1 Железоуглеродистые сплавы с высокими литейными свойствами

Важнейшие свойства для получения качественных отливок : хорошая жидкотекучесть (способность заполнять литейную форму); низкая усадка (усадка при затвердевании обусловлена разностью объемов металла в жидком и твердом состояниях); малая склонность к образованию дефектов (горячих и холодных трещин, пористости, ликвации – неоднородности по химическому составу);

Литейные свойства сплава тем выше, чем меньше температурный интервал кристаллизации. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение. Из железоуглеродистых - лучшие литейные свойства имеют чугуны (серые СЧ , высокопрочные ВЧ, ковкие КЧ). 80% по общей массе отливок изготавливают из чугуна.

Стали для отливок в конце маркировки имеют букву Л: 40ХЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ

2 Стали с высокой технологической свариваемостью

Свариваемость – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом..

Большинство соединений получают сваркой плавлением. При этом основной металл в зоне образования соединения плавится , образуя жидкую ванну. А близлежащие участки нагреваются до высоких температур. После нагрева следует быстрое охлаждение (источник тепла – электрод или газовая горелка перемещаются), т.е. возникает своеобразная подкалка, приводящая к образованию закалочных структур, что приводит к большому количеству дефектов (вспомним , структура закалки – мартенсит характеризуется высокими внутренними напряжениями, твердостью и прочностью, но низкими вязкостью и пластичностью).

Свариваемость стали тем лучше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов, причем влияние углерода является определяющим. Хорошо свариваются стали , содержащие до 0,25 % углерода (Сm1- Сm4, сталь 05, 08, 10, 15, 20, 25) и низколегированные (09Г2, 09Г2С, !4Г2, !5ГФ, !6ГС).

При сварке высоколегированных сталей требуются специальные приемы (снижение скорости охлаждения, применение защитных атмосфер, последующая термообработка ).

3 Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием

Связь между обрабатываемостью резанием и механическими свойствами неоднозначна.

С одной стороны, с увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала (заготовки), возрастают усилия резания, увеличивается терние и увеличивается температура нагрева инструмента, что вызывает разупрочнение режущей кромки инструмента .

С другой стороны, обработка слишком пластичных сталей также затруднена, так как образуется сплошная трудноломающаяся стружка, которая, непрерывно скользя по передней поверхности инструмента, нагревает и интенсивно изнашивает инструмент.

Для улучшения обрабатываемости резанием, применяют:

1). Для твердых материалов – отжиг и нормализацию - для снижения твердости и прочности заготовок;

2). Мягкие материалы перед резанием подвергают пластической деформации в холодном состоянии(например холодная штамповка) - при такой обработке происходит наклеп – возрастают прочность и твердость материала. С увеличением твердости материала стружка становится сыпучей.

3). Более эффективны металлургические процессы – введение в стали добавок серы S, свинца Рb, селена Sе. Стали с этими добавками называют автоматными (т.е. их можно обрабатывать на станках- автоматах, с высокими скоростями) . Добавки (все они мягкие) создают как бы внутреннюю смазку, которая уменьшает трение между инструментом , заготовкой и стружкой.

Маркировка: Впереди стоит буква А – автоматная , далее число указывает содержание углерода с сотых долях процента, при добавке свинца - стоит буква С, селена –Е, при добавке серы – буква отсутствует.

А12 - автоматная сталь, содержание углерода 0,12%, с повышенным содержанием серы ( до 0,2%), вспомните: как вредная примесь - ее содержание оговаривается в сотых долях процента.

АС14- автоматная сталь, содержание углерода 0,14%, содержит свинец (до 0,3%).

А35Е - автоматная сталь, содержание углерода 0,35%, содержит селен (десятые доли процента).

Автоматные стали предназначены для массового производства деталей на станках – автоматах: болты, винты, гайки… Поверхность деталей получается чистая и ровная.

КОРРОЗИЯ

Коррозией называется разрушение металла под действием агрессивной внешней среды в результате ее химического или электрохимического воздействия. Различают химическую коррозию, обусловленную воздействием на металл сухих газов и неэлектролитов (например, нефтепродуктов) и электрохимическую, возникающую под действием электролитов или влажного воздуха. По характеру коррозионного разрушения различают сплошную и местную коррозию. Сплошная коррозия захватывает всю поверхность металла. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны. В зависимости от степени локализации различают пятнистую, язвенную, точечную, межкристаллитную и др. виды местной коррозии.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ

Самый надежный способ защиты от коррозии - применение коррозионно-стойких сталей.

Они обладают стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, солевой, кислотной).

Это высоколегированные стали, содержание ХРОМА в них не менее 12%, что обеспечивает образование на поверхности металла пассивирующей защитной пленкиСr2О3.

