Лекция 10

Стали

Чугуны

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерод от 2 до 4.3 %. Наряду с углеродом в чугуне содержится кремний, марганец, сера и фосфор. Содержание серы и фосфора в чугуне больше, чем в стали. В специальные (легированные) чугуны вводят легирующие добавки - никель, молибден, ванадий, хром и др.

Чугун делится по структуре - на белый, серый и ковкий; по химическому составу - на легированный и нелегированный.

Чугун превосходит сталь по ряду показателей: он дешевле, имеет лучшие литейные свойства, легче обрабатывается резанием. Структура и свойства чугунов, а следовательно, и область применения чугунного литья, зависят главным образом от условий получения отливок — температуры жидкого металла при заливке, скорости затвердевания отливки, использования модификаторов и т.д.

При маркировке чугунов химический состав не указывается. Исключение составляют легированные чугуны, в марке которых приводится массовая доля легирующих элементов.

Отливки из чугуна классифицируют по: состоянию углерода, форме включений графита, структуре металлической основы, химическому составу, технологии получения, назначению.

По состоянию углерода (химически связанный или структурно свободный) различают: чугун белый, чугун серый, чугун половинчатый (отбеленный).

В белом чугуне (такое название он получил по цвету излома) углерод химически связан с железом в виде цементита Fe₃С. Основная масса белого чугуна идет на переделку в сталь, поскольку он обладает высокими твердостью и хрупкостью и плохо поддается механической обработке. Помимо углерода в состав чугуна входят марганец (0.5 – 1.75 %), кремний (0.2 – 1.75 %), фосфор (0.15 – 2.0 %), сера (до 0.08 %) и другие химические элементы.

Белый чугун используют также в качестве износостойкого конструкционного материала. При легировании в небольших количествах марганца, бора, ванадия, молибдена, титана, хрома образуются сложные и твердые карбиды, например, (CrFe)₂₃C₆.

В сером чугуне (серый излом) углерод находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ с указанием предела прочности при растяжении σ_В (кгс/мм²). Например, чугун марки СЧ15 имеет σ_В = 15 кгс/мм². Предусмотрены марки серых чугунов СЧ10 – СЧ 45. СЧ10 и СЧ15 чугуны малой прочности (твердость НВ до 229), а СЧ20 – СЧ45 чугуны повышенной прочности (твердость НВ до 241). В чугунах повышенной прочности большая часть углерола находится в состоянии пластинчатого графита. Благодаря хорошим литейным и демпфирующим свойствам, серые чугуны нашли широкое применение в станкостроении (станины, стойки, траверсы, корпусные изделия, суппорты и т.д.), автостроении (картеры, блоки цилиндров, поршневые кольца, тормозные диски), в химическом и электромашиностроении, при производстве деталей насосов, компрессоров и других изделий.

Половинчатый (отбеленный) чугун характеризуется одновременным наличием в его структуре цементита и графита. Цементит находится в поверхностном слое отливки (охлаждающемся с наибольшей скоростью), а графит - во внутренней полости (сердцевине), охлаждающейся с наименьшей скоростью. Такой чугун имеет высокую износостойкость, но плохо обрабатывается резанием.

По форме графитовых включений различают: чугун серый с пластинчатым графитом, чугун высокопрочный с шаровидным графитом, чугун ковкий с хлопьевидным графитом, чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.

По типу структуры металлической основы чугун бывает: чугун ферритный, чугун перлитный, чугун ферритно-перлитный.

По химическому составу чугун подразделяют на нелегированный и легированный. Нелегированный чугун содержит железо, углерод и обычные примеси - кремний, марганец, серу и фосфор. Легированный чугун имеет более сложный химический состав: в качестве легирующих элементов используются никель, хром, молибден, медь и другие элементы, а также кремний и марганец в количестве, превышающем их примесное содержание.

По технологии получения различают обычные или немодифицированные чугуны и модифицированные чугуны. Модифицирование - введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных добавок - модификаторов, которые способствуют измельчению пластин графита или получению частиц графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость.

