Применение сталей и сплавов в промышленности
Цель работы: научиться назначать марку стали для деталей машин в зависимости от их служебного назначения, условий работы, стоимости, требований предприятия.
Оборудование и материалы: марочник сталей и сплавов.
Краткие теоретические сведения
Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием углерода до 2%.
Если сталь имеет в своем составе железо, углерод и некоторое количество так называемых постоянных примесей – таких элементов, как марганец (до 0,7%), кремний (до 0,4 %), сера (до 0,06 %), фосфор (до 0,07 %) и газов, то такую сталь называют углеродистой.
Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют так называемые легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, ванадий и др., а так же марганец, кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют легированной.
Влияние на сталь углерода, постоянных примесей
И легирующих элементов
Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость и прочность, уменьшается пластичность. Максимальная прочность стали достигается при содержании углерода 0,9%, при большем содержании углерода прочность уменьшается – это объясняется появлением в структуре вторичного цементита (сталь становится хрупкой).
Марганец и кремний являются полезными примесями в стали. Их добавляют в сталь при ее выплавке для удаления окислов железа. Положительное влияние марганца проявляется еще и в том, что он устраняет вредные сернистые соединения. Марганец и кремний в стали повышают ее твердость, прочность, но при этом снижают пластичность.
Сера попадает в сталь из чугуна, а в чугун из кокса и руды. Присутствие серы в стали снижает ее динамическую и усталостную прочность, а также износостойкость. Поэтому содержание серы в стали строго ограничено.
Фосфор, как и сера, попадает в сталь из руд. Фосфор повышает твердость и прочность стали, но снижает ее пластичность, поэтому при обычных температурах сталь становится хрупкой. Фосфор улучшает обрабатываемость резанием.
Легирующие элементы по разному влияют на механические свойства стали. Марганец и кремний – значительно повышают твердость, но снижают вязкость. Вольфрам и молибден – повышают твердость, снижают вязкость. Введение этих элементов в сталь снизит отпускную хрупкость стали. Хром в очень малой степени влияет на твердость и вязкость. Никель оказывает самое благоприятное воздействие – интенсивно повышает твердость, не снижая вязкости.
Легированием стали (различными элементами и в различном количестве) с применением термообработки можно получить по сравнению с углеродистой сталью большую вязкость при одинаковой прочности, и даже более высокие прочность и вязкость. Легированием можно получить нержавеющую сталь, кислостойкую, жаропрочную, немагнитную, магнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами
Конструкционные стали
К конструкционным сталям, из которых изготовляют самые разнообразные конструкции, детали машин для различных отраслей промышленности, предъявляют требования высоких механических свойств, технологичности в обработке (хорошая обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость) и дешевизны. Конструкционная сталь, в зависимости от условий работы деталей, должна иметь высокие прочность и пластичность (как при комнатной, так и при повышенных и низких температурах), упругость, хорошо сопротивляться ударной нагрузке, изнашиванию, усталости, хрупкому разрушению.
1.1. Конструкционные строительные стали
Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невысоким содержанием углерода (при более высоких напряжениях). К ним предъявляют требования достаточно высоких прочности и ударной вязкости, как при обычной, так и при пониженной температурах, хорошей свариваемости.
