Железоуглеродистые сплавы. Стали.

ЛЕКЦИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. СТАЛИ Железоуглеродистые сплавы делятся на 2 типа: 1) Сталь 2) Чугун СТАЛИ Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием углерода до 2.14%. Классификация стали: I. По назначению: 1) Конструкционные, 2) Инструментальные, 3) Специальные (пружинные, автоматные, котельные и т.д.). II. По качеству: Качество стали обусловлено наличием вредных примесей серы и фосфора. 1) Стали обыкновенного качества: S до 0,06%, P до 0,08%, 2) Качественные стали: S до 0,035%, P до 0,035%, 3) Высококачественные стали: S до 0,25%, P до 0,25%, 4) Особовысококачественные стали: S до 0,015%, P до 0,015%. III. По содержанию углерода: 1) Низкоуглеродистая (до 0,25% углерода) 2) Среднеуглеродистая ( от 0,25 до 0,6 % углерода) 3) Высокоуглеродистая ( от 0,6 до 2,14 % углерода) IV. По содержанию легирующих компонентов: 1) Низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), 2) Среднелегированные (от 2,5 до 10 % легирующих элементов), 3) Высоколегированные (более 10% легирующих элементов) V. По раскислению: Раскислением называют последний этап выплавки стали, когда в расплав добавляют более активные, чем железо, металлы с целью отнять у железа кислород, восстановить его из оксида FeO. Марганец и кремний вводятся в жидкую сталь в виде ферросплавов – ферромарганца и ферросилиция, алюминий – в виде металла технической чистоты. 1) Стойкая (сп) – хорошо раскислена марганцем, кремнием, алюминием, при кристаллизации образуется ровная гладкая поверхность 2) Полуспокойные (пс) –раскислена марганцем и алюминием недостаточно раскислены кремнием, поверхность при кристаллизации покрыта небольшим количеством пузырьков 1 вся 3) Кипящие (кп) – раскислены только марганцем, при кристаллизации поверхность покрыта пузырьками. Влияние на сталь различных элементов I. Углерод. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются. ухудшается обрабатываемость. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20º. Это значит, что уже сталь с 0,4 % С переходит в хрупкое состояние примерно при 0 ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации. Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается. II. Полезные примеси: 1) Кремний – при добавлении в сталь, способствует повышению предела текучести, способствует нейтрализации фосфора. Содержание кремния в углеродистой стали не должно превышать 0,4 %. Он растворяется в феррите по типу внедрения, поэтому значительно повышает предел текучести. При этом ухудшается штампуемость стали: листовая сталь может давать надрывы при глубокой вытяжке. Сталь, предназначенную для получения деталей холодной листовой штамповкой, кремнием (ферросилицием) не раскисляют. Кремний способствует, способствует нейтрализации фосфора, способствует раскислению стали. 2) Марганец – уменьшает хрупкость при высоких температурах, способствует раскислению, уменьшает вредное воздействие серы. Марганец, содержащийся в углеродистой стали в количестве 0,3-0,8 %, повышает предел прочности, немного снижает вязкость. III. Вредные примеси: 1) Сера. В сталь попадает, в основном, из доменного топлива – кокса. Сера с железом образует сульфид FeS, а FeS с железом образует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 ºС. Сульфид располагается по границам зерен, при нагревании стали сульфид расплавляется, нарушая связь между зернами, сталь становится хрупкой, разрушается. То есть сера вызывает красноломкость стали: хрупкость при горячей обработке давлением. Для уменьшения вредного влияния серы в сталь вводят марганец. Марганец активнее железа взаимодействует с серой и связывает ее в сульфид 2 MnS, который эвтектики не образует. Но сульфиды, как любые неметаллические включения, являются концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость. Поэтому содержание серы в стали должно быть ограничено. 