорежущие стали

Для режущих инструментов применяются высоколегированные быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0...1,3 % и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0 %.

Углеродистые инструментальные стали с содержанием углерода 1,0...1,3 % во второй половине XIX века были практически единственным инструментальным материалом, пригодным для обработки металлов давлением и резанием. Углеродистые заэвтектоидные стали закаливают при температуре 750-835 °С (вишнево-красное каление) с охлаждением в воде и последующим отпуском при температуре от 200 - 350 °С.

Как известно из теории термической обработки при охлаждении углеродистой заэвтэктоидной стали в воде от температуры выше 730 °С в сплаве «железо – цементит», возникает неравновесная мартенситная структура с характерной для нее высокой твердостью (примерно HV = 9,5 ГПа). При комнатной температуре мартенситная структура и высокая твердость сохраняются в течение длительного времени. Однако нагрев сплава и выдержка его при повышенных температурах приводят к переходу структуры в равновесное состояние и, следовательно, к снижению твердости. Низкотемпературный отпуск от температуры около 200-350°С также несколько снижает твердость, которая остается все же достаточно высокой: Н R Сэ = 63-65 (HV =7,5-8 ГПа) - для режущих инструментов и HRC э =40-45 (HV =3,7-4,2 ГПа) – для горячей обработки давлением. При этом увеличивается пластичность, что также необходимо для нормальной работы режущего инструмента.

В связи с резким уменьшением твердости углеродистой стали при повышенных температурах, их «теплостойкость», характеризуется невысокими температурами, ограничивающими применение углеродистых сталей в качестве штамповых и режущих инструментальных материалов.

Углеродистые инструментальные стали (У10 - У13, У10А-У13А), производятся по ГОСТ 1435-73 и применяются для изготовления мелкоразмерных режущих (слесарных) инструментов (метчиков, напильников, разверток и др.).

До начала XX века единственным нововведением явилась сталь, легированная вольфрамом и марганцем. Эта сталь нагревалась примерно до тех же температур, что и углеродистая инструментальная, но для ее закалки достаточно было охлаждения на воздухе. Благодаря несколько более высокой теплостойкости (примерно до 250 °С), «самозакаливающиеся» стали позволили увеличить производительность резания примерно в 1,5 раза по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями.

Было установлено, что способность инструментальных легированных сталей к закалке при охлаждении на воздухе улучшается при легировании хромом (11Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ и др.).

Режущие инструментальные легированные стали применяют для изготовления длинномерного инструмента сложной формы размерами сечения более 20 мм (протяжек, метчиков, плашек и др.).

Для изготовления резьбонакатного инструмента, а также штампов применяют, стали с более высоким содержанием хрома, легированные вольфрамом, ванадием, молибденом: Х6ВФ, Х12Ф1, Х12М, теплостойкость которых примерно вдвое выше, чем у низколегированных сталей.

К 1906 г Ф. Тейлором и М. Уайтом на основании стойкостных испытаний режущих инструментов и экспериментальных плавок был определен оптимальный состав легированной инструментальной стали (%), получившей название быстрорежущей : С- 0,67; W -18,91; Cr – 5,47; V -0,29; Fe – остальное.

Термическая обработка состояла в нагреве до температуры непосредственно ниже линии солидуса (1250-1290 °С), охлаждении в ванне с расплавленным свинцом до температуры 620 °С и последующем остывании на воздухе до комнатной температуры. Затем следовал отпуск с охлаждением от температуры 600 °С. Прошедшие такую термическую обработку инструменты были способны обрабатывать сталь примерно в 6 раз быстрее, чем инструментами из углеродистых инструментальных сталей.

