; сплошные линия диаграмма Fe цементит.
В этой области за компоненты системы можно принять Fe и Fe 3 C карбид железа, или цементит. Металлич. основа Ж. с. при т-рах выше 727°С аустенит, представляющий собой твердый р-р внедрения углерода в высокотемпературной модификации железа g-Fe; переохлажденный аустенит обладает высокой ударной вязкостью, прочен. Р-римость углерода при 1147°С 2,14% по массе, при 727 °С 0,8% (линия ES диаграммы). При т-рах < 727°С основа Ж. с. - феррит, твердый р-р углерода в низкотемпературной модификации железа a-Fe; р-римость С при этих т-рах ок. 0,02% (линия PQ
диаграммы); обладает низкой твердостью и относительно низкой прочностью. Цементит Fe 3 C обладает орторомбич. кристаллич. решеткой, элементарная ячейка к-рой содержит 12 атомов Fe и 4 атома С. Обладает высокой твердостью по Бринеллю (НВ ~ 7000 МПа), хрупок. При соединении с др. элементами образует твердые р-ры замещения - легир. цементит. В зависимости от условий образования различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации расплава, вторичный, образующийся из пересыщенного аустенита, и третичный, выделяющийся из пересыщенного феррита.
Цементит - метастабильная фаза, к-рая при медленном охлаждении из расплава или при выдержке при т-ре 1050-1110 °С после затвердевания распадается на своб. углерод (графит) и Fe, происходит т. наз. графитизация. В расплавл. состоянии Fe и С взаимно растворимы. Линия ABCD
диаграммы - линия ликвидуса системы Fe-C, выше к-рой все сплавы находятся в жидком состоянии, линия AHIECF
- линия солидуса, ниже к-рой для сплавов заканчивается . При содержании С 4,3% в Ж. с. кристаллизуется эвтектич. смесь аустенита с цементитом, наз. ледебуритом; при содержании С 0,8% образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, наз. перлитом. В соответствии с диаграммой Ж. с., равновесно охлажденные до комнатной т-ры, содержат разл. структурные составляющие. Количеств. соотношение фаз для сплава любого состава при указанной т-ре определяют на диаграмме состояний Fe-C по правилу "рычага": проводят горизонталь, соединяющую две фазы при искомой т-ре, и по длинам противоположных фазам отрезков горизонтали, разделенной данным составом сплава, определяют количеств. соотношение фаз.
Чугуны.
Содержат обычно более 2% углерода. Его содержание в чугуне обусловлено хим. процессами, происходящими в доменной (см. Печи
)
при выплавке. Плавят чугун из шихты, содержащей окускованный рудный концентрат, в присут. (кокса) и флюсов (обычно СаСО 3 , MgCO 3). Снизу в доменную печь вдувают горячий , обогащенный кислородом. Образующиеся в печи СО 2 , Н 2 и твердый углерод последовательно восстанавливают содержащийся в руде Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 , FeO и железа. Т-ра в горне печи, где скапливается жидкий чугун, достигает 1400-1500 °С. Флюсы, взаимодействуя с рудными компонентами, образуют шлак, в к-рый уходят вредные примеси -S, Р, излишки Мп, пустая порода и нек-рые . В процессе доменной плавки из шихты в чугун переходят Mn, Si, Cr, Ni, P и др. элементы, из кокса - . Восстановит. доменной печи способствует интенсивному насыщению Fe углеродом (3Fe + 2CO: Fe 3 C + CO 2), в результате чего доменный чугун может содержать до 4,6% С. По назначению доменные чугуны разделяют на передельные и литейные. Передельные чугуны, содержащие С > 4%, переплавляют на сталь в конвертерах, мартеновских или электрич. печах. Литейные чугуны, содержащие 2,4-3,8% С, применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья. В зависимости от степени графитизации литейные чугуны подразделяют на белый, половинчатый и серый; в зависимости от формы включений графита - на чугун с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным (изогнутые пластинки) и хлопьевидным графитом; в зависимости от характера металлич. основы - на перлитный, ферритный, ферритно-перлитный; в зависимости от назначения - на конструкционный и чугун со спец. св-вами; по хим. составу на легированный и нелегированный. В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом р-ре Fe, присутствует в связанном состоянии в виде цементита или т. наз. спец. карбидов (в легир. чугунах). Кристаллизация белых чугунов происходит при быстром охлаждении с образованием цементита и перлита. Белый чугун обладает большой твердостью и хрупкостью. Тот же чугун, быстро охлажденный только с поверхности (отбеленный), используют для изготовления деталей, работающих в условиях повыш. абразивного износа. Для улучшения мех. св-в белого чугуна его подвергают графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Условия отжига: отливку выдерживают 10-12 ч при 1000°С, охлаждают до 700 °С и выдерживают 20-30 ч. На графитизацию положительно влияют легирующие элементы Si, Ni, Сu, Al, Ti, CO, отрицательно - Сr, Мn, Мо и W, к-рые способствуют устойчивости цементита. Получающийся чугун носит назв. ковкого, обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, пригоден для работ при низких т-рах. Мех. св-ва ковкого чугуна определяются структурой металлич. основы, кол-вом и степенью компактности включений графита. Наиб. высокими св-вами обладает перлитный ковкий чугун (s раст ~600 МПа) при относит. удлинении d=3%); повыш. пластичностью - ферритный. Ковкий чугун применяется в осн. в автомобиле-, тракторo- и сельхозмашиностроении. В половинчатом чугуне, образующемся в результате неполной графитизации белого чугуна, углерод содержится в виде цементита и графита. Включения графита, приобретающие лепестковую или пластинчатую форму, являются концентраторами внутр. напряжений в металле. Обладает пониженной по отношению к белому чугуну твердостью и прочностью. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повыш. износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). Серый чугун содержит включения графита пластинчатой формы. В зависимости от характера металлич. основы подразделяется на перлитный, содержащий включения графита в перлите, ферритно-перлитный, с включениями графита на фоне участков своб. феррита и перлита, и ферритный, содержащий графитные включения на фоне своб. феррита. Наиб. высокой прочностью и твердостью (s изг = 320 МПа, НВ = 2000 МПа) обладает перлитный серый чугун; ферритно-перлитного чугуна s изг = 200-250 МПа, ферритного ~ 200 МПа. Перлитный серый чугун применяют для изготовления цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и др.; для менее ответств. деталей применяют ферритно-перлитный и ферритный чугун. Повышение мех. св-в серого чугуна достигается путем измельчения и сферодизации графитных включений. Для этого проводится модифицирование чугуна: в жидкий чугун перед разливкой вводят в порошковом виде модификатор, напр. Mg, Се, V, Са и др., частицы к-рых служат центрами графитизации и способствуют образованию графита в виде мелких глобул, имеющих шаровидную форму. Такой модифицированный, или высокопрочный, чугун обладает более высокими прочностными характеристиками (s изг = 1000 МПа, d = 4%), хорошими литейными и технол. св-вами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием). Применяется для замены стальных кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и др.), деталей из ковкого или обычного серого чугуна, а также во мн. областях машиностроения. В пром-сти выплавляют также легир. чугуны со спец. физ.-хим. св-вами, напр., коррозионностойкие чугуны, легированные Ni и Сu; кислотоупорные и щелочеупорные, легированные Сr и Ni; жаростойкие, легированные Al, Si, Мо; антифрикционные, легированные Si, Mn, Сr и Сu. Получают обычно легир. чугуны спец. доводками в ковше, электропечах и вагранках (термич. обработка, добавление ферросплавов и др.).
Стали.
