2.3. Практическое занятие 3
Задачи по сталям и сплавам специализированного назначения
(специальные стали и сплавы).
Теоретическая часть
К сталям со специальными свойствами относятся стали, работоспособность которых оценивается не только по механическим, но и по ряду других свойств: технологическим (износостойкость), химическим (коррозионная стойкость, жаростойкость), температурным (теплостойкость и жаропрочность, сопротивление низким температурам) и др.
Одной из основных причин выхода деталей машин из строя является изнашивание, которое представляет собой процесс постепенного изменения их размеров, формы и массы, а также нарушения состояния изнашивающихся при эксплуатации рабочих поверхностей (выкрашивание, искривление, возникновение трещин и др.). Изнашивание происходит вследствие трения соприкасающихся поверхностей деталей или трения поверхности со средой различного вида (жидкость, газ, твердые частицы и т. д.).
Способность материала сопротивляться изнашиванию называется износостойкостью. Износостойкость материала характеризует долговечность деталей, самих машин, работающих в условиях трения.
Износостойкими называют стали (шарикоподшипниковые, высокомарганцовистые и др.), характеризующиеся высоким сопротивлением изнашиванию. Износостойкость сталей определяется их химическим составом, структурой и условиями трения. Она повышается с увеличением твердости поверхностных слоев изделий. Однако для работы в различных условиях трения необходима сталь вполне определенной структуры, а, следовательно, и химического состава.
Шарикоподшипниковые стали применяют для изготовления колец, шариков и роликов подшипников качения. Сепараторы, служащие для разделения тел качения и обеспечения необходимого направления их движения, делают из мягких материалов: малоуглеродистых сталей, латуней, бронз, дуралюминов. В процессе работы кольца и тела качения испытывают высокие местные (на площадках контакта шаров и роликов с беговой дорожкой кольца) знакопеременные циклические нагрузки и подвергаются интенсивному истиранию. В большинстве случаев причинами выхода из строя подшипников качения являются деформирование и усталостное выкрашивание рабочих поверхностей изделий. К необходимым свойствам шарикоподшипниковых сталей относятся прежде всего высокие износостойкость и сопротивление контактной усталости (контактная выносливость).
Для обеспечения указанных свойств на любом малом участке поверхностей и по всей толщине деталей необходима твердая (61...65 HRC) износостойкая структура – высокоуглеродистый мартенсит и карбиды высокой степени дисперсности и гомогенности с достаточными прочностью, вязкостью, упругостью и, в ряде случаев, коррозионной стойкостью.
Кольца, шарики и ролики подшипников качения изготавливают главным образом из высококачественных шарикоподшипниковых сталей марок ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ (ГОСТ 801–78). Эти стали содержат 0,95...1,15 % углерода и хром, среднее содержание которого в десятых долях процента обозначается цифрой в марках сталей.
Большое содержание углерода в сталях обеспечивает их высокую твердость в рабочем состоянии. Хром уменьшает критическую скорость закалки и увеличивает прокаливаемость стали в тем большей мере, чем выше его содержание. Таким образом, создается возможность проведения закалки деталей в масле, а не в воде, что способствует уменьшению закалочных напряжений и деформации изделий. Кроме того, в присутствии хрома вместо Fе3С в стали образуется легированный цементит (Fe, Сr)3С, повышается степень дисперсности его частиц и, в определенней мере, увеличивается его массовая доля в термически обработанной стали. Для еще большего увеличения прокаливаемости сталь ШХ15 дополнительно легируют кремнием (0,40...0,65 % против 0,15...0,37 % в ШХ15) и марганцем (0,9...1,2 % вместо 0,2...0,4 %).
Заготовки шаров, роликов, колец, полученные ковкой, штамповкой, раскаткой, подвергают термической обработке: во-первых, смягчающему отжигу при температуре 790...810 °С в течение 2...6 ч с охлаждением до 650...550 °С в печи, затем на воздухе. (Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистой структуры стали.) Во-вторых, нормализации с нагревом до 920...950 °С и кратковременной выдержкой (10...25 мин), при которой устраняется сетка цементита вторичного и при необходимости получается тонкопластинчатый перлит. В-третьих, высокому отпуску при 650...700 °С с выдержкой 1...2 ч и охлаждением на воздухе. Эту операцию проводят в случае, когда при работе подшипников возникают очень высокие контактные напряжения. Затем следует окончательная термическая обработка, состоящая из закалки изделий в масле и низкотемпературного отпуска. Температура нагрева под закалку для сталей ШХ15 и ШХ15СГ – 830...880 °С, выдержка – 20...80 мин. Охлаждение в масле. Отпуск на твердость не ниже 61…65 HRC производится при 150...160 °С, продолжительность его – 2...5 ч в зависимости от размера детали.