2) Фосфор – попадая в сталь искажает и уплотняет кристаллическую решетку, способствуя повышению прочности стали, но уменьшению ее пластичности, в результате увеличивается хрупкость стали в холодном состоянии. Фосфор вызывает хладноломкость стали, сдвигая порог хладноломкости в область более высоких температур. Каждая сотая доля процента фосфора повышает t50 примерно на 25º. Это значит, что фосфор еще опаснее, чем сера. Его содержание еще более ограничено. Для снижения содержания фосфора в стали нужно повышать качество шихты, применять флюсы, удаляющие фосфор. 3) Газы (азот, кислород, водород) частично расплавляются в сплавах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксидов и нитритов), которые скапливаются по границам зерен и способствуют повышению хрупкости, уменьшению выносливости, снижению пластичности. Оксиды являются местами зарождения трещин. Азот делает сталь непригодной для холодной штамповки. Водород вызывает охрупчивание закаленной стали. Он восстанавливает металлы из оксидов с образованием воды, а вода испаряется при нагреве и вызывает внутренние надрывы в металле – флокены. Содержание газов в стали ограничивается тысячными долями процента. Стали обыкновенного качества Выплавляются в конверторах и мартеновских печах, применяются для изготовления строительных, машиностроительных конструкций. Металлургические заводы выпускают стали обыкновенного качества в виде проката самого различного профиля и размеров. Это могут быть прутки круглого, квадратного, шестигранного сечения; уголки, швеллеры, листы, трубы, балки и т. д. Группы стали: - Группа А – стали с гарантированными механическими свойствами, химические свойства не регламентированы; - Группа Б – стали с гарантированными химическими свойствами, механические свойства не регламентированы; - Группа В – стали с гарантированными механическими и химическими свойствами. Маркировка: Обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6 показывающие номер стали (чем больше цифра, тем выше содержание углерода и марганца в стали, а также чем больше номер марки, тем выше прочностные свойства и ниже пластичность стали). В конце марки указывается тип раскисления («кп», «пс» 3 или «сп»), Они означают соответственно «кипящая», «полуспокойная» и «спокойная». повышенное содержание марганца Г. Пример: Ст5А, Ст6псБ, Ст3кпГ, Ст5. Стали углеродистые качественные Выплавляются в конверторах и электрических печах, применяются для изготовления воздуховодов, валов, осей и т.д. Поставляются в виде проката и нормализованных поковок. Различаются по химическому составу: I группа: с нормальным содержанием марганца ll группа: с повышенным содержанием марганца Маркировка: Двухзначное число показывающие содержание углерода в сотых долях процента, далее может указываться тип раскисления. В сталях ll группы в конце маркировки будет буква Г, показывающая повышенное содержание марганца. Примеры марок качественных сталей: 35, 70, 08кп, 10пс, 35Г, 08спГ Углеродистые инструментальные стали Выплавляются в конверторах и электрических печах, применяются для изготовления режущего, измерительного, слесарного инструмента. По качеству: - Качественные (У7, У8, У9) - Высококачественные (У7А, У8А, У10А) Маркировка: обозначают буквой У и цифрой показывающей содержание углерода в десятых долях процента. В высококачественных сталях в конце маркировки буква А (может указываться тип раскисления). Специальные углеродистые стали Специальные стали - это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др. Автоматные стали применяются для изготовления горячекатаного, калиброванного и обточенного проката и проката со специальной отделкой поверхности, предназначенного для обработки на станках и автоматах, а также для обработки давлением в горячем состоянии с последующей обработкой резанием, изготовляемого в прутках и мотках для нужд народного хозяйства и для экспорта. Маркировка: Обозначаются автоматные стали буквой – А, затем число показывающее содержание углерода в сотых долях процентах, повышенное содержание марганца буквой Г, улучшенные свойства буквой А. 4 Пример:А20, А40Г. Подшипниковые стали применяются для изготовления колец, шариков и роликов подшипников из горячекатаной диаметром или толщиной до 250 мм включительно, калиброванной стали и стали со специальной отделкой поверхности (с волочением или без волочения). Подшипниковые стали обозначаются буквой Ш в начале наименования с последующим указанием