МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное образовательное учреждение

начального профессионального образования профессиональный лицей №71

Ростовской области

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора по УМР

____________ Л.В. Петрова

«__» ______________ 201_

Легированные конструкционные стали по дисциплине: оп. 04. Основы материаловедения

Методическая разработка для учащихся

по профессии: 151902.03. Станочник (металлообработка)

2011

Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии дисциплин профессионального цикла технологических профессий Протокол № ____ от «___»_____20_г. Председатель цикловой комиссии __________________ Л. М Гуляева

Составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины: ОП. 04. Основы материаловедение по профессии: 151902.03. Станочник (металлообработка)

Составитель:

Л. М Гуляева, преподаватель высшей квалификационной категории

Пояснительная записка

Методическая разработка «Легированные конструкционные стали» составлена в соответствии с рабочей программой дисциплины: ОП. 04. Основы материаловедение по профессии: 151902.03. Станочник (металлообработка).

Методическая разработка «Легированные конструкционные стали» содержит теоретический материал по изучению основных свойств, марок, применению легированных конструкционных материалов. В ней описаны технологические способы обработки легированных сталей, влияние легирующих элементов на свойства сталей, маркировка легированных сталей. Дана информация о сталях общего назначения, высоколегированных, корозионностойких, жаростойких, жаропрочных сталях и сплавах, а также углеродистых и легированных сталей специального назначения. В методической разработке «Легированные конструкционные стали» указаны структура, свойства, основные марки сталей согласно ГОСТ и области их применения.

Методическая разработка «Легированные конструкционные стали» учебный материал для усвоения профильных базовых знаний по дисциплине ОП. 04. Основы материаловедение по профессии: 151902.03. Станочник (металлообработка).

Приведены вопросы для самоконтроля по темам.

Методическая разработка может быть использована для теоретической и самостоятельной подготовки учащихся, для подготовки к практическим занятиям и производственной практике по профессии 151902.03. Станочник (металлообработка) и других смежных профессий.

Легированные конструкционные стали

Легирующие элементы определяют название легированной ста­ли или сплава. Например, хромистая, ванадиевая, хромоникелевая стали в своем составе в качестве легирующих элементов со­держат соответственно хром, ванадий и хром с никелем.

Для увеличения конструктивной прочности в сталь вводят один-два легирующих элемента.

Для получения комплекса физико-хими­ческих свойств вводят несколько легирующих элементов.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей:

Марганец — естественная постоянная примесь в углеродистых сталях (до 0,6 %). При искусственном увеличении массовой доли марганца (свыше 1 %) увеличивается твердость, износостойкость, ударная вязкость. Пластичность стали не снижается. Сам марганец нейтрализует вредное влияние серы, связывая ее.

Кремний — также постоянная примесь в сталях (до 0,4 %). С уве­личением массовой доли кремния увеличиваются конструктивная точность и упругость. Высокая массовая доля кремния придает стали специальные физические свойства, благодаря которым кремнистые стали широко используются в электротехнической промышленности.

Кремний придает стали также кислотостойкость и окалиностойкость. Высокое содержание кремния способствует распаду струк­туры цементита с образованием ферритно-перлитной структуры и придает стали упругость. Рессорная, пружинистая сталь является, как правило, кремнистой.

Хром повышает прочность, твердость, прокаливаемость. Плас­тичность хромистых сталей несколько уменьшается. Высокое со­держание хрома (12 % и более) делает сталь нержавеющей (корро­зионно-стойкой) и придает ей магнитные свойства. Хром является экономически дешевым, недефицитным легирующим металлом.

Никель придает стали прочность, пластичность и ударную вяз­кость, понижает температуру отжига, нормализации и закалки. Никелевые стали имеют высокую прокаливаемость. Никель при­меняется также как активный раскислитель, способствует удале­нию из стали в жидком состоянии кислорода, водорода, азота, увеличивая ее плотность.

Никелевые стали имеют низкий коэф­фициент теплового линейного и объемного расширения.