Содержат менее 1,5-2% углерода. Осн. способы произ-ва стали кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный. Наиб. прогрессивные - кислородно-конвертерный и электросталеплавильный; объем мирового произ-ва стали, выплавленной этими способами, неуклонно растет. Кислородно-конвертерный способ позволяет выплавлять сталь широкого сортамента, использовать в шихте металлич. лом и сократить продолжительность плавки. Емкость для выплавки стали - конвертер представляет собой ретортообразный резервуар, футерованный доломитовыми и магнезитовыми материалами; оснащен поворотным механизмом, позволяющим разливать сталь. Конвертер через горловину заливают жидким чугуном, к-рый продувается сверху или через днище смесью кислорода с воздухом, прир. газом, нефтепродуктами. После загрузки шихты (железного лома, рудного концентрата, флюсов) в конвертер через горловину вдвигают водоохлаждаемую фурму и через нее на пов-сть расплава подается чистый . Происходит интенсивное Fe и обильное образование FeO, к-рый активно взаимод. с углеродом и примесями (Si, Mn, Р), окисляя их и восстанавливаясь в Fe Шихтовые материалы при мартеновской плавке - передельный чугун (в твердом или жидком состоянии), рудный концентрат, стальной лом (скрап); флюсы: при основном процессе - , при кислом - кварцевый песок. Тип процесса определяется качеством исходных материалов; руду, загрязненную Р, S, плавят в "основной" печи, футерованной магнезитовым или магнезитохромовым кирпичом, руду более высокого качества - в "кислой" печи, футерованной доломитовым кирпичом. Плавка стали из передельного чугуна и скрапа - окислит. процесс. Во время плавления шихты происходит окисление Fe и примесей. Образующийся FeO активно взаимод. с углеродом по р-ции FeO + С: СО +Fe, вследствие чего содержание углерода в металле снижается. Для интенсификации окисления в металлич. ванне и горения топлива воздушное дутье обогащают кислородом. Однако образующееся при этом избыточное кол-во FeO в конце плавки нежелательно, т. к. кислород является вредной примесью в металле. Для удаления кислорода производят раскисление расплавл. стали с помощью Аl, ферромарганца и ферросилиция. В зависимости от степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную (полностью раскисленную) сталь. Мартеновский способ менее экономичен, чем конвертерный и электросталеплавильный. Широкое применение в черной металлургии получила выплавка стали в дуговых и индукционных электропечах, что позволяет выплавлять сталь со значительно меньшим содержанием в расплаве FeO, точно дозировать шихту при выплавке качеств. сталей, осуществлять плавку в вакууме, под высоким давлением, получать более высокие т-ры расплава; метод экономичен. Шихта для плавки стали в электропечах обычно содержит стальной лом, металлизов. окатыши, ферросплавы, чугун и флюсы. Окисление примесей происходит вследствие продувки жидкого металла кислородом. Для получения стали повыш. качества применяют разл. способы ее послед. рафинирования: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, вакуумно индукционную плавку, плазменно-дуговой переплав, электроннолучевую плавку, внепечное рафинирование в ковше, рафинирование стали продувкой инертными газами. Металлизов. окатыши, частично заменяющие чугун, получают обычно прямым восстановлением Fe из руд с помощью СО, Н 2 и пылевидного каменного угля в результате т. наз. процессов внедоменной металлургии. Существенное значение для качества выплавленной стали имеют процессы ее разливки, формирования слитка и послед. его прокатки. Прогрессивным направлением является непрерывная разливка стали и совмещение ее с прокаткой, что позволяет получать более качеств. прокат с меньшими потерями. Св-ва сталей, как и чугунов, определяются св-вами и количеств. соотношением фаз, присутствующих в сплаве. Сталь, содержащая 0,8% С, наз. эвтектоидной, менее 0,8% С - доэвтектоидной и более 0,8% С заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали в равновесном состоянии состоит из участков феррита и перлита, эвтектоиднои - из участков перлита, заэвтектоидной - из участков перлита и вторичного цементита в виде сетки или мелких глобул. С повышением содержания углерода в стали до 0,9% ее и прочность возрастают, при дальнейшем увеличении содержания углерода прочность снижается, твердость же продолжает расти. Для улучшения мех. св-в стали ее подвергают термич. и химико-термич. обработке, а в нек-рых случаях - сочетанию пластич. и термич. обработки (термомех. обработке). Выбор условий термич. обработки проводится с помощью диаграмм изотермич. превращения переохлажденного аустенита, к-рые строятся для каждой конкретной стали и характеризуют время и характер распада переохлажденного аустенита в зависимости от т-ры переохлаждения. Критич. точки A 1 для сталей с любым содержанием углерода находятся на линии PSK
диаграммы Fe-C и соответствуют превращению перлита в аустенит и обратно, критич. точки Асоответствуют завершению превращения феррита в аустенит для доэвтектоидной стали, точки А Cm
на линии SE -
завершению превращения вторичного цементита в аустенит для заэвтектоидной стали. Осн. виды термич. обработки стали - отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Отжиг подразделяется на отжиг I и II рода. Отжиг I рода не связан с фазовыми перекристаллизациями стали и проводится в аустенитном состоянии при высоких т-рах и длит. выдержках, необходимых для выравнивания концентрационных неоднородностей, разл. рода ликвации (диффузионный отжиг), или при т-рах несколько ниже критич. точки А 1
-для протекания процесса рекристаллизации и снятия наклепа после холодной пластич. деформации (рекристаллизационный отжиг). Отжиг II рода заключается в нагреве стали выше критич. точек, т. е. перекристаллизации, выдержке, медленном охлаждении с выдержкой в процессе охлаждения при 650-680 °С для сферодизации пластинчатого цементита с послед. охлаждением до комнатной т-ры. Такой отжиг приводит сталь в равновесное состояние, смягчает ее, улучшает обрабатываемость резанием. Нормализация заключается в нагреве стали до однофазного аустенитного состояния, выдержке и охлаждении на воздухе. При нормализации достигается структуры, повышение сопротивления стали хрупкому разрушению, улучшение ее мех. обрабатываемости. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве сплава до однофазного аустенитного состояния; заэвтектоидной - в нагреве до двухфазного состояния (аустенит + вторичный цементит) с выдержкой до прогрева и быстрым охлаждением в воде или масле. Закалка проводится с целью придания стали высокой твердости и прочности, что связано с образованием в стали мартенсита, представляющего собой пересыщенный твердый р-р С в a-Fe. При закалке в стали возникают большие внутр. напряжения, повышается ее прочность и твердость. После закалки для повышения вязкости и пластичности стали, снижения внутр. напряжений и твердости применяют отпуск стали, заключающийся в нагреве до т-ры ниже критич. точки A 1 ,
выдержке при этой т-ре с послед. охлаждением с заданной скоростью. При отпуске происходит распад мартенсита, остаточного аустенита, выделение и карбидов. К отпуску прибегают для достижения необходимого комплекса мех. св-в, гл. обр. наилучшего сочетания прочности и пластичности, а также для устранения внутр. напряжений, возникающих при закалке. Совмещение закалки стали с высоким отпуском, применяемое для конструкционных сталей, наз. улучшением; при этом достигается оптим. сочетание прочности и вязкости стали. Для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя стальных изделий, увеличения контактной выносливости их подвергают нек-рым видам химико-термич. обработки - поверхностному насыщению стали углеродом (), азотом (азотирование), бором (борирование), хромом (хромирование) и др. элементами, с послед. закалкой и отпуском. Термомех. обработку стали применяют для повышения ее твердости и прочности при сохранении достаточно высокой пластичности и ударной вязкости. Различают высоко- и низкотемпературную обработки. При высокотемпературной обработке пластич. деформацию проводят в аустенитном состоянии с послед. закалкой; при низкотемпературной -сталь нагревают до аустенитного состояния, охлаждают до т-р, ниже т-р повыш. устойчивости переохлажденного аустенита, проводят пластич. деформацию и быстрое охлаждение. При термомех. обработке обычно происходит измельчение структуры сплава (зерна, мартенсита, карбидов). В зависимости от содержания С и легирующих элементов стали разделяют на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% Мn, 0,37% Si, 0,04% S и 0,035% Р. Легированные стали по хим. составу разделяют на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные -выше 10%. По отношению к углероду легирующие элементы в Ж. с. можно разделить на элементы, не образующие карбидов (Ni, Si, Co, Al и Сu), и карбидообразующие элементы (Сr, Mn, W, Mo, V, Ti, Nb, Та и Zr). По степени возрастающего сродства к углероду легирующие элементы располагаются в ряд: Мn < Сr < W < Мо < Та < V < Zr < Ti < Nb. В сталях могут образовываться как простые, так и сложные этих элементов, напр. Fe 2 W 2 C, WC, W 2 C, Мо 2 С, (Fe, Cr, Mo) 23 C 6 Cr 3 C 2 . В зависимости от осн. легирующего элемента различают хромистые, кремнистые, марганцовистые, никелевые, хромоникелевые, молибденовые и вольфрамовые стали. По структуре, полученной при охлаждении на воздухе из аустенитного состояния, различают стали перлитного, мартенситного, аустенитного, ферритного