Легированные стали. Состав легирующих элементов

Ключевые слова: Влияние легирующих элементов на свойства стали, классификация и маркировка легированных сталей. См. Справочник по современным судостроительным материалам. - Л.: Судостроение, 1979.- 583 с. и другие учебники.

Легированныминазываются стали, в которые специально вводят (легирующие) элементы. Основными легирующими элементами конструк­ционных сталей являются Сr, Ni, Si, Mn, а такие элементы как W, Mo, V, Ti и другие вводят в сталь в сочетании с основными для до­полнительного улучшения свойств.

Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и уг­леродом. С железом они обычно находятся в виде твердых растворов замещения (легированный феррит и легированный аустенит) или химического (интерметаллического) соединения (FeCr, Fe₃W₂, Fе₃Мо₂), а при взаимодействии с углеродом - в связанном (TIC, WC) или в сво­бодном состоянии.

Легированный феррит присутствует во всех конструкционных сталях, подвергающихся улучшению, а легированный аустенит являет­ся основной структурной составляющей жаропрочных и нержавеющих сталей. Интерметаллические соединения являются упрочняющей фазой при термической обработке.

Все легирующие компоненты, за исключением марганца, при наг­реве задерживают рост зерна аустенита, что позволяет легированные стали подвергать обработке давлением в более широком интервале температур или подвергать химико-термической обработке, не опа­саясь перегрева.

Следует помнить, что в наибольшей мере преимущества легиро­ванной стали проявляются после ее термообработки. Особенно сильно повышается s_т, d и a_н. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следова­тельно, лучшей прокаливаемостью. Это позволяет производить закал­ку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что умень­шает деформацию изделии и опасность образования трещин. Кроме то­го, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.

Растворяясь в железе, легирующие элементы оказывают большое влияние на положение критических точек в стали. Одни легирующие элементы (Ni, Mn, Co) расширяют γ-область, понижая а3 и a1, дру­гие (W, V, Сr, Мо) сужают g и расширяют a-область, повышая аз и a1. Почти все легирующие элементы сдвигают точки Е и S диаграммы Fe-C влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Исклю­чение - V, Ti, Nb, которые повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Рассмотрим влияние отдельных легирующих элементов и их соче­таний на некоторые основные свойства стали.

Хром (X) повышает твердость и прочность стали, но снижает вязкость и затрудняет ковкость; в значительной степени увеличива­ет сопротивление коррозии.

Никель (Н) повышает прочность и ударную вязкость, улучшает ее ковкость и уменьшает склонность к окислению, способствует об­разованию мелкозернистой структуры стали и делает ее менее чувс­твительной к перегреву и пережогу.

Вольфрам (В) повышает красностойкость, устраняет хрупкость при отпуске, повышает твердость, способствует получению мелкого зерна.

Ванадий (Ф) повышает теплоустойчивость. При высоких темпера­турах свойства ванадиевой стали почти не изменяются.

Молибден (М) повышает кислотоустойчивость, твердость, преде­лы прочности и текучести, но понижает вязкость, способствует сохранению механических свойств при высоких температурах, препятс­твует возникновению хрупкости при отпуске.

Марганец (Г) повышает твердость, устойчивость против истира­ния, закаливаемость в масле, но повышает хрупкость стали.

Кремний (С) повышает упругие свойства, при повышенном содер­жании (до 15-20%) сталь обладает кислотоустойчивыми свойствами.

Анализ влияния указанных легирующих элементов на свойства стали показывает, что путем их сочетания можно добиться получения требуемых свойств стали. Например, хорошие результаты дает сов­местное действие хрома и никеля: практически обеспечивается прокаливаемость изделий любых размеров, а характерный недостаток хромоникелевых сталей, повышенная хрупкость при отпуске, устраня­ется дополнительным легированием вольфрамом и т.д.