Углерод в коррозионно–стойких сталях является нежелательным, так как он связывает хром в карбиды, тем самым обедняя раствор хромом.

По структуре после нормализации конструкционные разделяют на классы:

- мартенситный класс ,например, 40Х13 (характеризуется высокой твердостью);

- мартенсито-ферритный - 12Х13 (повышенная пластичность);

- ферритный – 12Х17(применяют для химического и пищевого оборудования);

- аустенито-ферритный – 08Х21Н6М5Т (оптимальный комплекс свойств);

-аустенито-мартенситный – 07Х16Н6(высокая прочность);

- аустенитный класс;

Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса нашли широкое применение в промышленности. Они содержат большое количество хрома и никеля (никель- аустенитообразующий элемент, сильно понижающий температуру γ → α – превращения, отсюда и название – аустенитный класс).

Преимуществом аустенитных сталей, кроме коррозионной стойкости, являются высокая пластичность и вязкость; обладают хорошими технологическими свойствами (хорошая свариваемость, обработка давлением, литье, хуже – обрабатываемость резанием).

Термообработка : закалка 1050-1150 ⁰ С, вода(для тонких сечений –воздух).

После закалки- максимальная пластичность и вязкость, невысокие прочность и твердость. Для повышения прочности, сталь пластически деформируют в холодном состоянии (наклеп).

Наиболее ярким представителем является сталь 12Х18Н10Т. Введение титана предупреждает межкристаллитную коррозию(титан связывает углерод в карбиды титана и для образования карбида хрома углерода не остается, т.е. хром пойдет на образование защитной пленки).

Другие методы защиты от коррозии.

Распространенным средством защиты от коррозии является нанесение на защищаемый металл раз личных покрытий. Металлические покрытия наносятся различными способами. При погружении в расплавленный металл поверхность изделия покрывается тонким и плотным слоем, затвердевающим после извлечения изделия. Этот способ применяется для нанесения покрытий цинком, оловом, свинцом и алюминием, температура плавления, которых ниже, чем у защищаемого металла. При диффузионной металлизации изделие засыпают порошками алюминия, хрома, цинка и выдерживают при высокой температуре. При напылении поверхность изделия покрывают слоем расплавленного металла (цинка, алюминия, кадмия и др.) с помощью воздушной струи. При плакировании защищаемый металл подвергают совместной прокатке с защищающим (алюминием, титаном, нержавеющей сталью). Гальванический способ нанесения покрытий основан на осаждении под действием электрического тока тон кого слоя защитного металла (хрома, никеля, меди, кадмия) при погружений защищаемою изделия в раствор электролита.

Неметаллические покрытия подразделяются на лакокрасочные и эмалевые, смоляные, покрытия пленочными полимерными мате риалами, резиной, смазочными материалами, керамические покрытия и др. Покрытия, получаемые химической и электрохимической обработкой, превращают поверхностный слой изделия в химическое соединение, образующее сплошную защитную пленку. Наибольшее распространение имеют оксидные и фосфатные защитные пленки.

Протекторная защита основана на подсоединении к защищаемому изделию протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. В агрессивной среде протектор будет являться анодом, и разрушаться, а защищаемое изделие - катодом и разрушаться не будет.

Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добавки, называемые ингибиторами коррозии. Они значительно снижают скорость коррозии. Условием использования ингибиторов является эксплуатация изделия в замкнутой среде постоянного состава

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ. ЖАРОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Химическая коррозия развивается в сухих газах (или жидких неэлектролитах).

Чаще происходит в сухом воздухе (т.е. при высоких температурах), углекислом газе, а также имеют место сернистая и сероводородная коррозия.

Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Чем выше температура рабочей среды, тем активнее идет процесс образования окалины (слой оксида металла). Но сама образовавшаяся окалина может препятствовать дальнейшему окислению металла. Для этого оксидная пленка должна быть ПЛОТНОЙ - без трещин и пор.

Сплавы на основе железа при температуре выше 570⁰ С интенсивно окисляются с образованием хрупкой окалины.

Для увеличения жаростойкости, в сталь вводят элементы, которые образуют с кислородом плотные оксидные пленки. Это ХРОМ, а также кремний и алюминий. Чем выше содержание хрома, тем выше температура применения стали и больше срок эксплуатации.

Сталь 15Х5 – жаростойка до 650 ⁰ С;

12Х17 - до 900 ⁰ С;

15Х28 - до 1100-1150 ⁰ С.

(стали 12Х17 и 15Х28 являются также и нержавеющими, т.е обладают стойкостью против электрохимической коррозии).

Высокой жаростойкостью обладают СПЛАВЫ на НИКЕЛЕВОЙ основе.