Рис. 5. Изменение твердости HV с увеличением температуры отпуска, °С. 1 - углеродистая сталь, 2 – быстрорежущая сталь

Значительное улучшение режущих свойств быстрорежущей стали связано с двумя обстоятельствами. Первое заключается в том, что легирующие элементы – вольфрам W и ванадий V образуют очень твердые карбиды Fe 3 W 3 C (HV =11,5 ГПа) и V 4 C 3 (HV =20 ГПа). Они представляют собой округлые частицы размером несколько микрометров в поперечнике.

С повышением температуры часть карбидов растворяется в железе, но некоторые из них остаются нерастворенными. Присутствие этих частиц при высоких температурах препятствует росту зерен и позволяет нагреть сталь до температуры 1290 °С без образования крупных зерен и появления хрупкости. Поэтому быстрорежущая сталь с повышением температуры менее разупрочняется, чем углеродистая (рис. 5).

Второе обстоятельство заключается в том, что при отпуске от температуры 500-600 °С в мартенсите образуется большое число чрезвычайно малых частиц карбидов размерами около 0,01 мкм. Эти частицы настолько малы, что они не видны в оптический микроскоп, и обнаружены только с помощью электронного микроскопа. Благодаря образованию большого количества микрочастиц карбидов, в области температуры около 560-600 °С твердость с повышением температуры не только не уменьшается, но напротив – возрастает (рис 5). И только при более высокой температуре, превышающей 650 °С, частицы карбидов снова растут и теряют способность повышать твердость стальной матрицы.

Таким образом, эффект высокотемпературного повышения твердости первых марок быстрорежущих сталей был получен, благодаря легированию вольфрамом. Однако несколько позже было установлено, что этот эффект достигается и при легировании стали молибденом.

Поскольку атомный вес молибдена (95,94) примерно вдвое меньше атомного веса вольфрама (183,85), процентное содержание молибдена в вольфрамо-молибденовых быстрорежущих сталях должно быть вдвое меньше содержания замещаемого вольфрама. Стали, легированные молибденом получили большее распространение, в первую очередь, благодаря их меньшей стоимости (например, Р6М5 вместо Р18).

Быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (от слова «рапид»-скорость), следующая цифра указывает на содержание вольфрама, причем буква «В» пропускается (Р18). Содержание молибдена, ванадия, кобальта указывается, соответственно, после букв М, Ф и К: Р6М5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р12МЗФ2К5.

Эффект высокотемпературного повышения твердости усиливается при легировании быстрорежущей стали ванадием до 1 %. Микроскопические частицы V 4 C 3 занимают небольшой объем и являются наиболее твердой составной частью сплава. Содержание ванадия до 5 % (например, в сталях Р6М5Ф3, Р12М6Ф5 и др.) обеспечивает не менее 8 % объема структуры с большим количеством твердых частиц, благодаря чему существенно возрастает сопротивление изнашиванию инструмента.

Обеспечение равномерной закаливаемости по всему сечению инструмента достигалось с помощью легирования хромом. Большинство марок быстрорежущих сталей содержат хром в количестве 4 -5 %.

Кобальт в количестве от 5 до 12 % способствует повышению температуры, при которой начинает падать твердость. Хотя сам кобальт карбидов не образует, его действие проявляется в сдерживании роста карбидов, в увеличении температуры превращений, в образовании увеличенного количества дисперсных частиц, играющих роль фазовых упрочнителей при отпуске. Введение кобальта в состав быстрорежущих сталей значительно повышает их твердость и теплостойкость до 640-650 °С (Р18К10, Р6М5К8 и др). Кроме того, кобальт является единственным легирующим элементом, повышающим теплопроводность стали.

Углерод необходим для соединения с карбидообразующими элементами (ванадием, вольфрамом и молибденом), а также для растворения в железе и создания неравновесной мартенситной структуры, обеспечивающей высокую твердость стали.

