Раздел 3. Конструкционые материалы

Гл.1 ЧУГУН

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода (но до 6,67%). Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита.

Белый чугун чрезвычайно тверд, но очень хрупок, и в качестве конструкционного материала практически не применяется, а используется как сырьё при получении стали.

Серые чугуны подразделяются на :

1. Cерыес пластинчатой или червеобразной формой графитовых включений;

2. Высокопрочныешаровидный графит;

3. Ковкиехлопьевидный графит. Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления В при растяжении в . Серый чугун обозначают буквами «СЧ» (ГОСТ 1412085), высокопрочный  «ВЧ» (ГОСТ 7293-85), ковкий «КЧ» (ГОСТ 1215-85).

СЧ10серый чугун с пределом прочности при растяжении 100Мпа;

ВЧ70высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 700 МПа;

КЧ35ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа.

Для работы в узлах трения со мазкой пременяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1,АЧС-6,АЧВ-2,АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧантифрикционный чугун: С – серый, Ввысокопрочный, Кковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу1585-79.

Изделия из чугунов получают методом литья. Из них изготавливаются сложные по форме детали (корпуса двигателей, станины станков, корпуса турбин, насосов, компрессоров, коленчатые валы двигателей, колеса центробежных насосов и т.д.

Гл.2 СТАЛИ

Производство стали

Сталью называются сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие менее 2,14 % С.

Стали широко применяются во всех сферах жизнеде­ятельности человека. В промышленности сталь являет­ся основным материалом, широко применяемым в ма­шиностроении, а также для изготовления различного инструмента. Она сравнительно недорога; обладает цен­ным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств; производится в больших ко­личествах.

Главной составляющей, определяющей свойства сталей, является углерод. С увеличением процентного со­держания углерода прочность стали повышается, а спо­собность к пластической деформации понижается. Кроме углеродистых в автомобилестроении широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения тех или иных свойств дополнительно вводят хром, никель, молибден и другие элементы.

Сера и фосфор относятся к вредным примесям. Сера уменьшает способность к ковке и свариваемости дела­ет сталь ломкой при нагреве (красноломкость). Фосфор придает стали хрупкость в холодном и горячем состоя­нии (хладноломкость).

Исходными материалами для получения стали служат: передельный чугун, стальной лом и ферросплавы.

Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удале­нии избытка углерода и примесей с помощью окисли­тельных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.

Состав, свойства и качества сталей в значительной степени зависят от способа ее производства. Основны­ми способами производства стали являются:

• кислородно-конвертерный;

• мартеновский;

• электродуговой.

Общая классификация сталей

Стали классифицируют по:

• химическому составу;

• структуре;

• назначению;

• качеству;

• степени раскисления.

По химическому составу стали подразделяют на:

• углеродистые (низкоуглеродистые до 0,2% С, среднеуглеродистые 0,2—0,45; высокоуглеродис­тые, содержащие более 0,5 % С);

• легированные (сумма легирующих элементов у низ­колегированных сталей до 2,5%; у среднелегированных 2,5—10,0 %; у высоколегированных — бо­лее 10,0 %).

При определении степени легирования содержание углерода во внимание не принимают, марганец и крем­ний считаются легирующими элементами при их содер­жании более 1 и 0,8 % соответственно.

При обозначении марок стали используют следую­щие обозначения химических элементов: Г — марганец, М — молибден, Д — медь, Р — бор, С — кремний, В — вольфрам, Ю — алюминий, П — фосфор, Н — никель, Ф — ванадий, Б — ниобий, А — азот, X — хром, Т — титан, К — кобальт, Ц — цирконий.

Для маркировки стали в России пользуются опреде­ленным сочетанием цифр и букв, показывающих при­мерный химический состав стали.

Первые цифры в марке стали указывают содержание углерода в сотых долях процента. Если в начале марки­ровки перед буквами стоит одна цифра, то она выража­ет содержание углерода в десятых долях процента; при содержании углерода свыше 1 % цифру перед буквами не ставят.

Далее в маркировке следуют буквы, показывающие наличие соответствующих легирующих элементов в со­ставе стали. Цифры за буквами показывают среднее (ок­ругленное до 1) процентное содержание легирующего элемента. При этом, если содержание элемента до 1,5 %, цифра не ставится. В отдельных случаях может быть указано более точно содержание легирующего элемен­та. Например, сталь 32Х06Л — содержит в среднем 0,32 % С и 0,6 % Сr. Последняя буква «Л» указывает, что сталь литейная.

Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву «А». Высо­кокачественная сталь содержит меньше серы и фосфо­ра, чем качественная.