и ледебуритного классов. К перлитному классу относят углеродистые и малолегир. стали, к остальным - легированные. Легир. стали маркируются обычно буквенно-цифровыми обозначениями. Легирующие элементы обозначают русскими заглавными буквами: Mn - Г; Si - С; Сr - Х; Ni - H; W - B; V - Ф; Ti - T; Мо - М; Со - К; Аl - Ю; Cu - Д; В - Р; Nb - Б; Р - П; перед буквами дается содержание углерода; если содержание углерода равно 1,0%, цифра в марке не ставится. При содержании легирующего элемента > 1,5% после заглавной буквы соответствующего элемента указывают его содержание в целых процентах. В нек-рых случаях перед маркой легир. сталей буквами указывают области их применения. Различают стали общего назначения, автоматные, конструкционные (углеродистые и легированные), инструментальные (углеродистые и легированные), быстрорежущие и др. Стали общего назначения относятся к доэвтектоидным углеродистым сталям. Используются без термич. обработки или после нормализации и закалки. Автоматные стали содержат повыш. кол-во фосфора (<0,1%), характеризуются хорошей мех. обрабатываемостью и повыш. хрупкостью. Хорошо обрабатываются резанием; применяются для изготовления деталей, работающих при невысокой ударной нагрузке и малых коэф. трения. Конструкционные углеродистые стали применяют без термообработки или после нормализации и улучшения для изготовления деталей, не испытывающих больших нагрузок. Конструкционные легир. стали подразделяют на цементируемые и улучшаемые. Первые подвергают цементации - насыщению с поверхности углеродом с послед. полной закалкой и низким отпуском, вторые - улучшению (закалке и высокому отпуску). Пружинно-рессорные стали, легированные Si, обладают высоким пределом упругости (предел пропорциональности @ 1500 МПа); их термич. обработка -закалка и средний отпуск. Инструментальные углеродистые и легир. стали предназначены для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, достаточной ударной вязкостью, прочностью, теплостойкостью. Для режущего инструмента, работающего при небольших скоростях резания, применяют углеродистые заэвтектоидные стали, а также легированные хромокремнистые, хромовольфрамомарганцовистые и др. инструментальные стали. Последние обладают большей прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей хрупкостью, чем углеродистые. Для холодных штампов используют легированные доэвтектоидные стали (хромоникельмолибденовые, хромоникельтитановые и др.), для инструментов холодного деформирования - высокохромистые стали ледебуритного класса, содержащие 12% Сr, для инструментов холодного выдавливания - сложнолегир. стали с содержанием С 0,75%, для инструментов горячего деформирования - сложнолегир. электростали, содержащие 0,4-0,6% С. Быстрорежущие стали применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Они обладают высокой теплостойкостью, твердостью, износостойкостью, высокой прокаливаемостью. Широко применяют сложнолегир. быстрорежущие стали, содержащие W, Мо, Со, Сr, V и др. элементы; содержание в них углерода ок. 0,9%. Наиб. часто применяемая быстрорежущая сталь содержит 5-6% W. Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса, т. к. благодаря высокому легированию в них сохраняются первичные карбиды, образовавшиеся при кристаллизации. Термич. обработка таких сталей состоит из высокотемпературной закалки в масле и трехкратного высокого отпуска. К жаропрочным сталям относят высоколегир. стали, содержащие Сr (0,4 14%), Ni (8-34%), Мо (0,4 0,8%), W (0,5 2%), V (0,15 0,40%). Жаропрочность сплава связана с тугоплавкостью осн. металла, наличием в сплаве твердого р-ра и дисперсной упрочняющей фазы. Жаропрочные стали подразделяют на стали для низких и средних т-р стали ферритного класса, и повыш. т-р (700 750 °С) стали аустенитного класса. Высокохромистые жаропрочные стали подвергают закалке при 1000-1060°С в масле и высокому отпуску. Для работы при т-рах 800 °С применяют обычно сплавы на основе никеля (см. Жаропрочные сплавы
). Коррозионностойкие (нержавеющие) стали стойки против разрушения в хим. агрессивных средах (к-тах, щелочах). Осн. легирующий элемент этих сталей Сr. Хромистые нержавеющие стали разделяют на: 1) мартенситныe стали, легированные Сr (12-18%) и содержащие до 0,4% С; обладают высокими мех. св-вами; 2) ферритные высокохромистые (16-30% Сr) стали; обладают высокой коррозионной стойкостью и пониж. мех. св-вами; 3) аустенитные стали, легированные Сr (12-30%) и Ni (7-20%); обладают высоким пределом ползучести; применяются для работ при т-рах до 700 °С. Термич. обработка хромистых нержавеющих сталей заключается в двойном отжиге или закалке, обработке холодом и старении (длит. выдержка при т-рах, соответствующих отпуску). Электротехнические стали (трансформаторная и динамная) обладают высокой магн. проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании; применяются обычно в виде листа и служат для изготовления разл. магнитопроводов. Осн. легирующий элемент электротехн. сталей Si; содержание его в трансформаторной стали 4%, в динамной до 2,5%. В связи с большим содержанием Si и малым содержанием углерода трансформаторная сталь является сталью ферритного класса. С помощью отжига после холодной или горячей прокатки добиваются получения ребровой или кубич. текстуры этой стали, что значительно повышает ее электротехн. св-ва.
Сплавы с особыми физико-химическими свойствами.
К ним относят нек-рые виды стали и сплавы с высоким (до 50%) содержанием разл. элементов. Среди первых наиб. применение находят износостойкие стали аустенитного класса с высоким содержанием Мn (> 13%). Они обладают высоким сопротивлением износу и повыш. прочностью при довольно низкой твердости (напр., сталь Гадфильда). Такое необычное сочетание противоположных св-в объясняется способностью стали самоупрочняться под нагрузкой. Вторую группу составляют сплавы, обладающие спец. св-вами (табл. 1). Ферросплавы используют в процессе произ-ва Ж. с. в качестве промежут. шихтовых материалов для легирования и раскисления стали, чугуна и нек-рых др. сплавов. Наиб. распространение получили ферросилиций, ферромарганец, феррохром и др. Легирующее действие того или иного ферросплава на сталь заключается в растворении легирующего элемента в Fe или хим. взаимод. его с цементитом, в результате чего в стали образуются твердые р-ры замещения и карбиды соответствующих металлов разл. типа (М 3 С, МС, М 2 С, М 7 С 3 , М 6 С и др.).
Для произ-ва ферросплавов обычно используют руды необходимых элементов, содержащие железо. Способы выплавки ферросплавов: электротермический, электросиликотермический, металлотермический и доменный (табл. 2). 
Историческая справка.
Ж. с. как материал, используемый человеком, имеют многовековую историю. Еще в сер. 2-го тыс. до н. э. человек научился восстанавливать железные руды нагреванием с древесным углем, получая т. наз. сыродутное железо - ковкое и высокопластичное, почти не содержащее углерода. Из полученной таким образом заготовки ("губки") выковывали разл. изделия. Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до н. э. В Китае из высокофосфористых железных руд получали низкоплавкий чугун с высоким содержанием Р (0,8-0,9%), из к-рого отливали разл. изделия. Античным металлургам чугун был известен в 4-5 вв. до н. э. Произ-во чугуна в Европе началось в 14 в. с появлением первых небольших печей (домниц). В России произ-во чугуна началось в 16 в.; при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны. В 18 в. появление печей для плавки литейного чугуна и лома (вагранок) положило начало независимому существованию чугунолитейного произ-ва на машиностроит. заводах. В нач. 19 в. начинается произ-во ковкого чугуна, в сер. 20 в. - легированного. Для получения литой стали древние мастера применяли расплавление мелких кусков чугуна и стали в огнеупорных тиглях (тигельная плавка). Такая плавка позволяла производить высококачеств. сталь особой структуры (узорчатая сталь), обладающую высокой твердостью и упругостью, -булат, применяемый для изготовления холодного оружия исключит. стойкости и остроты. Тигельный процесс просуществовал до нач. 20 в. В кон. 18 в. стало использоваться пудлингование - процесс передела чугуна в мягкие малоуглеродистые стали, получающиеся в тестообразном состоянии на поду пламенной отражательной (пудлинговой) печи. Предложенные во 2-й пол. 19 в. Г. Бессемером и П. Мартеном конвертерный и мартеновский способы выплавки Ж. с. позволили начать массовое произ-во литой стали. В кон. 19 в. начала применяться выплавка в электропечах. До сер. 20 в. главенствующее положение среди способов произ-ва стали занимал мартеновский процесс, на долю к-рого приходилось ок. 80% выплавляемой в мире стали. С 50-х гг. резко возросла роль кислородно-конвертерного способа. Произ-во стали в мире составляет 90-95% произ-ва всех металлов. Мировое произ-во стали ок. 700 млн. т/год (1984). Лит.:
Бокштейн С. 3., Строение и свойства металлических сплавов, М., 1971; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975; Пикеринг Ф., Физическое металловедение и разработка сталей, пер. с англ., М., 1982; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник под ред. М. П. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, 3 изд., т. 1-3, М., 1983; Блантер М. Е., Теория термической обработки, М., 1984; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, 4 изд., М., 1986. Б. Г. Сазонов, Ю. Б. Сазонов.
Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .
Смотреть что такое "ЖЕЛЕЗА СПЛАВЫ" в других словарях:
Макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов) с характерными металлич. св вами. В более широком смысле С. любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед … Химическая энциклопедия
РАЗДЕЛ II МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Гл а в а 3 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Сплавы железа
Конструкционные материалы - это материалы, применяемые для изготовления устройств (машин, механизмов, приборов, аппаратов, транспортных средств и др.), воспринимающих силовую нагрузку. Данные материалы могут быть металлическими (сплавы на основе железа, меди, никеля, титана, алюминия и других металлов), неметаллическими (пластмассы, стекло, резина, керамика, древесина и др.), композиционными (волокнистые, слоистые, порошковые) и др.
Металлические материалы для краткости обычно называют металлами и разделяют на черные (железо и сплавы на его основе - 95 % всей металлопродукции) и цветные (все металлы и сплавы, кроме сплавов железа), в числе которых легкие - алюминий, магний, бериллий, титан, стронций, цезий, барий, натрий, кальций и калий; тяжелые - медь, никель, свинец, олово, цинк, кобальт, сурьма, ртуть, висмут, кадмий; тугоплавкие - вольфрам, молибден, тантал, ванадий, ниобий, рений, хром, цирконий, гафний; благородные (драгоценные) - золото, платина, серебро и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий, иридий) и др.
Предметом нашего рассмотрения являются металлы, имеющие промышленное применение в качестве конструкционных.
Чугун - черный металл, представляющий собой сплав железа с углеродом (более 2 %) и некоторым количеством марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов (см. подразд. 2.1). Основная доля получаемого в доменных печах чугуна предназначается для передела в сталь и такой чугун называют передельным. Кроме того выплавляется литейный чугун и ферросплавы - специальные чугуны с увеличенным содержанием кремния, алюминия, хрома, ванадия, никеля, титана. Ферросплавы применяются для раскисления и легирования сталей.
Присутствие в чугуне свободного углерода С (графита) проявляется в сером цвете излома, и такой чугун называют серым, а если углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде карбида железа Fe3C, то излом чугуна будет светлым, блестящим и чугун называют белым.
Серый чугун является основным материалом машиностроения благодаря хорошим литейным свойствам, малому удлинению, пониженной чувствительности к нагреву, хотя прочность и износостойкость его невысоки. Из этого чугуна преимущественно отливают детали достаточно сложной формы, к которым не предъявляются жесткие требования к сохранению заданных габаритных размеров, и толщина стенок изделий определяется не условиями прочности, а технологией производства. Серые чугуны малой прочности обладают лучшими литейными свойствами, характеризуются меньшими механическими напряжениями и короблением, чем серые чугуны повышенной прочности.
Отливки из серых чугунов средней прочности наиболее широко применяют в машиностроении для изготовления корпусных и опорных деталей станков и машин. Для таких целей используют чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ 18 (здесь буквы «СЧ» - серый чугун, цифры1 - предел прочности при растяжении, кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ 18 - это серый чугун с пределом прочности на растяжение не менее 180 МПа.
Коленчатые валы, детали передач, тяжелонагруженные станины и направляющие, работающие на износ в условиях значительных нагрузок, скоростей и напряжений, производят из серых чугунов повышенной прочности - марки СЧЗО и СЧ35 (ГОСТ 1412 - 85).
Улучшение прочности серого чугуна достигается при обеспечении выделения и равномерного распределения мелкопластинчатого графита путем специальной обработки - модифицирования. Модифицируют чугуны введением в расплав графитизирующих добавок (ферросилиций, силикокальций, силикоалюминий и др.), которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего и получается мелкопластинчатый графит. Такой чугун называют модифицированным, он отличается от обычного серого чугуна более высоким сопротивлением разрыву, улучшенными литейными свойствами, однородностью структуры. Его применяют для изготовления отливок ответственного назначения (дизельные цилиндры, блоки цилиндров, кулачковые коленчатые валы и др.).
Высокопрочные чугуны получают модифицированием серого чугуна магнием (0,5... 1,2 %), кальцием, церием и др. Эти добавки способствуют тому, что графит при кристаллизации чугуна формируется в виде шаров, придавая чугуну высокую прочность на растяжение до 1 ГПа (100 кгс/мм2) и удлинение 8... 10%. Такая пластичность, как у чугуна с шаровидным графитом, отсутствует даже у самых лучших серых чугунов с мелкопластинчатым графитом. Кроме того, благодаря шаровидному графиту чугун приобретает высокую стойкость против истирания и хорошие антифрикционные свойства.
Структура отливки из чугуна при одном и том же составе может быть разной в зависимости от толщины отливки. Чтобы обеспечить необходимую структуру отливок разной толщины, нужно знать их химический состав.
Тонкостенные отливки выполняют из чугунов с содержанием углерода до 3,6 % и кремния до 2,8 %, повышению жидкотекуче-сти чугуна способствует фосфор (но пластические свойства чугуна фосфор снижает; для получения чугуна с высокими пластическими свойствами содержание фосфора не должно превышать 0,08 %). В чугуне для тонкостенных отливок и для художественного литья содержание фосфора может быть до 1,2 %. Антифрикционные свойства отливок повышают добавками никеля и хрома, снижая содержание кремния, серы и фосфора одновременно. Повышенное содержание хрома и никеля в чугуне делает его жаро- и коррозионно-стойким.
Изделия, работающие в условиях повышенного износа (тормозные колодки, щеки камнедробилок и др.), высоких температур (колосники и др.), химического воздействия реагентов (емкости и арматура для агрессивных сред), изготовляют методом литья из белого чугуна. Прокатные валки, вагонные колеса, гидроцилиндры и другие изделия делают из отбеленного чугуна (поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а основная масса изделия имеет структуру и свойства серого чугуна). Отбеленный чугун хорошо сопротивляется изнашиванию.
Белые чугуны бывают легированные и нелегированные. Введение в состав белых чугунов никеля и бора делает их износостойкими, легирование хромом придает им износо- и теплостойкость, а кремнием - кислотостойкость.
По названию легирующего компонента, содержание которого в чугуне наибольшее, легированные чугуны могут называться никелевыми, алюминиевыми, хромистыми и др. Например, легированный никелевый чугун марки ЧН19ХЗШ, обладающий повышенными коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью, содержит 17...20% никеля, 2,5...3,5% хрома и суммарно менее 0,08 % серы. Буква «Ш» в марке означает, что углерод (графит) в структуре данного чугуна имеет шаровидную форму. Алюминиевый чугун марки ЭАЧЮ-22 как жаростойкий и износостойкий материал (буква «А» - антифрикционный) имеет в своем составе
19...25 % алюминия и пластинчатый углерод.
Сплав чугаль - жаростойкий и коррозионно-стойкий чугун, содержащий 19...25 % алюминия. Из него изготовляют детали отжиговых печей, работающих в парах серы, тигли для плавления алюминия и др.
Хромистые чугуны (марки ЖЧХ1 - ЖЧХЗО) предназначены для изготовления жаростойких (буква «Ж» в марке чугуна), коррозионно-стойких и износостойких отливок. Предельная рабочая температура для изделий из хромистых чугунов, содержащих 13... 16 % хрома, составляет 900 °С, а для чугунов с 20... 30 % хрома - 1 200 С.
Ковкий чугун - чугун, характеризующийся по сравнению с серым чугуном более высокими прочностью, пластичностью и вязкостью. Ковкий чугун получают специальной термической обработкой белого чугуна. В результате ковкий чугун может быть со структурой чистого феррита с внедренными в него включениями углерода отжига (графит хлопьевидной формы). У такого чугуна предел прочности при растяжении составляет 0,35...0.4 ГПа (35...40 кгс/мм2) и удлинение 1.5... 15%. Ковкий чугун с перлитной основой имеет предел прочности при растяжении 0,5... 0.6 ГПа (50...60 кгс/мм2), но низкое удлинение 2...4% и значительно меньшее сопротивление удару, чем у ковкого чугуна со структурой феррита. Но главным преимуществом перлитного ковкого чугуна перед ферритыым - высокое сопротивление изнашиванию. Ковкий чугун ориентировочно содержит 0,5... 1,6% углерода, 0,3...0,5% марганца, менее 0,2% фосфора и менее 0,! % серы.
Ковкие чугуны представляют собой наиболее дешевый и удобный материал для изготовления мелких литых изделий сложной формы. Из них получают литьем детали автомобилей, станков, водопроводной арматуры, конвейеров и элеваторов. Достоинством ковкого чугуна является высокое отношение предела текучести к пределу прочности, относительно высокое сопротивление изгибу и кручению, он износостоек, литая поверхность обладает коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается режущим инструментом, имеет малую плотность. Ковкий чугун дешев, доступен и может служить конструкционным материалом.