Перед термической обработкой быстрорежущая сталь должна быть хорошо отожжена. Обычно проводят изотермический отжиг: сталь нагревают до температуры 860-900 С и после выдержки охлаждают до 700-750 С. При этой температуре сталь выдерживают в течение 1,5-2 час для завершения превращения аустенита. После отжига твердость НВ быстрорежущей стали должна находится в пределах 2070-2550 МПа. Структура представляет собой сорбит с включениями карбидов. Плохо отожженная сталь приобретает повышенную хрупкость.

С увеличением температуры закалки в твердый раствор переходит все большее количество легирующих элементов, что благоприятно сказывается на повышении теплостойкости стали. Однако слишком высокий нагрев приводит к росту зерна и снижению механических свойств. Таким образом, повышение температуры закалки ограничивается температурой начала ускоренного роста зерна. Для стали Р18 оптимальная температура закалки – 1280 С, для стали Р6М5 – 1220 С.

Из-за высокой легированности твердого раствора точка мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. В связи с этим после закалки в структуре стали сохраняется большое количество остаточного аустенита (до 25-30%), снижающего твердость стали и уменьшающего ее теплопроводность. Для уменьшения содержания остаточного аустенита применяют обработку холодом и многократный отпуск (рис. 6).

При обработке холодом для превращения аустенита в мартенсит быстрорежущую сталь охлаждают до низких температур (например, до -70 С). Допустимо и более глубокое охлаждение вплоть до температуры жидкого азота (-196 С).

Рис. 6. Схема режима термической обработки быстрорежущей стали

Путем корректировки содержания углерода и легирующих элементов была создана группа кобальтосодержащих сталей, обладающих повышенной теплостойкостью и называемых "сверхбыстрорежущими" : (Р12МЗФ2К5, Р12МЗФ2К8, Р12МЗФЗК10, Р9МЗК6С, 10Р6М5К5 и др).

Отмеченные достоинства, несмотря на высокую стоимость кобальтовых сталей, определили область их рационального применения для обработки резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов. Легирование кобальтом, наряду с отмеченными достоинствами, может привести к снижению пластичности и прочности при изгибе, повышению склонности к обезуглероживанию в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку.

Экономнолегированные быстрорежущие стали . В связи с дефицитностью и высокой стоимостью вольфрама все большее применение находят стали с низким содержанием вольфрама или не содержащие вольфрам. Примерами являются стали Р2М5, 11РЗМЗФ2, а также сталь 11М5Ф (содержит 1,06 % С; 5,5 % Мо; 4,0 % С r ; 1,5 % V), разработанная в Московском Государственном Технологическом Университете "СТАНКИН" Л.С. Кремневым и его учениками. Режущие свойства инструментов из этих сталей близки к свойствам инструментов из стали Р6М5.

Порошковые быстрорежущие стали . Повышение свойств и качества быстрорежущих сталей может быть достигнуто с помощью производства этих сталей методами порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется более однородной и мелкозернистой структурой, более равномерным распределением карбидной фазы, меньшей деформируемостью при термической обработке, лучшей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Карбидостали характеризуются высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70 %. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет HRC э 40 – 44 (HV =3,7-4,2 ГПа), а после закалки и отпуска Н R Сэ 68 – 70 (HV =9,0-9,5 ГПа). При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.
Никель - наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.
Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплекснолегированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан - сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).
Маркировка легированных сталей. Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ4547-71): хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р) , кобальт (К) , ниобий (Б) , цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные - Ш. Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9-1,0% углерода; 17-19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

Инструментальные легированные стали

Инструментальная легированная сталь

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

Режущий инструмент - резцы, фрезы, сверла из углеродистой стали при незначительном нагреве (около 200°C) теряют свою твердость, поэтому применение их при обработке металла с большой скоростью резания невозможно. При введении определенных легирующих примесей сталь приобретает красностойкость, износоустойчивость, получает глубокую прокаливаемость; она имеет высокую прочность, твердость и хорошо противостоит ударным нагрузкам.

