Тема 1.2 Сплавы железа с углеродом

Общие сведения

Классификация чугунов и сталей

Углеродистые стали

Легированные стали

Сплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных конст­рукций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием их механических, физических, химических и других свойств. Свой­ства сталей зависят не только от ее состава и соотношения ком­понентов, но и от вида термической и химико-термической обра­ботки, которым они подвергаются.

Чугун– это сплав железа с углеродом от 2,14 до 6,67%. Он является самым распространенным сплавом в литейном производстве (около 80% общего мирового выпуска в 75 млн. тонн отливок приходится на долю чугуна).

Сталью называют сплав железа с углеродом от 0,02 до 2,14%, с постоянными примесями марганца, кремния, фосфора, серы.

Углеродистой называ­ют сталь с содержанием углерода от 0,02 до 2,14% и постоянными примесями Мп - до 0,8%; Si - 0,5%; Р - 0,05%; S - 0,05% .

Легированнойназывают сталь, в которуюв процессе выплавки добавляют легирую­щие элементы: хрома Cr, никеля Ni, марганца Mn, вольфрама V, ванадия W, молибдена Мо и др. сверх их обычного содержания.

Классификация чугунов и сталей

Стали классифицируют: по химическому составу, способу производства, качеству, назначению, степени раскисления и др. признакам.

- По химическому составу:

Углеродистые стали разделяются на:

низкоуглеродистые (до 0,25% С),

среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6% С);

высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированные стали делятся на:

низко­легированные (до 2,5%),

среднелегированные (от 2,5 до 10%),

высоколегированные (более 10%).

- По способу производства: конверторные,

мар­теновские,

электростали,

стали особых методов выплавки.

- По качеству: обыкновенного качества,

качественные,

высококачественные,

особовысококачест­венные.

Качество стали зависит от количества вредных примесей (серы и фосфора). Содержание этих элементов в сталях различного качества приводятся в технической литературе.

.

- По назначению:конструкцион­ные,

инструментальные,

строительные,

сталиспециального назначения с особыми свойствами.

- По степени раскисления: спокойная сталь (раскислена Mn, Si и А1);

Полуспокойная (раскислена Mn и А1);

ки­пящая (раскислена Mn).

Кипящая уступает по качеству спокойной, т.к. содержит больше кислорода.

Углеродистые стали, их состав, свойства, виды, марки, применение

Углеродистые стали самые распростра­ненные из конструкционных материалов. Объем их производства достигает 80% от общей выплавки стали. Они сочетают в себе высокую прочность и достаточную вязкость, хорошие техно­логические свойства, экономичны и не дефицитны. Различа­ют следующие углеродистые стали: конструкционные обыкновен­ного качества, качественные, специального назначения и инструментальные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (Ст0, Ct1,Ct2, Ст3,Ст3Г, Ст4, Ст5, Ст5Г, Ст6). Цифры указываю номер стали, с увеличе­нием которого возрастает содержание углерода, и чем больше номер, тем выше ее прочность и ниже пластичность. Бук­ва Г указывает, что сталь содержит марганец в количестве, пре­вышающем примесную концентрацию этого элемента. Применяют для изготовления металлоконструкций слабо нагруженных дета­лей машин и приборов: заклепок, крепежных деталей, ручек, рычагов, штырей и т.д.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (08, 10, 15, 20 и т.д. до 85). Имеют широкое применение в техни­ке, т.к. в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают различными механическими и технологиче­скими свойствами. Из них изготавливают детали типа винтов, гаек, болтов, зубчатых колес, деталей автомобилей, кулачков, осей.

Углеродистые стали специального назначения (автоматные) маркируют буквой А (автоматная), затем - дву­значное число, указывающее содержание углерода в стали в со­тых долях процента. Буквы С и Е в обозначении стали указывают на наличие в ее составе соответственно свинца и селена. Широко используются следующие марки: All, А12, А20, АЗО, АС40, АС14, АС20ХГНМ и др. легированные стали.Достоинства: хорошая обрабатываемость резанием (за счет повышенного содержания в стали серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%), а также за счет добавок свинца (0,15-0,30%) или его аналога селена в количестве до 0,1%). Сера и фосфор облегчают процесс резания благодаря измельчению стружки. Свинец и селен - за счет эффекта внутренней смазки, снижающего коэффициент трения в паре «заготовка – инструмент». Применяют их для изделий неответственного на­значения, т.к. они обладают невысокими показателями пластичности и вяз­кости. Изготовление деталей в условиях массового и серийно­го производства осуществляется на станках-автоматах.

Углеродистые инструментальные стали мар­кируются буквой У и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Они делятся на: качественные У7, У8, У9-У13 и высококачественные У7А, У8А, У9А-У13А. Из них изготавливают инструмент (ножовочные по­лотна, напильники, зубила, метчики, плашки и др. слесарный инструмент), который в процессе работы не разогревается выше 150⁰С.