Таблица 1. Применение углеродистых сталей обыкновенного качества
| Углеродистые стали обыкновенного качества | |
| Ст0 | Для второстепенных элементов конструкций и неответственных деталей: настилы, арматура, шайбы, перила, кожухи, обшивки и др. |
| Ст2кп Ст2пс Ст2сп | Неответственные детали, требующие повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах. |
| Ст3кп | Для второстепенных и малонагруженных элементов сварных и несварных конструкций, работающих в интервале температур от -10 до 400 град С. |
| Ст3пс Ст3сп | Несущие и не несущие элементы сварных и не сварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Фасонный и листовой прокат (5 категории) толщиной до 10 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале от -40 до +425 град С . |
| Ст3Гпс | Фасонный и листовой прокат толщиной от 10 до 36 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале от -40 до +425 град С. |
| Cт4кп | Сварные, клепанные и болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового, фасонного и листового проката, а также для малонагруженных деталей. |
| Ст4пс | Сварные, клепанные и болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового и листового проката, а также для малонагруженных деталей типа валов, осей, втулок и др. |
| Ст5пс Ст5сп | Детали клепанных конструкций, болты, гайки, ручки, тяги, ходовые валики, втулки, цапфы, рычаги, упоры, штыри, пальцы, стержни, звездочки, трубчатые решетки, фланцы и другие детали, работающие в интервале от 0 до +425 град С; поковки сечение до 800 мм. |
| Ст6пс | Для деталей повышенной прочности: осей, валов, пальцев, поршней и т.д. |
| Ст6сп | Для деталей повышенной прочности: осей, валов, пальцев и других деталей в термообработанном состоянии, а также для стержневой арматуры периодического профиля. |
Таблица 2. Применение низколегированных сталей
| Низколегированная сталь | |
| 09Г2 | Для деталей сварных конструкций, изготовляемых из листов. Обрабатывается резанием удовлетворительно. |
| 09Г2С | Для паровых котлов, аппаратов и емкостей, работающих под давлением при температуре -70 - +450 °С; для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении. Хорошо свариваются. Обрабатываются резанием удовлетворительно |
| 10ХСНД | Для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в судостроении, вагоностроении |
| 15ХСНД | Для деталей вагонов, строительных свай, сложных профилей в судостроении. Обладает повышенной коррозионной стойкостью |
| 15ГФ | Для листовых сварных конструкций в вагоностроении. Обеспечивает высокое качество сварного шва. Штампуемость удовлетворительная |
1.2. Листовая сталь для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют преимущественно тонколистовую сталь марки 08кп. В этой стали мало углерода (0,05— 0,11%) и кремния (0,03%), что является положительным, так как углерод и кремний снижают способность стали к вытяжке.
1.3. Цементуемые (низкоуглеродистые) стали
Цементуемые углеродистые стали. Эти стали (15,20) применяют для изготовления деталей небольших размеров, работающих на износ при малых нагрузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, оси, шпильки и др.).
Цементуемые легированные стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. В легированных цементуемых сталях, несмотря на небольшое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термической обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины, поэтому из них изготовляют ответственные детали.
Стали хромистые (20Х), хромованадиевые (15ХФ), хромоникелевые (12ХН2). Их применяют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колеса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).
Стали хромоникелевые (12ХНЗА, 20Х2Н4А), хромомарганцетитановые (18ХГТ, 25ХГТ), хромоникельмолибденовые (18Х2Н4МА). Их применяют для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.).
1.4. Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали
Эти стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвергают улучшению — термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться.
Углеродистые стали (35, 45). Эти стали дешевы, из них изготовляют детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (сталь 45).
Хромистые стали (40Х, 45Х). Благодаря высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости эти стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, осей, валиков, рычагов, втулок, болтов, гаек. Детали из этих сталей закаливают в масле с температуры 820—850° С. В зависимости от предъявляемых требований отпуск деталей проводят при различных температурах.
Хромистые стали с 0,001—0,005% бора (З0ХРА, 40ХР). Они имеют повышенную прочность и прокаливаемость.
Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН). Они имеют после термической обработки высокую прочность и пластичность и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Прочность стали придает хром, а пластичность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению не только с углеродистыми, но и другими легированными сталями. Указанные стали применяют для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей — для шестерен, валов и т. п.
