5. ВАЖНЕЙШИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.Железо и его сплавы.

2.Твердые сплавы.

3.Сверхтвердые сплавы и керамические материалы.

4.Цветные металлы и сплавы.

Железо и его сплавы

Стали

Сталь – сплав Fe с C (до 2,14%) и другими элементами (легированные стали). Сталь всегда содержит постоянные примеси: Mn, Si, S, P и газы (кислород, водород, азот).

Стали являются основной продукцией черной металлургии. Сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома путем окисления излишнего углерода и удаления вредных примесей.

Классификация сталей

По способу производства:

–кислородно-конверторная (выплавляется в кислородном конверторе) – К;

–мартеновская (выплавляется в мартеновских печах) – М;

–электросталь (по качеству превосходит все остальные стали, выплавляется в электродуговых печах) – Э;

–бессемеровская (имеет низкое содержание серы, фосфора, азота; выплавляетсявбессемеровскихконверторахспродувкойкислорода) – Б.

В зависимости от способа производства стали отличаются содержанием примесей. Кислородно-конверторные стали имеют высокие технико-экономические показатели.

Стали выплавляются и особыми методами – индукционным нагревом, магнитным перемешиванием.

По химическому составу:

–углеродистые (90% от всех сталей);

–легированные (10%).

Углеродистые стали наряду с железом и углеродом содержат – 0,1–1,0% Мn, до 4% Si, а также вредные примеси S и P.

Mn, Si, S, P – это постоянные примеси, попадающие в сталь в связи с технологией ее изготовления (из шихтовых материалов).

64

В зависимости от содержания углерода различают:

–низкоуглеродистую (до 0,25%);

–среднеуглеродистую (0,25–0,6%);

–высокоуглеродистую (>0,6%).

Увеличение содержания углерода в сталях повышает твердость, прочность, но понижает пластичность. Прочность и пластичность могут быть увеличены в результате термической обработки в 2–3 раза.

Известна высокоуглеродистая (содержание углерода составляет 1,5– 2,0%) дамасская сталь, из которой в древности изготовляли холодное оружие. Свое название дамасские клинки получили не по месту происхождения, а по тому району, где европейцы впервые увидели их во времена крестовых походов – в Сирии. Сталь для клинков изготовлялась в Индии и была там известна под названием «вуц». После искусной ковки дамасская сталь приобретала исключительную прочность (твердость HRC до 60 единиц), вязкость и характерный узорчатый рисунок.

По степени легирования стали делят:

–на низколегированные (<2,5%);

–среднелегированные (2,5–10,0%);

–высоколегированные (>10,0%).

Легированные стали часто называются по преобладающим в ней компонентам (вольфрамовая, хромомарганцевоникелевая).

Легирующим компонентом также может служить Mn при содержании более 1% и Si – более 0,8%. Эти два компонента раскисляют сталь (удаляют связанный кислород):

По назначению стали делятся:

–на конструкционные – применяются для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов. Данные стали могут быть как углеродистыми (до 0,7% углерода), так и легированными (основные легирующие элементы – хром и никель);

–инструментальные – применяются для изготовления режущего, ударно-штампового и измерительного инструмента. Данные стали могут быть как углеродистыми (обычно – 0,8–1,3% углерода), так и легированными (основные легирующие компоненты – хром, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий). Среди инструментальных особое распространение получила быстрорежущая сталь;

–стали с особыми физическими и химическими свойствами. К ним относят: электрохимические; нержавеющие; кислотостойкие; жа-

65

ропрочные и др. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству стали подразделяют:

–на обыкновенные – содержание S от 0,035 до 0,06%, Р до 0,07%;

–качественные – содержание S до 0,035, Р до 0,035%;

–высококачественные(А) – содержание S ≤ 0,02–0,03%, Р< 0,025%;

–особовысококачественные(Ш) – содержание S < 0,015%, Р< 0,025%. Легированные стали могут быть только качественными или высоко-

качественными. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S, P) и неметаллических включений (газы О2, N2, H2).

Сера снижает механические свойства стали, является причиной красноломкости, то есть хрупкости в горячем состоянии. Сера может находиться в свободном состоянии или в виде FeS.

Фосфорусиливаетхладноломкость– хрупкостьприпониженныхтемпературах. ФосфорнаходитсяввидеFe2P иFe3P, втвердомраствореα-Fe.

По характеру застывания металла в изложнице различают:

–спокойные (сп) – раскисляются Mn, Al, Si;

–полуспокойные (пс) – раскисляются Mn, Al;

–кипящие (кп) – раскисляются Mn.

Характер застывания стали (то есть кристаллизация) зависит от степени раскисленности. Раскисление – это удаление кислорода эле- ментами-раскислителями – Mn, Al, Si. Чем полнее удален кислород, тем спокойнее протекает процесс кристаллизации стали:

По равновесной структуре стали бывают:

–доэвтектоидные;

–эвтектоидные;

–заэвтектоидные;

–ледебуритные.

Маркировка углеродистых сталей

1. Углеродистые стали обычного качества (конструкционные).

Из них изготавливают детали машин, станки, детали мостов, трубы, используются в судостроении. Стали выпускаются 3-х групп.

Группа А – с гарантийными механическими свойствами (не подвергаются горячей обработке). Стали группы А маркируются буквами Ст и условным номером: Ст1кп, Ст2сп.

Группа Б – с гарантийным химическим составом (подвергается горячей обработке). Например, Ст6 содержит 0,38–0,49% углерода и

66

0,5–0,8% марганца, содержание остальных элементов также гарантируется. Выпускаются стали следующих марок: мартеновские – МСт0, МСт1, МСт2, ..., МСт7; конвертерные – КСт0, КСт1, ..., КСт7; бессемеровские – БСт0, БСт1, ..., БСт6.