Легирующие элементы в марках стали обозначают соответствую­щими буквами. Кроме указанных выше: А - азот, Б - ниобий, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, П - фосфор, Р - бор, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные материалы, Ю - алюминии.

Число в начале марки конструкционной стали указывает на со­держание углерода в сотых долях процента, цифры после букв - среднее содержание элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В означает сталь со средним содержанием 0,18% С, 2% Сr, 4% Ni и около 1% W.

При маркировке инструментальных и некоторых специальных ста­лей отходят от этого правила. Для них содержание углерода указы­вается в десятых долях процента. Например, марка 9ХС означает сталь с содержанием 0,9% углерода, около 1 % хрома и 1% кремния, а при отсутствии цифры - содержание углерода от 1 до 1,5%.

Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш - шарикоподшипниковые, Р - быстрорежущие, Е - магнитные и др.

Легированные стали классифицируются по структуре в отожжен­ном и нормализованном состояниях, по составу и содержанию легиру­ющих элементов, по назначению.

В отожженном состоянии легированные стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные, а в нор­мализованном - на три класса: перлитный (до 5% легирующих элемен­тов), мартенситный (до 13%), аустенитный (до 20-30 %, главным об­разом Ni и Mn).

По составу - наличию в стали тех или иных легирующих элемен­тов, а по содержанию - по их количеству: низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (свыше 10%).

По назначению легированные стали подразделяют на конструкци­онные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.

К конструкционным легированным сталям относятся стали, при­меняемые для изготовления цементуемых и улучшаемых термообработ­кой деталей судовых технических средств. Эти стали легируют разнообразными элемента­ми: Mn, Ni, Si, Сr, Mo, Ti, A1 и др.

К инструментальным относятся стали для режущего и меритель­ного инструмента. Эти стали, для получения высокой твердости, ле­гируют в основном карбидообразующими элементами: Сr, W, V, Мо и др.

К сталям и сплавам со специальными физическими свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами и др. Большинство из них отличаются высоким содержани­ем Ni, Сr, Со и др.

Легированные стали находят широкое применение для изготовле­ния деталей судовых технических средств, например:

Сталь 15Х, 18Х, 20Х, 18ХГ с цементацией и термообработкой - толкатели топливного насоса и клапанов газораспределения, ролик, ось ролика судовых СОД, ролик пускового золотника, ось ролика привода топливного насоса, топливная и пусковая кулачные шайбы, корпус клапана, подпятник и ролик топливного насоса МОД.

Сталь 38ХМЮА с азотированием и термообработкой - корпус и плунжер топливного насоса СОД.

Сталь ШХ15 - клапан нагнетательный топливного насоса судовых СОД, плунжер и седло клапана топливного насоса СОД, сопло форсун­ки топливного насоса МОД.

Сталь 18Х2H4ВА с цементацией на глубину 0,5-0,9 мм и термо­обработкой HRC 60 - направляющая иглы форсунки СОД.

Сталь 4Х9С2 - клапаны впускной и выпускной СОД и клапан пус­ковой МОД.

Сталь Р18 - игла форсунки СОД.

Сталь 3X13 - клапаны предохранительный и воздухораспредели­теля СОД,

Сталь 35ХМ (M_O=0,3%) - головка поршня МОД.

Сталь ХВГ - клапан и втулка топливного насоса МОД.

Сталь 40Х с закалкой ТВЧ на 1,5-2,5мм HRC. 54 - корпус фор­сунки МОД.

Сталь 3X13 - рубашка и корпус поршня, верхний и нижний што­ки поршня и золотник сервомотора регулятора, седло главного пус­кового клапана МОД.

Стали Х12ВНМФ и 2Х18Н9М - наружное и внутреннее кольца, ло­патки турбонагнетателя МОД.

Сталь ЗХ19Н9МВБТ - лопатка ротора турбонагнетателя МОД.

Контрольные вопросы для самопроверки по подразделу 3.2.2 темы 3

1. Что называют легированной сталью?

