Железоуглеродистые сплавы

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Наиболее распространёнными конструкционными материалами в технике являются железоуглеродистые (чёрные) сплавы, а именно стали и чугуны. Сталь – сплав железа с углеродом, с содержанием углерода от 0,02 % до 2,14 % (по химическому составу сталь подразделяется на легированную и углеродистую.). Чугун – сплав железа с углеродом, с содержанием углерода от 2,14 % до 6,67 % (по состоянию углерода в структуре чугуна различают белые и графитизированные чугуны). Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов может быть стабильной, когда в процессе кристаллизации углерод выделяется в свободном состоянии в виде графита, и метастабильный – с образованием карбида железа Fe3C, что более вероятно. Поэтому основное внимание уделим диаграмме состояния системы «Железо – Цементит» (рис. 1). С целью упрощения и более удобного пользования внесём некоторые изменения: не будем рассматривать перитектическое превращение в области, примыкающей к точке A (t = 1539 0С); не будем рассматривать магнитные превращения в железе на линии MO (рис. 3). Рис. 1. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C В зависимости от структуры (фазового состава): а) сталь по диаграмме состояния системы Fe – Fe3C подразделяется на три группы: доэвтектоидная сталь (0,02 % < C < 0,8 %) при комнатной температуре имеет структуру: феррит + перлит; эвтектоидная сталь (C = 0,8 %) при комнатной температуре имеет структуру: перлит (феррит + цементит); заэвтектоидная сталь (0,8 % < C < 2,14 %) при комнатной температуре имеет структуру: перлит + цементит вторичный; б) чугун по диаграмме состояния системы Fe – Fe3C подразделяется на три группы: доэвтектический чугун (2,14 % < C < 4,3 %) при комнатной температуре имеет структуру: перлит + цементит вторичный + ледебурит (перлит + цементит); эвтектический чугун (C = 4,3 %) при комнатной температуре имеет структуру: ледебурит (перлит + цементит); заэвтектический чугун (4,3 % < C < 6,67 %) при комнатной температуре имеет структуру: цементит первичный + ледебурит (перлит + цементит). Линии диаграммы состояния системы Fe – Fe3C показывают температуры начала или окончания структурных превращений в железоуглеродистых сплавах (табл. 1). Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов имеют следующие характеристики. Феррит – Ф = Feα – твёрдый раствор углерода в α-железе (Feα). Так как максимальная растворимость углерода в α-железе очень мала (0,02 % при t = 727 0С), а при комнатной температуре Сmax = 0,006 %, то можно говорить, что феррит – это практически чистое α–железо. Кристаллическая решётка феррита – объёмно-центрированная кубическая (ОЦК). Растворимость углерода в феррите очень мала (Cmax = 0,02 % при t = 727 0С; Cmax = 0,006 % при комнатной температуре (18 … 23) 0С). Феррит является самой мягкой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ от 80 до 130); обладает высокой пластичностью (δ от 40 до 50 %), магнитен ниже температуры точки Кюри; хорошо обрабатывается давлением (ковка, штамповка, прокатка); имеет больший удельный объём по сравнению с аустенитом, хорошую электро– и теплопроводность, небольшую прочность. Таблица 1 Линии диаграммы состояния системы Fe – Fe3C Обозначение Название Структурное превращение АBСD ликвидус, линия начала первичной кристаллизации начинается процесс первичной кристаллизации (в жидкой фазе сплава начинают образовываться кристаллы твердой фазы) AECF солидус, линия окончания первичной кристаллизации заканчивается процесс первичной кристаллизации (вся жидкая фаза сплава преобразовывается в кристаллы твердой фазы) GSECF линия начала вторич-ной кристаллизации: GS – в сталях, ECF – в чугунах начинается процесс вторичной кристаллизации (на границах зерен ранее образовавшихся твердых фаз начинают зарождаться зерна других твердых фаз) GPSK линия окончания вторичной кристаллизации заканчивается процесс вторичной кристаллизации (все зерна первичных твердых фаз полностью превращаются в зерна вторичных твердых фаз) PSK линия эвтектоидных (перлитных) превращений образуется эвтектоид – Перлит (Аустенит с содержанием углерода 0,8 % при постоянной температуре 727оC распадается на высокодисперсную физико-химическую смесь кристаллов Феррита и Цементита) ECF линия эвтектических (ледебуритных) превращений образуется эвтектика – Ледебурит (жидкая фаза сплава с содержанием 4,3% углерода при постоянной температуре 1147оC распадается на высокодисперсную физико-химическую смесь кристаллов Аустенита и Цементита) МО линия магнитных превращений меняются магнитные свойства феррита: выше линии – немагнитный (парамагнетик), ниже линии – магнитный (ферромагнетик); линии МО соответствует температура Кюри Аустенит – А = Feγ(C) – твёрдый раствор углерода в γ-железе (Feγ). Кристаллическая решётка аустенита – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Растворимость углерода в аустените больше, чем в феррите (Cmax = 2,14 % при t = 1147 0С). Аустенит является высокотемпературной фазой железоуглеродистых сплавов (при н.у. не может существовать ниже линии PSK, t = 727 0С); обладает меньшим удельным объёмом, чем феррит; имеет невысокую твёрдость (НВ от 180 до 200) и высокую пластичность (δ от 40 до 50 %); немагнитен (парамагнитная составляющая во всем температурном интервале его существования); хорошо обрабатывается давлением. Цементит – Ц = Fe3C – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа). Цементит содержит 6,67 % углерода и имеет сложную ромбическую кристаллическую решётку. Цементит является самой твёрдой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ около 800); самая хрупкая фаза железоуглеродистых сплавов, т.е. обладает практически нулевой пластичностью (δ = 0 %); слабо магнитен до температуры 210 0С (выше этой температуры цементит парамагнитен). Перлит – П = (Ф + Ц) = (Feα + Fe3C) – высокодисперсная (мелкозернистая) физико-химическая смесь феррита и цементита, образующаяся в результате распада аустенита с содержанием 0,8 % углерода при постоянной температуре 727 0С за счёт диффузионного расслоения аустенита. Перлит имеет признаки эвтектики, но отличается от неё тем, что является продуктом вторичной кристаллизации. Вследствие этого перлит называется эвтектоидом, а распад аустенита на перлит – эвтектоидным превращением. Механизм перлитного (эвтектоидного) превращения представлен на рис. 2. Рис. 2. Механизм перлитного (эвтектоидного) превращения В результате полиморфического превращения Feγ, хорошо растворяющее углерод, превращается в Feα, практически углерод не растворяющее. Атомы углерода выходят из кристаллической решётки железа, химически взаимодействуют с атомами железа, образуя Fe3C. Диффузия атомов углерода возможна лишь при достаточно высоких температурах, поэтому перлитное превращение наблюдается, когда полиморфическое превращение в железе происходит в интервале температур от 727 до 550 0С. Перлит содержит 0,8 % углерода. Пластинчатый перлит средней дисперсности обладает невысокой твёрдостью (НВ от 170 до 230) и невысокой пластичностью (δ = 10 %); магнитен. Механические свойства перлита определяются его структурным состоянием. В зависимости от формы частиц цементита перлит может иметь пластинчатое или зернистое строение. Строение перлита определяется величиной переохлаждения, при котором происходит распад. Ледебурит (эвтектика в чугунах) – Л = (А + Ц) – высокодисперсная (мелкозернистая) физико-химическая смесь аустенита и цементита, одновременно образующихся из жидкой фазы сплава с содержанием 4,3 % углерода при постоянной температуре 1147 0С. При дальнейшем охлаждении на линии PSK (t = 727 0С) структура ледебурита меняется: аустенит превращается в перлит, поэтому при комнатной температуре (18 … 20 0С) ледебурит – Л = (П+Ц) – высокодисперсная (мелкозернистая) физико-химическая смесь перлита и цементита. Как любая эвтектика ледебурит имеет постоянный химический состав, поэтому содержание углерода при любой температуре равно 4,3 %. Ледебурит обладает высокой твёрдостью, как и у цементита, составляющего его основу (НВ около 600), и практически нулевой пластичностью (δ ≈ 0 %); износостоек; маломагнитен; как любая эвтектика имеет высокие литейные свойства (хорошую жидкотекучесть, малую усадку). 2. Кристаллизация и структура железоуглеродистых сплавов Процесс кристаллизации доэвтектоидной стали рассмотрим на примере стали с содержанием 0,5 % углерода (сплав I на рис. 3). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. Точка 1, лежащая на линии ликвидус, является температурой начала первичной кристаллизации. Кристаллизующееся железо имеет решётку ГЦК, называется γ-железом, хорошо растворяет углерод. В результате в точке 1 начинают формироваться кристаллы твёрдого раствора углерода в γ-железе, называемом аустенитом. Процесс первичной кристаллизации заканчивается в точке 2, первичная структура стали представляет собой аустенит. В интервале 2 – 3 превращений в сплаве не происходит, это интервал устойчивого аустенитного состояния, здесь ведётся горячая обработка давлением. В точке 3 начинается вторичная кристаллизация сплава, которая вызвана полиморфическим превращением в железе: превращение γ-железа в α-железо, называемое ферритом. Начавшись в точке 3, процесс кристаллизации феррита будет продолжаться до точки 4/. Углерод, не растворяясь в феррите, концентрируется в аустените, и к моменту достижения точки 4/ содержание углерода в аустените составит 0,8 %. Таким образом, в точке 4/ структура стали: Ф 0,02% С + А 0,8% С. Между точками 4/ и 4// при постоянной температуре 727 0С аустенит распадается на тонкую смесь феррита и карбида железа, называемую перлитом. Таким образом, в точке 4// структура стали: Ф 0,02% С + П 0,8% С. Ниже точки 4// структура стали не меняется. Таким образом, конечная структура стали состоит из феррита, выделившегося в интервале 3 – 4/, и перлита, образовавшегося между точками 4/ и 4//. Коротко структуру доэвтектоидной стали можно записать: Ф + П (Ф + Ц). Рис. 3. Диаграмма состояния Fe – Fe3C и термические кривые охлаждения углеродистых сталей На рис. 4, а, представлена микроструктура доэвтектоидной стали: светлые зёрна – феррит, тёмные – перлит. С повышением содержания углерода количество перлита в структуре доэвтектоидной стали увеличивается, число зёрен феррита уменьшается. а б в Рис. 4. Микроструктуры углеродистой стали: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь; в – заэвтектоидная сталь Процесс кристаллизации эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % углерода, рассмотрим на примере сплава II (рис. 3). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. Первичная кристаллизация, аналогично с доэвтектоидной сталью, проходит между точками 1 и 2 с образованием аустенита в качестве первичной структуры. Различие лишь в температурных значениях критических точек и содержании углерода в аустените. От точки 2 до 3/ структура не меняется, это интервал устойчивого аустенитного состояния. Вторичная кристаллизация протекает между точками 3/ и 3// при постоянной температуре 727 0С: аустенит распадается на тонкую смесь феррита и карбида железа, которая называется перлитом. При дальнейшем охлаждении (ниже точки 3//) структура стали не меняется, поэтому конечная структура эвтектоидной стали: П = (Ф + Ц). На рис. 4, б, представлена микроструктура эвтектоидной стали: пластинчатый перлит, состоящий из чередующихся пластинок феррита и цементита. Процесс кристаллизации заэвтектоидной стали рассмотрим на примере стали с содержанием углерода 1,5 % (сплав III на рис. 3). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. Первичная кристаллизация заэвтектоидной стали проходит между точками 1 и 2 с образованием аустенита в качестве первичной структуры, как у доэвтектоидной и эвтектоидной сталей. Различие лишь в температурных значениях критических точек и содержании углерода в аустените. От точки 2 до точки 3 структура не меняется (интервал устойчивого аустенитного состояния). В точке 3 начинается вторичная кристаллизация. Она вызвана тем, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените понижается по линии ES от 2,14 % при температуре 1147 0С (точка E) до 0,8 % при 727 0С (точка S). Таким образом, в точке 3 аустенит становится насыщенным, из него начинает выделяться углерод, образующий с железом карбид железа – цементит. Так как в данном сплаве цементит образуется в результате вторичной кристаллизации, то его называют вторичным в отличие от первичного в чугуне и обозначают ЦII или Fe3CII. Процесс кристаллизации цементита, начавшись в точке 3, продолжается до точки 4/ и сопровождается снижением содержания углерода в аустените до 0,8 %. Таким образом, структура стали в точке 4/: А 0,8% С + ЦII. Между точками 4/ и 4// аустенит распадается на тонкую смесь феррита и карбида железа, называемую перлитом. Ниже точки 4// структура стали не меняется, поэтому конечная структура заэвтектоидной стали: ЦII + П (Ф + Ц). На рис. 4, в, представлена микроструктура заэвтектоидной стали: перлит в виде тёмных зёрен и по их границам тонкая светлая сетка цементита вторичного. Процесс кристаллизации белого доэвтектического чугуна рассмотрим на примере чугуна, содержащего 3 % углерода, обозначенного на рис. 5 цифрой I. Выше точки 1 чугун находится в жидком состоянии. Обратим внимание на то, что линия ликвидус при переходе от стали к чугуну не изменила своего направления. Это даёт основание полагать, что процесс первичной кристаллизации доэвтектического чугуна начнётся так же, как в сталях с образования аустенита. Действительно, в интервале 1 – 2/ кристаллизуется аустенит, что сопровождается обогащением жидкой фазы углеродом, так как аустенит растворяет не более 2,14 % углерода. При подходе к точке 2/, лежащей на линии солидус, в сплаве будут кристаллы аустенита, содержащие 2,14 % углерода, и жидкая фаза, в которой содержание углерода достигло 4,3 %. Между точками 2/ и 2// при постоянной температуре 1147 0С эта жидкая фаза кристаллизуется в ледебурит – эвтектику, представляющую собой механическую смесь аустенита и цементита. Таким образом, первичная структура сплава в точке 2//: А 2,14% С + Л (А + Ц). Как только закончится первичная кристаллизация, сразу же начинается вторичная (при переходе через точку 2//): выделение ЦII. Это объясняется тем, что при первичной кристаллизации сформировался аустенит, предельно насыщенный углеродом. Данный процесс продолжается до точки 3// (727 0С). К этой точке сплав подходит, имея структуру: А0,8%С + ЦII + Л (А + Ц). Между точками 3/ и 3// при постоянной температуре 727 0С аустенит превращается в перлит. Таким образом, конечная структура чугуна в точке 3//: П + ЦII + Л (П+Ц). При дальнейшем охлаждении (ниже точки 3//) структура чугуна не меняется, поэтому конечная структура доэвтектического чугуна: П + ЦII + Л (П + Ц). На рис. 6, а, показана микроструктура белого доэвтектического чугуна: тёмные крупные зёрна – перлит, светлая составляющая – цементит вторичный, мелкие зёрнышки перлита на светлом фоне цементита вместе составляют ледебурит. а б в Рис. 6. Микроструктуры белых чугунов: а) доэвтектический чугун; б) эвтектический чугун; в) заэвтектический чугун Рис. 5. Диаграмма состояния Fe – Fe3C и термические кривые охлаждения белых чугунов Процесс кристаллизации эвтектического чугуна, содержащего 4,3 % углерода, рассмотрим на примере сплава II (рис. 5). До точки 1/ чугун находится в жидком состоянии. Процесс первичной кристаллизации протекает между точками 1/ и 1// (в т. С на д.с. Fe – Fe3C). В результате кристаллизации жидкого сплава состава т. С образуется эвтектика – ледебурит (Л), состоящий из аустенита состава т. Е и цементита. Таким образом, структура эвтектического чугуна на конец первичной кристаллизации (точка 1//): Л = А 2,14% С + Ц. Вторичная кристаллизация в интервале между точками 1// и 2/ слабо выражена: выделяющийся из аустенита в эвтектике (ледебурите) цементит сливается с уже имеющимся в ней цементитом. При этом концентрация углерода в аустените будет уменьшаться от 2,14 % (состав т. Е) до 0,8 % (состав т. S). В итоге структура эвтектического чугуна в точке 2/: Л = А 0,8% С + Ц. Между точками 2/ и 2// при постоянной температуре 727 0С произойдёт перлитное превращение (А 0,8% С → П). Таким образом, структура эвтектического чугуна на конец вторичной кристаллизации (точка 2//): Л = П + Ц. Ниже точки 2// структура сплава не меняется, следовательно, конечная структура эвтектического чугуна будет состоять из одного ледебурита, представляющего собой высокодисперсную физико-химическую смесь перлита и цементита: Л = П + Ц (рис. 6, б). Процесс кристаллизации белого заэвтектического чугуна на примере сплава III (рис. 5) начинается иначе, чем в предыдущих сплавах. В точке 1 начинается образование кристаллов цементита первичного ЦI. Для того, чтобы в жидком сплаве началась реакция образования цементита, требуется содержание углерода более 4,3 %. Кристаллы ЦI формируются до точки 2/, жидкая фаза при этом обедняется углеродом до 4,3 %. Между точками 2/ и 2// при постоянной температуре 1147 0С жидкая фаза превращается в эвтектику – ледебурит. Первичная структура сплава (точка 2//): ЦI + Л4,3% С (А 2,14% С + Ц). Вторичная кристаллизация в интервале 2// – 3/ слабо выражена, выделяющийся из аустенита в эвтектике вторичный цементит сливается с имеющимся в ней цементитом. При этом концентрация углерода в аустените будет уменьшаться от 2,14 % (состав т. Е) до 0,8 % (состав т. S). Между точками 3/ и 3// при постоянной температуре 727 0С произойдёт перлитное превращение: А 0,8% С → П. Таким образом, структура чугуна на конец вторичной кристаллизации (точка 3//): ЦI + Л (П + Ц). Ниже точки 3// структура сплава не меняется, поэтому конечная структура белого заэвтектического чугуна: ЦI + Л (П + Ц). На рис. 6, в, представлена микроструктура белого заэвтектического чугуна: светлые массивные пластины цементита первичного на фоне ледебурита. 3. Углеродистые стали Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали определяется их содержанием. С увеличением концентрации углерода количество феррита уменьшается, а количество цементита возрастает, поэтому с повышением содержания углерода повышается твёрдость и прочность стали, а пластичность снижается. Помимо железа и углерода в состав железоуглеродистых сплавов входят Mn, Si, P, S, N, H, O и другие примеси, которые оказывают полезное или вредное влияние на свойства сплавов. Во всех марках стали присутствует марганец и кремний. Марганец уменьшает вредное влияние серы, образуя MnS, упрочняет феррит, растворяясь в нём, частично образует карбид Mn3C, не отличимый под микроскопом от цементита. Кремний, растворяясь в феррите, упрочняет его, повышает упругие свойства. Сера является вредной примесью, делает сталь хрупкой в горячем состоянии (красноломкость). Содержание её в стали ограничивается сотыми долями процента. Фосфор, присутствующий в каждой стали, также является вредной примесью. Растворяясь в феррите, фосфор делает его хрупким при низких температурах (хладноломкость), поэтому содержание фосфора в стали ограничивается сотыми долями процента. Скрытые примеси – кислород, азот, водород находятся или в виде твёрдого раствора в феррите, или в виде нитридов и оксидов, или в свободном состоянии в порах и пузырьках. Это вредные примеси, в химическом составе стали они не указываются. На структуру и свойства стали влияет способ её раскисления в процессе производства. Кипящая сталь раскисляется только ферромарганцем, в результате в стали остаётся значительная концентрация FeO. В жидкой стали идёт реакция FeO + C → CO ↑ + Fe. Это тоже реакция раскисления, но не за счёт Si и Al, а за счёт углерода, содержащегося в стали. Реакция продолжается в ковше, в изложницах до полного затвердевания стали. Выделяющиеся на поверхности жидкой стали пузырьки CO создают впечатление её кипения. Отсюда и название – кипящая сталь. Преимущества кипящей стали: 1) повышенная пластичность (штампуемость), т.к. отсутствует кремний, снижающий пластичность феррита; 2) сталь содержит меньше неметаллических включений – отсутствуют продукты раскисления SiO2 и Al2O3; 3) сталь дешевле за счёт уменьшения расхода раскислителей и сокращения отходов при дальнейшей обработке слитка (отсутствует усадочная раковина). Кипящая сталь производится в виде прутков и листов, предназначенных для холодной штамповки. Полуспокойная сталь раскисляется марганцем и алюминием и занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. Сталь, полностью раскисленная с помощью раскислителей, называется спокойной. В этом случае в жидкую сталь перед разливкой последовательно по нарастающей активности вводят ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Элементы-раскислители восстанавливают железо из оксида FeO, растворимого в стали и ухудшающего её качество. Образовавшиеся оксиды MnO, SiO2, Al2O3 в стали не растворяются и всплывают в шлак. Слиток спокойной стали имеет плотное тело, в головной части расположена усадочная раковина – результат усадки стали в процессе кристаллизации (в кипящей стали усадка компенсирована газовыми пузырьками). В процессе дальнейшей обработки слитка эта его часть отрезается. Спокойной выплавляется сталь со средним и повышенным содержанием углерода, легированная сталь, когда нет гарантии в том, что газовые пузырьки бесследно заварятся. Углеродистая сталь – это сталь, основными компонентами которой являются только железо и углерод, все остальные химические элементы, входящие в состав стали, являются примесями. Существуют различные системы классификации углеродистой стали в зависимости от основания деления: содержания углерода, назначения, структуры, качества, степени раскисления (рис. 7). Сталь углеродистая конструкционная предназначена для изготовления деталей машин, строительных конструкций и сооружений и выпускается двух категорий качества: обыкновенного качества и качественная. Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью в сочетании с достаточной пластичностью и вязкостью. При знакопеременных нагрузках конструкционные стали должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении – сопротивлением износу. Конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства – хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, иметь хорошую свариваемость. Из-за высокой хрупкости конструкционная углеродистая сталь Рис. 7. Общая классификация углеродистой стали содержит углерода не более 0,65 %. Конструкционные стали представлены следующими группами. Цементуемые – низкоуглеродистые стали (С ≤ 0,25%), подвергаемые цементации с целью получения твёрдого поверхностного слоя и вязкой сердцевины. Данные стали применяют для изделий, работающих в условиях повышенного износа и динамических нагрузок, но не испытывающих значительных напряжений. Из цементуемых сталей 15, 20, 25 изготавливают болты, винты, фланцы, рычаги, шпиндели, змеевики и другие детали, работающие при температурах от – 40 до + 125 0С. Улучшаемые – среднеуглеродистые стали (0,30 % ≤ С < 0,50 %), используемые для изготовления небольших деталей и узлов во всех отраслях машиностроении, которые подвергаются улучшению – закалке с высоким отпуском. Важнейшей характеристикой конструкционной стали является её прокаливаемость. По этому признаку конструкционная улучшаемая сталь делится на 5 групп. Углеродистая улучшаемая сталь относится к I группе. Её прокаливаемость низкая: критический диаметр, при котором достигается сквозная прокаливаемость, всего лишь около 10 мм (Дк до 10 мм). Улучшаемые стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления деталей и узлов средних размеров несложной конфигурации во всех отраслях машиностроении, к которым предъявляются требования повышенной прочности: ролики, валики, втулки, коленчатые валы, звездочки, оси, шайбы, шатуны, зубчатые колёса, болты и другие изделия. Рессорно-пружинные стали – высокоуглеродистые стали (С ≥ 0,50 %), подвергаемые закалке и среднетемпературному отпуску, после которых они приобретают высокие упругие характеристики и большой предел выносливости. Рессорно-пружинные стали 50, 55, 60 применяются для изготовления рессор, пружин и других упругих элементов конструкций.Сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества поставляется в виде горячекатанного рядового проката (листы, прутки, уголки, швеллеры и другие) и используется для изготовления балок, ферм, корпусов судов, а также для малонагруженных (неответственных) деталей машин (валов, осей, шайб, болтов, гаек и других деталей). В маркировке стали буквы Ст являются признаком того, что эта сталь обыкновенного качества. Цифра от 0 до 6, входящая в марку стали, это порядковый номер стали (напрямую с содержанием углерода не связана). Однако чем больше это число, тем больше содержание углерода. В табл. 2 представлены основные марки и механические свойства углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества. Таблица 2 Конструкционные стали обыкновенного качества Марка стали Предел прочности σb, МПа Относительное удлинение δ,% Ст 0 310 23 … 20 Cт 1 кп 310 … 400 35 … 32 Ст 1 пс, Ст 1 сп Ст 2 кп Ст 2 пс, Ст 2 сп Ст 3 кп Ст 3 пс, Ст 3 сп Ст 4 кп Ст 4 пс, Ст 4 сп Ст 5 пс, Ст 5 сп Ст 6 пс, Ст 6 сп 320 … 420 330 … 420 340 … 440 370 … 470 380 … 490 410 … 520 420 … 540 500 … 640 600 34 … 31 33 … 30 32 … 29 27 … 24 26 … 23 25 … 22 24 … 21 20 … 17 15 … 20 Примечания: 1. Буквы, стоящие в конце марки, обозначают способ раскисления: сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая. 2. Выплавляют также стали с повышенным содержанием марганца – Ст 3Гпс, Ст 3Гсп, Ст 5Гпс (до 1,2 % Мn). 3. Содержание P ≤ 0,04 %, S ≤ 0,05 % (СтО – Р ≤ 0,07 %, S ≤ 0,06 %). Углеродистая конструкционная качественная сталь по стандарту имеет установленный химический состав и механические свойства, более жёсткий предел для вредных примесей, подвергается контролю макро- и микроструктуры. Всё это способствует повышению качества стали и надёжности изделий, изготовленных из неё. В табл. 3 представлена характеристика углеродистой конструкционной качественной стали. Таблица 3 Углеродистые конструкционные качественные стали Марка стали С, % Предел прочности σb, МПа (не менее) Относительное удлинение δ, % (не менее) 08 0,05 … 0,12 320 33 10 0,07 … 0,14 340 31 15 0,12 … 0,19 380 27 20 0,17 … 0,24 420 25 25 0,22 … 0,30 460 23 30 0,27 … 0,35 500 21 35 0,32 … 0,40 540 20 40 0,37 … 0,45 580 19 45 0,42 … 0,50 610 16 50 0,47 … 0,55 640 14 55 0,52 … 0,60 660 13 60 0,57 … 0,65 690 12 65 0,62 … 0,70 710 10 70 0,67 … 0,75 730 9 Примечания: 1. Двузначное число, обозначающее марку стали, соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. 2. Кроме марок, приведённых в таблице 3.5, производятся 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп, 08 пс, 10 пс,15 пс, 20 пс. Спокойные марки буквами сп не обозначаются. 3. Содержание Si зависит от способа раскисления и составляет от 0,03 до 0,37%. 4. Содержание Mn составляет от 0,25 до 0,80 %. Сталь с повышенным содержанием Mn маркируется дополнительно буквой Г, например 60 Г (Mn до 1,2 %). 5. Содержание S ≤ 0,035 %; Р ≤ 0,04 %. 6. Механические свойства установлены для стали, прошедшей нормализацию (для сталей 75, 80, 85 – закалку и средний отпуск при температуре 480 0С). По назначению инструментальные стали делятся на стали для: режущего инструмента (дереворежущего – фрезы, сверла, резцы, зубила; металлорежущего – кернеры, ролики труборезов, напильники, шаберы, ножовые полотна и прочее); измерительного инструмента (штангенинструмент: штангенциркуль, штангенглубиномер, штангеннутромер, микрометры, калибры: втулки, скобы, пробки, щупы, кольца и прочее); ударного инструмента (штампы холодного деформирования, пуансоны, матрицы, детали штамповой оснастки, молотки и прочее). Сталь углеродистая инструментальная предназначена для изготовления инструмента и с учётом содержания вредных примесей выпускается двух категорий качества: качественная и высококачественная (табл. 4). Это высокоуглеродистые стали (содержание углерода от 0,7 до 1,35 %), что гарантирует им в закалённом состоянии высокую твёрдость и износостойкость, необходимые для придания инструменту режущих свойств и износостойкости (табл. 5). Углеродистые инструментальные стали имеют низкую прокаливаемость и теплостойкость, что не позволяет изготавливать инструмент сечением более (20 … 25) мм. Поэтому их используют при малых скоростях резания, для ручных дереворежущих инструментов. Таблица 4 Марки углеродистой инструментальной стали Марка стали У7, У7А У8, У8А У9, У9А У10, У10А У11, У11А У12, У12А У13, У13А Содержание углерода, % 0,65 ... 0,74 0,75 … 0,84 0,85 … 0,94 0,95 … 1,04 1,05 … 1,14 1,15 … 1,24 1,25 … 1,35 Примечания: 1. Буква У – от слова углеродистая. 2. Число, обозначающее марку, соответствует среднему содержанию углерода в десятых долях процента. 3. Буква А в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная. 4. Mn от 0,15 до 0,35 %, Si до 0,35 %. 5. В марках с повышенным содержанием марганца до 0,58 % указывается буква Г. 6. Качественная сталь содержит Р ≤ 0,03 %, S ≤ 0,028 %. 7. Высококачественная сталь содержит P≤ 0,025 %, S ≤ 0,018 %. Таблица 5 Свойства инструментальной углеродистой стали Марка стали Твёрдость НВ, не менее Предел прочности σb, МПа У7, У7А, У8, У8Г 187 650 У11, У11А, У12, У12А 212 750 Углеродистая штамповая сталь (для штампов холодного деформирования) должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках. Высокоуглеродистые инструментальные стали после закалки с низкотемпературным отпуском отвечают этим требованиям, если в процессе работы не возникают сильные температурные воздействия. Сталь углеродистая специального назначения предназначена для изготовления ответственных узлов механизмов и сооружений (конструкций), требующих наличия у неё особых свойств и структуры. Сталь для мостостроения выпускают двух марок: М16С – для сварных мостовых конструкций и Ст3 – для клёпаных мостов. Сталь М16С имеет большую степень раскисленности и, следовательно, лучшую свариваемость, чем Ст3. Стали этих марок при температуре – 20 0С должны иметь удельную ударную вязкость αн не ниже 4 кг·м/см2; выпускаются в виде листов, широких полос и сортового проката. Сталь рельсовая – спокойная, полностью раскисленная; выпускают марки: М75 – (0,67 … 0,80) % С и М76 – (0,69 … 0,82) % С. Рельсовая сталь М75 маркируется как сталь Р50, а М76 – как Р65. Эти стали обеспечивают высокую прочность и износостойкость в месте контакта рельса и колеса локомотива и вагона, имеют плотную макроструктуру, без пороков усадочного характера. Сталь для осей локомотивов и вагонов имеет состав, близкий к стали углеродистой конструкционной качественной марки 40, и применяется в нормализованном состоянии; σb > 56 кгс/мм2, αн > 3 кгс·м/см2. Подступичную часть и шейки осей упрочняют накаткой (наклёпом). Сталь для цельнотянутых колёс близка по составу к стали марок 55 и 60. Колёса подвергают закалке с отпуском на твёрдость не ниже НВ 235. При этом достигается σb около 82 кгс/мм2. Колёса проходят испытания на удар; завод-поставщик гарантирует качество стали в течение всего срока эксплуатации колёс. Бандажная сталь предназначена для изготовления ёмкостей под давлением и поставляется по ГОСТ 20179-74 «Бандажи черные из углеродистой стали для подвижного состава железных дорог узкой колеи. Профили и размеры». Строительные стали предназначены для изготовления мостов, ферм, труб газо- и нефтепроводов, и других конструкций. Строительные конструкции, как правило, сварные, поэтому необходимым требованием к данным сталям является высокая свариваемость. Для обеспечения хорошей свариваемости содержание углерода в строительных сталях не должно превышать 0,18 %. В качестве строительных наиболее часто используются углеродистые стали обыкновенного качества Ст1, Ст2, Ст3, Ст5, по степени раскисления – спокойные, полуспокойные. Для конструкций неответственного назначения используют кипящие стали обыкновенного качества. Строительные низкоуглеродистые стали используют там, где требуется высокая жёсткость конструкций. Их применяют для армирования железобетонных изделий. К недостаткам этих сталей относят низкую хладностойкость, характеристикой которой служит температура перехода из вязкого состояния в хрупкое. Сталь глубокой вытяжки применяется для изделий автомобильной, лёгкой, пищевой промышленности (консервные банки, крышки, эмалированная посуда и т.д.) Основным требованием, предъявляемым к тонколистовой стали для пищевой и автомобильной промышленности, является способность к глубокой вытяжке, что свойственно сталям с низким содержанием углерода. Для глубокой вытяжки используют малопрочные, высокопластичные стали 05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатанного листа в соответствии с ГОСТ 9045–93. Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп, 10кп. Способность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния. 4. Легированные стали Легированная сталь – это сталь, в состав которой в процессе производства кроме железа и углерода были введены легирующие компоненты (хром, никель, вольфрам и другие), оказывающие полезное влияние на структуру и свойства стали для придания ей специальных (особых) свойств. Легирование – это введение в состав стали в процессе её выплавки элементов, которых углеродистая сталь не содержит (Cr, Ni, Mo, W, V и др.), или содержит, но в меньшей концентрации (Si, Mn). Эти элементы называются легирующими, а сталь – легированной. Легирующие компоненты – химические элементы, специально вводимые в состав стали в процессе ее производства с целью получения требуемого комплекса свойств за счёт изменения внутреннего строения стали. Основные отличия легированной стали от углеродистой заключаются в свойствах. Так, легированная сталь обладает значительно более высокими механическими характеристиками, поэтому её используют для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения. Большинство марок легированной стали приобретают высокие механические характеристики только после соответствующей термической обработки, которая приводит к фазовым превращениям и, кроме того, делает структуру сталей более мелкозернистой. Легированная сталь может обладать свойствами, отсутствующими у углеродистой стали, например: коррозионную стойкость, жаропрочность. Легированная сталь обладает более глубокой прокаливаемостью деталей тех же размеров, чем из углеродистой стали. Многие марки легированной стали прокаливаются насквозь даже при больших сечениях деталей. Чем больше в стали легирующих элементов (до определенной концентрации), тем выше ее прокаливаемость. Большинство легирующих элементов снижают температуру мартенситного превращения и улучшают качество остаточного аустенита в структуре закаленной стали. Влияние легирующих компонентов на свойства стали определяется их содержанием. Основными легирующими компонентами являются Mn, Si, Сг, Ni, W, Mo, Со, Ti, V, Zr, Nb и другие элементы. Легирующие компоненты по-разному влияют на свойства стали. Марганец повышает прочность, износостойкость, глубину прокаливаемости стали при ТО. Снижает, подобно никелю, критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки), вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических свойств стали, а также с учётом меньшей стоимости марганца. Кремний способствует: получению более однородной структуры, улучшению упругих характеристик стали, магнитным превращениям, приданию стали кислотоупорности (при содержании в количестве от 15 до 20 %), увеличению жаростойкости углеродистой и хромистой стали (например, сталь с 5 % Cr и 1 % Si в среде печных газов равнозначна по жаростойкости стали в 12 % Cr.), повышению устойчивости (стабильности) структуры стали при отпуске за счёт затруднения формирования и роста цементитных частиц посредством уменьшения подвижности углерода в феррите. Хром повышает: твёрдость, прочность, глубину прокаливаемости при термической обработке, жаропрочность, жаростойкость, теплостойкость инструментальной легированной стали, коррозионную стойкость (при содержании более 12 %), электрическое сопротивление, количество остаточного аустенита при закалке в результате снижения точек мартенситного превращения (Мн и Мк). Снижает коэффициент линейного расширения, склонность к росту аустенитного зерна при нагреве, замедляет процесс распада мартенсита. Никель повышает: прочность (подобно марганцу), износостойкость (подобно марганцу), глубину прокаливаемости стали при ТО (как марганец), электросопротивление, жаропрочность, пластичность и вязкость стали (в отличие от марганца, упрочняя феррит, никель не снижает его вязкость), сопротивление стали хрупкому разрушению. Снижает: критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки), значение коэффициента линейного расширения, температуру порога хладноломкости, чувствительность стали к концентраторам напряжений. В качестве примера можно отметить, что введение в сталь 1 % никеля приводит к снижению порога хладноломкости на (60 … 80) %, а легирование стали никелем от 3 до 4 % обеспечивает ей глубокую прокаливаемость. Вольфрам и молибден способствуют измельчению зерна, подавлению отпускной хрупкости, повышению твёрдости и прочности, улучшению режущих свойств при повышенной температуре, повышению прокаливаемости стали (особенно в присутствии никеля), повышению теплостойкости и жаропрочности инструментальной стали. Кроме того, молибден повышает коррозионную стойкость, способствует к значительному улучшению механических свойств стали после цементации и нитроцементации, снижает точки мартенситного превращения, чем способствует увеличению количества остаточного аустенита при закалке. Ванадий, титан, ниобий и цирконий образуют труднорастворимые в аустените карбиды. При малом содержании в стали (до 0,15 %) они способствуют: измельчению зерна, снижению порога хладноломкости, уменьшению чувствительности стали к концентраторам напряжений. Кроме того, ванадий повышает теплостойкость (жаропрочность) инструментальной стали. При большом количестве данные элементы вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению, что обусловлено выделением по границам зёрен значительного количества карбидов типа МеС (VC, TiC и др.). Бор повышает прокаливаемость, прочность стали, что проявляется лишь при микролегировании стали бором (в пределах от 0,001 до 0,005 %), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зёрен аустенита, заполняют вакансии, делая структуру границ более совершенной, и таким образом уменьшают скорость зарождения центров кристаллизации перлита. При повышенном содержании бора он выделяется по границам зерен в виде боридов, сильно охрупчивая сталь. Алюминий повышает коррозионную стойкость, температуры начала и конца образования мартенсита (точки Мн и Мк), что приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при закалке. Кобальт аналогично алюминию, повышает точки Мн и Мк, что приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при закалке. Влияние легирующих компонентов на полиморфическое превращение в железе связано с их содержанием. Вспомним, что в чистом железе полиморфическое превращение происходит при 911 0С. Под влиянием углерода температура полиморфического превращения (точка А3) снижается по линии GS диаграммы состояния Fe – Fe3C. По влиянию на точку А3 легирующие элементы делятся на две группы: а) Mn, Co, Ni, Cu снижают точку А3; б) Si, Al, Cr, Mo, W, V, Ti – повышают. На рис. 8 даны в общем виде диаграммы состояния системы железо – легирующие элементы. На рис. 8, а, показано, как под влиянием элементов, снижающих температуру полиморфического превращения (точку А3), сужается область α-состояния и расширяется область γ-состояния. При определённом содержании легирующего элемента точка А3 уходит в область отрицательных температур, т.е. γ-твёрдый раствор (аустенит) устойчив при комнатной температуре. Такие сплавы называются аустенитными. На рис. 8, б показано, как элементы, повышающие точку А3, сужают область γ-твёрдых растворов и расширяют область α-твёрдых растворов (феррита). Сплавы, в которых содержание легирующего элемента превышает х, называются ферритными. Легированная сталь, как и углеродистая, имеет несколько систем классификаций в зависимости от основания деления. По химическому составу сталь подразделяется в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая (Cr), марганцовистая (Mn), хромоникелевая (Cr и Ni), хромоникельмолибденовая (Cr, Ni, Mo) и т.д. По суммарному содержанию легирующих компонентов различается сталь: низколегированная, содержащая легирующих элементов в сумме до 2,5 %, среднелегированная – от 2,5 до 10 %, высоколегированная – свыше 10 % (если сумма легирующих компонентов превышает 50 %, то получится сплав, а не сталь). а б Рис. 8. Схема влияния легирующих компонентов на температуру полиморфического превращения в железе: а – снижение температуры превращения; б – повышение температуры превращения По назначению легированная сталь подразделяется на: • общего назначения: ◦ конструкционная (машиностроительные, строительные) предназначена для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных; ◦ инструментальная, используемая для изготовления режущего инструмента (резцы, фрезы, свёрла и прочие), ударного инструмента (штампы, прокатные валки, пресс-шайбы и прочие), мерительного инструмента (микрометры, штангенинструмент, калибры и прочие); • специального назначения: ◦ с особыми механическими и технологическими свойствами: автоматная, быстрорежущая, подшипниковая, износостойкая и другие; ◦ с особыми физическими и химическими свойствами: коррозионно-стойкая, жаропрочная, жаростойкая, магнитная и другие. По качеству (содержанию вредных примесей: серы и фосфора) легированную сталь подразделяют на: качественную (P ≤ 0,04 %; S ≤ 0,035 %); высококачественную (P ≤ 0,025 %; S ≤ 0,025 %); особовысококачественную (P ≤ 0,025 %; S ≤ 0,015 %). По структуре после нормализации (т.е. после охлаждения на воздухе) сталь делится на классы: ферритный, перлитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный). К ферритному классу относится сталь с высоким содержанием элемента, ограничивающего область γ-железа при невысоком содержании углерода, например, хромистая малоуглеродистая нержавеющая сталь. Её структура состоит из феррита. К перлитному классу относят сталь, которая в нормализованном состоянии (охлаждение на воздухе) состоит преимущественно из перлита. К этому классу относятся многие конструкционные марки стали. Мартенситный класс составляют стали высоколегированные, при охлаждении на воздухе, закаливающиеся на мартенсит. К аустенитному классу относится сталь, высоколегированная марганцем или никелем, под влиянием которых точка Мн лежит в области отрицательных температур. Структура такой стали после закалки – аустенит. Сталь ледебуритного класса в литом состоянии в структуре имеет карбидную эвтектику – ледебурит. Приведённая классификация в ряде случаев довольно условна. Так, хромоникелевая нержавеющая сталь относится к группе сталей с особыми свойствами, в то же время это сталь конструкционная. Принципы маркировки легированной стали общего назначения в соответствии с действующими государственными стандартами в России имеют буквенно-цифровое обозначение. В начале марки (перед буквенным обозначением) стоит число: двузначное: соответствует количеству в стали углерода в сотых долях процента, указывает на принадлежность стали этой марки к группе конструкционных сталей; однозначное: обозначает содержание углерода в десятых долях процента, указывает на принадлежность стали данной марки к группе инструментальных сталей. Примечание 1: если перед буквенным обозначением марки цифры нет, то это значит, что в инструментальной стали содержание углерода в среднем 1,0 %. Заглавные буквы русского алфавита, стоящие после цифр, обозначают легирующие компоненты в стали. ГОСТ 4543–71 предусматривает следующие буквенные обозначения легирующих компонентов, входящих в состав сталей: А – азот, Р – бор, Б – ниобий, С – кремний, В – вольфрам, Т – титан, Г – марганец, Ф – ванадий, Д – медь, Х – хром, Е – селен, Ц – цирконий, К – кобальт, Ч – редкоземельные М – молибден, металлы (лантаноиды*), Н – никель, Ю – алюминий П – фосфор, *Лантаноиды: лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd) и другие. Примечание 2: если марганец и кремний содержатся не как обычные технологические примеси (Si > (0,4 … 0,5) % и Mn > 0,8 %), то они выступают в качестве легирующих компонентов и обозначаются соответственно Г и С. Цифры, стоящие после каждой буквы, обозначают содержание в целых процентах того легирующего компонента, после которого они стоят. Примечание 3: если после буквы, обозначающей элемент в марке стали, цифры нет, то это значит, что количество этого элемента в стали в среднем 1,0 %. Примечание 4: исключение составляют Mo, Ti, Zr, V, содержание которых в этом случае составляет от 0,1 до 0,3 %. Заглавная буква, стоящая в конце марки, обозначает качество стали: буква А показывает, что сталь высококачественная с низким содержанием фосфора и серы (≤ 0,025 % каждого); буква Ш (через –) показывает, что сталь особовысококачественная (рафинированная электрошлаковым переплавом) с минимальным содержанием серы и фосфора (S ≤ 0,015 % и P ≤ 0,025 %). Примечание 5: если в конце марки указанные буквы отсутствуют, то сталь качественная. Примечание 6: буква А в начале марки обозначает марку автоматной стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, что достигается введением в сталь повышенного содержания серы или свинца; буква А в середине марки обозначает легирующий компонент азот, специально введенный в сталь; буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора (менее 0,025 % каждого). Примечание 7: буква Е в начале марки – магнитная сталь. Приведём несколько примеров: 40Х: 0,4 % С, 1 % Сr; 18ХГТ: 0,18 % С, 1 % Cr, 1% Mn, 0,1 % Ti; 9XC: 0,9 % C, 1 % Cr, 1 % Si. Приведён примерный состав, точные пределы по содержанию всех элементов даны в соответствующих стандартах. Исследовательские марки, не внесённые в стандарт, имеют заводскую маркировку: завод Электросталь – ЭИ, Златоустовский завод – ЗИ и т.д. Опытные стали, выплавляемые на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами: ЭИ – электросталь исследовательская или ЭП – электросталь пробная с порядковым номером разработки (освоения), например, ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33 (10Х11Н23Т3МР). Металлургическая промышленность выпускает большое количество марок легированной конструкционной стали, их удобно подразделить на несколько групп в зависимости от назначения. Строительные низколегированные стали содержат углерода до 0,25 %, суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %. Поступают в виде листов и фасонного проката (уголок, швеллер и др.) и используются в состоянии поставки, т.