По назначению различают чугун: чугун общего назначения (серый, ковкий, высокопрочный и др.) и чугун специального назначения (антифрикционный, коррозионно-стойкий, жаростойкий, жаропрочный и др.).

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ с указанием предела прочности при растяжении σ_В (кгс/мм²) и относительного удлинения δ (%). Существуют марки ковких чугунов КЧ 30-6 – КЧ 80-15. По своим механическим и литейным свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами и литейными сталями и нашли широкое применение в машиностроении.

Высокопрочные чугуны имеют следующие марки: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80 и ВЧ100. Цифры обозначают предел прочности при растяжении в кгс/мм². В высокопрочных чугунах свободный графит находится в виде шаровидных включений. Высокопрочные чугуны используют в тяжелом машиностроении (детали турбин, валки прокатных станов), в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, ступицы), а также при изготовлении других ответственных деталей.

Легированные чугуны подразделяют на износостойкие, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и антифрикционные.

При маркировке используют следующие обозначения: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – Бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – Алюминий. Маркировка состоит из сочетания букв и цифр, указывающих содержание легирующего элемента. Если цифры отсутствуют, то содержание легирующего элемента не превышает 1.5 %.

Износостойкие чугуны, например, ИЧХ4Г7Д, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ3ТД, ИЧХ15М3, используют для изготовления рабочих элементов дробеметных и пескоструйных машин, лопастей шнеков, абразивных насосов и др.

Коррозионно-стойкие чугуны легируют медью, молибденом, хромом, никелем и кремнием, что позволяет им работать в химически агрессивных средах. Чугуны ЧНХТ, ЧНХМД широко используют в двигателестроении для изготовления выпускных патрубков.

Жаростойкие чугуны обладают стойкостью к образованию окалины. Их выпускают с добавками хрома, алюминия и кремния. Алюминиевые чугуны обладают большой стойкостью к окислению в среде печных газов при температуре до 1150 ^ОС. Их используют при изготовлении тиглей, футеровки печных камер. Хромистые чугуны ЖЧХ- 0.8, ЖЧХ- 1.5, ЖЧХ- 2.5 используют при строительстве доменных и термических печей, они выдерживают температуру до 650 ^ОС. Высокохромистые чугуны (ЖЧХ-30) применяют при изготовлении колосниковых решеток, горелок, коробок для отжига, работающих при температуре до 900^ОС. Кремнистые чугуны работают при температуре до 900^ОС; из них изготавливают детали газовых турбин, котлов, печей и т.д.

Жаропрочные чугуны легируют никелем и хромом. Чугуны ЧН11Г7Х2Ш, ЧН19Х3Ш используют при изготовлении деталей печной арматуры, роликов листопрокатных станов, выпускных патрубков дизелей, а также в нефтяной и химической промышленности.

Антифрикционные чугуны, например, АСЧ-4, АКЧ-1, АВЧ-2 (обозначение: А – антифрикционный, С – серый, В – высокопрочный, К – ковкий), применяют в узлах трения в паре с другими материалами для изготовления подшипников скольжения.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и во многих других отраслях народного хозяйства.

Сталеплавильное производство – это получение стали из передельного чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.

Единой мировой классификации сталей нет. В зависимости от способа производства, химического состава, структуры, назначения и качества стали классифицируют:

По назначению: топочную и котельную, для железнодорожного транспорта (рельсовую, для бандажей железнодорожных колес и т.п.), конструкционную (применяется при изготовлении различных металлоконструкций для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.), шарикоподшипниковую, инструментальную (для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станков, деталей кузнечно-штамповочного оборудования и т.п.), рессорно-пружинную, трансформаторную, нержавеющую, орудийную, трубную и др.

По качеству: обыкновенного качества, качественная и высококачественная. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений и т.п. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фосфора допускается до 0,055-0,060%, в качественных сталях – не более 0,040-0,045%, в высококачественных – не более 0,020-0,030%.

Конструкционные стали обычного качества имеют три группы: Группа А поставляется по механическим свойствам (применяется для малоответственных деталей, армирования железобетонных конструкций).

Группа Б поставляется по химическому составу (применяются для изготовления горячекатаной проволоки, листа, холоднокатанной ленты).