Важнейшие легирующие примеси инструментальной легированной стали: хром, вольфрам, молибден, марганец, кремний. Содержание углерода в этой стали может быть ниже, чем в углеродистой, и колеблется от 0,3 до 2,3%.

В отдельную группу выделяют быстрорежущие стали. Они применяются для изготовления режущего инструмента – резцов, сверл, фрез. Важнейшие свойства этой стали – высокая твердость и красностойкость до 600°C (такой нагрев вызывается высокой скоростью резания). Благодаря применению быстрорежущей стали повышается стойкость инструмента и увеличивается производительность обработки. Важнейшими легирующими элементами являются вольфрам (в количестве не менее 9%), ванадий (1-2%), хром (не менее 4%). Кроме того, в быстрорежущей стали могут находиться молибден, кобальт и в небольшом количестве – никель.

В настоящее время широко применяются стали марок Р18, Р9, Р9Ф5, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18М, Р9М, Р6М5 и др. Буква Р обозначает быстрорежущую сталь. Цифра, стоящая за буквой Р, показывает среднее содержание вольфрама в процентах.

Коррозионностойкие стали

Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, в воде и во многих других средах, так как образующаяся пленка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического воздействия среды. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, и таким образом можно создать сталь (сплав), практически не подвергающуюся коррозии в данной среде.

При введении таких элементов в сталь (сплав) происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Не вдаваясь в подробности явлений, связанных с процессами коррозии и коррозионным разрушением, укажем, что введение в сталь более 12 % хрома делает ее коррозионно-стойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12 % хрома, практически в столь же большой степени подвержены коррозии, как и железо. Сплавы, содержащие более 12 ÷ 14 % Cr, ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом, (рис. 1), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.

Жаропрочные и жаростойкие стали

Жаропрочные стали работают при высоких температурах под нагрузкой в течение заданного промежутка времени. Жаропрочные стали перлитного класса (12Х1МФ, 12Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БРА и др.) применяются для изготовления деталей паровых турбин, котлов. V и Nb измельчают зерно, Cr придает жаростойкость и жаропрочность.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного класса (15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФА, 15Х12ВНМФА, 18Х12ВМБФБ и др.) используются при тем- пературах 550 - 600°С. К ним относятся так же хромансилы, сильхромы (10Х12Н8С2А, 40Х9С2, 40Х10С2М и др.).

Аустенитные стали типа 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2МФ, 40Х15Н7Г7Ф2МС наиболее жаропрочны и жаростойки и упрочняются старением, интерметаллидным упрочнением из-за образования карбидов, интерметаллидов (NiTi, NiAl, Ni (Ti, Al), Ni Nb и др.). Их закаливают, подвергают старению, НТМО. Стали типа (10Х11Н20Т3П, 10Х11Н23Т3МП и др.) легируют Ti, Al, Mo, B, Nb для образования интерметаллидов, измельчения зерна, повышения жаропрочности. Они работают до температур 700°С – 750°С.

Котельные стали используются для изготовления разного типа паровых котлов (12ХМФА, 12Х2МФСП, Х5ВФ, 15Х11МФ, Х12ВНМФ, Х12Б2МФ, 15Х12ВМФА и др.).

Жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых и паровых турбин, деталей реактивных двигателей, работающих до 700°С. Они жаростойки, жаропрочны, окалиностойки, пластичны, свариваемы, хорошо обрабатываются всеми видами давления.

Для особоответственных деталей турбин, реактивных двигателей, ракет применяют сплавы на основе никеля, хрома, кобальта, алюминия, титана.

• Нихромы Х15Н60, Х20Н80
• Ферронихромы Х15Н60
• Нимоник Н77Х20 T2Юl1, ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70БМТ10 Хромель 0Х23Ю5
• Фехраль Х13Ю4, 0Х27Ю5А

Твердные сплавы

ёрдые сплавы - твёрдые и износостойкие металлокерамические материалы, полученные методами порошковой металлургии, способные сохранять эти свойства при 900-1150 °C. В основном изготовляются из высокотвёрдых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой или никелевой металлической связкой, при различном содержании компонентов.

