Раздел 1.2). Хорошие упругие свойства стали достигаются при повышенном

содержании углерода (0,5-0,7%) и применении термообработки, состоящей из закалки и среднего отпуска при температуре 350-450°С. После такой

термообработки сталь имеет троститную структуру.

Углеродистые пружинные стали (65, 70, 75) вследствие низкой прокаливаемости используются для пружин небольшого сечения. Они могут

работать при температуре до 100° С. Стали, легированные кремнием и марганцем (60С2, 60СГ и др.) предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их длительную и надежную работу. Для ответственных пружин применяют высококачественные стали легированные хромом и ванадием (50ХФА, 50ХГФА). Эти стали могут работать при температуре до 300° С. Из них изготавливают, например, рессоры легковых автомобилей.

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изнашивания.

Изнашивание — это процесс постепенного разрушения поверхностных слоев

трущихся деталей, который приводит к уменьшению их размеров (износу).

Износостойкие стали можно разделить на три группы.

В первую группу входят стали, износостойкость которых достигается

высокой твердостью поверхности. Они подвергаются закалке и низкому отпуску или химико-термической обработке. Имеют структуру мартенсита или мартенсита с карбидными включениями. К этой группе относятся подшипниковые стали, из которых изготавливаются шарики и ролики подшипников качения. Они маркируются буквами ШХ и цифрой показывающей содержание хрома в десятых долях процента, содержат также марганец и кремний (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ). Содержание углерода в них около 1%.

Ко второй группе относятся стали, износостойкость которых достигается

смазывающим действием графита. Эти стали имеют в структуре графитные

включения, которые в процессе изнашивания выходят на поверхность и выполняют роль сухой смазки. Эти стали имеют высокое содержание углерода (-1,5%) и кремния (-1%), что повышает способность к графитизации. Эти стали подвергаются графитизирующему отжигу, который аналогичен отжигу ковкого чугуна (см. раздел 3.3.).

Третью группу составляют стали износостойкость которых достигается

повышенной склонностью к наклепу. Это, прежде всего, сталь 110ΓΙ3. Она имеет невысокую твердость, которая при действии давления и ударов резко повышается, за счет чего и достигается износостойкость. Эта сталь подвергается закалке от 1100°С в воде, после чего получает аустеннтную структуру. Плохо обрабатывается резанием, поэтому применяется в литом состоянии.

Таблица 1 - Легированная сталь по количеству легирующих элементов.

Класс	Общая масса легирующих элементов
высоколегированная	более 10%;
среднелегированная	более 2,5-10%;
низколегированная	до 2,5%.

 

Таблица 2 -Легированные стали по назначению.

Класс	Пояснения
конструкционные	Применяют для изготовления несущих конструкций, например: рамы, опоры, балки, каркасы вагонов, мостовые переходы, элементы строения пути, детали машин и механизмов и т.д.
инструментальные	Изготавливают инструмент для обработки других материалов с заведомо меньшей твердостью, например: резцы, сверла, пилы, ключи и т.д.
с особыми свойствами	электротехнические, нержавеющие, жаропрочные и др. для решения конкретных задач с более напряженными условиями эксплуатации.

 

Таблица 3 - Легированные стали по способу дальнейшей обработки.

Класс	Способ дальнейшей обработки
а	горячекатаная и кованая металлопродукция для горячей обработки давлением и холодного волочения без контроля структурных характеристик
б	горячекатаная и кованая металлопродукция для холодной механической обработки с полным объемом испытаний

 

Таблица 4 - Легированная сталь по качеству изготовления.

Класс	Обозначение
обычная	Стандартное обозначение компонентов.
высококачественная	Буква «А» в конце — сталь высококачественная. Например, 5ХА – высококачественная.

 

Таблица 5 - Классификация легированных сталей по качеству и отделке поверхностей.

Класс	Обозначение
горячекатаная и кованая	2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б» повышенного качества, 4ГП — для подгруппы «б» обычного качества
калиброванная	Б и В
со специальной отделкой поверхности	В, Г, Д

 

Таблица 6 - Легированные стали по производителю.