Группа В поставляется по химическому составу и механическим свойствам (судовой лист, гнутый профиль для строительства вагонов и др.)

Конструкционные качественные стали маркируют по среднему содержанию углерода в сотых долях процента (05, 08, 10, 20-45, 50). Их используют для средненагруженных деталей машин различного назначения.

По химическому составу:

Углеродистые (низкоуглеродистые содержат до 0.3% углерода; среднеуглеродистые–от 0.3 до 0.6%; высокоуглеродистые – более 0.6%). Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали. Низкоуглеродистые стали обычно подвергают цементации, среднеуглеродистые – улучшению.

Легированные (низколегированные – до 2.5% легирующих добавок; среднелегированные – 2.5-10%, высоколегированные – более 10%). Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия. Предел прочности при растяжении среднелегированных сталей σ_В = 1400 – 2000 МПа. Наиболее широко применяют стали марок 30ХГСН2А, 30ХГСН2МА, 25Х2ГСН2ВМ, 40ХН2СМА.

По характеру застывания стали в изложницах: спокойные, кипящие и полуспокойные. Поведение металла при кристаллизации в изложницах зависит от степени его раскисленности – чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизуется слиток.

По способу производства:

1) по типу агрегата – конвертерная (в том числе кислородно-конверторная, бессемеровская, томасовская), мартеновская, электросталь, сталь электрошлакового переплава и т.д.;

2) по технологии – основная и кислая мартеновская, основная и кислая электросталь, обработанная вакуумом, синтетическими шлаками, продувкой инертными газами и т.п.;

3) по состоянию – в твердом состоянии (губчатое железо – продукт прямого восстановления), в электролитическом – (продукт электролиза железосодержащих материалов), в порошкообразном (продукт процессов распыления на мельчайшие капли жидкой стали), в тестообразном (продукт сыродутного, кричного, пудлингового процессов, продукт процесса «Астон-Байерс»), в жидком, литом (продукт конверторного, мартеновского и т.п. процессов).

Стали с особыми эксплуатационными свойствами подразделяют на следующие группы:

Подшипниковые стали применяют при производстве деталей подшипников качения (кольца, ролики, шарики, иголки). Для обычных подшипников используют стали марок ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ, а для прецизионных 20Х2Н4А-Ш, ШХ15-ШД.

Стали для холодной листовой штамповки и высадки подразделяют на следующие группы: для нормальной, глубокой, весьма глубокой, сложной и особо сложной вытяжки.

При холодной штамповке используют листовую сталь марок 10кп, 20кп, 10пс, 20пс, легированную 10Г2, 12Х2НМФА, 23Х2НВФА, 25ХГСА, 25ХГФ, 30ХГС и др. Для высадки используют стали, обладающие в холодном состоянии хорошей пластичностью: 08кп, 20кп, 15Х, 20Х, 12ХН, 18Х2Н4МА, 19ХГН, 20ХГСА, 30Х, 30ХНМА.

Автоматные стали хорошо обрабатываются резанием. Их делят на следующие группы:

Углеродистые сернистые – А11, А20, А30, А40Г;

Углеродистые свинецсодержащие – АС14, АС35Г2, АС40;

Сернисто-селенистые и хромистые сернисто-селенистые – А35Е, А45Е, А40ХЕ;

Сернисто-марганцовистые свинецсодержащие и легированные свинецсодержащие – АС132ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ.

Из этих сталей изготавливают втулки, болты, гайки, оси, тяги, валики и другие малонагруженные детали автомобильного, текстильного и сельскохозяйственного машиностроения.

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом упругости, выносливостью, пластичностью и вязкостью. Для изготовления пружин, рессор, пружинных шайб, работающих в обычных условиях, используют стали 65, 70, 75, 85, 60Г, 70Г, У7-У13, У7А –У13А. Для изготовления тяжелонагруженных пружин и рессор автомобилей и железнодорожных вагонов используют стали 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70С3А. Стали 50ХГ, 50ХГА, 55ХГР, 50ХФА, 50ХГФА используют для изготовления пружин, имеющих длительный цикл работы при высоких температурах. Стали 10Х11Н23Т3МР, 12Х18Н9Т, 30Х13, 36НХТЮ5М, 40Х13, 40КХНМ, 40КХНМВТЮ, 42НХТЮА, 68НХВКТЮ используют для изготовления прухинных деталей, которые работают в агрессивных средах при высоких температурах.