2. Привести, руководствуясь маркой, химический состав ука­занных сталей, применяемых для деталей судовых технических средств, а также марок сталей: 37Х12Н8ГМФБ, 10ХСНД, ЕВ6, 09Г2, 65С2ВА, У13А, 09Х15Н8Ю, 60С2,

3. Какие характерные дефекты имеют место в легированных ста­лях?

4. Почему легированные стали при одном и том же количестве углерода имеют более высокие механические свойства, чем углеро­дистые?

5. Какой основной принцип заложен в основу маркировки леги­рованных сталей?

6. Какие элементы способствуют повышению ударной вязкости в легированных сталях?

7. Как влияют легирующие элементы на положение критических точек в стали и точки Е и S диаграммы Fe-C?

8. Как влияют на свойства стали хром, никель и вольфрам и почему это сочетание является оптимальным для определенных усло­вий работы судовых деталей?

9. Какие основные фазы и как они определяются в легированных сталях?

10. Какие фазы лежат в основе нержавеющих, инструментальных и конструкционных сталей?

11. Как классифицируются легированные стали по назначению и содержанию легирующих элементов?

12. Как классифицируются легированные стали по структуре в отожженном и нормализованном состояниях?

Иллюстрации к теме 3 – см. Сборник наглядных пособий и др. учебные пособия на сайте.

Тема 4. «Цветные металлы и сплавы. Неметаллические материалы»

«Coming together is a beginning; keeping together is progress; working together is success»

(Henry Ford)

Цветные металлы и сплавы.

Ключевые слова: Медь, алюминий, титан и их сплавы; антифрикционные материалы. Классификация и маркировка цветных сплавов.

Цветные металлы и главным образом их сплавы имеют сравни­тельно большое применение в судостроении и судоремонте. В некото­рых конструкциях судна, механизмах и приборах они пока являются незаменимыми.

Все цветные металлы по сравнению с черными имеют общий не­достаток: высокую стоимость. На практике чаще всего прибегают к использованию цветных металлов в случаях, когда требуется матери­ал, обладающий высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами, а также с целью снижения массы конструкции, машин и т.д.

Медь и ее сплавы, благодаря их высокой электро - и теплопроводности, пластичности, химической и коррозионной стойкости, хо­рошей полируемости широко используются для изготовления труб су­довых систем, проводников тока, подшипников скольжения и др. В большом количестве медь используется для изготовления важнейших конструкционных сплавов: латуней и бронз.

Латуни - сплавы меди с цинком - используют для изготовления судовых систем и гребных винтов. В простых (двойных) латунях со­держание цинка не превышает 38%. В специальные латуни кроме цинка вводятся Al, Fe, Sn, Pb, Si и другие элементы. Легирующие добавки оказывают различное влияние на свойства латуней. Так, добавки свинца улучшают обрабатываемость, марганца - повышают механичес­кие и коррозионные, а в сочетании со свинцом - антифрикционные свойства, железа - улучшает пластичность в холодном и горячем состояниях, алюминий (до 6%) - повышает прочность и коррозионную стойкость. Кремний вводится с целью улучшения литейных свойств.

В твердом состоянии латунь, при содержании цинка до 39%, об­разует твердый раствор замещения цинка в меди. Такая латунь хо­рошо поддается обработке давлением в горячем и холодном состояни­ях, сварке, пайке и лужению.

Марку латуни обозначают буквой Л, затем начальную букву ле­гирующего компонента, за которыми следуют цифры, указывающие среднее содержание в % меди и легирующих элементов. Например, сплав ЛМц 58-2, из которого изготавливают корпус клапана управле­ния пуском, корпус индикаторного крана судовых МОД, содержит 58% меди и 2% марганца; ЛАМцЖ67-5-2-2, применяемая для изготовления гребных винтов, содержит 67% меди, 5% алюминия и по 2% марганца и железа.