Структура стали в рабочем состоянии – мелкоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределенными округлыми включениями карбидов (Fe, Сr)3С (сталь ШХ15). Ее характеристики: σВ = 2500...2600 МПа; КСU = 200...250 кДж/м2 (для образцов без надреза).
Для получения максимальной твердости (65...66 HRC) или для стабилизации размеров колец особо точных (прецизионных) подшипников рекомендуется немедленно после закалки проводить их обработку холодом с охлаждением до -20...-70 °С с целью уменьшения или регулирования содержания в структуре аустенита остаточного.
Перечисленные стали имеют различную прокаливаемость. Сталь ШХ15 рекомендуется для изготовления деталей подшипников с толщиной стенки не более 20 мм, сталь ШХ15СГ – для изделий с размером сечения более 20...30 мм. Из ШХ15 изготавливают также другие детали (валики, кулачки, копиры, оси рычагов) высокой износостойкости, твердости и контактной прочности.
Для изготовления подшипников, втулок, осей, ножей высшего качества, работающих в агрессивных средах (морская вода, влажный пар, слабые растворы некоторых кислот и щелочей), рекомендуется коррозионно-стойкая сталь 95Х18 мартенситного класса (закалка в масле с температуры 1000...1050 °С, отпуск при 140...150 °С с выдержкой 2...4 ч на твердость не ниже 56 НRС).
Подшипники, испытывающие в процессе работы большие динамические нагрузки (подшипники с диаметром наружного кольца 500 мм и более), изготавливают из цементуемых сталей 18ХГТ, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А. Толщина цементованного слоя превышает 4 мм.
Высокомарганцовистая сталь 110Г13Л (1,1...1,3 % С; 12...14 % Mn; литейная, сталь Гадфильда или Г13) рекомендуется для изготовления деталей, работающих в условиях высоких давлений, ударных нагрузок с одновременным истиранием (трамвайные и железнодорожные стрелки и крестовины, гусеничные траки, звездочки, зубья ковшей экскаваторов, детали дробильных установок и др.).
Структура стали 110Г13Л – аустенит, т.е. сталь аустенитного класса. Высокоуглеродистый аустенит, легированный марганцем (13 %),образуется при кристаллизации стали и не испытывает эвтектоидного превращения. Его решетка (ГЦК), содержащая много углерода и марганца, настолько устойчива, что не перестраивается в ОЦК решетку феррита.
Для получения чисто аустенитной структуры стали 110Г13Л изделия из нее подвергают закалке в воде с температур аустенизации 1050...1100 °С. После этого она имеет следующие характеристики: σВ = 750...1000 МПа; 180...220 НВ; ψ = 40... 50%; КСU = 300 кДж/м2.
Высокоуглеродистый аустенит, легированный марганцем (≈13%), обладает ценными свойствами. Во-первых, в условиях трения скольжения, сопровождающегося большими удельными давлениями и ударами, аустенит сильно наклепывается. Твердость стали повышается до 45...48 HRC при сохранении других указанных свойств. Во-вторых, сталь со структурой аустенита немагнитна. Однако сталь 110Г13Л не обладает высокой износостойкостью в условиях чисто абразивного или абразивно-ударного изнашивания.
Различают два типа коррозии металлических материалов – химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия происходит в агрессивных средах, не проводящих электрический ток. Это сухие газы (газовая коррозия), расплавленные соли и металлы, жидкости-неэлектролиты (нефть, бензин, смазочные масла). При химической коррозии металл соединяется с агрессивными составляющими среды (например, в случае газовой коррозии – с кислородом окружающего газа). В результате на поверхности металлических изделий образуется оксидная пленка – окалина, если окисление происходит при высоких температурах (выше 500 °С). Окалина состоит из ряда окислов, кристаллохимическое строение которых и плотность прежде всего зависят от состава стали и окружающего газа. Например, в состав окалины на железе и углеродистой стали, корродирующих в сухом нагретом воздухе, входят FeO, Fе3О4, Fе2О3. Эта окалина очень рыхлая, имеет много пор и трещин. Она мало препятствует диффузионному проникновению свободного кислорода из окружающей среды к поверхности металла и поэтому не является защитной пленкой. Коррозия не затухает по мере возрастания толщины слоя такой окалины и может продолжаться до полного разрушения металла.
На поверхности сталей, легированных определенными элементами, образуется плотная окалина. Даже тонкая пленка такой окалины оказывает защитное действие – земедляет или устраняет процесс коррозии стали. Скорость химической коррозии резко возрастает с повышением температуры. Агрессивность среды увеличивается, если она помимо кислорода содержит серу и углерод.