е. без дополнительной термической обработки для изготовления сварных строительных конструкций. К этой группе относят марки 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД и другие. Для армирования железобетонных конструкций в ответственных случаях используется прокат из стали 25Г2С, 30ХГСА, прошедший улучшение. Цементуемые и нитроцементуемые стали – малоуглеродистые (углерода до 0,25 %) низко- и среднелегированные стали, используемые для изготовления цементуемых и нитроцементуемых деталей. Низколегированные стали 15Х, 20Х дают слабо упрочняемую середину, но позволяют применять закалку в масле. При изготовлении ответственных деталей, имеющих большое сечение и испытывающих динамические нагрузки, используются марки 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А. Сталь 18Х2Н4ВА обеспечивает сквозную прокаливаемость практически при любых сечениях детали. Малоуглеродистый мартенсит в сердцевине детали имеет при невысокой твёрдости большую прочность, вязкость и пластичность. Улучшаемые стали – это среднеуглеродистые стали (0,30 % ≤ С < 0,50 %), легированные хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, марганцем, кремнием и используемые для изготовления небольших деталей и узлов во всех отраслях машиностроении, подвергаемые улучшению – закалке с высоким отпуском. Включают хромистые стали 30Х, 40Х, у которых при закалке в масле Дк = (15 … 20) мм. Марки 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых Дк = (20 … 25) мм. Хромоникелевые стали 40ХН, 40ХНМ, Дк = (35 … 40) мм. Комплекснолегированные стали, например, 38ХН3МФА, у которых Дк превышает 100 мм. Высокопрочные стали с пределом прочности σb > 1500 МПа. В качестве примера рассмотрим сталь 03Н18К9М5Т, содержащую не более 0,03 % С, 18 % Ni, 9 % Со, 5 % Мо, 1% Ti. Закаливается при нагреве до 800-850 °C и охлаждении на воздухе. После закалки имеет структуру безуглеродистого мартенсита. Упрочнение (σb = 2000 МПа, δ = 12 %) происходит в процессе отпуска при (450 … 500) 0С за счёт выделения из мартенсита дисперсных частиц Ni3Ti, Fe2Мо и других. Такое изменение структуры называется старением, а сталь – мартенситностареющей (МСС). МСС применяют в самолёто- и ракетостроении, в криогенной технике, так как обладая высокими механическими свойствами, сохраняют их при низких температурах, а также имеют теплостойкость до 450 0С. Другим видом высокопрочных сталей являются ПНП-стали. Название расшифровывается так: Пластичность, Наведённая Превращением. Они ещё называются трип-сталями. Это стали аустенитного класса, состав которых может быть ориентировочно выражен маркой 30Х9Н8М4Г2С2. После закалки от (1000 … 1100) 0С сталь имеет аустенитную структуру, так как точка Мн лежит ниже 0 0С. Затем сталь подвергают пластической деформации при (400 … 600) 0С, что ниже температуры рекристаллизации. Возникающий при этом наклёп совместно с выделением карбидов упрочняет сталь (σb =1800 … 2000 МПа), сохраняя высокую пластичность (δ ≥ 20 %). Область применения стали: детали авиаконструкций, броневой лист, проволока для тросов и др. Рессорно-пружинные стали обладают высокой упругостью, что обеспечивается трооститной структурой. Поэтому пружины и рессоры подвергаются закалке и среднему отпуску. Для изготовления автомобильных рессор используется сталь 55С2, 60С2А, 50ХГА, для клапанных пружин – 50ХФА. Крупные тяжелонагруженные пружины изготавливаются из стали 60СХФА и 65С2ВА. Мелкие пружины холодной навивки изготавливают из холоднотянутой проволоки или ленты. При этом используется углеродистая сталь 65, 65Г, 70, У8, У10. После холодной навивки пружины нагревают до 200 … 300 0С для снятия напряжений. Легированная инструментальная сталь бывает разных видов. Сталь для режущего инструмента должна обладать высокой твёрдостью (HRC≥60…62), износостойкостью и теплостойкостью. Низколегированные стали ХВГ, 9ХС, ХВСГ не обладают высокой теплостойкостью, их достоинство перед углеродистой сталью заключается в более высокой прокаливаемости, в возможности при закалке охлаждать в масле. Используют для изготовления свёрл, развёрток, протяжек диаметром до (60 … 80) мм. Сталь для мерительного инструмента должна обеспечивать высокую твёрдость и износостойкость инструмента, отсутствие деформаций в течение всего срока службы инструмента. Измерительный инструмент изготавливают из низколегированной стали марок ХВГ, ХГС, 9ХС. Термическая обработка заключается в закалке и низком отпуске с промежуточной обработкой холодом. Стали для штампов холодного деформирования («холодных» штампов): для вырубных и вытяжных штампов требуется высокая твёрдость и износостойкость. Используются низколегированные стали марок ХВГ, ХВСГ. Термообработка – закалка и низкий отпуск. Повышенной износостойкостью обладают высокохромистые стали: Х12 (2 % С, 12 % Cr), Х12М (1,5 % С, 12 % Сr, 0,5% Мо). Для высадочных и чеканочных штампов, работающих в условиях ударных нагрузок, рекомендуются марки 6ХС (0,6 % С, 1 % Сr, 1% Si), 6ХВ2С (0,6 % С, 1 % Сr, 2 % W, 1 % Si). После закалки они отпускаются при температуре до (300 … 400) 0С, что придаёт им вязкость, необходимую при ударных нагрузках, за счёт некоторого снижения твёрдости до HRC 55 … 50. Стали для штампов горячего деформирования («горячих» штампов): горячие штампы работают в сложных условиях. Испытывая больше нагрузки, они должны быть прочными. Молотовые штампы подвергаются ударной нагрузке и должны обладать вязкостью. Соприкасаясь с раскалённой заготовкой, их рабочая поверхность нагревается, нагрев чередуется с охлаждением, поэтому сталь должна быть обеспечена достаточной теплостойкостью и устойчивостью против появления сетки разгара на рабочей поверхности. При изготовлении массивных штампов сталь должна обладать хорошей прокаливаемостью. Такое сочетание свойств обеспечивается необычным для инструментальной стали химическим составом. Обращает на себя внимание низкое для инструментальной стали содержание углерода, легирование никелем, который придаёт вязкость и прокаливаемость, и молибденом, обеспечивающим жаропрочность. Так, сталь 5ХНМ содержит 0,5 % С, до 0,8 % Сr, до 1,8 % Ni, до 0,3 % Мо. Легированная сталь специального назначения включает следующие виды стали. Автоматная сталь – это сталь повышенной обрабатываемости резанием. Автоматные стали специально созданы для изготовления массовых деталей, к материалу которых не предъявляется высоких требований по механическим свойствам, но которые должны с высокой степенью технологичности и высокой производительностью изготавливаться на металлорежущих станках-автоматах с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности, например: крепёжные детали (болты, гайки, вкладыши и других), детали двигателя (червяк рулевого управления, валик масляного насоса и другие небольшие по габаритам детали). Автоматные стали созданы на основе введения в сталь присадок S, Se, Ca, Pb и других, которые приводят к образованию включений, способствующих получению легко ломающейся стружки. Для сохранения высоких механических свойств автоматные стали могут легироваться марганцем, кремнием, хромом, молибденом и другими. Наиболее широкое применение в качестве автоматных нашли легированные стали марок: АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ. Буква «А» означает автоматная сталь, число после буквы А обозначает содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная легирована свинцом в пределах (0,15 … 0,3) %, то после буквы А стоит буква С. При повышенном содержании других легирующих компонентов (Mn до 1 %, Cr или Mo) в конце марки добавляют соответствующие буквы и цифры, показывающие среднее содержание данных элементов в процентах. Введение в сталь присадок S, Se, Ca, Pb понижает ее конструктивную прочность, уменьшает предел выносливости после цементации до 40 %. Повышенное содержание серы от 0,08 до 0,3 % приводит к повышению анизотропии механических свойств. Благодаря добавке свинца повышается обрабатываемость резанием на станках-автоматах при средних и пониженных скоростях резания (до 100 об/мин). Кальций вводится в виде силикокальция, глобулирует сульфидные включения, которые также способствуют повышению обрабатываемости резанием. После закалки и отпуска автоматные стали имеют высокие механические свойства. Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям ледебуритного (карбидного) класса, в структуре которых при кристаллизации образуется значительное количество эвтектических карбидов легирующих элементов (хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, кобальта). В начале марки таких сталей стоит буква Р (от англ. rapid – скорый, быстрый). Далее цифра, показывающая содержание основного легирующего компонента – вольфрама (в процентах). Далее буквы, обозначающие дополнительные легирующие элементы. Цифра после буквы, показывает содержание обозначенного легирующего элемента. Среднее содержание углерода 1 %. Основной классической маркой быстрорежущей стали является сталь Р18, которая в своем составе содержит около 1 % углерода, 4 % хрома, 18 % вольфрама, от 1 до 1,4 % ванадия. Стандарт содержит ряд марок быстрорежущей стали, в том числе с меньшим содержанием вольфрама Р9, Р12, стали с заменой части вольфрама молибденом Р6М5, Р6М3, Р8М3, с дополнительным легированием ванадием, кобальтом: Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р10Ф5К5 и другие. Исключения составляют стали марок 11Р3М3Ф2Б (быстрорежущая сталь, с содержанием С ≈ 1,1 %, W ≈ 3 %, Mo ≈ 3 %, V ≈ 5 % и Nb ≈ 1 %) и В11М7К23 (сплав системы Fe – Co – W – Mo: W ≈ 11 %, Mo ≈ 7 %, Co ≈ 23 %). Эти стали с интерметаллидным упрочнением, т.е. после термообработки структура: безуглеродистый (малоуглеродистый) мартенсит с мелкодисперсными интерметаллоидами – (Fe, Co)7(W, Mo)6 и другие. Теплостойкость этих сплавов 720 0С, а твёрдость HRC 68 … 70. Главное достоинство быстрорежущей стали – высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость и стойкость режущей кромки инструментов при нагреве вплоть до 600 0С, что обеспечивает высокую стойкость режущего инструмента в условиях высокоскоростных и высокопроизводительных режимах резания (скорость резания в 2 … 3 раза выше, чем у углеродистой инструментальной стали). Другие свойства стали: высокая износостойкость, высокая твёрдость (HRC 62 … 65), которая достигается в процессе особого режима термической обработки. Быстрорежущую сталь широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твёрдостью и работающего при высоких скоростях резания (допускаемая скорость резания до 30 м/мин, с применением СОЖ – до 50 м/мин): резцов, свёрл, фрез, зенкеров, метчиков и других. Стали для шариковых (роликовых) подшипников (подшипниковая сталь) используется для изготовления шариков в шарикоподшипниках, роликов в роликоподшипниках. В начале марки стоит буква Ш, обозначающая, что это сталь шарикоподшипниковая. Далее буква, обозначающая легирующий элемент, далее цифра, показывающее среднее содержание данного легирующего компонента в процентах. При этом содержание хрома указывается в десятых долях процента. Содержание углерода около 1 %. Например, ШХ15 (основная марка) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈ 1 % и Cr ≈ 1,5 %; ШХ4 (экономно легированная сталь для мелких сортаментов) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 % и Cr ≈ 0,4 %; ШХ15СГ (для тяжелонагруженных подшипников) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 %, Cr ≈ 1,5 %, Si от 0,4 до 0,65 % и Mn ≈ 1 %; ШХ20СГ (для шариков и роликов большего диаметра: шариков диаметром до 22 мм и роликов до 15 мм) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 % , Cr ≈ 2,0 %, Si = (0,4 … 0,65) % и Mn ≈ 1 %. Пример нестандартного обозначения марки стали: 95Х18 (для подшипников, работающих в агрессивных средах) – хромистая высоколегированная сталь с содержанием С ≈ 0,95 %, Cr ≈ 18 %. Данные стали обладают высокими антифрикционными свойствами (высокой стойкостью к истиранию); высокой твёрдостью (не ниже HRC 62), которая достигается в процессе термической обработки: закалке в масле при нагреве до температуры (830 … 840) 0С с последующим низкотемпературным отпуском при температуре от 160 до 200 0С. Износостойкая высокомарганцевая сталь аустенитного класса (сталь Гадфильда) марки 110Г13Л обладает высокой стойкостью к ударно-абразивному износу. В составе стали 1,1 % С, 13 % Mn, буква Л обозначает, что сталь применяется для изготовления деталей методом литья. После литья структура стали состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца и железа (Fe, Mn)3C. Марганец резко снижает точки Мн и Мк, поэтому после литья сталь подвергается закалке с температуры от 1080 до 1100 0С в воде без отпуска. При нагреве карбиды растворяются в аустените, поэтому после закалки сталь получает аустенитную структуру с малой твёрдостью (НВ 200). Марганцевый аустенит хорошо наклёпывается с превращением аустенита в мартенсит, т.