Ковкие чугуны маркируют по их названию и некоторым механическим свойствам. Например, в марках КЧ 40-4 и ВЧ 60-8 буквы «Ч» - чугун, «К» - ковкий, «В» - высокопрочный, а цифры - предел прочности при растяжении (40 и 60 кгс/мм2, т.е. 400 и 600 МПа) и относительное удлинение в процентах (4 и 8 % соответственно).
Стали по химическому составу разделяют на два класса: нелегированные (углеродистые) и легированные. Нелегированная (углеродистая) сталь - сплав железа с углеродом (0,04...2% С) и постоянными примесями марганца, кремния, серы и фосфора, которые неизбежно присутствуют в связи с условиями его производства. По содержанию углерода нелегированную (углеродистую) сталь подразделяют на подклассы: низкоугаеродистая (до 0,25 % С), среднеуглеродистая (0,25...0,60 % С) и высокоуглеродистая (более 0,60 % С). Легированная сталь подразделяется на подклассы низко-, средне-, высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой, никелевой основе и др. В технике используется классификация сталей по их назначению, качеству и др.
По назначению выделяют группы сталей: конструкционная; инструментальная; топочная и котельная; для железнодорожного транспорта (рельсовая, для колес и др.); подшипниковая; рессорно-пружинная, трубная и др.
По качеству различают группы сталей обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст» (от слова «сталь») и номером марки от 0 до 6 в порядке возрастания прочности; в конце марки указаны буквы, характеризующие способ раскисления: «сп» - спокойная; «пс» - полу-спокойная; «кп» - кипящая, т.е. сталь нераскисленная, менее однородная, так как содержит растворенные газы. Цена на такую сталь снижается примерно на 12 %. Углеродистые стали обыкновенного качества используют в конструкциях, требующих при изготовлении гибки, резки, пробивки отверстий, холодной высадки с большим деформированием металла (элементы котлов и резервуаров, крепежные изделия - заклепки, шайбы, болты). Например, металлические крановые и строительные конструкции делают из стали СтЗпс и СтЗкп.
Стали качественные бывают легированные и углеродистые. Обозначение марок легированных сталей включает в себя примерный химический состав стали. Первые цифры в обозначении, например, конструкционных сталей - среднее содержание углерода в сотых долях процента, а в обозначении инструментальных сталей - в десятых долях процента. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами русского алфавита: азот (не в конце марки) - А, алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, титан - Т, хром - X и др. Цифры, стоящие в марке после букв, указывают примерное процентное содержание соответствующего легирующего элемента. Если содержание элемента около или менее 1 %, то цифра не указывается. Высококачественные легированные стали дополнительно отмечают буквой «А» в конце марки, которая указывает, что в данной стали суммарное содержание вредных примесей - фосфора и серы - содержится менее 0,05 %. Буква «Л» в конце марки - литейная.
Конструкционные качественные углеродистые стали широко применяют в
машиностроении для изготовления разных деталей как термически
обрабатываемых, так и необрабатываемых термическим способом. При
маркировке этого материала после слова «сталь» указывают двухзначную
цифру - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Марки этой
стали: 08; 10; 15; 20;
25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 58; 60; 65; 70. Считается, что закалку
начинает принимать сталь, содержащая 0,30...0,35 % углерода. Когда
необходимо иметь твердую поверхность и мягкую сердцевину, то используют
низкоуглеродистую качественную сталь (например, сталь 20). Из этой стали
изготовляют детали, которые подвергают цементации и закалке до получения
твердости 60...64 HRC, после чего их обрабатывают окончательно.
Среднеуглеродистая качественная сталь (например, сталь 45) закалку принимает, но твердость при этом будет 42...44 HRC. Для деталей, изготовляемых на токарных автоматах, используют так называемые автоматные стали с повышенным содержанием фосфора и серы. Эти стали обозначают буквой «А» и двухзначным числом - содержание углерода в сотых долях процента. Например, автоматная сталь AI2 содержит в среднем 0,12% углерода. Детали из автоматных сталей имеют калиброванный наружный диаметр (для зажима прутка из таких сталей цангой) с малой шероховатостью, они хорошо обрабатываются резанием, образуя обычно мелкую стружку скалывания.
Из конструкционной стали производится большой ассортимент сортового проката простого и фасонного профиля: холоднокатаные (толщиной 0,05...3,6 мм) и горячекатаные (2,2...3,6 мм) ленты, тонкий (0,2...4 мм) и толстый (4... 160 мм) лист, полоса (4...8 мм), широкая полоса (6..,60 мм), изделия круглого, квадратного, шестигранного сечений, уголки (равнобокие и неравнобокие), швеллеры, двутавры, фасонный прокат, трубы (электросварные, бесшовные, волоченые) и др.
Для изготовления стальных изделий методом литья используют специальные углеродистые стали. По свойствам получаемые так называемые отливки разделяют на три группы: I - обыкновенного, II - повышенного и III - особого качества. Стальные отливки, как правило, имеют несколько худшую структуру и соответственно более низкие механические свойства, чем стальные изделия, изготовленные давлением.
Легированная сталь - это сталь, в которой наряду с обычными примесями (углерод, кремний, марганец, сера, фосфор) содержатся специально вводимые легирующие эдементы или кремний и марганец в повышенном количестве. При суммарном содержании легирующих элемен тов до 2,5 % сталь считается низколегированной, 2,5... 10% - среднелегированной и более 10% - высоколегированной. Легирующими элементами служат хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, гитан. По основным легирующим элементам стали называют соответственно хромистыми, никелевыми, хромоникелевыми, молибденовыми и другими и указывают легирующие элементы в марке. Например, в конструкционной высококачественной (буква «А» в конце марки) хромоникелевой стали марки 40ХН2МА содержится 0.4% углерода, примерно 1 % хрома, примерно 2 % никеля и примерно 1 % молибдена.
Коррозионно-стойкие стали также являются конструкционными материалами, широко используемыми в промышленности. Коррозионно-стойкими высоколегированными называют стали, устойчивые к коррозии в воздушной атмосфере, морской и речной воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее известны хромистые (содержат 12...27 % хрома) и хромоникелевые (18 % хрома и 9 % никеля) стали, которые могут иметь в своем составе и другие добавки (титан, алюминий). Коррозионно-стойкие высоколегированные стали можно классифицировать по назначению, выделяя группы конструкционных, инструментальных, кислотостойких, жаростойких, окалиностойких (жароупорных) материалов, а также стали с большим электрическим сопротивлением. Ознакомимся с некоторыми из них более подробно.
Коррозионно-стойкие стали можно также разделить на две большие группы атмосферостойких и кислотостойких (стойкие в агрессивных средах) сталей. Следует заметить, что атмосферные воздействия выдерживают все коррозионно -стойкие стали, однако по экономическим соображениям в качестве атмосферостойких рекомендуется использовать стали марок Х14, 20X13, 30X13, 40X13, Х13Н4Г9 и др. Из указанных сталей изготовляют лопатки для турбин, клапаны гидравлических прессов, шестерни, предметы бытового обихода. Сталь 40X13, используемая для производства хирургического, режущего, мерительного инструментов, принимает закалку (содержит до 0,4 % углерода) и удерживается на магнитном столе при проведении шлифования.
Кислотостойкими являются стали XI7, Х17Н2, Х25, Х28, 20Х18Н9, Х18Н9Т, Х18Н11Б и другие, из которых делают оборудование для азотно-кислотных заводов, баки, трубопроводы, теплообменники, абсорбционные башни. Кроме того, из сталей Х17, Х17Н2 изготовляют оборудование кухонь, столовых, консервных заводов и предметы домашнего обихода.
Сернистой, кипящей фосфорной, муравьиной и уксусной кислотам хорошо противостоит сталь Х18Н12МЗТ, которую и используют для производства соответствующего оборудования и приспособлений, контактирующих с данными средами.
Окалиностойкая сталь противостоит образованию окалины при воздействии на нее газовой атмосферы с высокой температурой. Жаростойкость - способность сплава сопротивляться химическому разрушению в газовых средах при высокой температуре эксплуатации (выше 550 °С). Жаростойкая сталь способна работать в агрессивной среде при высокой температуре, сохраняя механические свойства. С этими сталями будем знакомиться одновременно, так как свойства окалино- и жаростойкости, дополняющие одно другое, стали приобрели благодаря введению больших количеств хрома (до 30 %) и никеля (до 78 %). Повышению жаростойкости инструментальных сталей способствуют также добавки вольфрама и молибдена.
