Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция Легированные стали и сплавы
Маркировка легированных сталей. Для улучшения механических, физических, химических и технологических свойств сталь легируют, т.е. вводят в ее состав легирующие элементы - хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, а также марганец и кремний.
Легирующие элементы придают стали специальные свойства, например, жаропрочные, коррозионно-стойкие, быстрорежущие, электротехнические, немагнитные, окалиностойкие и другие стали. Некоторые легированные стали, особенно коррозионно-стойкие, незаменимы в химической промышленности, так как служат конструкционным материалом для изготовления аппаратуры и ее деталей, работающих в условиях одновременного воздействия высоких температур, давлений и агрессивных химических сред. Из них изготавливают мединструмент.
К недостаткам легированных сталей следует отнести высокую стоимость, сложность термической обработки, дефицитность некоторых легирующих элементов.
Маркировка легированных сталей позволяет в краткой форме указать примерный состав стали. В ее основу положена буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначают прописной буквой: хром (X), никель (Н), молибден (М), ванадий (Ф), марганец (Г), фосфор (П), медь (Д), вольфрам (В), ниобий (Б) , титан (Т), цирконий (Ц), кремний (С), кобальт (К), алюминий (Ю), бор (Р).
Двузначное число в начале марки обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента, а однозначное - в десятых долях процента. Цифры, поставленные справа от прописной буквы, показывают примерное (среднее) содержание легирующих элементов (%). Если в стали содержится до 1,5% легирующего элемента, то цифру не ставят. В конце марки высококачественной (со строго регламентированным содержанием вредных примесей S и Р) конструкционной легированной стали ставят букву А; все инструментальные легированные стали и стали с особыми свойствами являются высококачественными, поэтому букву А в обозначениях этих сталей не ставят. Например, сталь марки 12Х2Н4А - легированная конструкционная высококачественная с содержанием в среднем 0,12% углерода, 2% хрома, 4% никеля, остальное - железо (основа) и примеси: нормальные (Мn и Si) и вредные (S и Р).
Некоторые группы легированных сталей принято обозначать буквой, которую ставят первой в марке данной стали. Например, буквой Ш обозначают шарикоподшипниковые стали (ШХ15 и др.); Р - быстрорежущие стали (Р18Ф2 и др.); Е - магнитные высококоэрцитивные стали (ЕХЗ и др.); Э - электротехнические стали (311 и др.), А - автоматные стали (АЗО и др.).
Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей и сплавов. Хром – также очень распространенный легирующий элемент, придает стали прочность, твердость, жаростойкость, но несколько снижает вязкость. При введении более 12% хрома сталь приобретает высокие коррозионные свойства за счет образования на поверхности тонкой оксидной пленки, такие стали называют коррозионно-стойкими (нержавеющими).
Никель - наиболее распространенный легирующий элемент, увеличивает коррозионную стойкость, прочность, твердость, не снижая при этом вязкость стали; однако из-за дефицитности его заменяют в выплавляемых сталях, где это возможно, другими элементами, оказывающими такое же влияние.
Молибден придает стали жаропрочность, повышает вязкость, коррозионную стойкость.
Титан, ниобий упрочняют сталь и, главное, снижают склонность к межкристаллитной коррозии, однако свариваемость стали при этом ухудшается.
Ванадий, вольфрам повышают красностойкость инструментальной стали, а также жаропрочность, жаростойкость (окалиностойкость). Инструмент из этой стали можно применять при высоких скоростях резания, когда выделяется большое количество теплоты вследствие трения инструмента о заготовку.
Кремний повышает жаростойкость, а также твердость и упругость стали, поэтому кремнистые стали называют пружинно-рессорными.
Марганец увеличивает изностойкость, но несколько ухудшает свариваемость.
Медь повышает вязкость, теплопроводность.
Кобальт придает стали ярко выраженные магнитные свойства.
Алюминий повышает окалиностойкость.