По технологическому признаку латуни подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни обрабатывают прессованием, прокаткой и штамповкой. Применяют их для изготовления деталей арматуры и тру­бопроводов, деталей иллюминаторов и др.

Литейные латуни применяют для изготовления фасонных отливок арматуры, дельных вещей и гребных винтов.

Литейные латуни в движущейся морской воде в разной степени подвержены коррозионному разрушению - обесцинкованию - электрохи­мической коррозии, проявляющейся в

удалении из латуни преимущест­венно фазы обогащенной цинком. Все литейные латуни могут свари­ваться и паяться мягким и твердым припоями.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием и другими элемента­ми, являющимися легирующими компонентами. Они делятся на две основные группы: оловянистые(основной легирующий компонент - оло­во) и специальные (основные легирующие компоненты - алюминий, марганец, кремний и др.).

Бронзы обозначают буквами Бр и первыми буквами основных ле­гирующих компонентов, за которыми следуют цифры, показывающие их процентное содержание. Например, сплав Бр.АМцЮ-2, применяемый для изготовления поворотной втулки топливного насоса, содержит 10% алюминия и 2% марганца; Бр.ОЦС5-5-5 - втулки регулятора числа оборотов, содержит по 5% олова, цинка и свинца; Бр.АЖМц 10-3-1,5 - золотника клапана управления пуском СОД, содержит 10% алюминия, 3% железа и 1,5% марганца.

Оловяниспие бронзы по технологическому признаку разделяют на литейные и деформируемые.

Оловяниспые литейные бронзы обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, легко обрабатываются резанием, хоро­шо лудятся и имеют красивый цвет в готовых изделиях. Их коррози­онная стойкость в морской воде обусловлена образованием на поверхности устойчивой плотной пленки окиси олова. Из оловянистой бронзы Бр.ОФ 10-1 изготавливается втулка верхней головки шатуна СОД, из БрОЦСНЗ-7-5-1 и БрОЦС8-4-3 - литая тонкостенная арматура, облицовки валов, корпусов насосов, работающих в морской и пресной воде, топливе и паре и др.

Деформируемые бронзы применяют для изготовления различных видов проката, поковок и штамповок.

Кроме указанных марок бронз, для деталей СОД и МОД нашли применение также Бр.АЩ 9-2 - для стержня клапана БрОСН5-23-1 -направляющего пояска, Бр.АЖ 9-4Я, Бр.ОФЮ-1 - втулки ролика и др.

Алюминий и его сплавыобладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, устойчивостью механических свойств при низких температурах, высокой технологичностью, эстетичностью в конструкциях и неограниченными запасами сырья для их производс­тва.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые в свою очередь подразделяются на упрочняемые и не­упрочняемые термообработкой.

К неупрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относят алюминиевомагниевый сплав АМг (магналии) и АМц.

К упрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относятся дуралюмины и др. Химический состав Д1: 3,8-4,8% Сu, по 0,4-0,8% Mg и Mn, остальное Аl. Дуралюмины подвергают закалке, отжигу и ста­рению. После закалки и старения механические свойства повышаются. Упрочняющей фазой является CuAl₂.

Литейные алюминиевые сплавы для фасонного литья используются для изготовления деталей оборудования, арматуры, деталей электро­оборудования. Наиболее широкое применение нашли алюминиевокремнистые сплавы (силумины), имеющие хорошую жидкотекучесть, неболь­шую усадку, возможность получения мелкозернистой структуры путем модифицирования, равномерность механических свойств по сечению отливки и др. Недостатки силуминов - низкая пластичность и корро­зионная стойкость в морской воде, плохое сопротивление ударным нагрузкам. В качестве примеров применения силуминов: АЛ2 и АЛ9 - для изготовления диффузора и корпуса турбонагнетателя МОД.

