Лекція № 30-31: Леговані сталі і чавуни

План

1. Конструкційні леговані сталі

2. Інструментальні леговані сталі

3. Сталі з особливими властивостями.

4. Леговані чавуни

Конструкційні леговані сталі

Поділяють їх на: сталі для цемен­тації; поліпшувані; високоміцні. Вони мають забезпечувати ком­плекс високих механічних властивостей, конструктивну міцність і довговічність виробів при експлуатації.

Сталі для цементації використовують для виробів, які працюють за умов тертя, ударних і перемінних навантажень. Надійність і ресурс роботи таких виробів забезпечується високим рівнем твердості й міцності поверхні та достатньою конструктивною міцністю і в'язкістю серцевини металу. Для цього сталі, призначені для цемен­тації, насичують з поверхні вуглецем (цементують) і далі піддають гартуванню з низьким відпуском, що забезпечує високу твердість (58...63 HRC) поверхні деталі і потрібну в'язкість серцевини. Хімічний склад таких сталей обмежений вмістом вуглецю до 0,25 %, сумарним вмістом легуючих елементів для низьколегованих сталей до 2,5 % і для середньолегованих — 2,5... 10 %.

Для виробів малих розмірів, що працюють за умов тертя і середніх навантажень, використовують сталі типу 15ХА, 20Х ( = 700... 750 МПа,

= 10... 12%, KCU = 0,6...0,7 МДж/м²). Відповідальні деталі для екс­плуатації при високих і ударних навантаженнях і великих швидкостях виготовляються зі сталей типу 15ХФ, 18ХГ, 25ХГМ ( = 900...1200 МПа, =10%, KCU = 0,8 МДж/м²). Великі важконавантажені деталі для експлуатації за умов динамічних і вібраційних навантажень виготовляють зі сталей, легованих комплексом карбідоутворюючих елементів (Сr, V, Ті, Мо) з нікелем ( = 800...1300 МПа, = 8...12%, KCU = 1,0 МДж/м²). Серед них сталі 20ХН, 20ХН3А, 12Х2Н4, 18ХГТ, 20ХГР. Типові режими термічної обробки після цементації — гартування з низьким відпуском для одержання струк­тури мартенситу.

Поліпшувані сталі — це низьколеговані сталі з вмістом вуглецю 0,3...0,5 %. Для забезпечення потрібних властивостей міцності, плас­тичності та в'язкості їх піддають гартуванню з високим відпуском (500...600 °С), тобто поліпшують. Загальна кількість легуючих елементів у поліпшуваних сталях становить 3...5 % (Cr, Ni, W, Мо, Si, V), основний легуючий елемент — хром (0,8... 1,1 %). Власти­вості таких сталей: = 900...1600 МПа, = 10...12%, KCU=0,4...0,9 МДж/м². Розрізняють хромисті сталі — 40Х, 45Х, для прогартованості їх додатково легують бором 0,002...0,003 % (40ХР) або до 1 % марганцем (40ХГ). З них виготовляють деталі для роботи за умов підвищених напружень і знакозмінних навантажень — шатуни, колінчасті вали. Хромомарганцеві сталі, леговані Si і Мn (хромансил), наприклад 30ХГС, добре зварюються, після термообробки =1650 МПа, = 6%, KCU = 0,5 МДж/м². Для великих від­повідальних і важконавантажуваних деталей складної форми викори­стовують сталі зі значною кількістю Ni і Мо, наприклад 40ХНМ, 30ХН2МФ, 40ХН2МФ, 40ХН2МА, 38ХН3МФ тощо.

Високоміцні леговані сталі використовують для виготовлення особливо відповідальних і важконавантажених деталей, які експлуатують за умов різко змінюваних навантажень (деталі шасі, конст­рукції фюзеляжів тощо). Це комплексно-леговані (кількома легу­ючими елементами) середньовуглецеві сталі (0,3...0,6 % С), які зміц­нюють термічною обробкою або піддають термомеханічній обробці. Наприклад, 30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА ( = 1850...2000 МПа, =11...12 %, KCU = 0,4...0,6 МДж/м²).