Для изготовления деталей, работающих в условиях тяжелого нагружения, - зубчатых колес, валов, крестовин, карданных валов, штоков и других используют стали 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ, 25Х2ГНТА, 15ХГН2ТА, 20ХГНТР, 15Х2ГН2ТРА. При работе с ударными нагрузками применяются стали марок 20ХГР, 20ХНР, 20ХГНР, 27ХГР, 40ХН, 50ХН, 30ХН3А, 30ХГСН2А, 38ХГН.

Высоколегированные стали и сплавы содержат в качестве основных примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали. Такие стали являются труднообрабатыеваемыми и по назначению подразделяются на следующие группы:

Хладостойкие стали, предназначенные для работы при температуре от -40 до -80 ^ОС, - 12ХН3А, 15ХМ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР, 30ХГСА, 30ХГНСН2А, 38Х2МЮА, 40ХН2МА и др.

Теплоустойчивые стали, предназначенные для работы в течение длительного времени при температуре до 600 ^ОС. Стали 12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф1ТР, 20Х1М1Ф1БР, 25Х1МФ используют при изготовлении паровых котлов, деталей трубопроводов, труб паронагревателей, деталей газовых турбин. Стали 12Х8ВФ, 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ используют для изготовления печей, труб, насосов, задвижек и других подобных деталей.

Жаропрочные стали, способные работать при температуре от 400 до 850 ^ОС. Стали 9Х16Н15М3Б, 12Х8ВФ, 13Х14Н3В2ФР, 14Х17Н2, 15Х11МФ применяют для изготовления лопаток паровых турбин, трубопроводов высокого давления, труб, печей, работающих при температуре до 580 ^ОС. Стали 08Х16Н13М2Б, 11Х11Н2В2МФ, 12Х18Н12Т, 15Х5М, 16Х11Н2В2МФ, 18Х12ВМБФР – для изготовления литейных форм, лопаток турбин, деталей насосов, задвижек, работающих при температуре до 600 ^ОС. Стали 09Х16Н4Б, 37Х12Н8Г8МБФ, 40Х9С2, 40Х10С2М, 45Х14Н14В2М – для изготовления труб парогенераторов, клапанов двигателей, трубопроводов, работающих при температуре до 850^ОС.

Жаростойкие стали, способные работать без окисления и образования окалины при температуре до 1250 ^ОС. Стали 12Х13, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 15Х5, 08Х18Н10, 40Х10С2М применяют для изготовления теплообменников, электродов зажигательных систем, муфелей, реторт, деталей котельных установок. работающих при температуре до 850 ^ОС. Стали 08Х18Т1, 08Х20Н14С2, 12Х17, 10Х13СЮ, 20Х20Н14С2, 30Х13Н7С2, 45Х22Н4М3, 55Х20Г9АН4 – для изготовления печных рольгангов, теплообменников, деталей термических печей, труб. работающих при температуре до 1000 ^ОС. Стали 10Х23Н18, 15Х18СЮ. 15Х25Т, 15Х28, 12Х25Н16Г7АР, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2 – для изготовления труб пиролизных установок, деталей газовых турбин, подвесок и опор в котлах, работающих в агрессивных средах при температуре 1150 ^ОС.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали используются для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах. Для слабоагрессивных сред (открытый воздух, вода, пар) используют стали 08Х13, 12Х13, 20Х13, 25Х13Н2; для изготовления медицинских инструментов – стали 30Х13 и 40Х13; для изготовления лопаток турбин, авиационных двигателей – стали 14Х17Н2, 20Х17н2; для изготовления деталей дизелей, элементов судов, работающих в морской воде – стали 07Х16Н6, 08Х17Н5М3, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т.

Коррозионно-стойкие стали переходного класса обладают высокой надежностью, сопротивлению коррозии под напряжением, хорошей свариваемостью всеми видами сварки (причем сварные соединения не требуют термообработки).