Титан повышает прочность, твердость и пластичность, а также температуру отжига, нормализации и теплостойкость (окалиностойкость) стали.

При небольшом содержании титана прокаливае­мость стали увеличивается, при содержании более 12 % — умень­шается.

Медь увеличивает прокаливаемость, температуру отжига и нор­мализации, прочность, твердость и пластичность. Придает стали коррозионную стойкость. Медь вводят, главным образом, в стро­ительные стали.

Кобальт понижает прокаливаемость и пластичность. Придает теплостойкость и магнитные свойства. Увеличивает жаропрочность и ударную вязкость.

Молибден повышает прочность, твердость, износостойкость, Упругость, ударную вязкость и жаропрочность, незначительно понижает пластичность, увеличивает прокаливаемость, темпера­туру отжига, нормализации и закалки.

Вольфрам резко увеличивает твердость, износостойкость, крас­ностойкость, прокаливаемость и жаропрочность, повышает тем­пературу отжига, нормализации и закалки. При массовой доле вольфрама в пределах 1 % увеличивается пластичность стали.

Ванадий повышает износостойкость, твердость, прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость и температуру нагрева для отжига, нормализации и закалки.

В теплостойкие, нержавеющие и электротехнические стали вводят также редкоземельные элементы: лантан, ниобий, цирконий и др.

Согласно ГОСТ 5950—73 приняты условные буквенные обо­значения легирующих элементов:

алюминий — Ю,

азот — А,

бор - Р,

ванадий — Ф,

вольфрам — В,

кобальт — К,

кремний — С

марганец — Г,

молибден — М,

медь — Д,

никель — Н,

ниобий - Б,

селен — Е,

хром — X,

цирконий — Ц,

титан — Т,

фосфор — П,

редкоземельные металлы — РЗМ.

Кроме того, стандартом предусмотрены и другие обозначения отдельных групп легированных сталей:

Р — быстрорежущие;

Ш (в конце марки) — сталь особовысококачественная;

Ш (впереди марки) — сталь подшипниковая;

А (впереди марки) — сталь автоматная;

А (в конце марки) — сталь высококачественная;

А (в середине марки) — сталь с содержанием азота;

Э — сталь электротехническая;

Е (впереди марки) — сталь магнитная;

О — сталь холоднокатаная текстурированная;

ОО — сталь холоднокатаная высокотекстурированная;

И — сталь исследовательская;

П — сталь пробная;

ЭП — сталь пробная, полученная электроплавкой.

Легированные стали выпускаются улучшаемые термической обработкой и цементуемые, т. е. подвергаемые химико-термичес­кой обработке.

В основном все признаки классификации легированных сталей заложены в принципы маркировки.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь леги­рованная конструкционная по ГОСТ 4543—71 выпускается следу­ющих групп:

• хромистая (15Х, 15ХА, 40Х, 45Х и др.);

• марганцовистая (15Г, ЗОГ, 10Г2, 40Г2, 50Г2 и др.);

• хромомарганцевая (16ХГ,30ХГТ, 35ХГ2 и др.);

• хромокремнистая (ЗЗХС, 38ХС, 40ХС);

• хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая (15ХМ, 20ХМ, ЗОХЗМФ и др.);

• хромованадиевая (15ХФА, 40ХФА);

• никельмолибденовые (15Н2М, 20НМ);

• хромоникелевые и хромоникелевые с бором (20ХН, 40ХН. 20ХНР и др.);

• хромокремнемарганцевые и хромокремнемарганцево-никелевые (20ХГСА, 25ГСА, 30ХГС и др.);

• хромомарганцево-никелевая и хромомарганцево-никелевая с титаном и бором (15ХГН2ТА, 20ХГНР, 38ХГН, 20ХГНТР);

• хромоникельмолибденовая (18Х2НЗМА, 40ХН2А, 25Х2Н4МА

• хромоникельмолибденовая и хромоникелеванадиевая (30ХН2МФ, 20ХН4ФА и др.);

• хромоалюминиевая и хромоникелеалюминиевая с молибденом (38Х2Ю, 38Х2МЮА и др.).