Пружинно-ресорні леговані сталі містять у своєму складі 0,5... 0,7 % С, додатково леговані Si (до 2 %) і елементами Mn, Cr, V, W, В, які підвищують пружні характеристики і прогартованість сталі. Сталі 50С2, 50ХГФА використовують для ресор автомобілів, сталі 55СГ, 60СГ, 65С2ВА, 60С2ХФА — для відповідальних пружин, ресор тощо. Найвищу пружність забезпечує гартування і середній (400...500 °С) відпуск на структуру трооститу відпуску (високодисперсна суміш фериту з карбідами). Додаткове легування сталі вольфрамом, молібденом, ванадієм підвищує стійкість сталі під час відпуску, що дозволяє використовувати їх для роботи за умов нагріву до 200... 250 °С. При легуванні бором (0,003 %) підвищується поріг пружності сталі і прогартованість (сталі 55ХГР, 50ХФРА та інші). Для підви­щення опору втомі і зменшення чутливості до концентраторів на­пружень пружини і листи ресор у готовому вигляді піддають поверх­невому наклепуванню струменевою обробкою шротом.

Шарикопідшипникові сталі складають особливу групу конструк­ційних сталей, що відповідають вимогам високої міцності і зносо­стійкості. Для них характерним є високий вміст вуглецю ( 1 %) і хрому. Для маркування цих сталей використовують літери ШХ, які розшифровуються як сталь шарикопідшипникова хромиста, далі йдуть цифри, які вказують на вміст хрому в десяти частках процента (ШХ6, ШХ9, ШХ15).

Евтектоїдний вміст вуглецю і хрому забезпечують одержання піс­ля гартування структури дисперсного мартенситу з карбідами високої твердості, зносостійкість і прогартованість сталі. Для підвищення прогартованості сталі додатково легують марганцем і кремнієм (сталі ШХ15СТ, ШХ20СГ).

Термічна обробка шарикопідшипникових сталей включає опе­рації відпалювання прокату, гартування (від 790...880 °С) і відпуск при 150...200 °С на твердість 62...65 HRC. До сталей цієї групи існують підвищені вимоги щодо чистоти і рівномірності розподілу карбідів.

Зносостійкі сталі об'єднують групи високомарганцевих і графітизованих сталей.

Високомарганцеві сталі типу 110Г13Л містять у своєму складі 0,9...1,4 % С і 11,5...15 % Мn, характеризуються високою зносостійкістю, пластичністю і ударною в'язкістю. Використовуються для виготовлення широкої номенклатури виливків, які працюють за умов ударно-абразивного спрацювання (бронеплити, била дробарок, тра­ки, залізничні стрілки і хрестовини, зубці ковша екскаваторів). Сталь 110Г13Л має однофазну аустенітну структуру після гартування без поліморфного перетворення від температур 1000...1100 °С і такі механічні властивості: = 800... 1000 МПа, = 250...400 МПа, = 35...45 %, = 40...50 %, 170...230 НВ, KCU = 1,6...2,1 МДж/м². Вона здатна до наклепування і внаслідок цього до підвищення твердості (600 НВ).

Графітизована сталь містить у своєму складі 1,5...2,0 % С і до 2 % Si. Після гартування вона поєднує властивості загартованої сталі та чавуну. Графіт у такій сталі є змащуючою фазою. Сталь має структуру феритоцементитної суміші з певною кількістю графіту. Залежно від режиму термічної обробки і вмісту вуглецю кількість графіту може значно змінюватись. Графітизовані сталі використовують для виго­товлення поршневих кілець, поршнів, колінчастих валів та інших виливків для умов тертя.

Інструментальні леговані сталі, порівняно з вуглецевими, харак­теризує підвищена прогартованість, значна міцність, більш високі різальні властивості, пластичність у відпаленому стані. Легуючі еле­менти (W, Mo, Co, Cr) підвищують теплостійкість, Мn — загарто­ваність, N — в'язкість, V — зносостійкість.

Сталі з сумарним вмістом легуючих елементів до 2,5 % відносять до низьколегованих, до 10%— до середньолегов а н и х і більше 10%— до високолегованих.