Некоторые стали специального назначения выделены и отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква и ставится впереди:

Ж — хромистая нержавеющая сталь;

Я — хромоникелевая нержавеющая сталь;

Р — быстрорежущая сталь;

Ш — шарикоподшипниковая сталь;

Е — электротехническая сталь.

Структура стали — менее устойчивый классификационный признак, так как зависит от скорости охлажде­ния (толщины стенки отливок), степени легирования, Iк-жима термообработки и других изменяющихся факторов)!}, но структура готового изделия позволяет объективно оценивать его качество.

На формирование структуры стали в наибольшей сте­пени влияет углерод. Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита. Количество цементита в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшают­ся вязкость, относительное удлинение и сужение.

Кремний слабо влияет на структуру и механические свойства углеродистой стали, но как раскислитель он способствует улучшению литейных свойств.

Марганец является хорошим десульфуратором и раскислителем (уменьшает вредное влияние серы и кисло­рода); способствует повышению механических свойств стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость).

Сера является вредной примесью в стали, ее содер­жание не должно превышать 0,06 %. С железом сера образует химическое соединение — сульфид железа (лег­коплавкий эвтектический сплав), располагающийся обычно по границам зерен, металлической матрицы. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтектика рас­плавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание.

Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механичес­кие свойства стали, в особенности пластичность, удар­ную вязкость и предел выносливости, а также ухудша­ют свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содер­жание его не должно превышать 0,08 %. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кри­сталлическую решетку. При этом увеличиваются преде­лы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повыша­ет порог хладноломкости стали.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Концентрируясь по границам зерен, они повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хруп­кому разрушению. Например, хрупкие оксиды при го­рячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кис­лород, азот, водород — являются постоянными приме­сями в стали. Кроме них в стали могут быть случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из стального лома (скра­па) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд дру­гих элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах и не оказывают существенного влияния.

По назначению стали делятся на три группы:

— конструкционные стали, предназначенные для из­готовления деталей машин и элементов строитель­ных конструкций. Подразделяются на:

обыкновенного качества;

улучшаемые;

цементуемые;

автоматные;

высокопрочные;

рессорно-пружинные.

— инструментальные стали, подразделяют на под­группы по изготовлению:

режущего инструмента; измерительного инструмента; штампово-прессовой оснастки.

— стали специального назначения с особыми физиче­скими и механическими свойствами:

нержавеющие (коррозионно-стойкие);

жаростойкие;

жаропрочные;

износостойкие и др.

По качеству стали классифицируются на:

• обыкновенного качества, содержат до 0,06% S и 0,07 % Р;

• качественные, содержащие до 0,035 % S и 0,035 % Р;

• высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р;

• особо высококачественные — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом её производства. Однородность химического состава, стро­ение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов.

По степени раскисления стали классифицируют на:

• спокойные (сп);

• полуспокойные (пс);

• кипящие (кп).

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затверде­вают в изложнице спокойно, без газовыделения, с обра­зованием в верхней части слитков усадочной раковины.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повы­шенное количество кислорода, который при затверде­вании слитка частично реагирует с углеродом и выделя­ется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.

При прокатке слитков газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листовой прокат из та­кой стали предназначен для изготовления деталей кузо­вов автомобилей вытяжкой, имеет хорошую штампуемость в холодном состоянии.

Полуспокойные стали по степени их раскисления за­нимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в пла­вильной печи и в ковше, а окончательно — в изложни­це за счет содержащегося в металле углерода.

Углеродистые стали

Углеродистые стали относятся к числу самых распро­страненных конструкционных материалов. Объем их производства достигает 80 % от общей выплавки стали.

Достоинствами конструкционных углеродистых ста­лей являются удовлетворительные механические свой­ства в сочетании с технологичностью обработки; недо­статками — высокая критическая скорость закалки, небольшая прокаливаемость (до 15 мм).

Выпускают углеродистые стали трех групп:

• обыкновенного качества;

• качественную (общего назначения);

• специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Углеродистые стали обыкновенного качества выпуска­ют в виде проката.

Маркируют их буквами «Ст». Индексы, стоящие справы от номера марки, означают: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква «Г», что означает повышенное содержание марганца. Категорию стали (по требованиям к нормируемым показателям химическо­го состава и механических свойств) обозначают соответ­ствующей цифрой правее индекса степени раскисления.

Например, Ст5ГпсЗ означает: сталь марки Ст5 с по­вышенным содержанием марганца, полуспокойная, тре­тьей категории. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например СТ4пс.

Углеродистые стали обыкновенного качества применяют для изготовления различных металлоконструкций, ненагруженных деталей машин и механизмов, крепеж­ных изделий. Стали марок Ст5 и Ст6 предназначены для производства рельсов, железнодорожных колес, валов и шкивов грузоподъемных машин и механизмов.