Титанимеет серебристо-белый цвет, его плотность около 4510 kг/m³ и температура плавления 1725 С ⁰. Свойства титана существенно зависят от чистоты. Так, 0,01% примесей уменьшает б_в примерно в 2 раза. Титан обладает весьма высокой коррозион­ной стойкостью, что в сочетании с низкой плотностью и высокими механическими свойствами предопределило его

широкое применение для судовой арматуры подводных лодок и др. Надежную защиту ти­тана и его сплавов от коррозии обеспечивает нерастворимая пассивная пленка, образующаяся на поверхности изделий при воздействии агрессивной среды.

Титан используют в основном для производства конструкционных сплавов. Сплавы на основе титана с добавками алюминия, хрома, мо­либдена и других элементов обладают более высокими механическими свойствами, чем технический титан. Они жаростойки и имеют повы­шенный предел усталости и ползучести. В качестве примера химичес­кий состав сплава ВТЗ: 4-6,2% А1, 2-3% Сг, остальное Ti.

В судостроении наиболее перспективно использование титана и титановых сплавов для плакирования стальных листов, изготовления гребных винтов, крыльевых устройств, различных деталей судовой арматуры, работающих в морской воде, агрессивных и кавитирующих средах. Однако широкое внедрение титана и титановых сплавов огра­ничено их высокой стоимостью (они во много раз дороже низколеги­рованной стали).

Антифрикционными называют сплавы, предназначенные для изго­товления подшипников скольжения. Эти сплавы обладают малым коэф­фициентом трения, пластичностью, микрокапиллярностью, а также не­однородной по твердости структурой (твердые включения в мягкой основе). Такое сочетание свойств можно получить у двухфазных сплавов, у которых одна фаза - твердые кристаллы, а другая - мяг­кая основа. Твердые кристаллы обеспечивают хорошую сопротивляе­мость трению, а мягкая основа - хорошую прирабатываемостъ вклады­ша к валу. При вращении в подшипниках мягкая основа, соприкасаясь с валом, изнашивается и образует сеть капилляров, по которым циркулирует смазка. К металлическим антифрикционным материалам в судостроении относятся баббиты, бронзы (оловянистые и безоловянистые) и латуни.

Баббиты представляют собой сплавы из легкоплавких цветных металлов на основе олова или свинца и предназначены для заливки подшипников (при 300-420^ОС). Баббиты имеют минимальный коэффициент трения и хорошо удерживают смазку. Баббиты на оловянной основе состоят из пластичной основы и распределенных в ней твердых ме­таллических соединений олова с сурьмой и медью (SnSb, Cu₆Sn₅), которые играют роль опорных частиц, воспринимающих основную наг­рузку вала.

В судостроении применяются в основном оловянистый баббит Б83 и свинцовоникелевый БН. Так, ползун и кольцо уплотнительное порш­невого штока МОД изготавливаются наплавкой Б83 и БН на сталь 25. Сплав Б83 применяется для заливки вкладышей, работающих при более высоких удельных нагрузках и окружных скоростях, чем сплав БН.

Контрольные вопросы для самопроверки по подразделу 4.1 темы 4

1. Какие изделия на судах изготовляют из меди и ее сплавов?

2. Как влияют отдельные легирующие элементы на свойства ла­туни?

3. Какие сплавы называются латунью и бронзой? Как они марки­руются?

4. Как классифицируются алюминиевые сплавы?

5. Каковы основные преимущества титановых сплавов, использу­емых в корпусных

судовых конструкциях?

6. Чем обусловлено уменьшение коэффициента трения при ис­пользовании

антифрикционных сплавов?

7. Расшифровать сплавы: Д1 и ДЗ, АК8, АМг5, АМц, Б83 и БН, Бр.ОФ 10-1 и БрОЦСНЗ-7-

5-1, Бр.АМцЮ-2, ЛАМцЖ67-5-2-2.

8. Какие основные требования, предъявляются к антифрикцион­ным материалам?