Сталь 07Х16Н6 – одна из наиболее распространенных, выпускается в виде листов, лент, поковок, сварочной проволоки. Имеет высокие значения вязкости разрушения и пластичности. Ее применяют для изготовления силовых деталей и сварных узлов, работающих при низких температурах (до -253 ^ОС), в том числе деталей, подвергаемых действию большой концентрации напряжений, а также сварных газовых емкостей, работающих под давлением.

Сталь 08Х17Н5М3 применяют в качестве листового материала. Наиболее целесообразно использование данной стали для изготовления тонкостенных объемных деталей методом глубокой штамповки. Сталь хорошо поддается пайке. Детали, изготовленные из этой стали, могут длительно эксплуатироваться при температуре 500 ^ОС.

Сталь 13Х15Н4АМ3 с параметром прочности до 1600 МПа применяют для изготовления высоконагруженных деталей (в частности, болтов) и сварных узлов. Сталь имеет высокие значения вязкости разрушения. пластичности, сопротивления к концентраторам напряжений, в том числе трещинам при длительно действующих нагрузках в контакте с водой.

Наиболее высокопрочной из сталей переходного класса является сталь 18Х14Н4АМ3 с параметром прочности до σ_В = 1800 МПа. При этом сталь хорошо сопротивляется коррозионному растрескиванию. Предназначена для изготовления силовых деталей и сварных узлов, работающих от -70 до 200 ^ОС в любых климатических условиях.

Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса применяют для изготовления силовых деталей, имеющих сварную конструкцию без последующей термической обработки. Эти стали имеют высокую коррозионную стойкость и малую чувствительность к концентраторам напряжений. Это стали марок 08Х15Н5Д2Т, 06Х14Н6Д2МБТ. Закалку этих сталей можно совмещать с процессом формообразования, а сварное изделие не уступает по прочности основному металлу.

Для изготовления литых деталей применяют сталь 08Х14Н5ДМ2, обеспечивающую высокую прочность изделий благодаря хорошему сопротивлению знакопеременным нагрузкам.

Инструментальные стали в соответствии со служебным назначением должны обладать высокими твердостью, прочностью, сопротивлением изнашиванию, теплостойкостью, теплопроводностью и, наконец, экономичностью.

Подразделяются на углеродистые (У10А, У12А), легированные (вольфрамовые и марганцовистые; добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали; такие стали, как 9ХС, ХВГ,ХВ5, используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке) и быстрорежущие (теплостойкие ледебуритные стали марок Р18, Р6М5, Р9К5, Р9Ф5 и др., легированные вольфрамом, молибденом, ванадием, кобальтом). Быстрорежущие инструментальные стали применяют для изготовления всех видов инструментов, в особенности сложной формы и инструментов для обработки прочных материалов в тяжелых условиях.

Кремнистые электротехнические стали (ЭТС) - это специальный класс магнитно-мягких ферромагнитных материалов, которые используются для изготовления магнитопроводов и магнитоактивных частей разнообразных электротехнических устройств.

Свойства ЭТС в значительной степени определяют характеристики, экономичность, габариты устройств и возможность их совершенствования, поэтому улучшению технологии производства и повышению характеристик ЭТС, особенно магнитных свойств, во всем мире уделяется большое внимание. Современные ЭТС - это сплавы технического железа с кремнием и иногда алюминием.

В обычной холоднокатаной ЭТС содержание кремния не превышает 3, 5% и алюминия 0,5%. Различают изотропную (динамную) и анизотропную (трансформаторную) стали. Изотропные электротехнические стали, характеризуются одинаковостью электромагнитных свойств по всем направлениям, что достигается за счет создания равнозеренной структуры. Анизотропные электротехнические стали, имеют ярко выраженную текстуру, то есть структуру зерен с преимущественной ориентировкой в направлении прокатки. Текстура создается в процессе деформации и термообработки стали при формировании и выделении по границам зерен ингибиторной фазы (обычно AlN, MnS), сдерживающей рост зерна на определенных этапах передела стали.

Дата добавления: 2014-01-07