У низьколегованих сталях основним легуючим елементом є хром (сталі X, 11Х, 13Х). При вмісті хрому до 0,4 % прогартованість сталей низька, а з підвищенням вмісту хрому до 1,3...1,6 % при легуванні кількома елементами (Сr, Mn, Si, W) вона значно зростає (сталі 9ХС, 9ХВГ, ХВГ, Х12М та інші). Так, сталь X прогартовується у маслі на глибину до 25 мм, сталь 9ХС — до 35 мм, сталь ХВГ — до 45 мм, сталь ХВГС — до 80 мм.

Сталь X з теплостійкістю до 200 °С застосовують для токарних і стругальних різців: сталь 9ХС з теплостійкістю до 260 °С — для виготовлення свердел, розверток, фрез, метчиків, плашок; сталі типу ХВСГ, 9Х5ВФ з теплостійкістю до 450 °С використовують для виго­товлення крупних свердел, плашок, протяжок, фрез та іншого рі­зального інструменту.

Високолеговані інструментальні сталі містять у своєму складі W, Сr, V, Мо (до 18 % основного легуючого елемента) і мають високу теплостійкість — до 600...650 °С. Такі сталі називають швидкорізальними і позначають літерою Р і цифрою, яка вказує на вміст вольфраму у процентах (сталі Р9, Р18). Вміст хрому (4 %) і ванадію (2 %) при маркуванні цих сталей не вказують. До складу швидкорізальних сталей додатково вводять також молібден і кобальт. Для маркування таких сталей використовують літери М і К та цифри, які вказують на їхню кількість у процентах (сталі Р6М5, Р9К5, Р18К5Ф2 та інші).

Для вимірювального інструменту використовують сталі X, ХВГ після гартування і спеціального низького відпуску при 120... 130 °С протягом 15...20 год з наступною обробкою при температурах нижче нуля (до -60 °С). З цих сталей виготовляють також штампи холодно­го деформування складної форми перерізом 75... 100 мм. Для виготов­лення інструменту з високою твердістю і зносостійкістю, а також незначною деформацію під час гартування використовують сталі типу Х12Ф1. Сталі з меншим вмістом вуглецю і підвищеною в'язкістю використовують для інструменту, що працює за значних ударних навантажень (пневматичні зубила, ножі для холодної різки тощо), наприклад сталі 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С та інші.

Сталі з вмістом вуглецю (0,5...0,6 %), леговані хромом (який підвищує міцність і прогартованість), а також вольфрамом і моліб­деном (підвищує твердість, теплостійкість, подрібнюють зерно), ні­келем (підвищують в'язкість, прогартованість) і марганцем (заміняє нікель), використовують для виготовлення штампів гарячого дефор­мування - сталі 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ.

Спеціальні леговані сталі — це високолеговані сталі з явно вира­женими особливими властивостями (корозійна стійкість, жаростій­кість, жароміцність тощо).

Неіржавіючі або корозійностійкі сталі володіють високою хімічною стійкістю в агресивних середовищах. Одержують їх введенням до складу низько- і середньовуглецевих сталей значної кількості хрому (не менше 12,5 %) і нікелю, а також додатково титану, алюмінію і марганцю. Найпоширеніші хромисті і хромонікелеві сталі. Залежно від структури розрізняють корозійно­стійкі сталі аустенітні (12Х18Н9, 12Х18Н10, 04Х18Ш0, 10Х14Г4НЗ), феритні (12X17, 08Х17Т), мартенситні (40X13), аустенітно-мартенситні (09Х15Н18Ю) та аустенітно-феритні (08Х21Н6М2Т).

Хромисті сталі найдешевші, але за корозійною стійкістю поступа­ються хромонікелевим. Так, сталь 12X7 стійка у кислотних сере­довищах, але не придатна для використання при зварюванні, оскільки при нагріванні під час зварювання вище 900...950 °С і швидкому охолодженні границі зерен сталі збіднюються хромом. При вмісті ж менше 12 % Сr елекрохімічний потенціал сталі стає негативним і вона втрачає здатність опиратись корозії. За таких умов у сталі 12X7 виникає небезпечний вид корозії — міжкристалічна корозія. Для запобігання цього використовують сталь, леговану титаном 08X17Т.