Углеродистые качественные стали поставляют в виде проката с гарантированными механическими свойства­ми и химическим составом.

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процен­та. По степени раскисления сталь подразделяют на ки­пящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква «Г» в марках сталей указыва­ет на повышенное содержание марганца (до 1 %).

Углеродистые качественные стали применяют в ма­шиностроении для изготовления методом штамповки деталей кузовов автомобилей, корпусов и кожухов (сталь 08кп, сталь 05кп, сталь Юкп), сварных конструкций, ре­зервуаров, емкостей, труб средней прочности (сталь 08сп, сталь Юсп), малонагруженных зубчатых колес ку­лачков осей (сталь 10, сталь 20, сталь 25).

Применение специальных методов обработки (закал­ки, нормализации, улучшения) позволяет использовать углеродистые качественные стали для изготовления де­талей, испытывающих циклические нагрузки (стали 40, 45, 55, 60). Стали с повышенным содержанием углеро­да и марганца (стали 65, 70, 75, 80, 60Г, 70Г) применяют в качестве рессорно-пружинных.

Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относятся стали с высокими технологическими характеристиками (повышенная обрабатываемость реза­нием, хорошая свариваемость и др.). Они предназначе­ны в основном для изготовления изделий массового производства.

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость ре­занием. При обработке таких сталей на станках-автома­тах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шерохова­тость обработанных поверхностей.

Автоматные стали маркируют буквой «А» и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автомат­ной стали: А12, А20, А30, А40Г. Из стали А12 изготовля­ют неответственные детали, все остальные марки авто­матной стали пригодны для изготовления ответственных деталей, работающих при значительных напряжениях и повышенных давлениях.

Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.

Котельная сталь применяется для изготовления деталей и устройств, работающих под давлением (паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и др.). Они работают при переменных давлениях и температуре до 450°С, хорошо свариваются. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологи­ческую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием.

Выпускают следующие марки углеродистой котель­ной стали: 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К и поставляют и виде листов толщиной до 200 мм.

Легированные стали

Для улучшения физических, химических, механиче­ских и технологических свойств стали легируют, т. е. вводят в состав дополнительные элементы (хром, ни­кель, молибден и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Влияние легирующих элементов. Легирующие элемен­ты вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности.

В значительной степени повышению конструкцион­ной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости.

Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и способствует хрупкому pазрушению стали.

Хром в количестве до 2 % оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали.

Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в количестве от 1 до 5 %.

Марганец вводят в сталь до 1,5 %. Он заметно повы­шает предел текучести стали, но делает сталь чувстви­тельной к перегреву.

Кремний значительно повышает предел текучести ста­ли и при содержании более 1 % снижает вязкость и по­вышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам в количестве 0,2—0,4 % и 0,8— 1,2 % соответственно, в комплексно-легированных ста­лях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства.

Ванадий и титан вводят в небольшом количестве (до 0,3 % V и 0,1 %Т\) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна.

Бор вводят для увеличения прокаливаемоcти и в очень небольших количествах (0,002—0,005 %).

Строительные низколегированные стали с повышен­ным содержанием марганца (Г1 — 0,4—0,7 % и Г2 — 1,2—1,6 %) и кремния (0,6—1,2 %) после горячей про­катки или термической обработки используют для из­готовления сварных и клепаных конструкций строи­тельных ферм, конструкций мостов, рам и т. п. Марганцовистую сталь марок 19Г и 14Г применяют для изготовления магистральных нефтепроводов, стали 35ХС, 25Г2С — для производства арматуры обычных и предварительно напряженных железобетонных конст­рукций.

Низколегированные стали после прокатки значи­тельно превосходят по техническим свойствам углеро­дистые стали. Оптимальное сочетание их свойств дости­гается при введении нескольких легирующих элементов (например, Стали 10Г2С1Д, 15Г2СФ, 14Г2АФД и др.). Конструкции, эксплуатируемые при низких температу­рах окружающей среды, выполняют из сталей, легиро­ванных никелем.

Низколегированные низкоуглеродистые стали хоро­шо свариваются. Свойства сварных швов и прилегающих к ним участков близки к свойствам основного ме­талла. Стали, используемые для сварных конструкций, содержат алюминий или титан, предотвращающие ук­рупнение зерна металла в околошовной зоне. Легиро­вание медью, никелем, хромом, фосфором способству­ет увеличению коррозионной стойкости сталей в газовоздушных и влажных средах.

Машиностроительные цементуемые легированные ста­ли. Стали этой группы содержат 0,1—0,3 % углерода и 0,2—4,4 % легирующих элементов.