Некоторые жаростойкие стали являются жаропрочными, т.е. могут работать в агрессивной среде и в условиях высоких температур в течение определенного времени в нагруженном состоянии. Например, стали Х18Н25С2 и Х25Н2С2 окалиностойки при температуре до 1 100 °С, жаростойки и кислотостойки и жаропрочны. Их используют для изготовления таких изделий, работающих в сильно нагруженном состоянии, как конвейерные ленты для печей, которые испытывают одновременное силовое воздействие больших перемещаемых термически обрабатываемых изделий и высокой температуры. Стали Х20Н14С2, Х23Н13 и Х23Н18 окалиностойки до температуры 1 ООО °С, они жаропрочны и кислотостойки. Из них делают подвески и опоры в котлах, детали в установках пиролиза газа, сварочную проволоку, трубы и др. Такие стали, как Х9С2, Х12ЮС, Х14Н14В2М (ГОСТ 20072-75), применяют для производства деталей паровых и газовых турбин, пароперегревателей и др., работающих в условиях высоких давлений и температур (до 800 °С), так как они не образуют окалины и жаропрочны. Задвижки, штоки, отдельные детали насосов, трубы и другие изделия, выдерживающие температуру до 650 °С в условиях воздействия паров серной кислоты, выполняют из стали Х6СМ и Х7СМ, которые в этих условиях не окисляются. Детали из стали Х18Н9Т способны работать при температуре нагрева до 600 °С. Эта сталь не подвержена межкристаллитной коррозии (коррозия по границам зерен), не выделяет газов при нагреве и поэтому используется для изготовления вакуумных систем.
Нитраллой - общее название группы сталей (например, 38ХЮ, 38ХМЮА), предназначенных для изготовления деталей, работающих в тяжелых условиях и поэтому специально азотируемых. Легирующими элементами таких сталей являются алюминий, хром, молибден, ванадий, образующие мелкокристаллические твердые нитриды, придающие поверхностному азотируемому слою большую твердость (до 1 200 HV) и износостойкость.
Хромансиль - конструкционная среднелегированная сталь, имеющая в своем составе по одному проценту хрома, марганца и кремния и характеризующаяся благоприятным сочетанием прочности и пластичности. Такую сталь используют в машиностроении для изготовления различных конструкций.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
3. Конструкционные стали
4. Инструментальные стали
Заключение
Список литературы
сталь сплав чугун металл
Введение
Так как технически чистые металлы сравнительно редко применяются в машиностроении из-за недостаточных прочностных свойств, в качестве конструкционных материалов главным образом применяют сплавы. Сплав представляет собой вещество, состоящее из двух и более компонентов, полученное в процессе смешивания этих компонентов в жидком виде. Компонентами могут быть металлы и неметаллы. Кроме главных компонентов в сплаве могут содержаться примеси, которые могут быть полезными, улучшающими эксплуатационные свойства сплава, или вредными, ухудшающими эти свойства. Так же примеси делятся на случайно попадающие в сплав при его приготовлении и специально добавляемые с целью придать сплаву нужные свойства.
После отвердения сплава компоненты образовывают твердый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В твердом растворе один из компонентов (основа) обычно сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой в виде отдельных атомов распределяется внутри этой решетки. В химическом соединении компоненты вступают в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решетки. В механической смеси компоненты обладают полной нерастворимостью и сохраняют каждый свою кристаллическую решетку, и сплав состоит из смеси кристаллов этих компонентов.
Сплавы всегда имеют конкретную основу, по которой их разделяют на группы, так, например, сплавы на основе железа называются черными, к ним относятся стали и чугуны, а сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия имеют малую плотность и называются легкими цветными сплавами, сплавы на основе меди, свинца, олова и ряда других - тяжелыми цветными сплавами, сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута - легкоплавкими цветными сплавами, сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и ряда других металлов - тугоплавкими цветными сплавами.
1. Сплавы на основе железа. Общие сведения
Наиболее распространены в промышленности сплавы на основе железа с добавлением углерода, которые называют железоуглеродистыми сплавами и делят стали и чугуны. При содержании углерода меньше 2,14% сплавы являются сталями, больше - чугунами. Стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство их по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в 10 раз.
По назначению стали подразделяют на следующие группы:
1) Конструкционные стали (машиностроительные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов, а строительные стали - для конструкций и сооружений).
2) Инструментальные стали (обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента).
3) Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства).
В процессах получения черных металлов чугун занимает особо важное место, так как является первичным продуктом плавки из руд в доменных печах. По назначению доменные чугуны делятся на:
1) Передельные чугуны, то есть идущие в переработку на сталь.
2) Литейные чугуны - для производства фасонного литья.
3) Специальные чугуны, или доменные ферросплавы.
Чугун отличается от стали: по составу - более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам - более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
Белый чугун (углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белы цвет и металлический блеск);
Серый чугун (весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8% углерода, из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет);
Половинчатый (часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не более 2% углерода находится в форме цементита, мало используется в технике).
2. Стали. Общие сведения
Одним из важнейших классификационных признаков сталей является их химический состав, так как для получения заданных свойств в них вводят дополнительные - легирующие компоненты.
Так по химическому составу стали разделяют на:
1) Углеродистые стали:
низкоуглеродистые с 0,09 - 0,2% содержания углерода,
среднеуглеродистые с 0,2 - 0,45% углерода,
высокоуглеродистые с более 0,5% угерода;
2) Легированные стали:
низколегированные, содержащие легирующих элементов до 2,5%,
среднелегированные, содержащие легирующих элементов 2,5 - 10%,
высоколегированные, содержащие легирующих элементов более 10%.
Под легированием понимают ввод в основной металл добавок других металлов для улучшения его свойств.
Свойства сталей определяются количеством углерода и примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.
С ростом содержания углерода в структуре стали уменьшается пластичность и увеличивается прочность и твердость. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, потом она начинает уменьшаться. С увеличением содержания углерода также увеличивается порог хладоломкости (при этом снижается ударная вязкость), электросопротивление, коэрцитивная сила, снижается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4%), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.
В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на 4 группы:
1) Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Фосфор искажает пластическую решетку, увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость, вызывает хладоломкость. Сера - вредная примесь, попадает в сталь из чугуна, вызывает красноломкость (повышение хрупкости при высоких температурах), снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание фосфора и серы в стали нежелательно выше 0,03% каждого.
2) Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) - попадают в сталь при выплавке. Примеси внедрения (азот и кислород) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов. Флокены - тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.
3) Специальные примеси специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированными сталями. Марганец и кремний так же могут считаться легирующими элементами, если их содержание более 1,0 и 0,8% соответственно. Фосфор и сера - крайне редко, но все же тоже используются в виде легирующих элементов в некоторых специальных сталях.
4) Случайные примеси.
Основным легирующим элементом является хром. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали.
Бор и марганец увеличивают прокаливаемость, а также повышают порог хладоломкости.
Титан вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
Введение молибдена увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости, увеличивает статистическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
Ванадий измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
Никель повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется молибденом). Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным металлом и применение таких сталей ограничено. Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.
При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают стали - хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетаниемпрочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости. Добавка свинца, кальция улучшает обрабатываемость резанием.
Все конструкционные материалы маркированы, то есть имеют марку (своего рода ярлык), зачастую отражающую в их составе наличие наиболее важных химических элементов.
Принято буквенно-цифровое обозначение сталей. И по типу обозначений стали так же делятся на несколько групп:
1) Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380)
Ст - индекс данной группы сталей.
Цифры от 0до 6 - условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность.
По гарантиям при поставке существуют 3 группы сталей: А, Б и В. А - гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Б - гарантируется химический состав. В - гарантируются и механические свойства, и химический состав.
Индексы кп, пс и сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.
2) Качественные углеродистые стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.
Конструкционные качественные углеродистые стали маркируются 2-значным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.
Сталь 08кп, сталь 10пс, сталь 45.
Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.
Сталь У8, сталь У13.
Инструментальные высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.
Сталь У10А.
3) Качественные и высококачественные легированные стали.
Легирующие элементы имеют условные обозначения буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, К - кобальт, Т - титан, А - азот (указывается в середине марки), Г - марганец, Д - медь, Ф - ванадий, С - кремний, П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, Ц - цирконий, Ю - алюминий.
Легированные конструкционные стали (сталь 15Х25Н19ВС2). В начале марки указывается 2-значное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5%. В указанной марке стали содержится 0,15% углерода, 35% хрома, 19% никеля, до 1,5% вольфрама, до 2% кремния. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.
Легированные инструментальные стали (сталь 9ХС, сталь ХВГ). В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1% число не указывается. Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.
4) Быстрорежущие инструментальные стали (сталь Р18).
Р - индекс данной группы сталей. Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента - вольфрама. Здесь - 18%. Если стали содержат легирующий элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.
