6 Железо и его сплавы

6.1 Влияние легирующих элементов на свойства стали

Сплавы железа с углеродом (стали, чугуны) являются наиболее распространенными материалами в машино и приборостроении.

Железо (Fe) – блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7,87 Мг/м³, температура плавления 1539 °С, температура кипения 2880°С, модуль нормальной упругости 210 ГПа. Механические свойства железа зависят от его чистоты. Временное сопротивление при растяжении технически чистого железа составляет 300...400 МПа, предел текучести – 100...250 МПа, относительное удлинение – 30...50%, относительное сужение – 70...80 %, НВ 60...90.

Сталь является основным материалом, широко используемым в машино и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25....0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами – специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

По качеству стали классифицируют па стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними – в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные— до 0,035% S и 0,035% Р; высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например СтО, ...,Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от гарантируемых химического состава и свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы А, Б, В (группа Л в марке стали не указывается). Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается горячей обработке. Для стали группы Б гарантируется химический состав; сталь подвергается обработке давлением; для стали группы В – химический состав и механические свойства; используется для сварных конструкций.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Например, сталь Ст1кп – сталь группы А, кипящая; БСтЗсп – сталь группы Б, спокойная; ВСт5пс – сталь группы В, полуспокойная и т.д.

К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.

Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, Юкп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.

Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Следует отметить их малую прокаливаемость. Эти стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженом состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего они получают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например сталь марки У12 содержит в среднем 1,2% С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) – буква Ш. В марках некоторых специальных сталей буква впереди обозначения указывает на назначение: А – автоматная сталь (АЗО), Р – быстрорежущая сталь (Р12), Ш – шарикоподшипниковая (ШХ15), Э – электротехническая и т. д.

Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08...0,3%) и фосфора (0,06%). Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, АЗО. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, АЗО используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных напряжений. На обработке автоматических сталей при повышенных и средних скоростях резания положительно сказывается микролегирование, свинцом, кальцием, селеном и теллуром. Легирование стали свинцом (0,15...0,3 %) повышает скорость резания в 1,5....2 раза.

В зависимости от состояния углерода чугуны делят на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа, поэтому они отличаются высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддаются обработке резанием. Белый чугун не находит применения в качестве конструкционного материала. Обычно белые чугуны после специальной термической обработки превращаются в ковкие чугуны, а заэвтектические идут в переплавку.

Для изготовления трущихся изделий (прокатные валки, колеса, шары для мельниц и т. д.) применяют так называемые отбеленные чугуны, в которых поверхностные слои имеют структуру белого, а сердцевина – серого чугуна. Высокая твердость поверхности отбеленного чугуна (НВ 400...500) обеспечивает сопротивляемость износу. В машиностроении используются главным образом серые, высокопрочные и ковкие чугуны. В серых чугунах весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

Серый чугун маркируется буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении. Например, марка СЧ15 показывает, что чугун имеет Путем модифицирования (в расплавленный чугун вводят до 0,6 % модификаторов – ферросилиция или силикокальция) повышают прочностные характеристики серых чугунов за счет образования более мелких графитных включений.

Из серых чугунов изготавливают детали простой конфигурации (крышки, стойки, кожухи, шкивы, кронштейны, зубчатые колеса, тормозные барабаны, станины станков, корпусы, коленчатые валы и др.).

Высокопрочный чугун получается присадкой в жидкий серый чугун добавок магния, церия и некоторых других элементов. Под влиянием добавок в чугуне образуется шаровидный графит. Такие чугуны имеют более высокие механические свойства и они могут быть использованы вместо поковок и отливок из углеродистой стали для деталей машин, работающих в тяжелых условиях.

Обозначают высокопрочный чугун буквами ВЧ, затем следует цифры, первые указывают предел прочности чугуна при растяжении, а вторые относительное удлинение при растяжении. Например, ВЧ45-5 – высокопрочный чугун с .

Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы и поршни автомобильных и тракторных двигателей, шестерни, тормозные диски, детали прокатных станов, корпуса насосов, вентили и т. д. Некоторые высокопрочные чугуны используются в качестве антифрикционного материала в узлах трения с высокими окружными скоростями.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиг, томление). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности чугуна при растяжении, а вторые – относительное удлинение.

Ковкий чугун широко используется в автомобильной, сельскохозяйственной, текстильной и других отраслях машиностроения. Из него изготовляют детали, работающие при средних и высоких статических и динамических нагрузках (подшипники, кронштейны, картеры редукторов, поршни, ступицы).

Широкое применение ковкого чугуна в машиностроении связано с тем, что он дешевле стали и обладает высокой стойкостью против коррозии.

Легированными называют стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Сг, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.

Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали. Кремний способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15...20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электро сопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей – в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих – десятых долях), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А – азот, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий, X – хром, Д – медь, Н – никель, Г – марганец, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные металлы, Б – ниобий. Например, сталь марки 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т. п.