Группа В – с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (для сварных конструкций), маркируется буквой В – ВСт1. Изготавливается мартеновским или бессемеровскимспособами.

Цифры во всех группах указывают на то, что предел прочности и предел текучести с увеличением цифры растут, а относительное удлинение (пластичность) падает.

2. Автоматные стали – низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием S, P. Сера и фосфор не только повышают стойкость инструмента, но и способствуют получению обработанной поверхности лучшего качества. Применяются для малоответственных деталей массового производства, хорошо обрабатываются резанием. Имеют повышенную склонность к коррозии.

Маркируются буквой А и цифрой, обозначающей содержание углерода, – А12, А30 – 0,27–0,35% С, имеют небольшие количества Pb, Ca, Mn, а также селена Se и теллура Te.

3.Качественные углеродистые стали, как правило, являются конструкционными. Применяется для изготовления шайб, втулок, шестеренок, деталей, работающих в условиях трения. Маркируются дву-

значным числом – сталь10; 20; 40; 45 (0,42–0,49% С).

4.Углеродистые инструментальные. Из них изготавливают ре-

жущие инструменты. Маркируются буквой У и цифрой, обозначающей содержание углерода в десятых долях процента, У8, У10, У12, У13А – 1,25–1,35% С. Из У13А изготавливают лезвия, напильники.

5.С повышенным содержанием Mn – обладают повышенной износо-

стойкостью. Маркируются– 14Г, 18Г, 17ГС– 0,2% С; 1,2% Mn; 0,5% Si.

Сталь 18Г2АФ кроме Mn (около 2%) дополнительно содержит 0,1% V, 0,02% N – используется в строительных конструкциях.

Сталь 35ГС – 0,30–0,37% C; 0,8–1,2% Mn; 0,6–0,9% Si – арматур-

ная сталь.

Легированные стали. Легирующие элементы обозначаются соответствующей буквой, а их содержание цифрой:

67

При содержании легирующего элемента <1,0% цифра за соответствующей буквой не ставится. Например:

1)30ХГС – сталь легированная, содержащая С – 0,30% (0,28– 0,35); Cr – 0,8–1,1%; Mn – 0,9–1,2%; Si – 0,8–1,2%.

2)12ХН3А – сталь легированная: 0,12% С; 1% Cr; 3% Ni; А – высококачественная (S < 0,03%; Р < 0,03%).

3)Нестандартные стали:

ИЭ179 – электросталь исследовательская, 179 – порядковый номер. ЭП398 – электросталь пробная, 398 – порядковый номер.

4) Н18К12М5Т2 – легированная, высокопрочная с повышенной пластичностью – тристали. Содержание С – около 1%; Ni – 18%; Со –

12%; Мо – 5%; Тi – 1,5%.

Маркировки сталей и сплавов других стран приведены в справочнике «Ключ к сталям» [6].

Рассмотрим свойства и химический состав некоторых сталей и сплавов, используемых в технике.

Пружинная сталь с упругими свойствами: 65Г – 0,65% С; 0,8–1,2% Mn.

70С3А – кремнистая – 0,70% С; до 2,8% Si; высококачественная. 50ХГФА – легированная – 0,50% С; 1% Cr; 1% Mn; 0,15–0,25% V;

высококачественная.

Шарикоподшипниковая сталь имеет высокую твердость, используется для подшипников качения и других деталей, работающих в условиях трения. В качестве термообработки для них используют закалку. Хром в шарикоподшипниковых сталях указывается в десятых долях.

ШХ6 – 1,05–1,15% С; 0,4–0,7% Сr.

ШХ15СГ – 1% С; 1,5% Сr; 0,40–0,65% Si; 1% Mn.

Легированные инструментальные стали

ХГСВФ – 0,08–1,15% С; 0,95–1,02% Сr; 0,7–1,0% Mn; 0,7–1,0% Si; 0,6–1,0% W; 0,8–1,1% V.

Быстрорежущие стали используются для инструмента, работающего при высоких скоростях резания, обладают высокой твердостью при высоких температурах. Структуры литой, полученной закалкой, кованной и отожженной быстрорежущей стали представлены на рис. 48, 49, 50.

Обозначаются буквой Р и цифрой, показывающей содержание основного легирующего элемента – вольфрама.

Максимальная растворимость вольфрама – 7–8%, остальное – избыточные карбиды. При введении молибдена сталь лучше обрабатывается.

68

Структура закаленной быстрорежущей стали Р6М5 при различной температуре закалки представлена на рис. 51. Структура отпущенной быстрорежущей стали Р6М4 при различной температуре отпуска представлена на рис. 52.

Марки быстрорежущей стали:

Р18 – 18% W; (0,8% С; 4% Cr; 1% V – не внесено в марку). P6M5 – 6% W и 5% Mo.

Р0М5Ф1 – без W; 5% Mo; 1,5% V.

Рис. 51. Структура (×500) закаленной быстрорежущей стали Р6М5 при температуре закалки, °С: а – 1150; б – 1200; в – 1250

а б

Рис. 52. Структура (×600) отпущенной быстрорежущей стали Р6М4 при температуре отпуска, °С: а – 500; б – 600

Штамповые стали – для инструмента, обрабатывающего металлы под давлением (штампы, валики, пуасоны).

Обладают высокой твердостью (>58 HRC) в холодном состоянии. 6ХВ2С – 0,6% С; 1% Сr; 2,0–2,5% W; 0,5–0,8% Si.

X12M – 12% Сr; 0,4–0,6% Mo .

Микроструктура сталей Х12, Х6ВФ приведена на рис. 53.

70