на содержание хрома в десятых долях процента. В конце марки через тире для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, добавляется буква Ш, изготовленных методом вакуумирования – буква В: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш. Стали, предназначенные для изготовления прецизионных подшипников, обозначаются в соответствии с ГОСТ 21022-75 добавлением в конце марки через тире букв ШД (вакуумно-дуговой переплав стали электрошлакового переплава). Пример: ШХ15-ШД – шарикоподшипниковая сталь, содержание Cr 1,5 %, для изготовления прецизионных подшипников Конструкционные строительные стали. Применяются для изготовления горячекатаного фасонного (уголки, двутавры, швеллеры), листового, широкополосного универсального проката и гнутых профилей, предназначенных для строительных конструкций со сварными и другими соединениями. Обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т – на термоупрочненный прокат, буква Д – на повышенное содержание меди: С255, С345Т, С390К, С440Д и т.д. Нержавеющие стали. Применяются для работы в коррозионноактивных средах и при высоких температурах. Сталь относится к классу нержавеющих при содержании в ней хрома более 12 %. Маркировка таких сталей состоит из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа. При содержании легирующего элемента до 1,5 % цифра за соответствующей буквой не указывается. В обозначения литейных нержавеющих сталей в конце марки добавляется буква Л. В том случае, если стали получены методом электрошлакового переплава, к их наименованиям (также как и для легированных сталей) добавляется через тире буква Ш (06Х16Н15М3Б-Ш). Помимо этого к наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие: ВД – вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД), ВИ – вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ), ЭЛ – электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ), 5 ГР – газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР), ИД – вакуумно-индукционная выплавка с последующим вакуумнодуговым переплавом (ЭП14-ИД), ПД – плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД), ИЛ – вакуумно-индукционная выплавка с последующим электроннолучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д. Пример расшифровки: 08Х18Н10Т – нержавеющая сталь, содержание C 0,08 %, Cr 18 %, Ni 10 %, Ti около 1,5 %. 16Х18Н12С4ТЮЛ – нержавеющая сталь, содержание C 0,16 %, Cr 18 %, Ni 12 %, Si 4 %, Ti до 1,5 %, Al до 1,5 %, литейная. Быстрорежущие стали. Применяются для изготовления инструмента из горячекатаных, кованых, калиброванных прутков и полос, прутков со специальной отделкой поверхности. В соответствии с ГОСТ 19265-73 быстрорежущие стали обозначаются в начале марки буквой Р и цифрой, указывающей среднее содержание вольфрама в стали. Далее следуют буквы и цифры, определяющие массовые доли других элементов. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома (составляет около 4 % во всех сталях), углерода (составляет около 1 %) и молибдена (если содержание менее 1 % включительно). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5 %. В соответствии с ГОСТ 28393-89 в наименовании быстрорежущих сталей, изготовленных методом порошковой металлургии, в конце марки через тире ставятся буквы МП. Не указывается процентное содержание углерода (составляет 1,02-1,75 %) и хрома (составляет около 4 % во всех сталях) при любой его концентрации. Пример расшифровки: Р6М5 – быстрорежущая сталь, содержит W 6 %, Mo 5 %, С около 1 %, Cr около 4 %, V до 2,5 %. Р6АМ5Ф3 – быстрорежущая сталь, содержит W 6 %, N 0,05-0,1 %, Mo 5 %, V 3 %, С около 1 %, Cr около 4 %. Р6М5К5-МП – быстрорежущая сталь, полученная методом порошковой металлургии, содержит W 6 %, Mo 5 %, Со 5 %, С 1,02-1,75 %, Cr около 4 %. Конструкционные легированные стали Конструкционные легированные стали применяются для изготовления проката горячекатаного и кованого, калиброванного, со специальной отделкой поверхности, применяемого в термически обработанном состоянии, слитков, поковок и штамповок. Наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие 6 элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента. Если цифра