Стали, обладающие высокой степенью сопротивляемости образованию окалины, называются окалиностойкими или жаростойкими.
Для повышения окалиностойкости стали легируют хромом, алюминием и кремнием. В этом случае при нагреве стали в процессе работы изделия на его поверхности образуется окисная пленка, защищающая сталь от дальнейшего окисления. Чем выше температура нагрева деталей, тем более легированной должна быть сталь. Хромистые стали с содержанием хрома 5 % (15Х5) – длительно окалиностойкие в воздушной среде до 650°С;13...18 % Cr (08Х13, 12Х17)– до 700...850 °С; 28 % Cr (15Х28)– до 1100 °С.
При введении в сталь небольших доз титана (в зависимости от содержания углерода в ней, но не более 1,0 %) вместо карбидов хрома по границам зерен образуются карбиды титана (TiC). Таким способом надежно предотвращается межкристаллитная коррозия в окалиностойких и кор-розионностойких сталях, в том числе и в сталях 08Х17Т, 15Х25Т.
Легирование сталей несколькими элементами обеспечивает их длительную жаростойкость в условиях активного окалинообразования. Например, клапанные стали 40Х10С2М, 40Х9С2 окалиностойки в серосодержащих средах до 850 °С; сталь 20Х20Н14С2 – до 1100 °С в науглероживающей среде (детали термических печей, агрегатов ХТО и др.).
Электрохимическая коррозия происходит в проводящих ток жидких средах – электролитах (пресная и морская вода, водные растворы солей, кислот и щелочей). К электрохимической относятся также наиболее часто встречающиеся и губительные атмосферная и почвенная коррозии.
Процесс коррозии в значительной мере зависит от состава стали, ее структуры, наличия тонкой окисной пленки на ее поверхности, состава окружающей среды, характера внешних воздействий на сталь и др. Чистые металлы, чистота которых оценивается четырьмя (99,99 %),пятью (99,999 %)и более девятками, гораздо труднее поддаются коррозии, чем металлы промышленной (99,9 %)и более низкой чистоты. Двух- и многофазные сплавы корродируют существенно быстрее, чем однофазные. Двухфазные отожженные сплавы менее стойки в электролитах, чем закаленные. Установлено также, что коррозия развивается быстрее в материалах, находящихся в напряженном состоянии (например, в холоднодеформированном металле), а также в местах концентрации напряжений, в изделиях (линии сгиба стального листа, места надрезов и т.п.). Очевидно, что для увеличения срока службы деталей при их изготовлении необходимо учитывать перечисленные факторы. Кроме того, для замедления процессов электрохимической коррозии (устранить их полностью невозможно) необходимо стремиться к устранению всех видов неоднородности (структурной, химической, физической) на поверхностях раздела металл – электролит. В противном случае повышается вероятность создания микрокоррозионных пар, возникновения разности электростатических потенциалов, протекания процессов, активизирующих коррозию металла.
Стали, обладающие устойчивостью к электрохимической коррозии, называются коррозийно-стойкими (нержавеющими). Они подразделяются на хромистые и хромоникелевые.
Хромистые нержавеющие стали, содержащие 13…17 или 25...28 % хрома, ранее рассматриваемые как окалиностойкие, характеризуются также высокой сопротивляемостью электрохимической коррозии в обычных атмосферных условиях, во влажном воздухе, пресной и морской воде, паре, слабоагрессивных растворах солей, щелочей, кислот.
Стали, содержащие не более 0,2 % углерода и 13 % хрома, приобретают наибольшую коррозионную стойкость после термической обработки по ранее указанному режиму. Используются как конструкционные с повышенной пластичностью для изготовления изделий, подвергающихся ударным нагрузкам (арматура, посуда, клапаны двигателей и др.). Стали с повышенным содержанием углерода (0,3...0,4 %) являются заэвтектоидными, поскольку хром существенно сдвигает линию ES диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в сторону уменьшения растворимости углерода в аустените. Стали марок 30Х13, 40Х13 (ГОСТ 5949-75) после закалки в масле с температур 950...1020 °С (30Х13), 1000...1050 °С (40Х13) и низкого отпуска при 200...300 °С приобретают высокую твердость (40...50 НRС), используются как инструментальные для изготовления режущего, мерительного и хирургического инструмента. Закалка с отпуском при 600...650 °С обеспечивает их высокие прочностные и упругие свойства, длительно сохраняющиеся при работе изделий с нагревом до 580 °С. Поэтому стали 30Х13, 40Х13 применяются для изготовления пружин.