Классификация легированных сталей. Легированные стали классифицируют по содержанию легирующих элементов, качеству и назначению.
В зависимости от содержания легирующих элементов различают: низколегированные стали с общим содержанием легирующих элементов не более 3%; среднелегированные стали - от 3 до 10%; высоколегированные стали - свыше 10% и сплавы - более 45%. По качеству (ГОСТ 4543-71) легированную конструкционную сталь подразделяют в зависимости от содержания вредных примесей - серы и фосфора - на качественную (S и Р не более 0,035% каждого) , высококачественную (S и Р не более 0,025% каждого) и особовысококачественную, получаемую новым прогрессивным методом - электрошлаковым переплавом (не более 0,015% S и 0,025% Р). 0собовысококачественные стали применяют для изготовления ответственных, несущих больших нагрузки, деталей машин и механизмов.
По назначению легированные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
Конструкционные легированные стали. Их используют для изготовления деталей машин и механизмов, приборов, ответственных металлических конструкций. К этой группе относят среднелегированные и в основном низколегированные стали. Низколегированная сталь является переходной между углеродистыми и легированными сталями, она по своей основе соответствует низкоуглеродистой стали (0,1 - 0,2% С), легированной кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью, ванадием, ниобием и некоторыми другими элементами в небольших количествах.
Марганцовистые стали выпускают следующих марок: 10Г2, 14Г2, 35Г2, 50Г2 и др. Сталь 10Г2 отличается высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, применяется для изготовления змеевиков, фланцев, штуцеров, пучков труб и крепежных деталей.
Хромистые, хромоникелевые стали делят на цементуемые и улучшаемые. Из цементуемых сталей (например, 15Х, 20Х, 15ХРА, 12Х2Н4А, 18ХГТ) изготовляют детали (зубчатые колеса, шестерни, плунжеры, шлицевые валики, поршневые пальцы, толкатели и др.) относительно небольших размеров, работающие на износ при тяжелых нагрузках и имеющие высокие твердость поверхностного слоя и прочность сердцевины. Улучшаемые стали (например, 35Х, 38ХА, 35ХРА, 37ХНЗА, 38ХНЗМФ) обладают высокой прочностью, пластичностью, высоким пределом выносливости, малой чувствительностью к отпускной хрупкости, хорошей прокаливаемостью (глубина закалки до 20 мм). Из них изготовляют детали крупных сечений, такие, как роторы турбокомпрессоров, фрикционные диски прессов, кривошипы, валы больших диаметров, шестерни крупных размеров и др.
Инструментальные легированные стали. Общие требования для всех инструментальных сталей - высокая твердость и прочность при удовлетворительной вязкости, хорошая износостойкость. Кроме того, инструментальные стали должны хорошо закаливаться, а сталь для режущего инструмента должна иметь высокую теплостойкость (красностойкость). Инструментальные стали применяют для изготовления режущего, ударно-штампового и измерительного инструмента.
Для режущего инструмента применяют низколегированные инструментальные стали с суммарным содержанием легирующих элементов от 1 до 6% и углерода от 0,9 до 1,2%. Основные легирующие элементы для сталей этой группы - хром, вольфрам или ванадий, которые, являясь сильными карбидобразующими элементами, несколько увеличивают твердость закаленной стали и значительно повышают ее износостойкость. Из сталей X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ изготовляют сверла, фрезы, метчики, плашки, развертки, протяжки. На инструменте ставят клеймо с обозначением марки стали.