Хромонікелеві етапі містять підвищену кількість хрому і нікелю, мало вуглецю і відносяться до аустенітного класу (сталь 12Х18Н9). Такі сталі, порівняно з хромистими, характеризує висока корозійна стійкість. Вони здатні до міжкристалітної корозії. Тому в разі необ­хідності їх також додатково легують титаном (сталь 12ХН8Н9Т) або зменшують вміст вуглецю (сталь 04Х18Н10). Широко застосовують їх у харчовій, хімічній, нафтопереробній галузях промисловості, а також у транспортному машинобудуванні і будівництві. Для економії нікелю його частково замінюють марганцем. Так, сталь 10Х14Г4НЗ використовують як замінник сталі 12Х18Н9. Для експлуатації у кислотних середовищах підвищеної активності використовують сталі аустенітно-феритного класу, наприклад сталь 08Х21Н6М2Т тощо.

Розроблено також високолеговані сталі для агресивних середовищ (80 % розчин H₂SO₄) із складною системою легування елементами Cr, N, Mo, Cu.

Жаростійкі (жаровиностійкі) сталі — це такі, що здатні чинити опір корозійному руйнуванню під дією повітря або іншого газового середовища при високих температурах (400...900 °С). Жаростійкі сталі містять у своєму складі А1, Cr, Si і не утворюють жаровини. Стійкість таких сталей зумовлено утворенням на поверхні виробів щільних захисних плівок оксидів вказаних легуючих елементів. Так, для виробів з робочими температурами до 850...900 °С (клапани двигунів внутрішнього згорання) використовують сталі 40Х9С2, 08X17Т; для температур до 1100 °С (сопла, жарові труби газових турбін) — сталі типу 36Х18Н25С2. Хромиста сталь з 30 % Сr стійка до температури 1200 °С. Жаростійкі сталі застосовують в основному для деталей нагрівального і енергетичного обладнань.

Жароміцні сталі — це такі, що забезпечують здатність виготов­лених з них виробів витримувати механічні навантаження без дефор­мації й руйнування за високих температур (500...1000 °С). Вони містять у своєму складі хром, кремній, нікель, молібден та інші елементи. Залежно від призначення розрізняють клапанні сталі, котлотурбінні, газотурбінні сталі, а також сплави з високою жароміцністю.

Для температур 300... 500 °С використовують Сr — Si-сталі мартенситного класу (сільхроми) типу 40Х9С2, 40Х10С2М. З них виго­товляють клапани двигунів автомобілів і тракторів. Високолеговані аустенітні сталі типу 17Х18Н9 (гомогенні) або 45Х14Н14В2М (гете­рогенні — з дрібними карбідними або інтерметалідними фазами) використовують за температур 600...900 °С. Аустенітні сталі досить міцні, але в'язкі і погано обробляються різанням. З них виготовляють парові котли, лопатки газових турбін, сопла реактивних двигунів тощо. Для більш високих температур (800... 1000 °С) використовують хромонікелеві сплави — ніхроми і німоніки з мінімальним вмістом вуглецю (0,06...0,12 % С).

Вони містять більше 55 % Ni і переважають за властивостями кращі жароміцні сталі. За структурою їх поділяють на гомогенні (ніхроми ХН60Ю, ХН78Т та інші) і гетерогенні (німоніки ХН77ТЮ, ХН77ТЮР тощо), леговані, окрім хрому, ще й елементами, які утво­рюють з нікелем дисперсні інтерметалідні зміцнюючи фази типу (Ni, Co, Cr)₃Ti, (Ni, Co, Cr)₃Al тощо. Маркування нікелевих сплавів здійснюють літерами, які означають елементи, і цифрами, що вказу­ють на вміст нікелю. Так, сплав ХН70ВМТЮ містить 70 % Ni, a також Cr, W, Мо, Ті, Аl. Жароміцні сплави на основі кобальту використовують обмежено, наприклад для лопаток соплового апара­та реактивних двигунів.

Леговані чавуни.