Стали ферритного класса с содержанием хрома 17 % и более ввиду отсутствия полиморфного превращения не подвергаются упрочняющей термической обработке. Используются как нержавеющие в отожженном (760...780 °С) состоянии. Из стали 08Х18Т1 изготавливают оборудование для заводов пищевой и легкой промышленности (изделия, не подвергающиеся ударным нагрузкам, работающие в интервале температур -20...+800 °С; детали электроосветительной арматуры). Из сталей 15Х25Т и 15Х28 изготавливают сварные конструкции, трубы теплообменной аппаратуры (сталь 15Х28, кроме того, используют для спаев со стеклом).
В случае длительной эксплуатации сталей, содержащих 17...28 %хрома, при температурах, близких к600°С, в их структуре возможно образование σ-фазы(FeCr),что приводит к охрупчиванию сталей и снижению их коррозийной стойкости, поэтому эти стали не рекомендуется применять для изготовления изделий, работающих в интервале температур 400…700 °С.
Хромоникелевые нержавеющие стали относятся к сталям аустенитного класса. Они характеризуются низким содержанием углерода (часто менее 0,15 %), содержат 18...25 % хрома и 8...20 % никеля. Типичным представителем этой группы сталей, на основе которого разработаны все остальные, является сталь типа 18-10 (цифры показывают среднее содержание хрома – 18 % и никеля – 10 %). В таких сталях эвтектоидного распада аустенита на перлит не происходит. Кроме того, интервал мартенситного превращения Мн–Мк понижается настолько, что образование мартенсита при закалке также невозможно. Стали типа 18-10 при разных температурах имеют структуру аустенита. Низкое содержание углерода и азота, введение титана или ниобия и проведение стабилизирующей закалки с температур порядка 1050 °С обусловливают невозможность межкристаллитной коррозии (МКК).
Хромоникелевые стали используют как коррозионно-стойкие для изделий и сварных конструкций, работающих во влажном воздухе, морской воде, растворах многих солей, кислот и щелочей. При добавках титана и ниобия они превосходят по коррозионной стойкости высокохромистые, обладая повышенной устойчивостью к межкристаллитной коррозии при длительной работе при температурах до 800 °С в сильно агрессивных средах. Стали типа 18-10 с несколько увеличенным содержанием никеля, легированные титаном (08Х18Н10Т) и особенно ниобием (08Х18Н12Б), являются жаростойкими (до 800 °С) в агрессивных газовых средах. Для регулирования коррозионной стойкости, аустенитные стали легируют молибденом (2,5...4,0 %), медью (до 3 %), кремнием. Хромоникелевые стали хорошо деформируются (прокаткой, штамповкой, вытяжкой) в холодном и горячем состояния. После стабилизирующей термической обработки характеризуются высокой пластичностью (δ = 35...45 %), удовлетворительным пределом прочности (σВ = 400...520 МПа), низким пределом текучести (σ0,2 = 160...250 МПа). Используются как коррозионно-стойкий, жаропрочный и жаростойкий материал для изготовления изделий, подвергающихся нагревам до 500...800 °С (лопатки газодувных аппаратов; заклепки, диски, валы турбин), как декоративный материал.
Жаропрочность – свойство конструкционного материала сохранять высокую сопротивляемость пластическому деформированию при значительном повышении температуры. Непрерывная пластическая деформация материала под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения называется ползучестью материала. Стали, обладающие высоким сопротивлением ползучести и разрушению при температурах, составляющих 0,4...0,8 от температуры плавления, называются жаропрочными.
Жаропрочность металлических материалов оценивается пределом ползучести и пределом длительной прочности. Предел ползучести (σпл) – напряжение, вызывающее суммарную допустимую деформацию за определенный промежуток времени при температуре работы изделия. Предел длительной прочности (σд) – напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Длительная прочность характеризует срок службы изделия до разрушения, его живучесть. Детали, длительно работающие (многие сотни часов) под нагрузкой, должны быть изготовлены из материалов, предел ползучести которых характеризуется малой деформацией, обычно не более 1 %за 10лет (лопатки паровых турбин), реже – до 5 %за 100000ч работы (трубы некоторых паровых котлов).
Основным способом увеличения сопротивления ползучести и предела длительной прочности сталей является легирование их элементами, повышающими температуру плавления стали и образующими с железом твердые растворы. Наибольшей жаропрочностью обладают материалы, представляющие собой пересыщенные твердые растворы, способные к дополнительному упрочнению за счет дисперсионного твердения. Выделившиеся высокодисперсные фазы (карбиды, промежуточные фазы) препятствуют перемещению дислокации и, следовательно, упругим и пластическим деформациям, затрудняют процессы рекристаллизации, повышая таким образом жаропрочность материала.
