Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродисты е сплавы К железоуглеродистым сплавам относятся сплавы железа и углерода (Fe и С). Сплавы содержащие менее 2,14% углерода принято называть сталями, а сплавы содержащие от 2,14 до 6,67% углерода чугунами. Чугуны выплавляют из железной руды в доменных печах; стали получают путем переработки чугуна и лома черных металлов в конверторах, мартеновских и электрических печах. По назначению чугуны, выплавляемые в доменных печах разделяются на передельные и литейные. В зависимости от технологии получения и химического состава чугуны подразделяют на серые, белые, ковкие и др. виды. В зависимости от химического состава стали разделяются на углеродистые и легированные. Каждый из видов разделяется на три группы: углеродистые – на конструкционные, инструментальные и специальные; легированные – на конструкционные (низколегированные), инструментальные и высоколегированные. Влияние углерода и примесей на свойства сталей Углерод при увеличении его содержания до 1 % повышает прочность и твердость, но снижает пластичность. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и снижает ударную вязкость. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 % С), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. 60 200 2000 σВ, МПа НВ, МПа аН, кДж/м2 δ,φ % 75 250 1500 600 30 100 1000 400 15 50 200 500 φ 800 45 НВ аН σВ σ δ 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Cодержание углерода, % Влияние содержания углерода на механические свойства стали Марганец повышает прочность и устраняет вредное действие серы. Кремний способствует получению плотного слитка. Марганец и кремний являются полезными примесями стали. Содержание их в углеродистых сталях Mn 0,25-0,75%; Si 0,030,5%. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. Их содержание в стали не должно превышать 0,05%. Фосфор понижает пластичность и ударную вязкость, придает хрупкость в холодном состоянии. Сера придает хрупкость в горячем состоянии. Вредными примесями стали являются газы (кислород, азот и водород). Кислород и азот снижают ударную вязкость и прочность стали, а водород резко снижает ее прочность и пластичность. Углеродистые стали: Углеродистые конструкционные стали Эти стали применяют для изготовления деталей машин и различных строительных конструкций. Они бывают обыкновенного качества и качественные. Сталь углеродистую обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) выплавляют конвертерным или мартеновским способом и применяют для изготовления сортового и фасонного проката, листового проката, труб, болтов, заклепок, деталей арматуры и других деталей неответственного назначения. Конструкционные стали обыкновенного качества имеют следующую маркировку: Ст0; Ст1 ….Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, а цифры номер стали. Чем больше номер, тем сталь прочнее и тверже. В сталях этого вида содержится не больше 0,49% углерода. В маркировке могут указывать группу стали: кп – кипящая; пс – полуспокойная; сп – спокойная. Кипящие стали обладают хладноломкостью – способностью переходить в хрупкое состояние при низких температурах. Сталь углеродистую качественную (ГОСТ 380-71) выплавляют мартеновским способом, в кислородных конвертерах и электропечах. Эту сталь применяют для более ответственных деталей. В зависимости от химического состава качественные стали разделяются на две группы: I – стали с нормальным содержанием Mn (марки 05кп, 08кп, 10кп, 10, и т.д. до 85); II – с повышенным содержанием Mn (марки 15Г, 20Г…70Г). Двузначное число в марке качественной стали соответствует содержанию углерода в стали в сотых долях процента. Буква Г обозначает, что в стали повышенное содержание марганца (от 1 до 2 %). В маркировке могут указывать группу стали: кп – кипящая; пс – полуспокойная; сп – спокойная. Применение: -Трубы и соединительные части для них – Ст2, Ст3, Ст4, 10, 15 и др. Детали задвижек и вентилей – Ст3. -Металлоконструкции кранов: рамы, детали стрелы, рычаги управления – Ст3; оси валы лебедок – Ст5; муфты, шпонки – Ст6; храповые колеса, кулачковые муфты, шестерни, валы, оси – из сталей 35, 40, 45. -Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки из спокойных сталей Ст3 и Ст5. Углеродистые инструментальные стали Эти стали выплавляют в мартеновских и электрических печах и применяют для изготовления режущих, мерительных и других инструментов и приспособлений. Углеродистые инструментальные стали делятся на качественные и высококачественные. Инструментальные качественные стали условно обозначаются буквой У и числом У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Числа указывают на среднее содержание углерода в десятых долях процента. К марке инструментальных высококачественных сталей добавляют букву А в конце марки: У7А, У8А и т.д. Такая сталь содержит меньше серы и фосфора, чем качественная. Применение: - Слесарные зубила, молотки,масштабные линейки, отвертки и др.– У7, У7А, У8, У8А. - Стали У8 и У8А – ножницы по металлу, полотна ручных ножевок, пробойники,ролики труборезов. - Из сталей У10, У10А, У12, У12А – сверла, плашки, развертки,метчики, шаберы, полотна механических ножевок. Специальные углеродистые стали Это стали для специального применения, например автоматная (ГОСТ1414-54) имеет марки: А12, А20, А30, А40Г (А-автоматная). Эти стали идут для изготовление на станках-автоматах болтов, винтов и т.