книги из ГПНТБ / Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки

серые, имеют большой удельный вес (кроме щелочнозе­ мельных), высокую температуру плавления, относитель­

го окрашены в красный, желтый, белый цвет, обладают большой пластичностью, малой твердостью, относитель­ но низкой температурой плавления для многих из них и отсутствием полиморфизма для большинства.

§ 1. Ч Е Р Н Ы Е М ЕТА ЛЛЫ

Согласно классификации к черным металлам отно­ сятся железо, сталь и чугун. Наибольшее применение в технике имеют сталь и чугун.

Сталь и чугун имеют первостепенное значение для народного хозяйства каждой страны. Жизнь человече­ ства немыслима без различного рода машин и механиз­ мов, аппаратов и приборов, средств транспорта и связи. Сельское хозяйство широко использует тракторы, ком­ байны, многочисленные разнообразные машины, орудия и инвентарь.

На современном уровне технического развития в большинстве сфер применения сталь и чугун не утрати­ ли своего значения. Об этом весьма убедительно свиде­ тельствуют следующие данные: в 1900 г. удельный вес черных металлов в производстве (по весу) составлял

96%, в 1964 г,— 92%.

Есть все основания полагать, что ведущая роль чер­ ных металлов сохранится еще длительное время, хотя

50

в связи с развитием химической промышленности струк­ тура материалопотребления несколько изменится в поль­ зу синтетических материалов (табл. 4).

Таблица 4

Производство стали, пластических масс и синтетических смол в СССР

Сталь представляет собой деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода. Основные способы получения стали — в мартеновских или в электрических печах, а также в бессемеровских или томасовских кон­ вертерах.

Количество примесей, входящих в состав стали, в том числе и тщательно приготовленных сортов ее, весьма велико. Даже в так называемом «чистейшем» железе, выплавленном в вакууме, было обнаружено до 27 эле­

ментов.

Примеси, входящие в состав стали, можно разделить на четыре группы:

1. Постоянные, или обычные, примеси — это те спут­ ники основного элемента — железа, которые содержатся

в рудах или в сырых материалах, применяемых при промышленном способе производства стали. К ним относятся углерод, кремний, марганец, сера, фосфор. Содержание этих примесей в обычной, так называемой углеродистой стали: от 0,1 до 0,8% марганца, от следов до 0,4% кремния, до 0,08% серы, до 0,1% фос­

фора.

2. Скрытые примеси также являются спутниками основного элемента — железа, но содержание их в стали очень мало (обычно не превышает сотых долей процен­ та). К этим примесям относятся газы — кислород, азот, водород и др.

3.Случайные, или местные, примеси переходят в сталь благодаря тому, что они содержатся в рудах или

всырых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали.

4.Специальные примеси (легирующие элементы) вводят в состав стали, чтобы обеспечить определенные, особо нужные по условиям работы деталей свойства стали: магнитные, жаропрочные и др. Сталь, в состав которой введены специальные примеси, называют легировэнной.

В зависимости от того, дл я к а ких ц е л е й при­ м е н я ю т с я с т а л и , их можно объединить в следую­ щие группы:

К о н с т р у к ц и о н н ы е стали, идущие на изготов­ ление деталей машин. В зависимости от условий работы конструкционные стали подвергают или цементации, или улучшению, поэтому их в свою очередь разделяют на стали цементируемые и улучшаемые.

И н с т р у м е н т а л ь н ы е с т а л и , идущие на изго­ товление режущего, измерительного и прочего инстру­ мента, штампов.

52

С т а л и о с о б о г о н а з н а ч е н и й , к которым относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выра­ женным свойством. Такими сталями являются: нержа­ веющие стали, жароупорные и теплоустойчивые, износо­

Рис. 19. Крепежные детали из сталей Ст. 2 и Ст. 3.

ко применяется для всевозможных сооружений (желез­ ных дорог, мостов, каркасов зданий), деталей машин

и т. д.

Углеродистая сталь в зависимости от применения разделяется на конструкционную сталь, содержащую от 0,05 до 0,65% (редко до 0,85%) углерода, и инструмен­ тальную, содержащую от 0,65 до 1,35% углерода.