5) Шарикоподшипниковые стали (сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС).
Ш - индекс данной группы сталей, Х - указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях соответственно 0,6% и 1,5%. Также указываются входящие в состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1%.
3. Конструкционные стали
К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин, предъявляют следующие требования:
Сочетание высокой прочности и достаточной вязкости;
Хорошие технологические свойства;
Экономичность;
Недефицитность.
Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин. Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести, являющимся основной характеристикой при расчете деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью, сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости. Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости, износу и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали. Высокая конструктивная прочность стали достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества. Решающую роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6%.
Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна. Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств. Металлургическое качество также влияет на конструкционную прочность. Чистая сталь при одних и тех же прочностных свойствах имеет повышенные характеристики надежности. Машиностроительные конструкционные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов. Они классифицируются:
По химическому составу (углеродистые и легированные);
По обработке (цементуемые, улучшаемые);
По назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).
Углеродистые стали различаются по качеству (стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали), содержанию углерода.
Стали обыкновенного качества используют для изготовления горячекатаного рядового проката: балок, швеллеров, уголков, прутков, а также листов, труб и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и другие) и поступают по особым техническим условиям. Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладоломкости понижен закалкой в воде с прокатного нагрева.
Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования и по химическому составу и структуре.
Низкоуглеродистые стали (содержание углерода менее 0,25%) обладают малой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяются для малонагруженных деталей - шайб, прокладок и т.п. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5 % углерода) применяются после нормализации, термического улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. В отожженном состоянии стали хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость невелика, в связи с чем их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу.
Высокоуглеродистые стали (0,6 - 0,8 % углерода) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после термической обработки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статистических вибрационных нагрузок. Из этих деталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. Достоинства углеродистых качественных сталей - дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм.
Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, в тяжелом и транспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали широко применяют для тяжелонагруженных металлоконструкций. Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Цена калиброванной и шлифованной стали выше. Наибольшее распространение в строительстве получили низколегированные стали(из-за своей хорошей свариваемости, то есть свойства сварного соединения и участков, прилегающих к нему - зон термического влияния, близки к свойствам основного металла), а в машиностроении - легированные. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные).
Цементуемые стали используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся воздействию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35%). С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации. Цементуемые углеродистые стали используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки). Твердость на поверхности составляет 60-64 HRC, сердцевина остается мягкой. Цементуемые легированные стали используются для изготовления деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки). Режимы термической обработки и свойства сталей, утвержденные ГОСТ 4543-71, характерны только для образцов (при приемке стали) и не могут быть использованы применительно к изделиям. Свойства стали (детали) определяет конечная термическая и химико-термическая обработка, принятая на конкретном заводе.
Многие детали машин, работающие в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических), такие как коленчатые валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин, изготавливают из среднеуглеродистых сталей и подвергают термическому улучшению. Такие стали хорошо воспринимают ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению. Улучшаемые углеродистые стали дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения, и детали, требующие повышенной прочности. Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.
Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях с помощью соответствующей термической обработки, в мартенситно-стареющих сталях и трип- или пнп-сталях. Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают безуглеродистые (менее 0,03%) мартенситно-стареющие стали, упрочняемые закалкой с последующим старением. Мартенситно-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике. Мартенситно-стареющие стали превосходят по конструктивной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением к хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа. Однако эти стали довольно дорогие. Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями (TRIP от начальных букв - Transformation Induced Plasticity) или ПНП-сталями (пластичность, наведенная превращением). Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости. При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие или легированные высокопрочные стали. Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.
Пружины, рессоры и другие упругие элементы в работе испытывают многократные переменные нагрузки. Особенностью работы является то, что при значительных статистических и ударных нагрузках детали должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям - обеспечение высоких значений пределов упругости, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений. Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке. Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором. В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности. Кроме пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения. Кроме высоких механических свойств и сопротивления релаксации напряжений они должны обладать высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, теплостойкостью и другими особыми свойствами. К этим сталям относятся высоколегированные мартенситные (высокохромистые коррозионно-стойкие стали), мартенситно-стареющие, аустенитные (коррозионно-стойкие, немагнитные, жаропрочные) стали и др.
Шарикоподшипниковые стали подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций. Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома, подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.
Обрабатываемость резанием является одной из важных технологических характеристик стали. Хорошая обрабатываемость резанием повышает производительность труда и сокращает расход инструмента, что имеет особо важное значение для массового производства (авто- и тракторостроения, сельскохозяйственного машиностроения, станкостроения и т.д.).
Поэтому в промышленности широко применяют так называемые автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности. Значительная анизотропия ударной вязкости в сталях повышенной обрабатываемости не позволяет рекомендовать их для деталей, работающих в сложнонапряженном состоянии, а также со значительными концентрациями напряжений.
Коррозией называют разрушение металлов под действие окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействий внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозии. Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550єС), называют окалиностойкой (жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллической и другим видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и внешней агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали, состоящие из основного слоя - низколегированной или углеродистой стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6 мм из коррозионно-стойких сталей или никелевых сплавов.
Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-183єС) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специальные криогенные стали и сплавы с пониженным порогом хладоломкости. Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требование высокой коррозионной стойкости. В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладоломкости.
Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т.д., работающих при высоких температурах. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяются в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750єС. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность. Жаропрочные стали на основе никеля нередко называют нимониками. Эти сплавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т.д.). Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 850єС.
4. Инструментальные стали
Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть способность сохранять высокую твердость при нагреве.
Все инструментальные стали подразделяют на 3 группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400-500єС (содержащие свыше 0,6-0,7% углерода и 4-18% хрома), и теплостойкие до 550-650єС (высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, ледебуритного класса), последние получили название быстрорежущих. Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).
Стали для режущего инструмента после соответствующей термической обработки должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью, так как режущие кромки могут нагреваться до температуры 500-900єС.
Углеродистые инструментальные стали сдержат 0,65-1,35% углерода. Вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.
Легированные инструментальные стали содержат 0,9-1,4% углерода и подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250єС. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью. Стали повышенной прокаливаемости имеют большую теплостойкость, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Общее содержание легирующих элементов до 5%. Эти стали используются для изготовления ударного и режущего инструмента.
Быстрорежущие стали получили свое название за свойства. Вследствие высокой теплостойкости, изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7-1,5% углерода, до 18% основного легирующего элемента - вольфрама, до 5% хрома и молибдена, до 10% кобальта, который повышает теплостойкость. Основными вилами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, про тяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.
Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью и износоустойчивостью, сохранять постоянство размеров в течение длительного времени и хорошо шлифоваться. Постоянство размеров обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени. Для изготовления измерительных инструментов применяются: высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые после соответствующей температурной обработки; малоуглеродистые стали после цементации; нитралои после азотирования на высокую твердость.
Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы), изготавливают из штамповых сталей. Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.
Штампы для холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200-350єС, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали, для более крупных изделий применяют легированные стали, которое обладают лучшей прокаливаемостью. Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью. Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. Довольно часто для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.
Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя (разрушаются) вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, то есть способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того стали должны иметь высокую прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента и теплопроводность для лучшего отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа. Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали.
Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях, где разогрев поверхности при деформировании до 600-700єС.Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии.
5. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами подразделяются на следующие группы:
v Магнитные стали и сплавы:
Ш Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для этого применяют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 1%, легированные хромом или хромом и кобальтом.
Ш Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д. В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05-0,005% углерода, 0,8-4,8% кремния)
Ш Парамагнитные стали (немагнитные) применяются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Недостатком этих сталей является низкий предел текучести, что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин.
v Металлические стекла (аморфные сплавы) - область применения примерно та же что и у магнитно-мягких сталей.
v Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов.
v Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения - широко применяют в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы железо-никель (инвары).
v Сплавы с эффектом «памяти формы». При напряжении выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно открыты сплавы, обладающие эффектом «памяти формы». Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Наиболее распространенным железосодержащим сплавами являются железоникелевые сплавы.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам. В станкостроении - это базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Высокопрочные чугуны получают из серых в результате модифицирования магнием или церием. По сравнению с серыми чугунами механические свойства повышаются. Из высокопрочного чугуна изготавливают тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станков, изложницы, резцедержатели, планшайбы.
Ковкий чугун получают отжигом белого чугуна. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью и достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Отбеленные чугуны - отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун. Они имеют высокую поверхностную твердость и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.
Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.