Обозначение	Производитель
ЭИ	завод «Электросталь»
ЗИ	Златоустовский металлургический завод

 

Таблица 7 – Легированные стали по структуре.

Класс	Пояснения
перлитные	знакомая нам струтура перлита или перлита с ферритом, либо при более быстром охлаждении, сорбита или троостита.
мартенситные	уже при охлаждении на воздухе аустенит превращается в чрезвычайно твердый и хрупкий мартенсит без специальной закалки, требующейся для углеродистых сталей.
аустенитные	даже при комнатной температуре аустенит сохраняется, а не распадается на перлит, сорбит, тростит, как у углеродистых сталей.
ферритные	при нагревании и охлаждении этих сталей феррит не превращается в аустенит и наоборот
карбидные	содержат повышенное кол-во углерода и карбидообразующих элементов; структура таких сталей характеризуется наличием карбидов.

 

Легирующие элементы

Чистые металлические элементы (Таблица 8) при легировании стали обычно не используются. Чаще для легирования стали применяют ферросплавы (сплавы железа) и лигатуры (вспомогательные сплавы). Это экономически выгоднее и позволяет избежать ряда технологических трудностей в процессе легирования стали.

Таблица 8 - Легирующие элементы и свойства, придаваемые ими сплавам.

Маркировка	Элемент	Свойства и качества, придаваемые элементами
Г	(Mn) Марганец - более 1%	Повышает твёрдость и прочность. Увеличивает ударную вязкость. Расширяет область аустенита. Увеличивает прокаливаемость. Способствует раскислению (удалению кислорода из стали). Образует устойчивые карбиды. Повышает сопротивление коррозии. Улучшает свариваемость.
С	(Si) Кремний -более 0,8%	Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. Увеличивает ударную вязкость. Сужает область аустенита. Способствует раскислению (удалению кислорода из стали). Повышает упругость и прочность.
Ч	Редкоземельные металлы	Повышают прочность, пластичность. Улучшают качество поверхности. Уменьшают пористость. Измельчают зерно.
П	(Р) Фосфор	Уменьшает пластичность. Увеличивает хрупкость. Относится к постоянным примесям.
Ц	(Zr) Цирконий	Оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали. Измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.
Ю	(Al) Алюминий	Повышает жаростойкость и окалиностойкость (при нагревании окалина не образуется).
Т	(Ti) Титан	Повышает прочность и твёрдость. Увеличивает износостойкость. Снижает прокаливаемость стали. Снижает ликвацию (усадку). Улучшает свариваемость.
Р	(В) Бор	Повышает твёрдость сталей
М	(Мо) Молибден	Повышает твёрдость и прочность. Уменьшает вязкость и отпускную хрупкость. Увеличивает жаропрочность и прокаливаемость. Способствует образованию мелкозернистой структуры. Улучшает механические свойства и свариваемость.
Л	(Ве) Бериллий	Повышают прочность, пластичность. Улучшают качество поверхности.
К	(Со) Кобальт	Повышает жаропрочность. Увеличивает сопротивление удару. Повышает магнитные свойства.
Е	(Se) Селен	Улучает обрабатываемость нержавеющих сталей.
В	(W) Вольфрам	Образует устойчивые карбиды. Способствует образованию мелкого зерна. Понижает вязкость. Увеличивает жаропрочность и износостойкость. Повышает твёрдость и уменьшает хрупкость.
Б	(Nb) Ниобий	Улучшает устойчивость к кислотам. Способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Ф	(V) Ванадий	Повышает прочность и твёрдость. Увеличивает устойчивость против износа и динамических напряжений. Уменьшает отпускную хрупкость. Измельчает структуру. Повышает устойчивость против перегрева при закалке.
А	(N) Азот	Снижает вязкость и пластичность. Даёт хрупкие неметаллические включения.
Д	(Cu) Медь(0,3-0,5%)	Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. Повышает сопротивление коррозии.
Н	(Ni) Никель	Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. Увеличивает ударную вязкость. Расширяет область аустенита. Увеличивает прокаливаемость. Повышает сопротивление коррозии. Незначительно снижает пластичность. Влияет на коэффициент теплового расширения и электросопротивление стали.
Х	(Cr) Хром	Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. Сужает область аустенита. Образует устойчивые карбиды. Повышает сопротивление коррозии. Повышает износостойкость, вязкость и пластичность. Понижает теплопроводность.