Эксплуатационные свойства изделий из низко- и средне легированных сталей определяются сочетанием свойств поверхностного слоя и сердцевины. Прочност­ные свойства слоя на рабочей поверхности изделий главным образом обусловлены содержанием в нем угле­рода. По механическим свойствам после термообработ­ки (цементации) стали этой группы подразделяют на среднепрочные (  700 МПа) и стали повышенной прочности ( > 700 МПа).

Цементуемые легированные стали применяют для из­готовления нагруженных деталей, испытывающих зна­копеременные и ударные нагрузки (зубчатых колес, ва­лов, кулачков и т. п.). Характерные представители этой группы — стали 15ХФ, 15Х, 20Х — отличаются средней прочностью. После закалки в масле сердцевина деталей из таких сталей упрочняется, но поверхностный слой чувствителен к надрезам. Применяют их для изготовле­ния небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках.

К сталям повышенной прочности относят комплекс­но легированные и экономно легированные. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А применяют для изготовле­ния деталей средних и больших размеров, работающих » условиях интенсивного изнашивания при повышен­ных нагрузках (зубчатых колес, поршневых пальцев, осей и др.).

Особо ответственные детали — зубчатые колеса авиа­ционных двигателей, судовых редукторов — изготовляют из сталей Г8Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, которые мало разупрочняются при отпуске. Они могут быть использованы и без цементации после закалки и отпуска.

Экономно легированными сталями 18ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГТ можно заменить хромоникелевые. Такие стали приме­няют для изготовления ответственных деталей крупно­серийного и массового производства.

Машиностроительные улучшаемые легированные ста­ли используются преимущественно после термической операции — улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500—-600 °С на сорбит).

Улучшаемые легированные стали характеризуются содержанием углерода 0,3—0,5 % и легирующих элемен­тов не более 5 %. Основное их назначение — изготовле­ние ответственных деталей машин, эксплуатируемых при воздействии циклических и ударных нагрузок. По­этому они должны обладать высоким пределом текуче­сти, низкой чувствительностью к концентрации напря­жений, достаточными вязкостью и пластичностью. Требуемый комплекс служебных характеристик сталей обеспечивается их улучшением, наличием сквозной прокаливаемоcти, мелкозернистой структуры и недопущением отпускной хрупкости.

Хромистые стали ЗОХ, 40Х, 50Х применяют для из­готовления средненагруженных деталей машин и меха­низмов, технологической оснастки.

Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) марок 30ХГСА, 35ХГСА отличаются сочетанием хороших ме­ханических и технологических свойств. Хорошо свари­ваются и штампуются. Широко применяются в автомо­билестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 50ХН обладают высокой прокаливаемостью в сочетании с достаточными прочно­стью и вязкостью. Из них изготовляют ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38НХЗМА, 38ХНЗМФА относятся к числу наиболее прочных улучшаемых сталей. Введение никеля способствует сниже­нию порога хладноломкости и повышению прокаливаемости стали. Легирование молибденом и вольфрамом обеспечивает повышение механических свойств стали, стойкости ее к воздействию повышенных температур (до 450°С). Используют такие стали для изготовления особо ответственных крупных деталей — валов и рото­ров турбин, компрессоров, редукторов. Недостатки этой группы сталей — трудность обработки резанием.

Мартенситостареющие высокопрочные стали. Широ­кое применение получили среднеуглеродистые стали, упрочняемые закалкой и низким отпуском (180—200°С). Прочность таких сталей определяется содержанием в них углерода и практически не зависит от легирующих элементов, которые вводят для улучшения прокаливаемости стали, устойчивости ее после отпуска. Легирова­ние никелем в сочетании с другими элементами снижает чувствительность деталей из этих сталей к надрезам.

Мартенситостареющие стали — безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном, алюминием, хромом п другими элементами.

Стали этой группы, (Н18К9М5Т, Н12К1510, Н10X11М2Т) являются перспективными конструкцион­ными материалами. Высокие механические свойства них сталей достигаются за счет старения мартенсита, легирования твердого раствора и закалки на воздухе при температурах 800—860°С. Образующийся пересыщен­ный железоникелевый мартенсит сочетает достаточно высокую прочность и пластичность. В основном упроч­нение сталей достигается в результате старения при 450-500°С.

Мартенситостареющие стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали и теплоустойчивы до 500—700°С. Достоинством сталей намного класса является высокая технологичность их переработки. Они имеют

практически неограниченную прокаливаемость, хорошо свариваются, легко обрабаты­ваются давлением, резанием даже в закаленном состо­янии; при термической обработке не подвергаются ко­роблению.

Мартенситостареющие стали находят широкое при­менение для изготовления ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и криогенной технике.