п. Числа указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали содержат повышенное количество фосфора и серы, поэтому их стружка при обработке резанием получается более ломкой, сыпучей. Легированные стали Легированные стали в отличие от углеродистых, кроме Fe, C и обычных примесей содержат определенное количество специально введенных (легирующих) добавок, придающих стали особые свойства. При написании марки стали легирующие элементы обозначают определенными буквами: 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. Требуемые свойства легированные стали приобретают только после термической обработки (ТО). Легированные стали по назначению делятся на: конструкционные (низколегированные), инструментальные, стали с особыми физическими и химическими свойствами (высоколегированные). Влияние легирующих добавок на свойства стали Хром – повышает прокаливаемость, повышает прочность и твердость стали, стойкость против коррозии при нормальной и повышенной температурах. Бор – увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладноломкости (+20…-60)oС. Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладноломкости до (+40…-60)oС. Повышает прочность и износоустойчивость стали. Титан вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали. Увеличивает жаропрочность, препятствует межкристаллитной коррозии, т.е разрушению по границам зерен под действием коррозионных сред. Поэтому титан вводят в состав кислотостойких сталей. Вольфрам повышает прочность и твердость стали, улучшает режущие свойства при повышенной температуре. Никель повышает прочность, коррозионную стойкость и сопротивление электрическому току. Кремний повышает упругость стали. При содержании кремния до 15-20% повышается её кислотостойкость. Молибден повышает прочность и твердость стали при нормальной и повышенной температуре, улучшает обрабатываемость резанием, свариваемость. Ванадий повышает твердость, пластичность и вязкость стали. Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках и жаропрочность. Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Сталь низколегированная конструкционная (ГОСТ 5058-65). Низколегированные стали содержат до 0,65% углерода и до 2,5% легирующих добавок. Марка состоит из двухзначного числа, показывающего содержание углерода в сотых долях процента, и букв обозначающих легирующие элементы, входящие в сталь. Если количество легирующей добавки 2% и более, то после буквы ставится число, указывающее это количество, напр.: 16ГС (марганцовокремнистая), 60С2 (кремнистая). Применение. Конструкционные легированные стали применяют в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Хромистую сталь используют для автотракторных двигателей, автомобильных кранов, экскаваторов. 15Х – шестерни коробки отбора мощности автомобильных кранов, 20Х – для червяков, храповых колес, зубчатых колес, 40Х – вал реверса главной лебедки экскаватора. Хромомарганцовоникелевую 38ХГН для тяжелонагруженных зубчатых колес экскаватора. Хромоникелевую высококачественную 12ХН3А – каретка, передний и задний валы коробки отбора мощности автокрана. Ресоры и пружины изготавливают из кремнистых сталей 55С2 и 60С2. Для армированияжелезобетонных конструкций – 80С, 35ГС, 18Г2С, 25Г2С. Сталь инструментальная легированная (ГОСТ 595063). Такая сталь содержит до 1,5% С и высокий процент легирующих добавок. Применяют для изготовления режущего, мерительного, ударного и штампового инструмента. Марка инструментальной легированной стали состоит из цифр цифр перед буквами и букв, напр. 9ХС. Цифра указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента, буква – легирующие добавки. Если содержание углерода 1% и более, то цифру перед буквами не ставят. Сверла, метчики, фрезы – 9ХС. Пневматические зубила, штампы для холодной штамповки – 6ХС. Особое место в этой группе занимают быстрорежущие стали (ГОСТ 5952-63), способные сохранять режущие свойства при больших скоростях обработки и температуре 600-700оС. Основной легирующей добавкой является вольфрам. Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р и цифрами обозначающими процентное содержание вольфрама. Р6, Р9, Р18, Р12, Р6М3 Стали с особыми физическими и химическими свойствами (высоколегированные). Подразделяются на: жаропрочные, жаростойкие легирующих добавок более 5%. коррозионностойкие, и др. Содержание Коррозионностойкие стали обладают высокой стойкостью против электрохимической коррозии на воздухе, в почве, растворах кислот, щелочей, солей. Хромистые стали 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, не ржавеют на воздухе и в воде, их называют нержавеющими сталями. Хромоникелевые стали содержат 17-20% хрома и 8% никеля. Обладают высокой кислотоустойчивостью. Идут на изготовление трубопроводов, аппаратуры и деталей, работающих в коррозионных средах - 12Х18Н9, 15Х25Т, 15Х28. Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, детали из которых работают в ненагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладают приэтом достаточной окалиностойкостью. Напр., 15Х28 устойчива против окисления при нагревании до 1100оС; из стали 40Х9С2 делают выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания, эта сталь не только жаростойкая, но и жаропрочная. Жаропрочными называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре 550оС. 12Х13 и 20Х13 – лопатки паровых турбин и клапаны, 40Х10С2М - клапаны моторов. Износоустойчивые стали обладают большой стойкостью на истирание. Примером является Г13. Детали из нее получают путем литья, так как эту сталь трудно обрабатывать резанием. Изготавливают ковши и зубья ковшей экскаваторов,гусеницы тракторов, щеки дробилок. Спасибо за внимание!