2. Современные машиностроительные материалы

2.1 Чугуны и стали

Чугуны - железоуглеродистые сплавы, содержащие от 2,14 до 4.3% углерода (также легирующие элементы).

Белый чугун обычно перерабатывают на сталь из-за его высокой твердости и хрупкости, что негативно сказывается на обрабатываемости, но иногда используют в качестве износостойкого конструкционного материала. В таких чугунах углерод находится а основном в связанном состоянии в виде фазы Fe₃C (цементит). Помимо углерода в состав чугуна обычно входят до 2 % марганца, кремния и фосфора, до 0.08% серы и ряд других химических элементов.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ с указанием предела прочности σ_В в единицах кгс/мм² при растяжении и относительного удлинения δ (%). Существуют марки ковких чугунов от КЧ 30-6 до КЧ 80-15. По своим механическим и литейным свойствам этот материал занимает промежуточное положение между чугунами и литыми сталями. Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна.

По сравнению со сталью ковкий чугун обладает повышенной демпфирующей способностью и малой чувствительностью к наличию концентраторов напряжений. Структура ковкого чугуна обеспечивает высокую плотность металла. Отливки с толщиной стенки 7…8 мм выдерживают гидростатическое давление до 4 МПа, что позволяет использовать ковкий чугун для производства большого ассортимента деталей водо-, газо- и паропроводных установок.

Ковкий чугун используют в автомобиле-, тракторо-, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности для изготовления шестерен, муфт, храповиков, рычагов, ступиц задних мостов, коленчатых валов, деталей рулевого управления, картеров редукторов, башмаков и др.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ с указанием предела прочности при растяжении σ_В (кгс/мм²). Предусмотрены марки от СЧ10 до СЧ45. Большая часть углерода в таких чугунах находится в виде пластинчатого графита.

Высокопрочные чугуны имеют марки от ВЧ35 до ВЧ100. Цифры обозначают предел прочности на растяжение в кгс/мм². В таких чугунах свободный графит находится в виде шаровидных включений. Такой чугун используют при изготовлении ответственных деталей.

Достаточно часто используются легированные чугуны. Их подразделяют на на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий.

При маркировке легированных чугунов в отечественной промышленности используют следующие обозначения: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю - алюминий. Маркировка состоит из сочетания букв и цифр, указывающих содержание легирующего элемента в %. Если цифры отсутствуют, то содержание этого элемента не превышает 1.5 %.

Износостойкие чугуны легируют хромом, молибденом, никелем (ИЧХ28Н2М2). Коррозионно-стойкие чугуны легируют дополнительно медью и кремнием (ЧНХМД). Жаростойкие (ЖЧХ0.8 – ЖЧХ30) и жаропрочные (ЧН11Г7Х2) чугуны выпускают с добавками алюминия, хрома и кремния.

Антифрикционные чугуны, применяемые в узлах трения, имеют буквенные обозначения, где А – ннтифрикционный, Ч – чугун, С – серый, В – высокопрочный, К – ковкий (АСЧ-4, АВЧ-2).

По механическим свойствам чугун классифицируют: по твердости (мягкий чугун < HB 149 (твердость по Бринелю), средней твердости НВ 197…269, твердый > НВ 269), по прочности (обыкновенной прочности σв < 200 МПа, повышенной прочности σв = 200...380 МПа, высокой прочности σв > 38 МПа), по пластичности (непластичный δ < 1%, малопластичный δ = 1…5%, пластичный δ = 5…10%, повышенной пластичности δ > 10%).

Стали – сплавы железа с углеродом и неизбежными примесями марганца (0,3…0,7%), кремния (0,2…0,4%), фосфора (0,01…0,05%), серы (0,01…0,05%) и скрытых примесей (кислорода, водорода и азота), присутствующих в сталях в очень малых количествах. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода. Для изменения свойств стали в нее добавляются специальные примеси (легирующие элементы), в качестве которых выступают в различной пропорции: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, марганец, кремний, бор. Режимы закалки и отпуска очень сильно влияют на структуру стали в термообработанном состоянии, из-за чего свойства стали резко изменяются.