Для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания и применяемого для обработки труднообрабатываемых материалов, применяют быстрорежущие стали, которые относят к высоколегированным сталям. Быстрорежущие стали обозначают буквой "Р" и следующей за ней цифрой, которая указывает на среднее содержание вольфрама. Кобальт, молибден (более 1%), ванадий, содержащиеся в сталях, обозначают соответственно буквами К, М, Ф и цифрой, показывающей их среднее количество. Содержание хрома (около 4% во всех сталях) в марках не указывают. Стали Р9Ф5, Р9К10, Р18К5Ф2, Р18, Р6М5 сохраняют красностойкость до 6500С и твердость не ниже HRC 60. Высокие режущие свойства быстрорежущей стали достигаются термической обработкой, состоящей из нагрева до 1270 – 12900 С и последующего трехкратного отпуска при 5600 С. Длительность каждого отпуска – 1 ч.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы получают при легировании железа с элементами, повышающими электрохимический потенциал сплава. Таким элементом, в частности, является хром Сплавы, содержащие более 12% хрома, имеют электроположительный потенциал и обладают хорошей коррозионной стойкостью на воздухе, в воде, растворах солей, во многих щелочах, органических, а также в неорганических кислотах (в зависимости от их концентрации) и в других агрессивных средах. В состав этих сталей вводят также никель, марганец, титан, молибден. Коррозионностойкие хромистые стали 08Х13, 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х25Т, 08Х17Т, 14Х17Н2 обладают достаточной стойкостью в условиях загрязненного воздуха, воды, пара, в растворах щелочей слабой концентрации, в некоторых кислотах. Наибольшая коррозионная стойкость указанных марок сталей достигается после термической обработки.
Эти стали используют во всем мире для производства массового медицинского инструмента. В этом случае термообработка (закалка) сталей обязательна. Структура – мартенсит (95-100%). Режим нагрева до 950 – 10800 С с последующим охлаждением на воздухе.
Стали зарубежного производства с аналогичным нормированным химсоставом по коррозионной стойкости превосходят отечественные стали. Такое явление связано с меньшим количеством вредных микропримесей в зарубежных марках и лучшей гармоничностью состава по отношению к углероду в кристаллах и между ними.
Хромоникелевые и хромоникелемолибденовые коррозионно-стойкие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 04Х18Н10, Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ получают увеличением содержания хрома или добавлением небольших количеств никеля к хромистой стали для увеличения ее коррозионной стойкости. Эти стали менее прочны, чем хромистые, но более пластичны. Широко применяют для сварных конструкций, работающих в высокоагрессивных средах, для изготовления деталей машин, используемых в пищевой промышленности, для изготовления некоторых мединструментов. Стали немагнитные имеют аустенитную структуру, не термоупрочняемые. Прочность и твердость сталей увеличивают за счет интенсивной механической обработки - прокатки, ковки, изгибу в холодном состоянии - нагартовке. При этом твердость некоторых промышленных образцов проката достигает 56 НRC (уровень углеродистых сталей). Понизить твердость можно нормализацией (отжигом), полной или частичной, при температуре 5500 С в течение 8 часов. Стали пригодны для обработки ХОШ (холодная объемная штамповка). При этом происходит нагартовка материала, без образования оксидных пленок. С увеличением степени нагартовки появляются магнитные свойства и падает коррозионная стойкость.
Магнитные стали и сплавы в зависимости от магнитных свойств - значений коэрцитивной силы и магнитной проницаемости - делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов, они имеют большую коэрцитивную силу
Магнитно-мягкие стали и сплавы обладают малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью. К ним относят электротехническую нелегированную сталь или технически чистое железо (ГОСТ 11036-75) и железоникелевые сплавы (пермаллои), поставляемые по ГОСТ 12766.15-7.
Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии и сохранять достаточную механическую прочность при высоких температурах (500 - 10000 С) в течение определенного времени от 100 до 100000 ч.
Основными легирующими элементами в этих сталях и сплавах являются хром и никель. Для упрочнения сплава и уменьшения скорости ползучести добавляют тугоплавкие металлы: молибден, ниобий, вольфрам. Разработаны различные марки этих сталей, например 15Х11МФ, 15Х25Т, 09Х14Н16Б, ХН45Ю, 20Х23Н18; 40Х9С2, ХН70Ю, ХН77ТЮР. Жаропрочные стали используют преимущественно в котло- и турбиностроении.