Принцип маркировки легированных конструкционных сталей рассмотрим на примерах.

Марка 15ХА — сталь легированная кон­струкционная хромистая, цементуемая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,15 %, хрома — около 1 %, с пони­женным содержанием вредных примесей (серы и фосфора).

Мар­ка 30ХГСН2А — сталь легированная конструкционная улучшае­мая, хромокремнемарганцево-никелевая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,3%, хрома, марганца и кремния — по 1 %, никеля — 2%, имеет пониженное содержание вредных примесей.

Легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543—71 по массовой доле углерода подразделяются на цементуемые и улуч­шаемые стали.

Цементуемые легированные стали — это низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода) и низко- и среднелегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 10Г2, 18ХГТ, 20ХГТ и др.

В связи с низкой массо­вой долей углерода эти стали закалке не подвергаются. С целью улучшения механических свойств поверхностей деталей их насы­щают углеродом (цементация). После цементации производится закалка с последующим отпуском.

После закалки и отпуска по­верхность деталей имеет высокую износостойкость, твердость 58...63 HRC и прочную и вязкую сердцевину.

Улучшаемые легированные стали — это среднеуглеродистые (мас­совая доля углерода — более 0,3 %) и среднелегированные стали марок 30Х, ЗОГ 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 50Г, 50Г2, 30ХГТ и др.

Повышение механических свойств улучшаемых легированных ста­лей производят путем закалки и последующего отпуска.

Легированные стали маркируются цифрами, указывающими массовую долю углерода и легирующих элементов, и буквами, обозначающими легирующие элементы.

Буквой А в конце марки обозначают сталь высококачественную, а буквой Ш — особовысококачественную.

Эти стали имеют пониженную массовую долю вредных примесей — серы и фосфора.

Цифры, стоящие вначале, указывают на содержание углерода:

- в конструкционных сталях — в сотых долях процента,

-в инструментальных — в десятых долях процента.

Если впереди марки цифр нет, то массовая доля углеро­да в пределах 1 %. Цифры, стоящие после букв, соответствуют массовой доле легирующих элементов в процентах.

Если после букв цифр нет, то массовая доля легирующих элементов в пределах 1 %.

Например, 18Х2Н4МА — легированная конструкционная сталь высококачественная (с пониженным содержанием серы и фосфора) хромоникельмолибденовая (2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибде­на, 0,18% углерода). Так как массовая доля углерода до 0,3%, сталь является цементуемой, т.е. улучшается химико-тер­мической обработкой.

Сталь легированная конструкционная поставляется в виде сор­тового проката, в том числе фасонного, калиброванного и шли­фованного прутка и серебрянки, полосы, поковок и кованых за­готовок, труб, листов большой и малой толщины и других видов проката.

Легированная конструкционная сталь выпускается горя­чекатаной и кованой с обточенной или ободранной поверхностя­ми, калиброванной и со специальной отделкой поверхностей круг­лого сечения.

В зависимости от назначения сталь делится на четыре подгруп­пы:

• для горячей обработки давлением;

• для холодной механической обработки (точение, строгание, сверление, фрезерование и др.);

• для холодного волочения

• для горячей осадки, штамповки, высадки.

Сталь может поставляться в термически обработанном состоя­нии (Т), без термической обработки и нагартованная (Н).

Легированные цементуемые конструкционные стали применя­ются для изготовления деталей, работающих в условиях трения при незначительных нагрузках: втулок, пальцев, валиков, толка­телей, шестерен и др.

Улучшаемые легированные конструкционные стали применя­ются для изготовления деталей, работающих при средних и высо­ких нагрузках: шпинделей и валов в подшипниках скольжения, червячных валов, роторов, рычагов, толкателей, блоков, крепеж­ных деталей, работающих при высоких температурах, крупных зубчатых колес, валков горячей прокатки.