Заключение
Мы рассмотрели основные особенности и характеристики, пожалуй, самого употребляемого на настоящий момент промышленностью материала. С давних времен люди использовали железо и его сплавы для создания орудий труда, украшений, оружия, предметов быта. На сегодняшний день в промышленности используется более 10 000 сплавов на основе железа. Ни один металл не способен к таким превращениям, как железо, и только железо широко применяет свои свойства при легировании и термической обработке. Диапазон свойств его сплавов необычайно велик: от мягкого как свинец чистого железа до твердой как алмаз инструментальной стали, от динамного и трансформаторного листа с особыми магнитными свойствами до немагнитных сплавов железа, от износостойких специальных сталей до коррозионностойких и нержавеющих. Легированием и термической обработкой с использованием давления и излучения удается получать железные материалы с невероятными свойствами. И это отнюдь не конец, а лишь начала грандиозного пути развития металлургии железа. Ученые постоянно заняты получением новых данных, способствующих совершенствованию и созданию новых способов получения и обработки материалов на основе железа.
Список литературы
1. Беккерт М. Железо. Факты и легенды. Пер.с нем.Г.Г.Кефера. М.: Металлургия, 1984. 232 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. 6-е изд., ООО «Издательство Альянс», 2011. 528 с.
3. Чечета И.А. Технологические процессы в машиностроении. Исходные параметры и определения: учебное пособие / И.А.Чечета. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 200 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классификация, маркировка и области применения сталей. Сплавы с особыми физическими свойствами: прецизионные, магнитные, аустенитные. Химический состав электротехнических сталей. Натуральный и синтетический каучуки. Свойства резин специального назначения.
контрольная работа , добавлен 10.01.2013
Сущность пластической деформации металлов и влияние на неё химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации. Определение легированных сталей, их состав. Литейные сплавы на основе алюминия: их маркировка и свойства.
контрольная работа , добавлен 19.11.2010
Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа , добавлен 19.03.2013
Обзор состава простых конструкционных сталей. Получение чугуна и легированных сталей. Характерные особенности медно-никелевых сплавов. Применение алюминиевых бронз, нейзильбера, мельхиора в народном хозяйстве. Механические свойства сплавов меди с цинком.
презентация , добавлен 06.04.2014
Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.
реферат , добавлен 19.11.2007
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.
контрольная работа , добавлен 24.07.2012
Классификация углеродистых сталей по назначению и качеству. Направления исследования превращения в сплавах системы железо–цементит и сталей различного состава в равновесном состоянии. Определение содержания углерода в исследуемых сталях и их марки.
лабораторная работа , добавлен 17.11.2013
Формирование структуры и методы исследования свойств металлов; диаграмма состояния "железо-цементит". Железоуглеродистые сплавы; термическая обработка металлов и сплавов. Сплавы, применяемые в промышленности; выбор сплава на основе цветного металла.
контрольная работа , добавлен 13.01.2010
Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.
контрольная работа , добавлен 20.08.2009
Механические свойства сталей. Основные механические свойства, определяемые для низкоуглеродистых сталей. Статические и динамические нагрузки. Влияние азота, кислорода и водорода. Легирующие элементы и примеси. Машиностроительные стали и сплавы.
Основа всех технич. отраслей промыш-ти. Fe в земной коре после Al занимает 2 место. В чистом виде Fe на практике прак-ки не сущ. В виде соед-й: железной руды Fe3O4.
Классиф-я сплавов на основе Fe :
Стали -сплавы на основе Fe, содержащ. менее 2,13% углерода.
Класс -я стали:
По химич. составу: -углеродистые; -легированные.
По назначению: конструкционные; -инструментальные.
По качеству: -обыкнов. качества; -качественные; -высококачественные; -особо высококачественные.
Обыкновеннокачест. (самое низкое качество). Исп-ся для изготов. неответствен. и неотгружен. изделий. Выпускается со следующ. гарантиями поставщика: -группа А (по механ. св-вам); -Б (по хим. св-вам).
Существует 7 марок сталей (от Ст0 до Ст7).
Легированные стали по %-му содерж. легирующ. вещ-в: -низко (до 2); -средне (до 7-8); -высоко (более 8).
Предназначенные для решения спец. задач:
Магнитотвёрдые.
Намагниченные мягкие.
Не намагниченные.
Коррозионно-стойкие (Cr и Ni).
Нержавеющие (содерж. более 13% Cr или Ni)
Класс-я инструментальные стали:
Углеродистые (У Ст8 – 0,8% углерода).
Легированные (осн. легирован. элемент – вольфрам).
Недостаток углер. инстр. –низкая t нагрева режущ. кронки, приводящ. к потере режущих св-в. Они не пригодны для обработки твер. Me и сплавов, железобет. конструкций.
Скорость резания легиров. превышает в десятки раз углеродистые. t нагрева от 250-650*С. Самые современные высоколегированные стали наз. мартенсипостареющие (очень высокие прочност. св-ва, нержавеющие, очень дорогие).
Стали спец назначения: -жаростойкие; -жаропрочные. Рабочие t-ы у них достигают 1150*С и при этом не теряют прочность.
2. Чугуны -сплавы на основе Fe с более высок. содерж. углерода.
Класс-я чугунов:
По назначению: -литейные; -передельные (для изготовления методом переплава в сталь). Сущ. 3 вида передела: 1) конверторный (по названию осн-го агрегата), 2)Мартеновский, 3)Электроплавка.
По структуре: -серые (С); -белые (Б); -ковкие (К). Ковкие, как и др, ковать нельзя. Название своё получили за самую высокую пластичность.
Виды поставок: -в виде отливок(чушек); -в жидкой фазе в расплаве (для последущ. переплава в сталь).
Ферросплавы -сплавы, содерж. очень высокие %-е доли друг. вещ-в. Они основные промышлен: FeMg, FeCu, FeCr, FeВольврам. Явл. очень ценным сырьём.
Цветные Ме и сплавы.
Al и его сплавы.
Al занимает 1 место по содержанию в земной коре; легкий; предел прочности очень низкий =150 М Па; пластичность =45%. Обладает очень высокими показателями тепло и электропроводности, уступая только меди и серебру. Промыш-ть выпускает след. марки по чистоте: -высокие (пищевые Al 99); -технические (Al 99,5).
Класс-я по назначению:
Литейные; -деформируемые (для изготовления деталей методом пластич. деформации: ковка, штамповка, пресование, протяжка).
Основные области использ-я в чистом виде: -электротехнич. пром-ть (кабельно-проводниковая); -изготовление материалов для пищевой пром-ти (фольга); -посуда, столовый инструмент.
Достоинства Al: высококорроз. стойкость, лёгкость. Недостатки: низкая прочность.
Использование: авиастроение, судо строение, двигателестроение.
Самые дешевые литейные сплавы –силумины (на основе Al и Силициума). Дост-ва: дешев. и высокие литейные св-ва. Нед-ки: хрупкость и невысокая термостойкость.
Чистое железо – металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539С. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.
Сталь
Является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты - легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).
Конструкционные стали и сплавы. Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
Углеродистые конструкционные стали. Углеродистые конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.
Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.
Кипящие стали. К этому виду относятся стали, полностью нераскисленные и содержащие поэтому до затвердевания повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.
Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.
Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора.
Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.
Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.
Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.
Среднеуглеродистые стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.
Высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.
Автоматные стали. Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.
Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.
Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжело нагруженных ответственных деталей.
Конструкционные низколегированные стали. Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.
Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.
Конструкционные цементуемые легированные стали. Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.
Хромистые стали. Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Хромованадиевые стали . Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.
Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.
Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.
Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжело нагруженных деталей.
Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.
Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.
Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.
Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.
Конструкционные улучшаемые легированные стали. Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска.
Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Введение 0,1 - 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.
Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.
Чугун.
Сплавы железа с углеродом (> 2,14%) называютчугуном.Различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.
Серый чугун представляет собой сплав Fe - Si - C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 - 3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств углерода должно быть не менее 2,4%. Кремний оказывает большое влияние на строение, а следовательно и на свойства чугунов.
В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугуна:
1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита Fe 3 C.
2. Половинчатый чугун; большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe 3 C.
3. Перлитный серый чугун; 0,7 - 0,8% углерода находится в виде Fe 3 C, входящего в состав перлита.
4. Ферритно-перлитный серый чугун. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% углерода.
5. Ферритный серый чугун. В этом случае весь чугун находится в виде графита.
Количество марганца в чугуне не превышает 1,25 - 1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.
Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1 - 0,12%.
Серые чугуны по их применению можно разделить на группы:
1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.
2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.
3. Антифрикционныечугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.
Белый и отбеленный чугунобладает высокой твердостью и хрупкостью. Практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверхности обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний.
Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, износостойкость и т. д.
Высокопрочные чугуны применяют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении - для многих деталей прокатных станков; в химической и нефтяной промышленности - для корпусов насосов, вентилей.
Ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Ковкий чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге.
Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.