В зависимости от способа раскисления стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп). В спокойных сталях буквы СП обычно не пишут.

Стали классифицируют следующим образом:

Конструкционные стали применяют для изготовления различных по назначению деталей машин. При этом низкоуглеродистые стали обычно подвергают химико-термической обработке, а среднеуглеродистые улучшению (закалка и последующий высокий отпуск).

Углеродистые стали по качеству (в зависимости от содержания вредных примесей) подразделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. Различают три группы конструкционных сталей обыкновенного качества: группа А поставляется по механическим свойствам и применяется для малоответственных деталей; для сталей группы Б и В обязателен контроль по химическому составу, из них изготавляется проволока, лист, профиль. Цифра (0-6) обозначает номер стали и не соответствует содержанию углерода, но с увеличением номера содержание углерода и прочностные характеристики растут. Например, Ст3кп – кипящая углеродистая сталь обыкновенного качества.

Конструкционные качественные стали маркируют по среднему содержанию углерода в сотых долях процента: 05, 10, 45. Их используют для изготовления средненагруженных деталей. Стали с содержанием углерода менее 0.25% могут поставляться спокойными, полуспокойными и кипящими. Стали с большим содержанием углерода поставляются только спокойными. Буква Л в конце марки означает, что сталь поставляется в литом состоянии.

Среднелегированные конструкционные стали в качестве лигатуры содержат хром, марганец, никель, молибден (30ХГСН2А, 20Х2Н2МТРБ). Предел прочности таких сталей находится в пределах σ_В = 1400 – 2000 МПа.

Также различают стали с особыми эксплуатационными свойствами. Их подразделяют на подшипниковые (ШХ-6, ШХ15-ШД, 20Х2Н4А-Ш), стали для холодной листовой штамповки и высадки (20кп, 10Г2, 23Х2НВФА, 20ХГСА), автоматные стали, хорошо обрабатывающиеся резанием за счет добавок серы, свинца, селена (А40Г, АС45Г2, А40ХЕ, АС20ХГНМ), рессорно-пружинные стали с высоким пределом упругости (70Г, 60С2, 50ХГФА, 68НХВКТЮ). Для изготовления высоконагруженных деталей используют стали типа 25ХГТ, 20ХГНТР. При работе с ударными нагрузками применяются 40ХН, 30ХГСН2А. Буква А в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественных.

Высоколегированные стали являются труднообрабатываемыми и по назначению подразделяются на хладостойкие (15ХМ, 40ХН2МА), теплоустойчивые (до 600 ^ОС) – 12Х2МФ, 20ХМФБР, жаропрочные (до 850 ^ОС) – 12Х8ВФ, 15Х11МФ, жаростойкие (до 1250 ^ОС) – 08Х18Н10, 12Х13, 10Х23Н18., коррозионно-стойкие (08Х13, 25Х13Н2, 08Х18Н12Т).

К жаростойким (окалиностойким) сталям и сплавам относят стали и сплавы с высокой сопротивляемостью химическому разрушению поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С при ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах. В частности для повышения окалиностойкости стали легируют хромом, алюминием, кремнием.

Таблица 2.1. Состав хромо-никелевых жаропрочных сталей, %

Марка	С	Cr	Ni	Дополнительное легирование
09Х14Н16Б	0,07-0,12	13-15	14-17	0,9-1,3 Nb
09Х14Н19В2БР	0,07-0,12	13-15	18-20	2,0-2,8 W 0,9-1,3 Nb
08Х18H10T	<0,12	17-19	9-11	0,5-0,7 Ti
08Х18H12Б	<0,08	17-19	11-13	0,8-1,2 Nb
09Х14Н19В2БР	0,07-0,12	13-15	18-20	2,0-2,8 W, 0,9-1,3 Nb
4Х14H14B2M	0,4-0,5	11-13	13-15	2,0-2,8 W, 0,2-0,4 Mo
ХН35ВТЮ	<0,08	14-16	33-37	2,8-3,5 W, 2,4-3,2 Ti 0,7-1,4 Al

Примечание. Стали содержат 1-2 % Mn. Стали с буквой Р в марочном обозначении содержат 0,002 % В.