Для поліпшення міцності, експлуатаційних властивостей або надання чавуну особливих характеристик (зносостійкості, жароміцності, жаростійкості, коррозионностойкости, немагнитности тощо) до його складу вводять легуючі елементи (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo та ін).
Легуючими елементами можуть служити також Mn при вмісті > 2% і Si при вмісті > 4%.

Леговані чавуни класифікують за вмістом основних легуючих елементів - хромисті, нікелеві, алюмінієві і т.д.

За ступенем легування розрізняють низьколеговані (сукупна кількість легуючих елементів 10%).

Низьколеговані чавуни мають перлітову або бейнитную структуру матриці, середньолеговані - зазвичай мартенситную, високолеговані - в більшості випадків аустенитную або ферритную.

Структура виливків визначається хімічним складом чавуну і технологічними особливостями його термообробки.

Механічні властивості сірого чавуну залежать від властивостей металевої матриці, фігури і розмірів графітових включень.
Властивості металевої матриці чавунів близькі до властивостей сталі., який не можна скасувати невисоку міцність, знижує міцність чавуну.

Чим менше графітових включень і вище їх дисперсність, тим більше міцність чавуну.

Графітові включення викликають скорочення межі міцності чавуну при розтягуванні.

На міцність при стисненні і твердість чавуну частинки графіту майже не роблять впливу.

Властивість графіту утворювати мастильні плівки обумовлює падіння коефіцієнта тертя і збільшення зносостійкості виробів із сірого чавуну.

Графіт покращує оброблюваність різанням.

Зварюваність легованих чавунів (головний черговість, стійкість проти формування тріщин) погіршується зі зростанням вмісту легуючих елементів.

Особливо це властиво хромовим, кам'янистих і марганцевою чугунам внаслідок нарощування в їх структурі кількості карбідів Сг, Si, Мп.
Виняток становлять чавуни з аустенітної основою: нікелеві, марганцеві і більше непростого складу, які мають задовільну зварюваність.
З іншої країни, высоконикелевые чавуни, вірно протистоять появи холодних тріщин, готові до утворення гарячих тріщин (ГТ) з - за евтектик, що утворюються в шві і ЗТВ зварного з'єднання.

Розрізняють перлітові і перлитно - феритні антифрикційні чавуни.
Антифрикційні перлітові чавуни (АЧС - 1, АЧС - 2) і перлитно - феритний (АЧС - 3) вживають при тиску в області контакту фрикційних пар до 50 МПа.
Чавуни з кулястим графітом АЧВ - 1 (перлітовий) і АЧВ - 2 (перлитно - феритний) вживають при підвищених навантаженнях (до 120 МПа)

Питання для самоконтролю

1. Які сталі підлягають цементації?

2. Якої термообробці піддають сталі після цементації?

3. Які властивості мають цементовані сталі?

4. Які сталі є поліпшуваними сталями

5. Привести приклад поліпшуваних сталей

6. Якими властивостями. Володіють низьколеговані сталі?

7. Яку термообробку піддають пружинно-ресорним сталям?

8. Якими властивостями володіють шарикопідшипникові сталі?

9. Які сталі використовують для виготовлення зубчастих колес, валу, сварних конструкцій, пружин, шариків підшипника?

10. Які сталі використовують для ріжучих інструментів?

11. Якій термообробці піддають сталі для ріжучих інструментів?

12. Якими властивостями володіють швидкоріжучі сталі?

13. Як маркірують швидкоріжучі сталі?

14. Наведіть приклади штампових сталей?

15. Які сталі використовують для вимірювального інструмента?

16. З якою метою вимірювальний інструмент піддають старінню?

17. Які елементи впливають на корозійну стійкість?

18. Наведіть приклади нержавіючих окаліностійких, жароміцних, зносостійких сталей?

19. Які елементи підвищують окалиностійкість сталей?

20. Якій термообробці піддають жароміцні сталі?

21. Якими властивостями володіє сталь 11ОГ13Л?

22. З яких сталей можливо виготовувати клапан гідравлічного пресу?

23. Які сталі використовувають для виготовлення деталей газових турбін?

24. Як маркуються сталі з особливими властивостями?

Дата добавления: 2015-06-25