Для работы при температурах ниже 350 °С используют алюминиевые сплавы (АЛ19, Д16, ВД17, Д19, Д20, Д21 и др.) и обычные углеродистые конструкционные стали, в которых после термической обработки на высокую прочность не проявляется ползучесть. Для изделий, работающих при температуре 350...580 °С, применяют титановые сплавы ВТ5 (до 400 °С); ВТ5–1 ВТ20 (до 500 °С); ВТ 18 (до 580 °С), а также низколегированные теплостойкие стали перлитного (12ХМ, 12Х1Ф) и мартенситного (15Х5, 15Х5ВФ, 25Х8ВФ, 15Х11МФ и др.) классов. Из этих сталей изготавливают детали насосов, турбомашин и установок высокого давления.
Важной характеристикой изделий из жаропрочных сталей, работающих при повышенных температурах в агрессивных средах, является их жаростойкость. Температура, до которой стали проявляют свою окалиностойкость, должна превышать рабочую. Поскольку процесс коррозии активизируется с ростом температуры, то для работы при температуре выше 500 °С рекомендуются стали с повышенной окалиностойкостью, при температуре 500...700 °С – хромоникелевые стали аустенитного класса с температурой интенсивного окалинообразования 800... 850 °С. Они подразделяются на гомогенные со стабильной аустенитной структурой, не склонные к дисперсионному упрочнению, и дисперсионно-упрочняемые, в процессе старения которых из пересыщенного аустенита, полученного закалкой, выделяются высокодисперсные упрочняющие фазы (4...7 %).
Гомогенные
стали
(ГОСТ
5949-75),
к числу которых относятся 12Х18Н9Т,
12Х18Н10Т, 10Х14Н18В2Б (2...2,7
%
W;
0,9...1,3 %
Nb)
и многие другие, предназначены для
изготовления деталей, работающих при
температурах до
800...850
°С с кратковременным, длительным и
весьма длительным сроком службы.
Например, сталь 12Х18Н10Т в рабочем состоянии
(закалка на воздухе с 1050...1100
°С) обладает при
700
°С кратковременной прочностью σВ
= 300 МПа, длительной прочностью
=
100 МПа и весьма длительной
=
40 МПа.
Дисперсионно-упрочняемые
стали
имеют повышенную жаропрочность только
при кратковременной службе (обычно не
более
100
ч). При длительных и весьма длительных
сроках работы жаропрочность их резко
уменьшается вследствие коагуляции
упрочняющих фаз. К числу
дисперсионно-упрочняемых аустенитных
сталей (ГОСТ
7350-77
и ГОСТ
5949-75)
относят стали с повышенным содержанием
хрома, особенно никеля и (часто)
углерода: 10Х11Н20ТЗР (для изготовления
деталей турбин), 45Х14Н14В2М (для изготовления
клапанов моторов, крепежных деталей)
и другие. Сталь
10Х11Н20ТЗР
закаливают в воде или масле с 1100...1170 °С,
затем подвергают старению в течение
15...25
ч при 700...750
°С; ее характеристики:
=
700 МПа,
=
400
МПа.
Для изготовления клапанов автомобильных, мотоциклетных и тракторных двигателей, используют стали мартенситного класса с высоким содержанием хрома и кремния – сильхромы: 40Х9С2, 40Х10С2М (ГОСТ 5949-75) и др. Температура начала их интенсивного окалинообразования равна 850 °С. Они надежно работают при всех сроках службы.
Для изготовления камер сгорания, лопаток турбин реактивных двигателей и других деталей, работающих при нагревах до температур выше 800 °С, используют никелевые, железо-никелевые, кобальтовые и другие сплавы. К числу распространенных никелевых сплавов относятся нихромы (ХН80, содержащий 20 % Сr, 1 % Аl, 2 % Ti), нимоники (ХН77ТЮ), сплавы типа ЖС и ВЖ.
Стали для работы при низких температурах (криогенные стали) должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах.
В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали с 6…9 % Ni (типа ОН6А, ОН9А), а также стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. Аустенитные криогенные стали (сплавы) подразделяют на 3 группы.
Хромоникелевые типа 18-8 (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т), которые получили наибольшее распространение для температур эксплуатации вплоть до -253 оС (жидкий водород).
Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности. К ним относят стали типа 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГС с рабочими температурами эксплуатации до -253 оС.
Аустенитные стали на хромомарганцевой основе. К ним относят стали типа 03Х13АГ19 и 10Х14Г14Н4Т и используют как заменитель Cr – Ni сталей при температурах использования до – 196 оС.
Пример решения задачи
Вариант 0
В химическом машиностроении наряду с нержавеющими сталями разного класса для изготовления особо ответственных деталей применяют также сплав на железо-никелевой основе, обладающий особо высокой пластичностью и устойчивостью против действия кислот и щелочей. Указать химический состав сплава, его структуру и условия применения в конструкциях (в отношении сочленения с другими металлами). Сопоставить структуру, механические свойства и степень стойкости против коррозии в указанных средах выбранного сплава с такими же свойствами нержавеющей хромистой и хромоникелевой сталей.