Твёрдые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые - ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые - Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые - ТТ7К12, ТТ11К8Б; безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30.

Легированная конструкционная сталь подразделяется на качественную (среднелегированную) – с общим содержанием легирующих компонентов от 3 до 5,5%; высоколегированную – с общим содержанием легирующих компонентов свыше 5,5%; особовысококачественную – электрошлаковый переплав. По наличию основных легирующих элементов легированную сталь делят на группы, а по процентному содержанию легирующих элементов – на марки.

Группы легированных конструкционных сталей:

· марганцовистые;

· никель-молибденовые:

· хромистые;

· хромоалюминиевые;

· хромоалюминиевые с молибденом;

· хромованадиевые;

· хромокремнистые;

· хромо-кремнемарганцевые;

· хромокремнемарганцево-никелевые;

· хромомарганцовистые;

· хромомарганцево-никелевые;

· хромомарганцево-никелевые с титаном и бором;

· хромомолибденовые;

· хромомолибденованадиевые;

· хромоникелевые;

· хромоникелевые с бором;

· хромоникельванадиевые;

· хромоникельмолибденовые;

· хромоникельмолибденованадиевые.

Маркировка. В обозначение легированной стали входят буквы и цифры: буквы указывают наличие в стали легирующих элементов (таблица 3.3 ); цифры, стоящие после букв, – примерное содержание соответствующего химического элемента в про­ектах (если в марке содержится до 1,5% элемента, то число не ставится).

Таблица 3.3 – Обозначение химических элементов в марках сталей и сплавов

Марки высококачественной стали в конце обозначения имеют букву «А » (например, 12Х2МФА ), а особовысококачественной – две буквы «А» (например, 15Х2НМФАА ). В инструментальных легированных сталях и сплавах с особыми физическими свойствами, которые всегда высококачественные или особовы- сококачественные, буква «А» не указывается.

Буква «Ш » в конце обозначения означает, что сталь получена методом электрошлакового переплава и относится к особовысококачественным (например, 30ХГС-Ш ).

Буква «А» в начале обозначения указывает, что данная сталь – автоматная.

Цифры перед буквами обозначают содержание углерода в сотых долях процента (без буквы «У» в обозначении) – для сталей, содержащих до 0,7%С (конструкционных); в десятых долях процента – для сталей с большим содержанием углерода (инструментальных).

Некоторые конструкционные и инструментальные стали имеют в начале обозначения букву, определяющую область применения: «Ш» – шарикоподшип- никовые стали; «Р » – быстрорежущие стали; «Е » – стали для постоянных магнитов. У сталей, используемых для литья (в отливке), в конце обозначения имеется буква «Л ». Например, сталь 30ХГТ содержит 0,3%С и по 1% легирующих химических элементов: Сr, Мn иTi ; сталь 20Х2Н4 содержит 0,20% С, 2% Сr и4%Ni .

Ниже приведены примеры применения легированных конструкционных сталей.

Хромоникелевая 20ХНЗА – шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки и другие цементируемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

Хромокремнемарганцевая 30ХГСА – ответственные штампованные улучшаемые детали: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса обшивки, лопатки компрессорных машин, работающие при температуре до 200°С , рычаги, толкатели; различные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках; крепежные детали, работающие при низких температурах.

Хромоникельмолибденовая 1 8ХН2М – рычаги привода клапанов.

Инструментальные легированные стали.

Инструментальные стали предназначены для режущего, измерительного и для штампового инструмента (холодного и горячего деформирования).

Инструментальные стали делят на четыре типа:

1) пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые);

2) повышенной прокаливаемости (легированные);

3) штамповые;

4) быстрорежущие.