Окончательная термическая обработка инструмента заключается в закалке и низком отпуске. Температура отпуска в зависимости от условий работы инструмента находится в пределах от 150⁰С (напильники) до 350⁰С (пилы для дерева).

Основные достоинства по сравнению с легированными:

- возможность проведения закалки с низких температур (720-820⁰С) и получения высокой твердости и износостойкости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины, что важно для ручных метчиков и штампов для высадки, которые работают на износ и с динамическими нагрузками;

- низкая твердость в исходном (отожженном) состоянии, обеспечивающая хорошую обрабатываемость резанием и давлени­ем, что позволяет применять накатку, насечку, плющение и дру­гие высокопроизводительные методы изготовления инструмента; - низкая стоимость.

Недостатки: низкая теплостойкость, небольшая прокаливаемость (10-15 мм при закалке в воде и 2-3 мм -в масле), чув­ствительность к перегреву и пониженная закаливаемость, которые ограничивают область применения этих сталей.

Легированные стали, основные легирующие элементы;

виды легированных сталей, марки, применение

Основными легирующими элементами являются Si, Ni, Mn, Cr. Такие элементы, как W, Mo, V, Al, Ti и В вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni, Мп для дополнительного улучшения свойств. Высокие эксплуатационные характеристики легирован­ных сталей обнаруживаются только после закалки и отпуска, т. к. в отожженном состоянии их механические свойства практически не отличаются от углеродистых.

Наиболее распространенные: цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные и шарико-подшипниковые.

Цементуемые стали содержат 0,1- 0,25% углеро­да, и легирующие элементы Сг, Мп, В, Mo, V, Ti, Ni в пределах от 0,002 (бор) до 4,4% (никель). После цементации, закалки и низкого отпуска изделия из таких сталей имеют высо­кую поверхностную твердость (58-62 HRC₃) и вязкую сердцевину с твердостью от 15 до 30 HRC₃.

К углеродистым цементуемым сталям относятся стали 10, 15, 20, а к легируемым цементуемым сталям:

- стали средней прочности 15ХР, 15Х, 20Х, 20ХН (для изготовление небольших деталей, используемых при средних нагрузках: зубчатые колеса, валы, кулачки и т.п.);

- стали повышенной прочности 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХП4А, 18Х2НХМА, 18ХГТ (на изготовление деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсив­ного изнашивания при повышенных нагрузках: зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.). Эти стали малочувстви­тельны к перегреву, хорошо прокаливаются и имеют повышен­ную прочность сердцевины.

Улучшаемые стали содержат углерода 0,3-0,5%, леги­рующих элементов в сумме не более 5% и используются после термической обработки, включающей закалку и высокий отпуск, которая называется улучшением. Из них изготавливают ответственные детали машин, рабо­тающих под воздействием циклических и ударных нагрузок. Эти стали имеют высокую прочность и пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости и хорошо прокаливают­ся.

Хромистые стали ЗОХ, 38Х, 40Х, 50Х идут на изготовле­ние коленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, га­ек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15-25 мм), склонны к отпускной хрупкости. Прочность сталей уве­личивается с увеличением содержания углерода, но при этом снижается пластичность.

Хромокремниймарганцевые стали марок ЗОХГСА, 35ХГСА имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются, имеют невысокую прокаливаемость и широко применяются в ав­томобилестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным на­грузкам. Они применяются для изготовления ответственных де­талей, работающих под воздействием динамических нагрузок _г (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а пластич­ность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на боль­шую глубину.

Лучшими показателями среди сталей обладают хромони­ке ль молибденовые стали 40ХНМА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА. Эти стали имеют высокую прочность при хорошей вязкости, вы­сокую усталостную прочность, глубоко прокаливаются. Из них изготавливают сильно нагруженные детали, а также валы, рото­ры, турбины, работающие в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят путем закалки с 850 °С в масле и последующего отпуска при 620 °С.

Высокопрочные стали – это стали, имеющие предел прочности > 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним относятся стали типа ЗОХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изго­товления пружин, упругих элементов и рессор различного назна­чения. Для обеспечения высокого предела упругости и сопротивления усталости при достаточной пластичности эти стали содержат более 0,5% Си легированы одним или несколькими элементами: 1,5-2,8% Si; 0,6-1,2% Mn; 0,2-1,2% Cr, 0,1-0,25% V; 0,8-1,2% W, 1,4-1,7% Ni.

Крем­нистые стали ( 55С2, 60С2А , 70СЗ) нашли наибольшее применение в промышленности. Из них изготав­ливают пружины вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и др.

Шарикоподшипниковые стали применяются для изготовления де­талей, работающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипники, зубчатые колеса, кольца, детали дорож­ных и землеройных машин), и подвергаются образивному и ударному изнашиванию.