Таблица 4. Применение низко и среднеуглеродистых сталей
| Низко и среднеуглеродистые стали | |
| 15, 20 | Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др. |
| 30, 35 | Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы). |
| 40, 45 | Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валки и др.) |
| 50, 55 | Зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии. |
| Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали). | |
| 15Х | Пальцы поршневые, валы распределительные, толкатели, крестовины карданов, клапаны, мелкие детали, работающие в условиях износа при трении. Хорошо цементуется. |
| 20Х | Кулачковые муфты, втулки, шпиндели, направляющие планки, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики и др. |
| 40Х | Для деталей, работающих на средних скоростях при средних давлениях (зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы). |
| 45Х, 50Х | Для крупных деталей, работающих на средних скоростях при небольших давлениях (зубчатые колеса, шпиндели, валы в подшипниках качения, червячные и шлицевые валы). Обладают высокой прочностью и вязкостью. |
| 38ХА | Для зубчатых колес, работающих на средних скоростях при средних давлениях. |
| 50Г2 | Для крупных малонагруженных деталей (шпиндели, валы, зубчатые колеса тяжелых станков). |
| 18ХГТ | Для деталей, работающих на больших скоростях при высоких давлениях и ударных нагрузках (зубчатые колеса, шпиндели, кулачковые муфты, втулки и др.) |
| 20ХГР | Для тяжелонагруженных деталей, работающих при больших скоростях и ударных нагрузках. |
| 15ХФ | Для некрупных деталей, подвергаемых цементации и закалке с низким отпуском (зубчатые колеса, поршневые пальцы и др.) |
| 40ХС | Для мелких деталей высокой прочности. |
| 40ХФА | Для ответственных высокопрочных деталей, подвергаемых закалке и высокому отпуску; для средних и мелких деталей сложной конфигурации, работающих в условиях износа (рычаги, толкатели); для ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках. |
| 35ХМ | Для валов, деталей турбин и крепежа, работающих при повышенной температуре. |
| 45ХН, 50ХН | Аналогично применению стали 40Х, но для деталей больших размеров. |
1.5. Пружинно-рессорные стали
Таблица 5. Применение пружинно- рессорных сталей
| Пружинно- рессорные сталей | |
| 60С2, 60С2А | Для рессор из полосовой стали толщиной 3 - 16 мм и пружинной ленты толщиной 0,08 - 3 мм; для витых пружин из проволоки диаметром 3 - 16 мм. Обрабатываются резанием плохо. Максимальная температура эксплуатации 250 °С. |
| 70СЗА | Для тяжелонагруженных пружин ответственного назначения. |
| 50ХГ, 50ХГА | Для рессор из полосовой стали толщиной 3 - 18 мм. Обрабатывается резанием плохо. |
| 50ХФА, 50ХГФА | Для ответственных пружин и рессор, работающих при повышенной температуре (до 300 °С); для пружин, подвергаемых многократным переменным нагрузкам. |
| 60C2XA | Для крупных высоконагруженных пружин и рессор ответственного назначения. |
| 60C2H2A, 65C2BA | Для ответственных высоконагруженных пружин и рессор, изготовляемых из калиброванной стали и пружинной ленты. |
1.6. Шарикоподшипниковые стали
Основной шарикоподшипниковой сталью является сталь ШХ15 (0,95—1,05% С; 1,30—1,65% Сr).
Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. Детали крупногабаритных подшипников (кольца, ролики), изготовляемые из стали 20Х2Н4А.
1.7. Автоматные стали
Автоматные стали: А12, А20, А30, А40Г отличаются от обыкновенных углеродистых конструкционных сталей повышенным содержанием серы и фосфора.
Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это объясняется повышенным содержанием серы, которая образует большое количество включений сернистого марганца MnS, нарушающих сплошность металла. Поверхность обработанных деталей получается чистой и ровной. Стойкость режущего инструмента при обработке автоматных сталей повышается, а скорость резания допускается больше, чем при обработке обыкновенных углеродистых сталей.
1.8. Высокомарганцовистая износостойкая сталь Г13Л
Эта сталь, содержащая 1—1,4% С и 11—14% Мn и имеет высокое сопротивление износу. Характерным для нее является то, что высокая износостойкость сочетается с высокой прочностью и низкой твердостью. Сталь Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и т. п.
1.9. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы
К жаростойким относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550° С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.
При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха, в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина.
Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью.
На интенсивность окисления влияет состав и строение окисной пленки. Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь легируют хромом, а также кремнием или алюминием. Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, например, сталь 15X5 с содержанием 4,5—6,0% хрома жаростойка до температуры 700° С, сталь 12X17 (17% Сг) — до 900° С, сталь 15X28 (28% Сг) — до 1100—1150° С (стали 12X17 и 15X28 являются также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (до 1200° С) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например, сплав ХН70Ю (26—29% хрома; 2,8—3,5% алюминия).
Для работы при температурах до 350—400° С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные).
Для работы при температуре 400—550° С применяют стали, например 15ХМ, 12Х1МФ. Предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и пароперегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч).
Эти стали содержат мало хрома и поэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550—600° С).
Для работы при температуре 500—600° С применяют стали: высокохромистые, например 15X11МФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов. Для работы при температуре 600 —750° С применяют неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие). Нестареющие стали —-это, например, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемая для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления и применяемая после закалки с 1100—1150° С (охлаждение в воде или на воздухе).
Стареющие стали — это сложнолегированные стали, например 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС—для лопаток газовых турбин.
Для работы при 800—1100 С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200° С.