 

Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов феррите и аустените, а также цементите или образуют специальные карбиды. Они взаимодействуют с железом и углеродом, влияя на полиморфизм железа (альфа, бета и гамма-железо) и превращения в стали при термической обработке (Таблица 9).

 

Таблица 9 - Влияние легирующих элементов на превращения в стали.

Превращения	Пояснения
На кинетику распада аустенита	Увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, поэтому они входят в состав большинства конструкционных легированных сталей. Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном легировании несколькими элементами. Таково, например, совместное действие никеля и хрома. Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.
На мартенситное превращение	Позволяют снизить температуру превращения аустенита, например 5%Мп снижает мартенситную точку до 0 °С, что позволяет сохранить аустенит в закаленной стали.
На рост зерна аустенита	Хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно; никель, кобальт, кремний, медь - слабо влияют на рост зерна; марганец, бор - способствуют росту зерна.
На превращениях при отпуске	Замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют незначительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) - весьма заметно. Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.

 

Влияние легирования на твердость стали см. Рисунок 1 и на вязкость см. Рисунок 2. Атомы легирующих элементов замещают атомы железа. Но они отличаются от атомов железа размерами и строением, что создает в решетке напряжения. Изменение размеров решетки вызывает и изменение свойств феррита. Например, молибден вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита, а никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям

 

Маркировка

Обозначение марки стали: первые цифры — массовая доля углерода в десятых долях процента, затем буквы — вещество, используемое в качестве легирующего элемента, цифры, стоящие после букв, — средняя массовая доля соответствующего легирующего элемента в целых единицах процентов. Начальную цифру опускают, если содержание углерода не менее 1%. Буква «А», в середине марки стали — содержание азота, в конце — сталь высококачественная. Например, сталь 5ХН2М.

Для некоторых сталей буквой указывается их назначение, например Р18 — быстрорежущая с 18% W, Э3А — электротехническая с3% Si, ШХ-15 — шарикоподшипниковая с 1,5% Cr и т.д. Некоторые стали обозначаются буквами ЭИ или ЭП с соответствующим номером (например, ЭИ69, ЭП220); в большинстве случаев это новые стали, проходящие испытание и освоение в промышленности.

 

Применение некоторых легированных сталей

 

Таблица 10 - Инструментальная легированная.

Марка стали	Область применения
Х12МФ	Детали для работы под давлением порядка 1400-1600Мпа. Профилировочные ролики сложной формы, эталонные шестерни, накатные плашки, секции кузнечных штампов, сложные дыропрошивные матрицы и пуансоны вырубных и просечных штампов, пуансоны и матрицы холодного выдавливания для больших давлений. Не применяется для сварных конструкций.
4-9ХС, ХВГ	Ответственные детали с повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, контактном нагружении, а также упругими свойствами. Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Не применяется для сварных конструкций.
4Х5МФС	Мелкие молотовые штампы, крупные молотовые и прессовые вставки при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства, пресс-формы литья под давлением алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов.
3Х3М3Ф	Инструменты для горячего деформирования на кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах, подвергающихся в процессе работы интенсивному охлаждению (как правило, для мелкого инструмента), пресс-формы литья под давлением медных сплавов, ножи для горячей резки.

 

Таблица 11 - Быстрорежущие сплавы.