е. при механическом воздействии (удары, давление) аустенит превращается в мартенсит, в результате чего в местах деформации твёрдость возрастает до HRC (50 … 55), что препятствует износу деталей. Другими словами, в процессе эксплуатации удары по поверхности отливки твёрдым предметом вызывают образование в тонком поверхностном слое в зоне удара твёрдых мартенситных кристаллов, обеспечивая высокую износостойкость стали. При чисто абразивном износе упрочнения не наблюдается. По этой же причине недостатком стали 110Г13Л является плохая обрабатываемость резанием, поэтому детали из неё чаще всего изготавливают литьём без механической обработки (обработка отливок сводится к шлифованию посадочных мест). В настоящее время из данной стали литьём изготавливают детали, от которых требуется износостойкость в условиях ударных нагрузок. Такими деталями являются крестовины трамвайных путей, стрелочные переводы, железнодорожные крестовины, зубья экскаваторных ковшей, щеки дробилок, траки гусеничных машин, тракторов и экскаваторов, работающих на каменистых грунтах и т.д. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали − это стали, стойкие к действию химической и электрохимической коррозии, т.е. обладающие стойкостью к разрушающему воздействию атмосферных условий, речной и морской воды, растворов солей, кислот и щелочей. Основным легирующим элементом всех марок нержавеющих сталей является Сг. На металлическом изделии при содержании Сг не менее 12 % образуется тонкая сплошная плотная плёнка окисла хрома Сг2О3, которая и предохраняет сталь от коррозии. При меньшем содержании Сг образуется несплошная пленка Сг2О3. Стойкость к коррозии хромистых сталей повышается при введении в их состав Ni. Поэтому различают нержавеющие стали: хромистые; хромоникелевые аустенитные. Хромистые нержавеющие стали ферритного и мартенситного класса являются основными видами нержавеющих сталей. Свойства высокой коррозионной стойкости достигаются в хромистой стали при содержании хрома не менее (12 … 14) %. При содержании хрома от 12 до 14 % электрохимический потенциал стали становится положительным, она приобретает устойчивость против коррозии в атмосферных условиях, слабых растворах солей, кислот. Стали с содержанием хрома более 13 % и менее 0,09 % углерода (08Х13) относятся к ферритному классу, в них отсутствует превращение α↔γ (рис. 3.8) и термической обработке они не подвергаются. При содержании углерода 0,12 % и более стали могут закаливаться на мартенсит при охлаждении на воздухе и относится к мартенситному классу. Промежуточное положение занимают стали мартенситно-ферритного класса, которые тоже могут закаливаться. Стали с содержанием углерода до 0,2 % (12Х13, 12Х17, 15Х25Т, 20Х13) применяются в качестве конструкционных нержавеющих сталей для изготовления оборудования химической и пищевой промышленности, изделий, работающих в слабоагрессивных средах, для бытовой посуды. Они подвергаются термической обработке: закалке (за исключением 08Х13) с температуры от 1000 до 1050 0С в масло и отпуску при температуре от 700 до 750 0С. Имеют структуру сорбита отпуска. Пластичная хромистая сталь 12X13 используется для изготовления деталей типа клапанов гидравлических прессов, лопаток паровых турбин и предметов домашнего обихода, а также изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред. Стали марок XI7, 0Х17Т, Х28 используют для изготовления оборудования предприятий химической и пищевой промышленности. Стали 30Х13, 40Х13 мартенситного класса являются инструментальными, имеют эвтектоидный состав, 95Х18 – заэвтектоидная. Они используются для изготовления хирургического инструмента, ножей в пищевой промышленности, пружин, карбюраторных игл. После закалки и низкотемпературного отпуска от 200 до 250 0С имеют структуру отпущенного мартенсита и высокую твёрдость и износостойкость. Для сварных конструкций сталь марки 40X13 не рекомендуется. При сварке при температуре выше (900 … 950) 0С происходит обеднение периферийной зоны хромом и выделение карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии. Во избежание этого вида коррозии применяют сталь с титаном марки 08X17Т. Хромоникелевые стали аустенитного класса являются широко распространенными в химической и пищевой промышленности, как наиболее высококоррозионностойкие. Наиболее известными марками стали этого класса являются: 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т. Две цифры, стоящие перед буквенным обозначением марок, обозначают предельно допустимое содержание углерода в сотых долях процента. При этом коррозионная стойкость стали тем выше, чем меньше его содержание, так как этим предотвращается образование карбидов хрома. Поэтому более высокими качествами как коррозионностойкого материала обладают стали 03Х18Н12, 04Х18Н12, 03Х17Н14М3Т. Наиболее отрицательное влияние на коррозионную стойкость могут оказывать карбиды хрома, особенно, при выделении их по границам зерен. Это вызывает появление склонности к межкристаллитной коррозии, и к коррозии под напряжением. Добавки к сталям титана или молибдена связывают углерод в карбиды этих элементов, сохраняя высокую концентрацию растворённого в аустените хрома, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость сталей. Хромоникелевые стали используются в виде холоднокатаного листа и ленты для изготовления ёмкостей, трубопроводов и других изделий в химической, нефтяной, пищевой промышленности, в криогенной технике, автостроении, строительстве. Хромоникелевые стали марок 0Х18Н10 и 0Х18Н9 применяют для изготовления деталей сваркой. Они работают в особо агрессивной среде. Примечание: в маркировке «0» указывает, что содержание углерода не должно превышать 0,08 %; «00» – не более 0,04 %. С целью экономии дорогостоящего и дефицитного никеля его частично заменяют марганцем. Так, для работы в слабо агрессивных средах производится сталь с пониженным содержанием никеля, например 10Х14Г14Н4Т. Сюда относят сталь марок: 12Х17Г9АН4 или 10Х14Г14НЗ, которую рекомендуют в качестве заменителя стали 12Х18Н9. Кислотостойкие стали и сплавы: для работы в слабых кислотах используются ранее рассмотренные нержавеющие стали. Особо высокой коррозионной стойкостью отличается, например, сплав Н70МФ, содержащий до 0,02 % углерода, 25 % молибдена, 1,5 % ванадия, остальное – никель. Этот сплав используется для изготовления ёмкостей, работающих при повышенных температурах в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной). Ёмкости производят сваркой из листового материала. Перед сваркой листы подвергают закалке от температуры 1070 0С с охлаждением в воде. Также повышенной кислотостойкостью обладают металлы тантал и молибден, сплав ниобия с танталом. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы – это материалы, устойчивые к окислению при повышенных температурах. Стали, легированные элементами, способными быстро образовать тонкие, но плотные окисные плёнки, препятствующие диффузии кислорода от внешней поверхности к основному металлу через слой окисла, и тем самым затрудняющими образование окалины на поверхности изделия, являются жаростойкими (окалиностойкими). Хром, кремний, алюминий дают оксидную плёнку, прочную и плотную, хорошо защищающую деталь от окисления. Марки таких сталей, как: 15Х6СЮ, 10Х13СЮ, 15Х18СЮ, 20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2 и другие, обладают высокой стойкостью против химического разрушения поверхности. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Кроме того, все нержавеющие стали, содержащие большое количество хрома, фактически являются и жаростойкими. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре от 550 до 1100 0С. Так, например: сталь 40Х9С2 используют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих до 850 0С; сталь 08Х17Т – для деталей, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 0С); сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 0С) – для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров. Жаропрочными являются стали, которые наряду с высокой жаростойкостью, могут выдерживать механические нагрузки при высоких температурах без разрушения. Они используются для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования. Рабочие температуры жаропрочных сталей от 500 до 750 0С. Жаропрочные стали и сплавы подразделяются на несколько подгрупп: теплостойкие (теплоустойчивые), мартенситно-ферритного, мартенситного и аустенитного классов. Теплостойкие (теплоустойчивые) стали применяют в энергетическом машиностроении для деталей, работающих под нагрузкой при температуре от 500 до 650 0С в течение длительного времени. В зависимости от условий работы для изготовления деталей используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали после соответствующей термической обработки. Например: детали из стали 12МХ используются при 510 0С (трубы паронагревателей, трубопроводы и коллекторные установки высокого давления, паровые котлы, детали цилиндров, газовые турбины и т. д.). Для тех же целей применяется сталь 12Х1МФ (рабочая температура от 570 до 590 0С. Сталь марки 15X5 применяется для труб, деталей насосов, лопаток, подвесок котлов (рабочая температура 600 0С). Сталь перлитного класса марок: 16М, 15М, 15ХМ, 12ХМФ, 10Х2М после соответствующей термической обработки – для малонагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах от 500 до 580 0С (паропроводов, арматуры паровых котлов). Жаропрочные стали мартенситно-ферритного класса (18Х12ВНМФР, 12Х13, 15Х12ВНМФ) применяются для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок: лопаток паровых турбин, клапанов, болтов, труб. Рабочая температура, соответственно, 600, 500 и 580 0С. Температура окалинообразования этих сталей 750 0С. Эти же параметры имеет сталь ферритного класса 08Х13. Жаропрочные стали мартенситного класса (18Х11МНФБ, 09Х16Н4Б, 40Х9С2) предназначены для работы при температурах: первая 600 0С, две последние – 650 0С. Сталь 18Х11МНФБ предназначена для тяжелонагруженных деталей, лопаток паровых турбин, клапанов, роторов паровых и газовых турбин. Сталь 09Х16Н4Б используется для труб пароперегревателей, трубопроводов установок сверхвысоких давлений. Сталь 40Х9С2 (сильхром) специального назначения – для клапанов двигателей внутреннего сгорания. Жаропрочные стали аустенитного класса имеют наиболее широкий спектр температурных условий применения. Сталь 55Х20Г9АН4 предназначена для изготовления клапанов моторов, работающих при более высоких температурах (до 850 0С). Сталь 09Х16Н15М3Б предназначена для работы при температуре 350 0С для деталей пароперегревателей, трубопроводов высокого давления; температура окалинообразования 850 0С. Стали 