Таблица 2.2. Свойства жаропрочных сталей

Марка стали	Окали- ностой­кость, °С	Кратковременная прочность, МПа			Длительная прочность, МПа
		600° С	700° С	800° С	600° С	700° С
08Х18Н10Т 08Х18Н12Б 1Х14Н18В2БР 1Х14Н18В2Б	800 800 750 750	350 380 450 450	300 330 420 380	250 280 - -	250 280 350 350	120 150 240 240
4Х14Н14В2М. 4Х12Н8Г8МФБ Х12Н20ТЗР	- - -	500 600 850	350 500 700	230 - 400	230 450 550	130 300 400

К жаропрочным сталям и сплавам относят стали и сплавы, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Жаропрочность это способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Для повышения жаропрочности осуществляют легирование стали молибденом, хромом, никелем и др.

В таблицах 2.1 и 2.2 показаны состав и свойства типичных труднообрабатываемых жаропрочных сталей.

Выше мы вели речь об обозначении марок стали, принятом в отечественной промышленности. И здесь следует признать, что не существует единой системы маркировки сталей и сплавов, которая могла бы применяться во всем мире. В связи с этим существуют разночтения, приводящие к ошибкам в заказах и, как следствие, нарушению качества изделий.

Таблица 2.3 Примеры маркировки сталей по ГОСТ и зарубежные аналоги.

СНГ (ГОСТ)	Евронормы (EN)	Германия (DIN)	США (AISI)
Нержавеющая сталь
03Х17Н13М2	1.4404	Х2CrNiMo17-12-2	316L
08Х18Н11	1.4331	Х2CrNi21-10	308
10X13	1/4006	X10Cr13	410
20Х25Н20С2	1.4841	Х56CrNiSi25-20	314
Быстрорежущая сталь
Р6М5-МП	1.3343	S6-5-2	M2
Р12Ф4К5-МП	1.3202	S12-1-4-5	T15
P18	-	-	T1
Подшипниковая сталь
ШХ15	1.3505	100Cr2	50100
ШХ20М	1.3537	100CrMo7	A485
Конструкционная сталь
10	1.1121	С10Е	1010
14ХН3М	1/6657	14NiCrMo1-3-4	9310
50ХГФ	1/8159	50CrV4	6150
Теплоустойчивая сталь
10Х2М	1.738	10CrMo9-10	F22
15М	1.5415	15Mo3	F1
20Ч11МНФ	1.4922	X20CrMoV12-1	-

Европейская система обозначений стали регламентирована стандартом EN 100 27. Первая часть этого стандарта определяет порядок наименования сталей, а вторая часть регламентирует присвоение сталям порядковых номеров.

В Германии действует национальный стандарт DIN. В соответствии с ним применяются два способа обозначения: с помощью цифр и с помощью букв и цифр. Например, высоколегированные стали обозначаются буквой Х, далее число, соответствующее содержанию углерода, умноженному на 100, затем химические символы важнейших химических элементов и число, отражающее среднее их содержание.

В Японии наименование марок стали, как правило, состоит из нескольких букв и цифр. Буквенное обозначение определяет группу, к которой относится данная сталь, а цифры – ее порядковый номер в группе и свойство.

В США существует несколько систем обозначения металлов и сплавов. Это объясняется наличием достаточно большого количества организаций по сертификации. К ним относятся AMS, ASME, ASTM, AWS, SAE, ACJ, ANSI, AISI, AJS. Вполне понятно, что каждая маркировка американской стали требует дополнительного разъяснения.