Марка стали	Область применения
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2, Р12М3К10Ф2	Дисковые фрезы, сверла развертки, зенкеры, метчики, протяжки; фрезы червячные, концевые, дисковые; шеверы.

 

Таблица 12 - Низколегированные стали.

Марка стали	Область применения
15Г; 20Х; 18хГТ; 20х2Н4А	Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.

 

Среднелегированные стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвергают улучшению - термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах, применяются для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей – для шестерен, валов и т.п.

 

Таблица 13 - Улучшаемые среднелегированные стали.

Марка стали	Область применения
Хромистые стали (40Х,45Х).	Благодаря высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости эти стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, осей валиков, рычагов, втулок, болтов, гаек.
Хромокремнемарганцевые стали (30ХГСА, 35ХГСА).	Эти стали, называемые хромансиль. Не содержат дифицитных легирующих элементов. Имеют высокие механические свойства. Хорошо свариваются и заменяют хромоникелевые и хромомолибденовые стали.
Хромоникелевые стали (40ХН, 45 ХН).	Они имеют после термической обработки высокую прочность и пластичность и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Прочность стали придает хром, а пластичность – никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на очень большую глубину по сравнению не только с углеродистыми, но и другими легированными сталями. Указанные стали применяют для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей – для шестерен, валов и т.п.
Хромоникельмбденовая сталь (40ХН2МА).	Эта сталь в улучшенном состоянии имеет высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливается; ее применяют для изготовления сильно нагруженных деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок.

 

Цементуемые легированные стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необходимо иметь высокую твёрдость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину, см. ниже.

 

Таблица 14 - Цементуемые стали.

Марка стали	Область применения
20Х, 15ХФ, 12ХН2	детали небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колёса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.
12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 25ХГТ, 18Х2Н4МА	детали средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колёса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.

 

Таблица 15 - Пружинно-рессорные стали.

Марка стали	Область применения
65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, 70С2ХА	Пружинно-рессорные стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин(цилиндрических, плоских) и рессор. Пружины и рессоры служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости.

 

Таблица 16 - Шарикоподшипниковые стали.

Марка стали	Область применения
ШХ15	(0,95-1–1,05% С; 1,3–1,65 %Cr). Основная шарикоподшипниковая сталь.
цементуемая сталь 20Х2Н4А.	Для изготовления деталей, крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм.), работающих в тяжёлых условиях при больших ударных нагрузках.

 

Занятие 8

Стали со специальными свойствами

Коррозиониостойкие (нержавеющие) стали. Коррозией называется разрушение металла под действием внешней агрессивной среды в результате ее химического или электрохимического воздействия. Различают химическую коррозию, обусловленную воздействием на металл сухих газов и неэлектролитов (например, нефтепродуктов) и электрохимическую, возникающую под действием жидких электролитов или влажного воздуха. По характеру коррозионного разрушения различают сплошную и местную коррозию. Сплошная коррозия захватывает всю поверхность металла. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны.. В зависимости от степени локализации

различают пятнистую, язвенную, точечную, межкристаллитную и др. виды местной коррозии.

Самый надежный способ защиты от коррозии — применение коррозионностойких сталей. Коррозионная стойкость достигается при введении в сталь элементов, образующих на ее поверхности тонкие и прочные оксидные пленки. Наилучший из этих элементов — хром. При введении в стапь 12-14% хрома она становится устойчивой против коррозии в атмосфере, воде, ряде кислот, щелочей и солей. Стали, содержащие меньшее количество хрома, подвержены коррозии точно так же, как и углеродистые стали. В технике применяют хромистые и хромоникелевые коррозиониостойкие стали.

Хромистые коррозиониостойкие стали могут содержать 13, 17 или 25-27%

хрома. Стали марок 08X13, 12X13, 20X13 подвергаются закалке от 1000°С и

отпуску при 600-700°С. Их применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, работающих в слабоагрессивных средах. Стали 30X13, 40X13 подвергаются закалке и отпуску при 200-300°С. Из них изготавливают режущий, мерительный и хирургический инструмент.