Решение задачи. В химическом машиностроении для изготовления деталей машин и конструкций (в основном сварных) применяют специальные коррозионностойкие (нержавеющие) стали, работающие в разных агрессивных средах (морская вода, растворы солей, кислот и др.). Применяемая система легирования коррозионностойких сталей преследует достижение высокой коррозионной стойкости в рабочей среде и обеспечение заданного комплекса физико-механических свойств. При этом под коррозией понимают разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.
Стойкость против коррозии определяется составом сплава и его структурой, а также свойствами внешней агрессивной среды, в условиях которой используется данный сплав. Поэтому стойкость против коррозии одного и того же металлического материала может быть резко различной в разных агрессивных средах.
Для оценки общей коррозионной стойкости наиболее часто используют десятибалльную шкалу, рекомендуемую соответствующим ГОСТом (табл. 1).
Таблица 1
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости
|
Группа стабильности |
Скорость коррозии металла, мм/год |
Балл |
|
Совершенно стойкие |
≤ 0,001 |
1 |
|
Весьма стойкие |
от 0,001 до 0,005 |
2 |
|
от 0,005 до 0,01 |
3 | |
|
Стойкие |
от 0,01 до 0,05 |
4 |
|
от 0,05 до 0,1 |
5 | |
|
Пониженностойкие |
от 0,1 до 0,5 |
6 |
|
от 0,5 до 1,0 |
7 | |
|
Малостойкие |
от 1,0 до 5,0 |
8 |
|
от 5,0 до 10,0 |
9 | |
|
Нестойкие |
> 10,0 |
10 |
Коррозионно-стойкие стали представляют собой большую группу высоколегированных материалов, включающих шесть структурных классов (ферритный, аустенитный, аустенито-ферртиный, мартенситный, аустенито-мартенситный, феррито-мартенситный) (ГОСТ 5632-72). При этом независимо от класса стали, они содержат не менее 12 % Cr. В этом случае в сплавах на основе железа скачкообразно возрастает электрохимический потенциал и сталь переходит в категорию коррозионностойких. Важнейшим свойством подобных сталей является наличие области пассивного состояния в определенном диапазоне электрохимических потенциалов (коррозионностойкие стали эксплуатируются преимущественно в условиях электрохимической коррозии).
Причиной пассивности является образование на поверхности сталей химически стойкой пленки гидратированного оксида хрома (Cr2O3·n·Н2О) и оксида хрома шпинельного типа (Cr2O3·Ni2O·n·H2O). Это позволяет хромистые и хромоникелевые стали в зависимости от исходной структуры широко использовать в средах различной агрессивности.
Из хромистых сталей наибольшей коррозионной стойкостью обладают стали ферритного класса типа 15Х25Т, а из хромоникелевых – аустенитная сталь типа 18-8 (например, 17Х18Н9Т). При этом стойкость в агрессивных средах у аустенитной стали выше (см. табл. 1).
При выборе стали для конкретных условий эксплуатации необходимо учитывать, что сплавы железа, в том числе высоколегированные стали, имеют достаточную стойкость против коррозии только в ограниченном числе сред. Многие нержавеющие стали не имеют необходимой стойкости в растворах кислот и щелочей, где скорость коррозии у них резко возрастает несмотря на положительный электродный потенциал. Это явление называется перепассивацией и, по-видимому, связано с образованием в данных условиях оксидов высших валентностей, которые легко растворяются и не образуют защитных поверхностных пленок.
В связи с этим для эксплуатации в сильно агрессивных средах, к которым относятся растворы кислот и щелочей, хромистые и хромоникелевые сплавы применены быть не могут. Для этих целей в химическом машиностроении используют сплавы на железо-никелевой основе (типа ХН28МДТ ГОСТ 5632-72), которые отличаются высокой стойкостью в указанных средах. Особенностью этих сплавов является другой механизм защиты, т.к. они работают не в пассивном состоянии, а в термодинамически активном состоянии.
Таким образом, для условий, указанных в задаче, можно выбрать сплав 06ХН28МДТ (химический состав приведен в табл. 2).