Пружинные стали. Стали с высокими пределами уп­ругости и выносливости, сочетающимися с достаточной их пластичностью и вязкостью, применяют для изготов­ления упругих элементов общего назначения — пружин, рессор, амортизаторов и т. п.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств в стали вводят не менее 0,5 % углерода, их подвергают закалке и отпуску.

Упругие элементы простой формы изготовляют из термически обработанных сталей. Крупные пружины получают навивкой отожженной проволоки.

Рессорно-пружинные стали относят к классу перлит­ных. Основными легирующими элементами таких сталей являются кремний, марганец, хром, ванадий, никель. Легирование обусловливает в основном повышение прокаливаемости стали, предела ее выносливости, сниже­ние остаточных деформаций.

Кремнистые стали 50С2, 55С2, 60С2 имеют высокий предел текучести и используются для изготовления рес­сор автомобилей, торсионных валов, пружин и др.

Стали марок 60С2ХА, 60С2ФА применяют для высоконагруженных рессор и пружин.

Стали марок 70СЗА, 60С2ХА, 60С2Н2А обладают наиболее высокими механическими свойствами и идут на изготовление нагруженных и ответственных упругих элементов.

Поверхностные дефекты изделий из таких сталей рез­ко снижают долговечность пружин и рессор. Поэтому срок их службы повышают поверхностным наклепом.

Износостойкие конструкционные стали обладают вы­соким сопротивлением изнашиванию, для чего вводят легирующие добавки или применяют специальные мето­ды обработки в зависимости от условий эксплуатации.

Шарикоподшипниковые стали по составу и структуре относят к классу инструментальных. Содержание угле­рода в них — около 1 %. Для увеличения прокаливаемости в состав стали вводят легирующие элементы (Сг, Si, Мп), содержание которых зависит от размеров деталей. Например, сталь марки ШХ6 применяют для деталей с максимальным размером до 10 мм, а ШХ15ГС — свыше 30 мм, крупногабаритные детали изготовляют из стали 20Х2Н44. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионностойкую высокоуглеро­дистую сталь 95X18.

Высокомарганцовистая сталь марки Г13Л применяет­ся для деталей, эксплуатируемых при воздействии удар­ных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп. Износостойкость этой стали после наклепа повышается. Сталь Г13Л плохо обрабатывается резанием, поэто­му изделия из нее получают ковкой или литьем.

Применяют сталь Г13Л для изготовления дробильно-размольного оборудования; деталей экскаваторов, гусеничных тракторов.

Графитизированная сталь применяется для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения, скольжения. Эту сталь получают из высокоуглеродистой стали (1,5—2 % С) с повышенным содержанием крем­ния, который способствует графитизации.

Графит играет роль смазочного материала, предотвра­щающего схватывание контактирующих поверхностей.

Коррозионностойкие стали. К коррозионностойким относят металлические материалы, не разрушающиеся под воздействием коррозионных сред. Коррозионно-стойкие стали подразделяют на два основных класса: хромистые и хромоникелевые.

Хромистые стали обладают высокой коррозионной стойкостью, которая

повышается после термической обработки и придания высокой чистоты поверхности изделий (шлифованием, полированием).

Стали марки 3X13, 4X13 используют для изготовле­ния хирургических инструментов: Х17, Х25Т — обору­дования химических заводов; Х25Т, Х28 — деталей, экс­плуатируемых в высокоагрессивных средах.

Хромоникелевые стали, легированные хромом и нике­лем (или марганцем), обладают более высокой устойчи­востью к коррозии по сравнению с хромистыми. Стали этого класса (18 % Сr, 9—10 % Si) технологичны при обработке давлением, хорошо свариваются, однако име­ют низкие показатели литейных свойств и обрабатыва­емости резанием.

Для устранения этого недостатка стали дополнитель­но легируют титаном и ниобием (стали 04Х18Н10, 08Х18НЮ, 12Х18Н10Т) и используют в авиа-, судо-, машиностроении.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали сопротивляют­ся окислению (образованию окалины) при высокой тем­пературе. Свойство жаростойкости стали придает хром. Для повышения жаростойкости хромистых сталей в них вводят алюминий и кремний.

Наиболее распространены жаростойкие стали, содер­жащие:

• хром и никель (сильхромы);

• хром и алюминий (хромали);

• хром, кремний и алюминий (сильхромали). Типичные представители жаростойких сталей — 40Х9С2, 10Х13СЮ, 12X18Н9Т, Х8СМ, Х8С2М. Из этих сталей изготовляют, например, клапаны двигателей внутреннего сгорания.