12Х18Н10Т и 31Х19Н9МВБТ имеют рабочую температуру 600 0С. Первая из них предназначена для изготовления труб, листовых деталей выхлопных систем, вторая для роторов, дисков, валов, лопаток, болтов. Для аналогичного применения, но для более высокой температуры (до 700 0С) предназначена сталь 09Х17Н19В2БР1. Жаропрочные сплавы на никелевой основе содержат более (30 … 50) % никеля; работают при температурах до 900 0С. Их называют нихромы, нимоники: 20 % Cr, 1 % Al, 2 % Ti, остальное – Ni. К таким сплавам, например, относят никелевые сплавы марок ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ХН62МВКЮ, ХН78Т, ХН70Ю и другие. Данные сплавы используют в качестве материалов для рабочих лопаток газотурбинных двигателей, турбинных дисков, крепёжных деталей с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температурах от 650 до 1100 0С. Жаропрочные керамические материалы на основе карбидов и нитридов кремния могут работать при температурах до 1700 0С и являются перспективными в двигателестроении. Магнитные стали и сплавы подразделяются на два противоположные по своим магнитным характеристикам класса: магнитотвёрдые и магнитомягкие. Магнитотвёрдые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре, устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Основными характеристиками магнитотвёрдых материалов являются: трудная перемагничиваемость; высокие значения коэрцитивной силы Нс; высокие значения остаточной магнитной индукции Вг; магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов, при этом чем больше Нс, тем меньше μ; максимальная удельная магнитная энергия Ww, отдаваемая материалом в пространство. Для изготовления небольших магнитов используют углеродистые стали У10, У12. Более крупные магниты изготавливают из хромистых сталей ЕХ13 (1 % С, 3 % Cr) и хромокобальтовых – ЕХ5К5 (1 % С, 5 % Cr, 5 % Co). Термообработка таких сталей – закалка на мартенсит и низкий отпуск при 100 0С. Для изготовления магнитов большой мощности и малых габаритов применяют магнитные сплавы типа алнико, например, ЮНДК24 (от 18 до19 % Ni, от 8,5 до 9,5 % Al, от 14 до 15 % Co, от 3 до 4 % Cu, остальное – железо). Этот сплав плохо обрабатывается резанием, поэтому магниты из него делают литьём. Магнитомягкие стали и сплавы работают в условиях постоянного перемагничивания. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в переменных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электрическое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи. В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий: сердечники, магнитопроводы, полюсные наконечники, телефонные мембраны, магнитные экраны и т.д.; в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем. Магнитомягкую сталь получают методами прокатки на тонкий лист. Толщина листовой трансформаторной стали – несколько десятых долей миллиметра. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов их набирают в виде пакетов из тонких отштампованных пластин. В качестве магнитомягкого материала используют низкоуглеродистую сталь (до 0,05 % С, (3 … 4) % Si), поставляется в виде тонких листов и ленты. Для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях применяют пермаллои – сплавы железа с никелем (Fe – Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe – Ni – Со) и железа с кобальтом (Fe – Со). Пермаллои применяют для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях. Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. При определённом химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и малой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости. Недостатки пермаллоев – высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки и относительно высокая стоимость. Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки, поэтому все магнитные изделия из пермаллоя подвергают специальной термической обработке – отжигу при температуре 1300 0С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при (400 … 500) 0С. Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. ТО подвергают готовые магнитные изделия. В зависимости от содержания никеля пермаллои делятся на: высоконикелевые – содержание никеля от 70 до 80 %, имеют наибольшие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости; классические – содержание никеля 78,5 %; низконикелевые – содержание никеля от 40 до 50 %. Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе (79НМ). Первая цифра указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, X, С, Ф – соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце марки означают соответственно прямоугольную петлю гистерезиса (Вг/Вs ≥ 0,85), сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом. Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30 … 0,60) % и кремний (0,15 … 0,30) %. Парамагнитные материалы – это латуни, бронзы, аустенитные стали 12Х18Н10, 17Х18Н10. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением – это материалы, используемые для изготовления нагревательных элементов, поставляются преимущественно в виде проволоки и ленты. Они должны обладать высоким удельным электросопротивлением, окалиностойкостью и жаропрочностью. Часто используются хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали ферритного класса Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель). Они малопластичны, что требует подогрева при навивке спиралей, предел ползучести невелик, поэтому нагревательные элементы могут провисать под собственной тяжестью. Лучшими свойствами обладают нихромы (Х20Н80). 5. Чугуны В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск; графитизированный чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода; половинчатый чугун (мало используется в технике) – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. По химическому составу чугуны подразделяют на простые (нелегированные) и легированные. В чугунах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие компоненты для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и другие. Чугуны со специальными свойствами – это легированные чугуны, которые по назначению делятся на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные. По степени легирования чугуны подразделяют на: низколегированные (до 2,5% легирующих элементов); среднелегированные (от 2,5 до 10 % легирующих элементов); высоколегированные (свыше 10 % легирующих элементов). Белый чугун В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита (Fe3С), который придаёт излому специфический светлый блеск (отсюда название). Химически связанному состоянию углерода с железом способствует повышенное содержание марганца в чугуне и быстрое охлаждение. Вследствие большого количества в белых чугунах цементита они очень тверды и хрупки, плохо обрабатываются режущим инструментом, поэтому крайне редко используются в качестве конструкционного материала, а в основном идут на передел в сталь или для получения ковкого чугуна, а также при изготовлении отливок из серого чугуна с отбеленной поверхностью. Белые чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Они получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147 0С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться цементит, а не графит. Белые чугуны имеют: высокие литейные свойства (хорошая жидкотекучесть, малая усадка, низкая температура кристаллизации), высокие твёрдость и хрупкость, плохую обрабатываемость резанием, достаточную прочность, легирование белого чугун карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и другие) повышает его износостойкость. Большее применение находит так называемый отбеленный чугун – отливка с тонким слоем белого чугуна на поверхности, а внутри с серым или высокопрочным чугуном. Такой чугун обладает высокой поверхностной твёрдостью и износостойкостью; используется для изготовления трущихся изделий: прокатных валков, лемехов плугов, шаров мельниц и т.п. Общая система классификации и маркировка белых чугунов представлены на рис. 9. Белые чугуны по диаграмме состояния системы Fe – Fe3C делятся на: эвтектический чугун: содержит 4,3 % углерода, структура в равновесном состоянии при комнатной температуре состоит из зёрен ледебурита (эвтектика); доэвтектический чугун: содержит от 2,14 до 4,3 % углерода, структура в равновесном состоянии при комнатной температуре состоит из зёрен перлита, цементита вторичного и ледебурита; заэвтектический чугун: содержит от 4,3 до 6,67 % углерода, структура в равновесном состоянии при комнатной температуре состоит из зёрен цементита первичного и ледебурита. Белые чугуны по функциональному назначению бывают: передельные, литейные, специальные чугуны (ферросплавы). Рис. 9. Общая классификация и краткая характеристика белых чугунов Передельный чугун – первичный сплав железа, выплавленный в доменной печи и идущий (в жидком или твёрдом виде) в переработку (передел) на сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, дуговых электропечах. Передельный чугун – основная продукция доменного производства. По ГОСТ 805-80 «Чугун передельный. Технические условия» в зависимости от назначения передельный чугун изготовляют для: сталеплавильного производства марок П1 и П2, химический состав которых указан в ГОСТ; литейного производства марок ПЛ1 и ПЛ2, химический состав которых указан в ГОСТ; фосфористый марок ПФ1, ПФ2, ПФЗ, химический состав которых указан в ГОСТ; высококачественных марок ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ. Цифра – порядковый номер марки чугуна. Литейный чугун, выплавляемый в доменной печи, содержит подавляющую часть углерода в виде свободного графита и имеющий в своём составе кремний до 3,75 %. Применяется для производства фасонных чугунных отливок с определённой формой поперечного сечения (кубик, ромб и т.д.) марок Л, ЛР и т.д. Литейный чугун бывает: коксовый, шести марок от ЛК0 до ЛК5 с содержанием углерода от 3,5 до 4,5 %, кремния от 0,75 до 3,75%, которые по содержанию марганца делятся каждая на 3 группы, по содержанию серы – на 3 категории, по содержаниюфосфора – на 4 класса; древесноугольный, выпускаемый в ограниченном количестве, содержит углерода от 3,7 до 4,4 %, кремния от 1,25 до 2,75 % и значительно меньше фосфора и серы по сравнению с коксовым чугуном; специальный для отливок особо высокого качества используют так называемый синтетический чугун, получаемый переплавом стальных отходов и собственного возврата и науглероживаемый графитсодержащими материалами. Специальные чугуны или ферросплавы используются для раскисления и легирования стали, а также для получения специальных видов чугуна: ферромарганец, так называемый зеркальный чугун (содержит от 10 до 25 % Mn), ферросилиций и прочие. В машиностроении в качестве конструкционных материалов широко используются графитизированные чугуны: серые, ковкие, высокопрочные (рис. 10). В отличие от белого в графитизированных чугунах весь углерод или часть его находится в свободном состоянии – в виде графита. Графит может выделяться как из жидкой фазы, так и из аустенита. Процессу графитизации (выделению графита) способствуют медленное охлаждение чугуна в процессе кристаллизации, высокое содержание кремния (до 4 %), наличие центров кристаллизации в виде мельчайших частиц оксидов Al2O3, SiO2 и другие. Металлическая основа (матрица) графитизированных чугунов может быть: ферритной – практически весь углерод находится в виде графита; феррито-перлитной – количество углерода в виде цементита менее 0,8 %, а остальной углерод в виде графита; перлитной – 0,8 % углерода находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита (чугуны с данной металлической основой имеют более высокие прочностные характеристики). Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Наименьшей твёрдостью и прочностью обладают чугуны с крупными прямолинейными графитными включениями и ферритной основой. Чем мельче графитные включения и чем больше перлита в металлической основе, тем выше марка чугуна – выше механические свойства. Таким образом, включения графита, внедряясь в металлическую основу чугуна, нарушает её сплошность (целостность), т.е. является концентратором внутренних напряжений, следовательно, в большей или меньшей степени ослабляет металлическую основу чугуна. Поэтому по механическим свойствам чугуны уступают сталям, но зато имеют более высокие литейные свойства, используются в качестве литейных материалов и обработке давлением не поддаются: пластинчатый графит сильнее всего ослабляет металлическую основу чугуна, поэтому серый чугун имеет грубозернистый излом и обладает самыми низкими показателями прочности и пластичности среди графитизированных чугунов; хлопьевидный графит в меньшей степени ослабляет Рис. 10. Графитизированные чугуны металлическую основу чугуна, следовательно, и прочность чугуна, поэтому ковкий чугун обладает более высокими показателями прочности и пластичности, чем серый; глобулярный (шаровидный) графит имеет меньшее отношение его поверхности к объёму, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, менее всего ослабляет металлическую основу чугуна, поэтому высокопрочный чугун обладает самыми высокими показателями прочности и пластичности (отсюда название) среди графитизированных чугунов. Положительные стороны наличия графита: графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка; чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения; из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость; детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях); чугун значительно дешевле стали; производство изделий из чугуна литьём дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьём и обработкой давлением с последующей механической обработкой. Серый чугун имеет графит пластинчатой формы, который придаёт излому матово-серый оттенок (отсюда название чугуна). На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Скорость охлаждения (толщина стенок), содержание углерода и кремния – вот основные факторы, определяющие структуру, свойства и, следовательно, марку серого чугуна. Марки серых чугунов: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; …; СЧ45, где цифра – временный предел прочности (гарантируемое временное сопротивление) при растяжении (σb) в десятках МПа (табл. 6). Таблица 6 Марки и механические свойства серого чугуна Марки чугуна Предел прочности при растяжении σb, МПа, не менее Предел прочности при изгибе σизг, МПа, не менее Твёрдость, НВ СЧ 10 100 280 120 … 205 СЧ 15 150 320 130 … 241 СЧ 20 200 400 143 … 255 СЧ 25 250 460 156 … 260 СЧ 30 300 500 163 … 270 СЧ 35 350 550 179 … 290 СЧ 40 400 600 207 … 285 СЧ 45 450 650 229 … 289 Выделению углерода в серых чугунах в виде пластинчатого графита способствует повышенное содержание кремния (от 2 % до 4 %) в шихтовых материалах и малые скорости охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. Эти условия препятствуют образованию цементита (Fe3C), способствуя выделению пластинок графита (Спластинчатого). Кроме этого, при производстве серых чугунов применяют модифицирование – введение искусственных центров кристаллизации. Модификатором служат ферросилиций, силикокальций. За счёт модифицирования пластинки графита получаются мелкими и завихрёнными, структура металлической основы также измельчается, в результате повышаются механические свойства – марка чугуна. Свойства серых чугунов: высокий предел прочности (от 100 до 450 МПа); невысокая твёрдость (НВ от 140 до 283); низкая пластичность – относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (~ 0,2 … 0,5 %). Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении, а также снижают модуль упругости; относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает (0,5 … 1,0) % и стандартом не гарантируется. Графитные включения мало влияют на снижение твёрдости, предела прочности при сжатии и изгибе, величина которых определяется главным образом структурой металлической основы чугуна, поэтому серый чугун используют преимущественно для изделий, работающих на сжатие. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием (графит делает стружку ломкой); имеют высокие антифрикционные свойства (наличие графита улучшает условия смазки при трении); высокие виброгасящие свойства (имеют более высокий (в 2 … 4 раза) коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей, чем у стали). Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки. Из серых чугунов изготавливают отливки неответственных изделий, работающих при статистических или невысоких динамических нагрузках: в станкостроении – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие станины; в автостроении – блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления, тормозные барабаны; в строительстве – трубы, детали санитарно-технического оборудования, строительные колонны и прочее. Например, чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ20 применяют для литья строительных колонн, фундаментных плит, малонагруженных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин. Марки СЧ 25 … СЧ 45 используются для изготовления станин станков, деталей двигателей внутреннего сгорания, арматуры и других ответственных деталей. Ковкие чугуны имеют графит хлопьевидной формы, которая в меньшей степени ослабляет металлическую основу по сравнению с пластинчатым графитом в сером чугуне. В результате достигается более высокая прочность, появляется некоторая пластичность, за счёт которой появилось название «ковкий». Несмотря на название, чугун не куётся, как и все чугуны – это литейные сплавы. Маркировка ковких чугунов: КЧ37-2, …, КЧ63-2, где первая цифра – временный предел прочности при растяжении (σb) в десятках МПа; вторая цифра – относительное удлинение в % (табл. 7). Таблица 7 Марки и механические свойства ковкого чугуна Марки чугуна Предел прочности σb, МПа, не менее Относительное удлинение δ, %, не менее Твёрдость, НВ, не более КЧ 33-8 330 8 165 КЧ 37-12 370 12 163 КЧ 50-4 500 4 241 КЧ 60-3 600 3 269 Ковкие чугуны получают из отливок белых чугунов графитизирующим или длительным отжигом (томлением) при температурах от 900 до1050 0С общей продолжительностью от 50 до 110 часов (рис. 11). Литейные формы заливают малоуглеродистым малокремнистым чугуном (углерода от 2,5 % до 3 %, кремния от 0,7 % до 1,5 %). После кристаллизации отливка имеет структуру белого доэвтектического чугуна: П + ЦII + Л (П + Ц). Во время выдержки отливок при температуре от 900 до 1050 0С происходит первая стадия графитизации – распадается цементит, содержащийся в ледебурите. Освободившийся углерод образует графитные хлопья. В процессе охлаждения до (760 … 720) 0С происходит дальнейшая графитизация – распад цементита вторичного. Во время выдержки в интервале от 730 до 750 0С протекает вторая стадия графитизации – распад цементита, входящего в состав перлита. Распад цементита с выделением графита в виде хлопьев идёт по реакции: Fe3C → 3Fe + Cхлопьевидный. Рис. 11. График режима длительного (графитизирующего) отжига Полностью проведённая вторая стадия даёт ковкий чугун на ферритной основе. При частично проведённой второй стадии получаем феррито-перлитную основу. Если вторую стадию графитизации не проводить, то металлическая основа ковкого чугуна будет состоять из зёрен перлита. Соответственно, в ферритном чугуне графита будет больше, чем в перлитном. Процесс отжига можно ускорить за счёт предварительной закалки отливок, модифицирования чугуна алюминием и другими элементами. Ковкие чугуны обладают: высоким временным сопротивлением разрыву от 330 до 600 МПа; лучшей демпфирующей способностью и меньшей чувствительностью к надрезам, чем сталь, удовлетворительно работают при низких температурах; высокой твёрдостью (НВ от 149 до 269) и хрупкостью (δ от 2 % до 12%), но в отличие от серого чугуна в нагретом состоянии у них появляется некоторая пластичность, поэтому при нагревании можно изменять форму изделия давлением (отсюда название); высокими износостойкостью и ударной вязкостью. Из ковких чугунов изготавливают отливки изделий, работающие при средних статистических и динамических нагрузках (испытывающие в процессе работы сложные напряжения и ударные нагрузки): картеры редукторов, задние мосты автомобилей, ступицы, крюки, детали тракторов, вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, тормозные колодки, фланцы, гайки, втулки. Высокопрочные чугуны имеют графит глобулярной (неправильной шарообразной) формы. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. – червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 28394–89) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом. Марки высокопрочных чугунов: ВЧ35; ВЧ40; ВЧ45; ВЧ50; ВЧ60; ВЧ70; ВЧ80; ВЧ100, где цифра – временный предел прочности при растяжении (σb) в десятках МПа (табл. 8). Таблица 8 Марки и механические свойства высокопрочного чугуна Марки чугуна Предел прочности σb, МПа, не менее Относительное удлинение δ, %, не менее Твёрдость, НВ ВЧ 35 350 22 140 … 170 ВЧ 40 400 15 140 … 202 ВЧ 45 450 10 140 … 225 ВЧ 50 500 7 153 … 245 ВЧ 60 600 3 192 … 277 ВЧ 70 700 2 228 … 302 ВЧ 80 800 2 248 … 351 ВЧ 100 1000 2 270 … 360 Высокопрочные чугуны получают модифицированием расплава серых чугунов перед заливкой в изложницу или литейную форму. Чаще модифицируют магнием (0,03 … 0,07 %), реже церием, теллуром, (8 … 10) % магниевых лигатур с никелем, ферросилицием. Для получения высокопрочного чугуна в специальной камере в перегретый до (1400 … 1500) 0С жидкий серый чугун вводят (0,5 … 1,0) % Мg и (0,5 … 1,0) % ферросилиция. Эти элементы препятствуют образованию цементита (Fe3C), а пластинчатый графит замыкается в глобулярную форму. Глобулярный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит. Поэтому высокопрочные чугуны обладают более высокими механическими свойствами, не уступающими свойствам литой углеродистой стали: временное сопротивление разрыву от 350 до 1000 МПа, относительное удлинение от 2 % до 22 %, твёрдость НВ от 140 до 360. При этом высокопрочные чугуны сохраняют: хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокие износостойкость, теплостойкость, теплопроводность, хорошие коррозионную стойкость и хладностойкость. Из высокопрочных чугунов изготавливают отливки ответственных изделий, работающих при высоких статических и динамических нагрузках (вместо литых стальных заготовок): коленчатые валы двигателей, тяжелонагруженные детали строительных и дорожных машин, детали прокатных станов, траверсы прессов, корпуса турбин, кронштейны. Чугуны наряду со сталями являются самыми распространёнными конструкционными материалами. По механическим свойствам чугуны уступают стали, но зато имеют более высокие литейные свойства (хорошая жидкотекучесть, малая усадка) и более дешёвые, поэтому там, где механические показатели совпадают, чугуны используют вместо сталей. Но чугуны быстро изнашиваются в процессе эксплуатации. Контрольные вопросы 1. Какие структурные превращения описывают линии диаграммы состояния Fe – Fe3C? 2. Как идут процессы кристаллизации углеродистых сталей? 3. Как идут процессы кристаллизации белых чугунов? 4. Каковы принципы маркировки, свойства и область применения углеродистых сталей? 5. Какие легированные стали являются сталями общего назначения? 6. Какие легированные стали являются сталями специального назначения? 7. Каковы принципы маркировки, свойства и область применения белых чугунов? 8. Какими способами получают и где применяются графитизированные чугуны? 9. Каковы принципы маркировки и свойства графитизированных чугунов?