53

Конструкционная сталь (рис. 19 и 20) по ГОСТу раз­ деляется на две группы:

1. Сталь углеродистую обыкновенного и повышенно­ го качества, горячекатанную, выплавляемую мартенов­ ским или бессемеровским способом; эта сталь исполь­ зуется для сортового и листового проката, гвоздей, заклепою болтов, труб и т. д.

Рис. 20. Валы, оси, бандажи, шестерни из сталей Ст. 5 и Ст. 6.

2. Сталь углеродистую, качественную, машинострои­ тельную, горячекатанную и кованую, выплавляемую в мартеновских или электрических печах; эта сталь используется для изготовления более ответственных деталей машин и механизмов.

Существенным недостатком углеродистой стали яв­ ляется то, что эта сталь не обладает нужным сочетанием механических свойств. С увеличением содержания угле­ рода увеличивается пластичность и вязкость, растет хрупкость.

54

Качественные углеродистые стали в обозначениях своих марок имеют цифры, показывающие содержание углерода в сотых долях процента. Например, стали ма­ рок 10 и 30 содержат соответственно около 0,10 и 0,30% углерода. Если в обозначении марки стали имеется бук­ ва А, например сталь 10А, 15А, 20А и т. д., то это обо­ значает, что сталь высококачественная, т. е. имеет по­ ниженное количество вредных примесей (фосфора и серы).

Углеродистые стали обыкновенного качества марки­ руются или только порядковыми цифрами, или, кроме

Рис. 21. Слесарные и кузнечные инструменты, работающие на удар, из стали У7.

55

того, буквами, обозначающими печи, в которых сталь изготовлялась. Например, Ст. О, Ст. 1, Ст. 1кп, Ст. 2, Ст. 7, МСт. 3, БСт. 3 и т. д. Буквы обозначают: М — мартеновская, Б — бессемеровская, кп — кипящая.

Инструментальная сталь выплавляется в мартенов­ ских и электрических печах. Применяется она для изго­ товления различных инструментов — режущих, измери­ тельных, ударных и др. (рис. 21). Инструментальная сталь делится на качественную и высококачественную. Сталь качественная обозначается буквой У и цифрой, указывающей количество углерода в десятых долях про­ цента, например У7, У8 и далее до У13.

Сталь высококачественная инструментальная содер­ жит меньше примесей (серы, фосфора), чем качествен­ ная; при ее маркировке добавляют букву А, например У7А, У8А и далее до У13А.

Выбор марки стали и термическая обработка опреде­ ляются назначением и характером эксплуатации инст­ румента.

Легированные стали — это стали, содержащие, поми­ мо углерода и обычных примесей, также и другие, улучшающие ее свойства элементы.

Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, ко­

висимости от назначения стали в нее вводят те или иные элементы, изменяющие свойства в нужном направлении. Важно отметить, что большинство марок легированной стали приобретает высокие физико-механические свой­ ства только после термической обработки. По суммарно­ му количеству содержащихся в стали легирующих эле­ ментов различают: низколегированную сталь (суммарное

56

содержание легирующих элементов менее 2,5%), средне­ легированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную

(более 10%).

В зависимости от назначения легированную сталь делят на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физико-механическими свойствами.

Конструкционную сталь применяют для изготовления деталей машин, инструментальную — для изготовления режущего, измерительного, штампового и другого инст­ румента.

К сталям с особыми свойствами относят: нержа­ веющие, жаростойкие, кислотостойкие, износоустой­ чивые, с особыми магнитными и электрическими свой­

ствами.

Легированные стали маркируются буквами и цифра­

означает содержание углерода в десятых долях. Цифра или число, стоящее после буквы, означает округленное содержание данного элемента в стали. Например, марка 12ХНЗА означает хромоникелевую сталь с содержанием углерода около 0,12%, хрома около 1%, никеля около 3%. серы и фосфора — пониженное содержание. Так же маркируются стали с особыми свойствами.

Механические свойства некоторых марок углероди­ стой и легированной стали приведены в таблице 5.

57

58

59