отсутствует, то элемента содержится до 1%, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0,2-0,3 %), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010 %) и некоторых других элементов. Буква «А» в конце маркировки указывает на улучшенные свойства стали. Обозначение легирующих элементов А - азот Б - ниобий В - вольфрам Г - марганец Е - селен К - кобальт М - молибден Н - никель Р - бор С - кремний Т - титан Ф - ванадий Х - хром Ю - алюминий Д - медь П - фосфор Пример: 10Х2С3НДА, 15ХС3Н2Д, 38ХН3МА Особовысококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце марки стали буквы Ш. Пример: 20ХГНТР-Ш Конструкционные литейные стали Применяются для изготовления всеми способами литья отливок общего, ответственного и особо ответственного назначения. Обозначаются цифрами и буквами. Первые цифры марки указывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа. При содержании легирующего элемента до 1,5 % цифра за соответствующей буквой не указывается. В конце наименований литейных сталей ставится буква Л. Пример: 15Л, 20Г1ФЛ, 35ХГЛ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. ЧУГУНЫ Чугуны – это сплавы на основе железа, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода. Допустимые количества полезных и вредных примесей в чугунах примерно в 5-10 раз больше, чем в сталях. Виды чугуна в зависимости от назначения 1) Литейный чугун – используется для производства отливок. Обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается. В изломе имеет серый цвет (называется серым чугуном). 2) Передельный чугун – используется для переплавки в сталь и ковкий чугун. В изломе имеет белый цвет (называется белым чугуном). 7 3) Доменные ферросплавы - сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали : -ферросилиций (железо +углерод + кремний (9-13%)); - ферромарганец ((железо +углерод + марганец (75%)); бедный ферромарганец ((железо +углерод + марганец (25%)) и др. Виды чугуна в зависимости от состояния углерода В зависимости от того, в какой форме содержится углерод, различают следующие виды чугунов: 1) белый чугун - весь углерод связан в карбид железа Fe3C , называемый цементитом (рис. 1). Рис. 1. Белый чугун В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Цементит придает чугуну повышенную твердость, которая составляет 450-500 HB, поэтому материал очень хрупкий и твердый. Резанием (лезвийным инструментом) не обрабатывается, для изготовления деталей не используется, применяется только для переплавки в сталь и ковкий чугун. Применяют отбеленные чугунные детали, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а с поверхности есть слой белого чугуна толщиной 5-7 мм. Так можно изготавливать прокатные валки, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов, доски в драгах, – то есть, изделия, от которых требуется высокая твердость и износостойкость поверхности. Для получения структуры белого чугуна в отливке необходимо быстрое охлаждение, а также минимальное содержание кремния и присутствие марганца и хрома («отбеливающих» компонентов). 2) Серые чугуны: весь углерод или его часть находятся в свободном виде – в виде графита а) серый чугун с пластинчатым графитом (рис. 2). 8 Рисунок 2. Серый чугун с пластинчатым графитом Серый чугун с пластинчатым графитом самый дешевый литейный сплав, относительно мягок, хорошо обрабатывается. Имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать тонкостенные фасонные отливки. Хорошо обрабатывается резанием: дает мелкую сыпучую стружку, графит является твердой смазкой и уменьшает тем самым износ инструмента. Благодаря графиту, в сером чугуне быстро затухают механические колебания, в том числе звуковые, что позволяет уменьшить шум при работе оборудования. Чугун нечувствителен к надрезам на поверхности деталей (в отличие от стали). Серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих с небольшими нагрузками, в основном, на сжатие. Это колонны, опоры, корпуса, станины, крышки, суппорты, зубчатые колеса, канализационные трубы, ванны, батареи. Маркировка: Чугун – единственный сплав, в марке которого зашифрован не химический состав, а механические свойства. Обозначают буквами СЧ и двумя