Стати 12X17, 15X28 имеют более высокую коррозионную стойкость.

Подвергаются отжигу при температуре 700-780°С. Используются для оборудования заводов легкой и пищевой промышленности, труб, работающих в агрессивных средах, для кухонной посуды.

Хромоникелевые стали обычно содержат 18% хрома и 9-12% никеля

(04Х18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т и др.). Они имеют более высокую

коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями, лучшие

механические свойства, хорошо свариваются. Эти стали имеют аустенитную

структуру. Их термообработка состоит из закалки от температуры 1100-1150°С в воде без отпуска.

Хромоникелевые стали склонны к межкристаллитной коррозии. Она быстро

распространяется по границам зерен без заметных внешних признаков. Это

происходит вследствие образования карбидов хрома по границам зерен, что

приводит к уменьшению содержания хрома в поверхностном слое зерна. Чтобы карбиды хрома не образовывались, надо либо использовать стали с пониженным содержанием углерода (до 0,04%), либо дополнительно легировать сталь титаном, связывающим углерод в карбид титана.

Используются хромоникелевые стали в пищевой и химической промышленности, в холодильной технике. Поскольку никель дорогостоящий

элемент, иногда его частично заменяют марганцем и используют сталь

10Χ14Γ14Η4Τ.

Другие методы защиты от коррозии. Распространенным средством защиты от коррозии является нанесение на защищаемый металл различных покрытий.

Металлические покрытия наносятся различными способами. При погружении в расплавленный металл поверхность изделия покрывается тонким и плотным слоем, затвердевающим после извлечения изделия. Этот способ применяется для нанесения покрытий цинком, оловом, свинцом и алюминием, температура плавления которых ниже, чем у защищаемого металла. При диффузионной металлизации изделие засыпают порошками алюминия, хрома, цинка и выдержи- вают при высокой температуре. При напылении поверхность изделия покрывают слоем расплавленного металла (цинка, алюминия, кадмия и др.) с помощью воздушной струи. При плакировании защищаемый металл подвергают совместной прокатке с защищающим (алюминием, титаном, нержавеющей сталью).

Гальванический способ нанесения покрытий основан на осаждении под действием электрического тока тонкого слоя защитного металла (хрома, никеля, меди, кадмия) при погружении защищаемого изделия в раствор электролита.

Неметаллические покрытия подразделяются на лакокрасочные и эмалевые,

смоляные, покрытия пленочными полимерными материалами, резиной,

смазочными материалами, керамические покрытия и др. Покрытия, получаемые химической и электрохимической обработкой, превращают поверхностный слой изделия в химическое соединение, образующее сплошную защитную пленку. Наибольшее распространение имеют оксидные и фосфатные защитные пленки.

Протекторная защита основана на подсоединении к защищаемому

изделию протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. В афессивной среде протектор будет являться анодом и разрушаться, а защищаемое изделие — катодом и разрушаться не будет.

Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добавки,

называемые ингибиторами коррозии. Они значительно снижают скорость

коррозии. Условием использования ингибиторов является эксплуатация изделия в замкнутой среде постоянного состава.

Жаростойкие и жаропрочные стали. Под жаростойкими сталями

понимают стали, обладающие стойкостью против химического разрушения

поверхности при высокой температуре (свыше 550°С). При нагреве стали

происходит окисление поверхности и образуется оксидная пленка (окалина).

Дальнейшее окисление определяется скоростью проникновения атомов кислорода через эту плёнку. Через пленку оксидов железа они проникают очень легко. Для повышения жаростойкости сталь легируют элементами, образующими плотную пленку, через которую атомы кислорода не проникают. Эти элементы — хром, алюминий, кремний. Так как алюминий и кремний повышают хрупкость стати, чаще всего применяют хром. Чем больше его содержание, тем более жаропрочной является сталь. Сталь 15X5 выдерживает до 600°С, 40Х9С2 — до 800°С, рассмотренные ранее 12X17 — до 900°С и 15X28 — до 1050°С.