Жаропрочные стали сохраняют или мало снижают механические свойства и обеспечивают эксплуатацию изделий при температурах свыше 500°С.

По содержанию легирующих элементов жаропроч­ные стали разделяют на низко-, средне- и высоколеги­рованные. Существуют классификации жаропрочных сталей в зависимости от их назначения.

Для изготовления изделий, эксплуатируемых при температурах 350—400°С, применяют стали 15, 20, 25, 30, 40 и 45; для деталей с рабочей температурой среды 500—580°С — низкоуглеродистые стали, легированные кобальтом, молибденом и ванадием (16М, 25ХМ, 12Х1МФ).

Нагруженные детали установок с температурой рабо­чей среды 450—470°С изготовляют из хромистых сталей. Для повышения эксплуатационных характеристик ста­ли дополнительно легируют ванадием, вольфрамом, молибденом, ниобием и титаном. Эти элементы, обра­зуя карбиды, увеличивают жаропрочность стали. Леги­рование бором, цирконием, церием, а также азотирова­ние способствуют дополнительному увеличению ее жаропрочности. Для достижения оптимальной жаро­прочности высокохромистые стали 15Х11МФ и IХКВНМФ закаливают в масле при 1000—1060°С и от­пускают при 700—740°С. Еще более высокой жаропроч­ностью обладают стали 4ХН14В2М и 4Х15Н7Г7Ф2МС, применяемые для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Инструментальные стали и твердые сплавы

Инструментальные стали предназначены для изготов­ления режущего и измерительного инструмента. К пой группе сталей относят углеродистые и легирован­ные стали с высокими твердостью и износостойкостью.

Особенно перспективны быстрорежущие стали, отличающиеся высокой теплостойкостью, что позволяет произво­дить обработку металлов резанием с повышенной скоростью. Методами порошковой металлургии получают

сплавы повышенной твердости, износостойкости и теплостойкости, которые используют при изготовлении инст­румента, применяемого при высоких скоростях резания.

Стали для режущего инструмента. Основными критериями выбора стали для изготовления режущего инструмента являются ее износо- и теплостойкость, а также стали должны обладать твердостью, превышающей твер­дость обрабатываемого материала, и высокой прочнос­тью в сочетании с достаточной вязкостью.

Углеродистые стали марок У7, У8, У10, У11, У12, У13 обыкновенного качества или высококачественные при­меняют при изготовлении инструмента для резания ма­териалов низкой твердости с небольшими скоростями.

Сталь У9 применяется для изготовления деревообра­батывающего инструмента.

Стали У10, У11, У12 идут на изготовление металло­режущего инструмента: резцов, сверл, метчиков, пла­шек, напильников.

Стали У8, У9, У10 применяются при изготовлении измерительного инструмента — скобы, калибры и т. п.

Низколегированные стали с небольшой прокаливаемостью применяют для изготовления инструмента, рабо­тающего при температурах до 200—260°С. Эти стали, для получения эксплуатационных характеристик, подверга­ют неполной закалке и низкому отпуску. Закалку про­изводят в масле или горячих средах.

Сталь марки 7ХФ применяется при изготовлении инструмента, работающего с ударными нагрузками — зубила, пуансоны, стамески, долота и т. п.

Сталь марки ХВ4 отличается особой твердостью и износостойкостью и используется при изготовлении инструмента для чистовой обработки металлов (развер­тки, шаберы, гравировальные резцы, пилы по металлу и резцы для обработки твердых металлов резанием).

При изготовлении высокопроизводительного инстру­мента, предназначенного для работы с высокими ско­ростями резания, применяются быстрорежущие стали. Главным достоинством последних является высокая теп­лостойкость (обеспечивается введением значительного количества карбидообразующих элементов: W, Мо, V, Со).

Требуемую теплостойкость быстрорежущие стали приобретают после закалки и многократного отпуска.

Для повышения износостойкости инструмент из быстророрежущих сталей подвергают цианированию.

По режущим свойствам быстрорежущие стали разделяют на:

• нормальной производительности (вольфрамовые Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 и вольфраммолибденовые Р6МЗ, Р6М5);

• повышенной производительности, имеющие в своем составе кобальт, или с повышенным содержанием ванадия (марок Р18Ф2, Р14Ф4, Р14Ф4, Р18К5Ф2,РУМ4К8).

Инструмент из быстрорежущих сталей применяют преимущественно для резания высокопрочных и труднообрабатываемых материалов.

Стали для измерительного инструмента обладают вы­сокой износостойкостью и свойством сохранять стабильные размеры и форму изделий в течение длитель­ною времени.

Нысокоуглеродистые хромистые стали марок X, ХВГ, ХГ, 9ХС, 12X1 нашли самое широкое применение для и изготовления измерительного инструмента.