Жаростойкие материалы не предназначены для высоких нагрузок. Из них изготавливают : клапаны авто-тракторо-дизельных двигателей, теплообменники, малонагруженные детали печей.

ЖАРОВЫЕ ТРУБЫ камеры сгорания ГТД работают в среде газов, вызывающих сильную коррозию при высоких температурах, т.е. должны быть жаростойки. Материалы для жаровых труб :

ХН75МВТЮ (ЭИ602) - Трабочая – 950 ⁰ С:

ХН78Т (ЭИ435) - Трабочая 1000 ⁰ С Оба сплава являются также и жаропрочными.

ЖАРОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К жаропрочным относят материалы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Фактор времени необходимо учитывать, т. к. при длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами.

Если нагрузить металл при высокой температуре постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести, и оставить под нагрузкой длительное время, то металл в течение всего времени будет деформироваться - это явление называется ПОЛЗУЧЕСТЬЮ. Ползучесть может привести к разрушению.

Для оценки жаропрочности разработаны специальные критерии: предел ползучести, предел длительной прочности.

Предел ползучести - это напряжение, при котором материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре, например:

σ_1/100000 = 100МПа,означает, что при напряжении 100МПа за 100000 часов при 550 ⁰ С, в материале появится пластическая деформация 1%.

ПРЕДЕЛ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ характеризует сопротивление разрушению,

σ₁₀₀₀₀ = 130МПа – при 600⁰ С материал гарантированно выдержит напряжение 130 МПа в течение 10000 ч.

Основные пути ПОВЫШЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОСТИ:

- легирование твердого раствора тугоплавкими металлами (молибден, вольфрам, хром, ванадий…);

- наличие в структуре карбидных и интерметаллидных фаз (Ni ₃ Ti, Ni ₃ Al…);

- увеличение размеров зерна ( при высоких температурах деформация (скольжение) идет именно по границам зерен и естественно, чем крупнее зерно, тем протяженность границ меньше, тем труднее деформация).

Ниже 450 ⁰ С вполне пригодны конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными.

При 450-700 ⁰ С используют жаропрочные стали:

15Х5М - жаропрочна до 600⁰ С,

13Х11Н2В2МФ – жаропрочна до 600⁰ С;

10Х11Н20Т3Р – до 700⁰ С

Детали, работающие при температурах 700-900 ⁰ С и выше, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта и применяют для изготовления лопаток, дисков и других ответственных деталей ГТД.

ХН77ТЮР (ЭИ437Б)

ХН78Т(ЭИ435)

ЖС6К, ЖС6У, ЖС26… .

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

Материалы с малой плотностью

Материалы с малой плотностью (легкие) широко используются в авиа- ракетной и космической технике, а также в авто- судостроении и др. Их применение дает возможность снизить массу и за счет этого увеличить грузоподъемность летательных аппаратов.

Основными легкими конструкционными материалами являются: пластмассы, цветные металлы –

Mg Be Al Ti и сплавы на их основе.

Алюминий и его сплавы

Помимо небольшой плотности (2,7 г/см ³ - это примерно в 3 раза меньше плотности железа), алюминий характеризуется высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью. Температура плавления у алюминия довольно низкая – 660 ^о С.

Механические свойства технического алюминия сравнительно невысоки; лучшие свойства у сплавов на его основе. Маркировка алюминия : А0 – 99,0 % Al … А999 - 99,999 % Al.

Алюминиевые сплавы

Деформируемые (при изготовлении деталей применяют методы обработки давлением)		Литейные
Не упрочняемые термообработкой	Упрочняемые термообработкой *	Наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы (предназначены для изготовления фасонных отливок) - это силумины - сплавы системы Al– Si (силициум, отсюда и название). Маркировка : АЛ2…АЛ20
Имеют невысокую прочность ,но высокую пластичность. - АМц - сплав системы алюминий - марганец (Мп – до1,5 %) - АМг2 - сплав алюминия с магнием (Мg ~ 2%). Прочность сплавов может быть повышена путем холодной деформации (нагартовкой). Применяют для слабонагруженных деталей и сварных конструкций.	Основной легирующий элемент алюминиевых сплавов упрочняемых т/о – это медь - Дюралюмины Д16, Д18 (Al- Си- Mg) - Высокопрочные алюминиевые сплавы - имеют более высокие прочностные характеристики, маркируются В95, В96; применяются , например для обшивки тяжелых самолетов. - Ковочные алюминиевые сплавы, например АК6 – широко применяется для изготовления средненагруженных деталей сложной формы, изготавливаемых методом ковки или штамповки.

* Для повышения прочности упрочняемые т/о алюминиевые сплавы подвергают закалке и последующему старению (дисперсионному твердению. При этом в отличие от сталей мах прочность сплава достигается старением, а не закалкой.