Жаропрочные материалы способны противостоять механическим нагрузкам

при высоких температурах. Жаропрочные стали классифицируются по структуре.

Перлитные стали содержат малое количество углерода, легируются хромом

молибденом, ванадием (12ХМ, 12Х1МФ). Используют для изготовления труб, паропроводов и др. деталей, длительно работающих при температуре 500-550°С.

Мартенситные стали в большом количестве легированы хромом (15X11МФ,

15Х12ВНМФ). Они используются для деталей энергетического оборудования, длительно работающего при температуре 600-620°С. Особую группу мартенситных сталей составляют сильхромы, применяемые для клапанов двигателей внутреннего сгорания. Они дополнительно легированы кремнием (40Х9С2, 40X10С2М).

Аустенитные стали легированы большим количеством хрома и никеля а

также другими элементами (09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР). Из этих сталей

изготавливают детали газовых турбин, работающих при температуре 600-700°С.

Для работы при более высоких температурах (700-900°С) служат сплавы на

основе никеля, называемые нимониками. Примером нимоника является сплав

ХН77ТЮР, содержащий кроме никеля приблизительно 20% Сr, 2,5% Ti, 1% А1.

Дпя работы при температурах свыше 1000°С используют тугоплавкие металлы и их сплавы. Это — хром, ниобий, молибден, тантал, вольфрам. Они используются в атомной энергетике и в космической технике.

Температуры 1500-1700°С выдерживают жаропрочные керамические

материалы на основе карбида и нитрида кремния.

Инструментальные стали и сплавы

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего,

измерительного и штампового инструмента. Кроме сталей, для изготовления

режущего инструмента применяются металлокерамические твердые сплавы и

минералокерамические материалы. Режущий инструмент работает в сложных

условиях, подвержен интенсивному износу, при работе часто разогревается.

Поэтому материал для изготовления режущего инструмента должен обладать

высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Теплостойкость — это способность сохранять высокую твердость и режущие свойства при длительном нагреве.

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7-1,3% углерода. Они маркируются буквой У и цифрой, Показывающих содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9, У13).

Буква А в конце марки Показывает, что стапь высококачественная (У7А, У8А,У1 ЗА). Предварительная термообработка этих сталей — отжиг на зернистый перлит, окончательная — закалка в воде или растворе соли и низкий отпуск. После этого структура стали представляет собой мартенсит с включениями зернистого цементита. Твердость лежит в интервале HRC 56-64;

Для углеродистых инструментальных сталей характерны низкая теплостойкость (до 2Ш°С) и низкая прокаливаемость (до 10-12 мм). Однако вязкая незакаленная сердцевина повышает устойчивость инструмента против поломок при вибрациях и ударах. Кроме того, эти стали достаточно дешевы и в незакаленном состоянии сами хорошо обрабатываются. Стали У7-У9 применяются для изготовления инструмента, испытывающего ударные нагрузки (зубила, молотки, топоры). Стали У10-У13 идут на изготовление

инструмента, обладающего высокой твердостью (напильники, хирургический

инструмент). Стали У8-У12 применяются также для измерительного инструмента.

Низколегированные инструментальные стали содержат в сумме около 1-

3% легирующих элементов. Они обладают повышенной по сравнению с

углеродистыми сталями прокаливаемостью, но теплостойкость их невелика — до 400°С. Основные легирующие элементы — хром, кремний, вольфрам, ванадий. Маркируются эти стали так же, как конструкционные, но содержание углерода дается в десятых долях процента. Если первая цифра в марке отсутствует, то содержание углерода превышает 1%. Например 9ХС, ХВГ, ХВ5.

Термообработка низколегированных инструментальных сталей — закалка в масле и отпуск при температуре 150-200°С. При этом обычно достигается сквозная прокаливаемость. Твердость после термообработки составляет HRC 62-64.