Таблица 2
Химический состав коррозионностойких сталей
|
Марка стали |
Содержание основных легирующих элементов, % |
Класс | |||||
|
С |
Сr |
Ni |
Ti |
Mo |
Cu | ||
|
15Х25Т |
≤0,15 |
24-27 |
- |
≤0,9 |
- |
- |
Ферритный |
|
12Х18Н9Т |
≤0,12 |
17-19 |
8-10 |
0,7 |
- |
- |
Аустенитный |
|
06ХН28МДТ |
≤0,06 |
22-25 |
26-29 |
0,5-0,9 |
2,5-3,0 |
2,5-3,5 |
Аустенитный |
Этот сплав хорошо соединяется сваркой, в том числе и с хромистыми и хромоникелевыми сталями без снижения коррозионной стойкости в сварном шве, что позволит его использовать для изготовления различных конструкций в химическом машиностроении
В результате термообработки хромистые и хромоникелевые стали не упрочняются и имеют чисто ферритную и аустенитную структуру. В железоникелевом сплаве в результате термообработки выделяется вторая фаза (дисперсионное твердение) в виде интерметаллидов в системе Ni–Ti, что упрочняет сплав.
Некоторые свойства рассматриваемых сталей и сплавов приведены в табл. 3.
Таким образом, выбранный сплав обладает повышенными прочностными свойствами, высокопластичен, хорошо сваривается и обладает повышенной коррозионной стойкостью в рассматриваемых условиях. Все это позволяет использовать этот материал в химическом машиностроении для изготовления различных конструкций при производстве, транспортировке и хранении высокоагрессивных веществ (например, кислот и щелочей).
Таблица 3
Режим термической обработки и свойства коррозионностойких сталей
|
Марка стали |
Режим термообработки |
Механические свойства |
Коррозионная стойкость (балл) в средах | ||||||
|
σВ МПа |
σ0,2 МПа |
δ, % |
ψ, % |
5%-ная HNO3 |
1%-ная H2SO4 |
20%-ная HCl |
Морская вода | ||
|
15Х25Т |
отжиг, 750-780 оС |
540 |
- |
40 |
70 |
3 |
6 |
7 |
3 |
|
12Х18Н9Т |
закалка, 1050 оС, воздух |
540 |
260 |
40 |
60 |
3 |
3 |
7 |
3 |
|
06ХН28МДТ |
закалка, 1080 оС, воздух |
650 |
280 |
50 |
55 |
1 |
1 |
5 |
1 |
ЗАДАЧИ
Вариант 1
Выбрать марку стали для изготовления крепежных болтов, если их обрабатывают на быстроходных станках-автоматах, на которых надо обеспечить максимальную производительность резания и получить высокую чистоту обрабатываемой поверхности; болты не воспринимают в конструкции значительных нагрузок, но работают в агрессивной среде. Указать марку, химический состав, механические свойства и назначение стали этого типа. Объяснить влияние отдельных элементов, присутствующих в этой стали, на формирование заданного комплекса эксплуатационных свойств.
Привести для сравнения состав, структуру и механические свойства цветного сплава высокой обрабатываемости, применяемого для аналогичного назначения. Объяснить, в каких случаях следует применять тот или иной из выбранных материалов и почему.
Вариант 2
Козырьки и черпаки землечерпательных машин, изготовленные из углеродистой стали, быстро изнашиваются при интенсивной работе по грунту. Применение легированной стали с аустенитной структурой, обладающей повышенной износостойкостью при ударных нагрузках, позволяет повысить стойкость козырьков и черпаков в несколько раз. Привести химический состав стали, применяемой для этого, а также режим термической обработки, структуры и свойства и объяснить причины повышенной износостокости в указанных условиях эксплуатации. Указать для сравнения, какую сталь следует применять для изготовления деталей, работающих в условиях трения качения одного металла по другому, не сопровождающегося ударами.
Вариант 3
Щеки и шары машин для дробления руды и камней работают в условиях повышенного абразивного износа, сопровождаемого ударами. Выбрать сталь для изготовления щек и шаров, указать ее химический состав и свойства, в том числе обрабатываемость резанием на станках и поведение в работе. Рекомендовать наиболее эффективный технологический процесс изготовления и режим термической обработки щек и шаров. Указать структуру стали в готовом изделии.
Вариант 4
Завод изготовляет среднемодульные цилиндрические зубчатые колеса из стали 45 и упрочняет их способом индукционной закалки при поверхностном нагреве. Однако впадина зубьев при такой обработке не закаливается, что сокращает срок службы колес. Рекомендовать: марку стали и обработку, обеспечивающую закалку зубчатых колес по всему контуру, а следовательно, с упрочнением зубьев по всей их поверхности; привести для сравнения состав углеродистой или низколегированной стали, пригодной для изготовления зубчатых колес, упрочняемых методом химико-термической обработки.
Вариант 5
В шестернях, изготовленных из стали 40Х и обработанных на твердость НRС 40…42 в эксплуатации при повышенных напряжениях, в том числе динамических нагрузках, возникали трещины при низких температурах в условиях Севера. Объяснить причины, вызывающие этот брак, и рекомендовать марку улучшаемой стали, вязкость которой мало уменьшается при понижении температуры с +20 и до -60 °С.