двузначными числами , первое из которых показывает предел прочности чугуна при растяжении (МПа) или (кг/мм2) , другая — предел прочности при изгибе (МПа) или (кг/мм2). Пример: СЧ12 — 28 ; СЧ15 — 32 ; СЧ18 — 36 ; СЧ 21 — 40 ; СЧ 24 — 44 ; СЧ 28 — 48 ; СЧ 32 — 52 ; СЧ 38 — 60, Например, марка СЧ12-35 СЧ- серый чугун с пластинчатым графитом, 12 - 120 МПа (12 кг/мм2) - предел прочности чугуна при растяжении, 35- 350МПа (35 кг/мм2) – предел прочности при изгибе. б) высокопрочный чугун – это серый чугун с графитом в шаровидной форме (рис. 3). Данный чугун содержит 2,7-3,5 % углерода. Для образования графита шаровидной формы в расплавленный чугун добавляют магний -0,020,08 %. (процесс называют модификация). Рисунок 3. Высокопрочный чугун (серый чугун с графитом в шаровидной форме) 9 Маркировка высокопрочных чугунов: две буквы ВЧ и два двузначных числа, первое из которых показывает предел 2 прочности чугуна при растяжении (МПа) или (кг/мм ), другая — относительное удлинение (%). Ппример, ВЧ 60 - 2, ВЧ 40 - 10. Например, ВЧ 90-15 означает: ВЧ- высокопрочный чугун, 90 – 900 МПа (90 кг/мм2) - предел прочности чугуна при растяжении; 15 – 15% - относительное удлинение. Такие чугуны выдерживают значительные растягивающие нагрузки, поэтому применяются для более ответственных деталей: кузнечнопрессового оборудования, станин прокатных станов, коленчатых валов автомобилей, поршней, вентилей, крыльчаток, распределительных валиков. Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в автомобиле- и тракторостроении вместо более дорогих стальных поковок. Их можно подвергать упрочняющей термообработке. Есть смысл выплавлять легированные высокопрочные чугуны для особых условий эксплуатации – с повышенной вязкостью при отрицательных температурах, жаропрочные, коррозионно-стойкие. в) ковкий чугун –это серый чугун с хлопьевидным графитом (рис. 4). Такой графит получается при отжиге белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5-3 %. Его еще называют углеродом отжига. При нагреве (до температур, близких к солидусу), цементит в белом чугуне распадается на исходные компоненты: железо и углерод, образуя углерод в хлопьевидной форме. Fe3C → Fe + C. Ковкий чугун был создан с целью повысить механические свойства чугуна, сохранив его преимущества перед сталью. Предел прочности при растяжении sВ и относительное удлинение δ у высокопрочных чугунов выше, чем у серых, так как шаровидные включения графита – более мягкие концентраторы напряжения, чем пластинчатые . Рисунок 4. Ковкий чугун (серый чугун с хлопьевидным графитом) Маркировка ковких чугунов: две буквы КЧ и два двузначных числа, первое из которых показывает предел прочности чугуна при растяжении (МПа) или (кг/мм2), другая — относительное удлинение (%). Ппример, КЧ 60 - 2, КЧ 30 - 10. Например, КЧ 32-15 означает: 10 КЧ- ковкий чугун, 32 – 320 МПа (90 кг/мм2) - предел прочности чугуна при растяжении; 15 – 15% - относительное удлинение Ковкие чугуны применяют для мелких деталей, работающих с вибрациями, ударами: крюков, скоб, картеров, ступиц и т. д. Антифрикционный чугун Антифрикционный чугун характеризуется низким коэффициентом трения, значительной износостойкостью, хорошей прирабатываемостью, механической прочностью и пластичностью, жидкотекучестью, отсутствием склонности к схватыванию, более низкой ценой в сравнении с бронзами и баббитами, простой технологией производства. Антифрикционный чугун применяют главным образом для различных деталей типа подшипников, работающих обычно в присутствии смазки, предохраняющей поверхности трения от непосредственного контакта. В зависимости от формы графита, антифрикционный чугун классифицируют на: серый чугун марок АЧС (с пластинчатым графитом), высокопрочный чугун марок АЧВ (с шаровидным графитом), ковкий чугун марок АЧК (с компактным графитом в виде углерода отжига). Маркировка: В обозначении марок антифрикционного чугуна используются буквы АЧ — антифрикционный чугун, С — серый чугун с пластинчатым графитом, В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом, К — ковкий чугун с компактным графитом и цифры, отображающие порядковый номер марки. Пример: АЧС-1, АЧВ -2, АЧК-4. 11