Быстрорежущие стали:

Быстрорежущие стали – высоколегированные инструментальные стали, обла-дающие красностойкостью (не теряют твердости при нагревании до температуры 600–640°С ). Режимы обработки инструментом из этой стали в3–4 раза выше допустимых значений для углеродистых и низколегированных сталей.

Основными легирующими химическими элементами, обеспечивающими теплостойкость быстрорежущих сталей, являются вольфрам, молибден, ванадий и кобальт.

ГОСТ 19265–73 устанавливает следующие марки быстрорежущих сталей:Р18; Р12; Р9; Р6МЗ; Р9Ф5; Р5М5; Р6М5К5; Р9М4К8; Р14Ф4; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18Ф2; Р18К5Ф2.

Штамповые стали:

Для обработки металлов давлением применяют такие инструменты, как штампы, пуансоны, ролики, валики, деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по наиболее распространенному инструменту).

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии, так как условия работы стали при различных видах штамповки значительно отличаются друг от друга.

Марки штамповых сталей для холодной штамповки: 4ХС; 6ХС; 5ХВ2С; Х12; Х12Ф1; Х6ВФ.

Марки штамповых сталей для горячей штамповки: 302ХВЭФ; 4Х5В2ФС и др.

Стали и сплавы с особыми свойствами.

В эту группу входят автоматные, пружинные, шарикоподшипниковые, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали и сплавы.

Автоматные стали.

Для улучшения обрабатываемости резанием применяют углеродистые стали с повышенным содержанием серы (0,08–0,3% ) и фосфора (0,06% ). В этих сталях сера находится в виде сульфидов марганца, вытянутых вдоль направления прокатки, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном

Улучшение обрабатываемости стали достигается и микролегированием такими химическими элементами, как РЬ, Са, Sе и Те, которые образуют в структуре металлические и неметаллические включения. Эти включения работают в очаге

резания как смазочный материал в виде тончайшего слоя, препятствующего схватыванию материала инструмента с материалом обрабатываемой детали, вследствие чего стружка легче отделяется. Легирование стали свинцом (0,15– 0,3% ) повышает скорость резания на 20–35%, а при сохранении постоянной скорости резания увеличивает стойкость инструмента в 2–7 раз.

Автоматные легированные стали делятся:

· на сернисто-марганцовистые свинецсодержащие: АС 14; АС35Г2; АС45Г2;

· легированные никелем свинецсодержащие: АС12ХН; АС14ХН;

· легированные никелем и молибденом свинецсодержащие АС19ХГН; АС20ХГНМ; АСЗОХМ; АС38ХГМ; АС40ХГНМ.

Пружинные стали общего назначения

Пружины, рессоры и другие упругие детали испытывают упругую деформацию. В то же время многие из них испытывают циклические нагрузки. Поэтому основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали, используемые для пружин и рессор, содержат 0,5–0,75%С. Их дополнительно легируют кремнием (до 2,8% ), марганцем (до 1,2% ), хромом (до 1,2% ), ванадием (до 0,25% ), вольфрамом (до 1,2% ) и никелем (до 1,7% ), при этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно стойкости против ослабления.

Пружины и другие элементы специального назначения изготовляют из высокохромистых сталей и сплавов: 30X13; 03Х12Н10Д2Т; 12Х18Н10Т; 09X15Н8Ю .

Шарикоподшипниковые стали.

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (шелушение).

Для обеспечения работоспособности изделий шарикопод­шипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла – его очисткой от неметаллических

включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикопод-шипниковые (Ш) хромистые (X) стали ШХ15 и ШХ15СГ (число 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента). Эти стали содержат по 1 %С . Сталь ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5% ) и марганцем (1,05% ) для повышения прокаливаемости.

Отжиг стали на твердость порядка 190НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии.

Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле при температуре 840– 860°С . Перед отпуском детали охлаждают до 20–25°С для обеспечения стабильности их работы (путем уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при температуре 150–170°С в течение 1–2ч . Оптимальные условия обеспечения работоспособности изделий достигаются в том случае, если шарики имеют несколько большую твердость (62– 66НRС ) по сравнению с роликами и кольцами (61– 65НRС для стали ШХ15 ).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ

КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

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

Введение

1. Легированные стали

1.1 Определение

1.2 Классификация легированных сталей

1.3 Маркировка легированной стали

2. Конструкционная легированная сталь

3. Инструментальная легированная сталь

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

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

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

1. Легированные стали

1.1 Определение

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

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

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

По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы:

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

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

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

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

1.2 Классифика ция легированной стали

легированный сталь хромоникелевый хромолибденовый

Классификация по структуре в отожженном состоянии.

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

Классификация стали по структуре в нормальном состоянии.

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

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

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

Классификация стали по назначению.

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

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

1.3 Маркировка легированной стали

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

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

2. Конструкционная легированная сталь

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

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

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

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

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

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

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

Сложнолегированная конструкционная сталь.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Инст рументальная легированная сталь

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

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

Сталь для ударно-штампового и измерительного инструмента.

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

Низколегированная сталь для режущего инструмента.

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

Быстрорежущая сталь.

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

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

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

Заключение

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

Достоинства легированных сталей:

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

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

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

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

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

Список литературы

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

2. Гуляев А.П. Металловедение.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Определение, классификация легированной стали. Маркировка, дефекты. Структура легированных сталей в нормализованном состоянии. Свойства и применение легированных сталей. Конструкционная и инструментальная легированная сталь. Аустенитные и ферритные стали.

реферат , добавлен 11.10.2016


Процентное содержание углерода и железа в сплаве чугуна. Классификация стали по химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления. Примеры маркировки сталей. Расшифровка марок стали. Обозначение легирующих элементов, входящих в состав стали.

презентация , добавлен 19.05.2015


Классификация и маркировка сталей. Сопоставление марок стали типа Cт и Fe по международным стандартам. Легирующие элементы в сплавах железа. Правила маркировки легированных сталей. Характеристики и применение конструкционных и инструментальных сталей.

презентация , добавлен 29.09.2013


Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества. Механические свойства горячекатаной стали. Стали углеродистые качественные. Легированные конструкционные стали. Низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь.

презентация , добавлен 19.12.2014


Производство стали в кислородных конвертерах. Легированные стали и сплавы. Структура легированной стали. Классификация и маркировака стали. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Термическая и термомеханическая обработка легированной стали.

реферат , добавлен 24.12.2007


Виды сталей для режущего инструмента. Углеродистые, легированные, быстрорежущие, штамповые инструментальные стали. Стали для измерительных инструментов, для штампов холодного и горячего деформирования. Алмаз как материал для изготовления инструментов.

презентация , добавлен 14.10.2013


Повышение механических свойств стали путем введения в нее легирующих элементов. Классификация стали в зависимости от химического состава. Особенности сварки углеродистых и легированных сталей. Причины возникновения трещин. Типы применяемых электродов.

курсовая работа , добавлен 06.04.2012


Требования к свойствам инструментальных материалов. Перечень марок нескольких основных нетеплостойких сталей для режущего инструмента. Закалка доэвтектоидных сталей. Быстрорежущие стали: маркировка, структура, технология термической обработки и свойства.

контрольная работа , добавлен 20.09.2010


Роль легирующих элементов в формировании свойств стали. Анализ и структура хромоникелевых сталей. Роль и влияние никеля на сопротивление коррозии. Коррозионные свойства хромоникелевых сталей. Характеристика ряда хромоникелевых сталей сложных систем.

реферат , добавлен 09.02.2011


Классификация сталей. Стали с особыми химическими свойствами. Маркировка сталей и области применения. Мартенситные и мартенсито-ферритные стали. Полимерные материалы на основе термопластичных матриц, их свойства. Примеры материалов. Особенности строения.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+