Стали марок 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗА используют при изготовлении плоских и длиномерных измеритель­ных инструментов. Закалку поверхностного слоя производят, как правило, токами высокой частоты (ТВЧ), что позволяет обеспечить высокую износостойкость поверх­ностного слоя инструментов при сохранении стабиль­ности их размеров.

Сталь марки 38ХМЮА используют при изготовлении инструмента большого размера и сложной формы.

Стали и сплавы со специальными свойствами

В современном автомобилестроении широко используют стали и сплавы, обладающие специальными свойствами: заданной проводимостью, низким удельным электросопротивлением, заданным температурным ко­эффициентом линейного расширения, полупроводни­ковыми и магнитными свойствами, способностью вос­станавливать заданную форму изделия.

Металлические проводниковые материалы. Широкое применение в автомобилях нашли металлы и сплавы высокой проводимости: серебро, медь, бронза и латунь.

Серебро применяется для изготовления неокисляющихся проводников электрических контактов ответствен­ных приборов. Специальными методами из серебра из­готовляют покрытия на меди, латуни и непроводящих материалах: керамике, стекле, полимерах.

Медь имеет широкое применение благодаря высокой проводимости, хорошим механическим характеристи­кам, более низкой по сравнению с серебром стоимос­ти. Для защиты меди от окисления токоведущие элемен­ты серебрят.

В отожженном виде медь (марки ММ) имеет более высокую проводимость, в нагартованном (марки МТ) — высокую прочность. Мягкую медь (марки МО, Ml) при­меняют для изготовления жил обмоточных проводов. Медь марок М2, МЗ и М4 используют преимуществен­но для получения сплавов.

В изделиях с повышенными механическими характе­ристиками используют латуни, кадмиевые и бериллиевые бронзы.

Кадмиевую бронзу используют для изготовления трол­лей, скользящих контактов, мембран.

Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.

Алюминий характеризуется достаточно высокой элек­тропроводностью в сочетании с пластичностью и малой плотностью. Он более распространен в природе, чем медь, более стоек к коррозии. Промышленность выпус­кает сверхчистый алюминий марок А 999 и А 995, алюминий высокой чистоты марок А 99 и А 95. Их используют для изготовления электролитических кон­денсаторов, защитных кабельных оболочек. Из алюминия технических марок А 85 и А 7 изготавливают кабе­ли, токопроводящие шины.

Для соединения алюминиевых проводов применяют специальные припои, разрушающие в месте контакта пленку окислов с высоким электрическим сопротивле­нием. В ряде случаев используют биметаллическую про­волоку, состоящую из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Покрытие наносят гальва­ническим способом или плакированием.

Полупроводниковые материалы представляют собой класс материалов с электронной проводимостью, харак­теризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Для получения полупроводников с заданными удельными элек­тросопротивлением и типом проводимости осуществля­ют их легирование.

Согласно химической классификации полупровод­никовых материалов, их разделяют на два класса:

• простые полупроводники, имеющие в своем соста­ве один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se,Те, I);

• сложные полупроводники, являющиеся химически­ми соединениями и сплавами.

Германий (Ge) является одним из наиболее широко применяемых полупроводников, его используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, диодов и др.

Полупроводниковые приборы на основе кремния ра­ботоспособны при более высоких температурах (120— 150°С), чем германиевые (70—85С). Нелегированный кремний применяют при создании силовых выпрями­телей, стабилизаторов напряжения и др.

Также достаточно широко используются в электрон­ной промышленности селен, теллур и их соединения.

Магнитные стали и сплавы характеризуются магнит­ной проницаемостью, коэрцитивной силой и остаточ­ной индукцией. В зависимости от значений этих вели­чин магнитные материалы разделяют на:

• магнитно-мягкие материалы (ферромагнетики), к которым относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои);

• магнитно-твердые стали и сплавы — это высоко­ углеродистые и легированные стали, специальные сплавы.

Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) со­держит менее 0,04 % С применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др.

Электротехническая сталь содержит менее 0,05 % С и кремний, сильно увеличивающий магнитную прони­цаемость. По содержанию кремния эту сталь делят на четыре группы:

• с 1 % Si - марки Э11, Э12, Э13;

• с 2 % Si — марки Э21, Э22;

• с 3 % Si - марки Э31, Э32;

• с 4 % Si — марки Э41, Э48.

Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электро­технических свойств.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45— 80 % Ni, их дополнительно легируют Cr, Si, Mo. Магнит­ная проницаемость этих сплавов очень высокая. При­меняют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых магнитных полях (телефон, радио).

Ферриты — материалы, получаемые спеканием сме­си порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂O₃ и оксидов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). У ферритов очень высокое удельное электросопротив­ление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.