Благодаря большей прокаливаемости и закалке в масле низколегированные

стали используются для изготовления инструмента большой длины и крупного сечения (например, сверл диаметром до 60 мм). Применяются для ручного инструмента по металлу и измерительного инструмента.

Быстрорежущие стали предназначены для работы при высоких скоростях

резания. Главное их достоинство — высокая теплостойкость (до 650°С). Это

достигается за счет большого количества легирующих элементов — вольфрама, хрома, молибдена, ванадия, кобальта. Маркируются быстрорежущие стали буквой Р, число после которой показывает среднее содержание вольфрама в %. Далее идут обозначения и содержание других легирующих элементов. Содержание углерода во всех быстрорежущих сталях приблизительно 1 %, а хрома 4%. Поэтому эти элементы в марке не указываются. Например, Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф2К8.

Термообработка быстрорежущих сталей заключается закалке от высоких

температур (1200-1300°С) и трехкратном отпуске при 550-570°С. Трехкратный отпуск применяется для того, чтобы избавиться от остаточного аустенита, который присутствует после закалки в количестве приблизительно 30% и снижает режущие свойства. После термообработки сталь имеет мартенситную структуру с карбидными включениями. Твердость после термообработки составляет HRC 64- 65.

Быстрорежущие стали применяются для инструмента, используемого для

обработки металла на металлорежущих станках (резцы, фрезы, сверла). Для

экономии дорогих быстрорежущих сталей режущий инструмент часто

изготавливается сборным или сварным. Рабочую часть из быстрорежущей стати приваривают к основной части инструмента из конструкционной стали.

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой спеченные

порошковые материалы, основой которых служат карбиды тугоплавких металлов, а связующим — кобальт. Их теплостойкость доходит до 900-1000°С, а твердость HRA 80-97.

Твердые сплавы делятся на три группы. Вольфрамовые изготовляются на

основе карбида вольфрама и кобальта. Маркируются буквами ВК и цифрой

показывающей содержание кобальта в % (ВК2, ВК6, ВК10). Титановольфрамовые твердые сплавы содержат дополнительно карбид титана. Они маркируются буквами Т, К и цифрами. После буквы Τ указывается содержание карбида титана в %, а после буквы К — кобальта (Т15К10, Т15К6).

Титанотанталоволъфрамовые содержат дополнительно карбид титана. Маркируются буквами ТТ, после которых указывается суммарное содержание карбидов титана и тантала в % и буквой К, после которой указывается содержание кобальта (ТТ7К12, ТТ10К8).

Твердые сплавы изготавливаются в виде пластин которые припаиваются к

державке из углеродистой стали. Применяют твердые сплавы для резцов, сверл, фрез и другого инструмента. Главный недостаток твердых сплавов — высокая хрупкость.

Занятие 9

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67%

углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5-4,5%. В качестве примесей чугун содержит Si, Mn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится

углерод в чугунах, различают следующие их виды. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe3C. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо

обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и

применяется как передельный чугун, т.е. идет на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого

чугуна схематически изображена на рис. 18,а. Получают серый чугун путем

первичной кристаллизации из жидкого сплава.

На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения

и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не

происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5%. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механические и литейные свойства.

Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера

графитных включений. По сравнению с металлической основой графит имеет

низкую прочность. Поэтому фафитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел

прочности в десятых долях мегапаскаля. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 45.

Рис. 18. Схематическое изображение структур чугунов: а - серого,

б -высокопрочного, в - ковкого

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения. Структура

высокопрочного чугуна изображена на рис. 18,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается

от серого. Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами. ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет а = 600 МПа.

Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ-50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ S0, ВЧ 100.

Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 18,в). Его

получают из белою чугуна путем графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950-970°С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит- из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (72()-760°С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими

предел прочности в десятых долях мегапаскаля и относительное удлинение в %.

Так, чугун КЧ 45-7 имеет σв= 450 МПа и δ = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33- 8, КЧ 37"-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Занятие 10

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