Развитие электроники, вычислительной техники, радиотехники обусловило необходимость разработки магнитных материалов со специальными магнитными свойствами.

В электронной вычислительной технике и автомати­ческих устройствах широко применяют магнитные ма­териалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Ос­новными требованиями к материалам с ППГ являются: заданное значение коэрцитивной силы и минимальное время перемагничивания.

В малогабаритных ЭВМ и оперативных запоминаю­щих устройствах используют тонкие ферромагнитные пленки. Характерная особенность этих материалов — незначительное время перемагничивания (от десятых долей до нескольких наносекунд).

В качестве носителей магнитной записи используют ленты, диски, барабаны и т. д. Магнитную запись производят на специальном материале, состоящем из под­ложки и слоя магнитного вещества на органическом связующем. В качестве подложки используют поливинилхлорид, лавсан, полиамид. Магнитный материал — это обычно высокодисперсные оксиды Fe₂Cr₂0₃, сплавы Fe-Co. Слой магнитного материала наносят электро­литическим осаждением, распылением в вакууме.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением при­меняются для изготовления электронагревателей и эле­ментов сопротивлений (резисторов) и реостатов.

Железохромалюминиевые (Х13Ю4) и никелевые (Х20Н80— нихром) сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электри­ческим сопротивлением, удовлетворительной пластич­ностью в холодном состоянии. Стойкость нагревателей из железохромалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы применяют для бытовых приборов и для промышленных печей.

Стали и сплавы с особыми упругими свойствами. В машиностроении широкое применение получили ма­териалы, обладающие высокими пределом упругости и пределом выносливости. Эти свойства материалов обес­печиваются их термической обработкой — закалкой и последующим отпуском. Среднеуглеродистые стали с упругими свойствами применяют для изготовления пружин, рессор общего назначения. Для изготовления уп­ругих элементов в приборостроении применяют сплавы с особыми упругими свойствами. Пружины, мембраны, сильфоны — изготовляют из сплавов 42НХТЮ, 17ХНГТ, 68НХВКТЮ, 95НЛ и др. Эти сплавы в закаленном со­стоянии достаточно технологичны в переработке, а пос­ле старения приобретают высокие упругость и проч­ность.

Для изготовления упругих элементов особого назна­чения применяют бериллиевые бронзы (БрБ2) с малыми неупругими эффектами при больших упругих деформа­циях. Они упрочняются термической обработкой. Бе­риллиевые бронзы дополнительно легируют титаном и никелем, микролегируют бором (до 0,1 %), магнием (до 0,1 %). Для защиты упругих элементов от воздействия коррозионноактивных сред применяют их оксидирова­ние, кадмирование, никелирование.

Для изготовления упругих элементов, работающих под воздействием электрического тока, применяют сплавы на никелевой и кобальтовой основе: 05НЛМ, ЭП431.

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расши­рения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н — инвар, почти не расширяется при температурах от минус 60 до + 100°С, обладает хорошими служебными характеристиками, технологичен и коррозионностоек. Легированием инвара кобальтом получают суперинвар. Эти сплавы применяют для изготовления деталей при­боров, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур.

Для соединения металлических деталей приборов со стеклянными применяют сплавы Fe-Ni, легированные кобальтом или медью. Для соединений с термостойким стеклом применяют сплав 29НК (29 % Ni, 18 % Со) — ковар. Для нетермостойких стекол применяют сплав 48Н — платинит.

В приборостроении широко используют материалы, состоящие из двух слоев материалов с различными тем­пературными коэффициентами литейного (объемного) расширения — термобиметаллы (сплавы марок 19НХ, 20НТ, 24НХ, 27НМ, 46Н и др. Термобиметаллы приме­няют для изготовления тепловых реле, конденсаторов, сигнальных пожарных устройств.

Сплавы с эффектом памяти. «Эффект памяти механической формы» заключается в свойстве пластически деформированного при повышенных температурах изделия, а затем деформированного при данной температуре до потери первоначальной формы, восстанавливать её при повторном нагреве. «Эффект памяти механической формы» характерен для рядя сплавов: Ti-Ni, Cu-Zn и др. Наиболее типичным представителем таких материалов является сплав Ti-Ni (нитинол).

Сплавы, реализующие эффект памяти, используют для изготовления самораскрывающихся антенн космических аппаратов, в устройствах пожаротушения и др.

Контрольные вопросы

1. Каким образом классифицируют стали?

2. Как подразделяются стали по своему назначению?

3. Какие существуют группы углеродистых сталей?

4. С какой целью осуществляется легирование сталей

5. Какие стали относятся к группе инструментальных