Вариант 6
Рекомендовать состав (марки) стали и способ ее металлургического передела для шестерен ответственного назначения в механизмах, работающих при температурах от -60 до +60 °С. Предел текучести должен быть не ниже 750…800 МПа. Объяснить, какие факторы способствуют понижению порога хладноломкости, и указать режим термической обработки и механические свойства готового изделия.
Вариант 7
Детали холодильных машин во избежание хрупкого разрушения изготовляют из сталей и сплавов с пониженным порогом хладноломкости и соответственно повышенной вязкостью при низких температурах. Рекомендовать состав стали для деталей холодильных машин, работающих при температурах от -70 °С и до -259 °С (в среде жидкого водорода). Объяснить, какие различия в структуре, а, следовательно, и в составе должны быть между этими сталями.
Вариант 8
Для изготовления пружин приборов завод применяет сталь 60С2ХА, обрабатываемую на твердость НRС 40…44. Однако пружины из этой стали при нагреве даже в области климатических температур изменяют свои характеристики в связи с изменением модуля упругости. Это снижает точность работы приборов. Рекомендовать сплав для изготовления пружин, модуль упругости которого почти не изменяется при температурах от -50 до +100°С. Сопоставить режим упрочняющей обработки стали 60С2ХА и выбранного сплава.
Вариант 9
Детали гидронасосов, в частности клапаны, изготовляли из стали 40Х. Однако в дальнейшем в новых более мощных насосах, в которых скорость движения потока жидкости резко возросла, поверхность клапанов из стали 40Х быстро разрушалась. Объяснить причины, по которым это изменение условий службы вызвало разрушение клапанов, и какие явления этому способствовали. Рекомендовать состав, стойкий в условиях большой скорости потока воды и для насосов по перекачке морской воды.
Вариант 10
Котлы многих тепловых электростанций работают при давлении пара 50 МПа и 600 °С. В этом случае для котлов нужны стали с высоким сопротивлением ползучести. Указать марку, химический состав и структуру стали, пригодной для работы в указанных условиях. Сравнить характеристики выбранной стали со свойствами другой стали, обычно применяемой для котлов, работающих при 300…400 °С.
Вариант 11
Сталь, применяемая для пароперегревателей котлов высокого давления, должна сохранять повышенные механические свойства при длительных нагрузках при температурах порядка 500 °С и иметь достаточно высокую пластичность для возможности выполнения холодной пластической деформации (гибки, завальцовки и т.п.) при сборке котла. Указать химический состав, микроструктуру и механические свойства стали при комнатной и при повышенной температурах (400…500 °С). Объяснить основные отличия выбранной стали от углеродистой котельной стали.
Вариант 12
Многие детали установок расщепления нефти, в частности трубы печей, подвержены действию высоких температур. Выбрать состав стали для труб, не испытывающих больших нагрузок, но нагревающихся в работе до 450…500 и 600 °С. Указать режим термической обработки и микроструктуру стали, а также объяснить роль легирующих элементов, позволяющих использовать эти стали для длительной работы при высоких температурах.
Вариант 13
Лопатки реактивных и турбореактивных двигателей работают в окислительной среде при высоких температурах (до 800 – 900 °С). Сплавы, из которых изготавливают эти детали, должны обладать повышенной коррозионной стойкостью (окалиностойкостью), высоким сопротивлением ползучести, длительной прочностью при указанных температурах. Выбрать состав сплава, указать методы термической обработки и привести изменение структуры и свойств после основных операций этой обработки.
Вариант 14
Многие детали паровых турбин, например, лопатки, работают при повышенных температурах (400…500 °С) и в условиях воздействия пара и влаги. Сталь этого назначения должна обладать устойчивостью против ползучести и коррозии. Выбрать марку стали для лопаток и указать ее химический состав, а также режим термической обработки и микроструктуру в готовом изделии. Привести механические свойства выбранной стали при 20 °С и при 500 °С; сравнить их со свойствами углеродистой качественной стали, имеющей одинаковое содержание углерода. Указать, в каком направлении надо изменить химический состав и микроструктуру стали при необходимости повышения температуры работы деталей до 600…650 °С.
Вариант 15
Лопатки и другие детали особо мощных реактивных двигателей кратковременного действия работают в сильно окислительной среде при высоких температурах (1000…1200 °С). Металл, из которого изготавливают эти детали, должен обладать повышенной коррозионной стойкостью, высокими характеристиками кратковременной прочности при указанной температуре. Выбрать металл или сплав для названных изделий, указать его состав и свойства, а также привести метод защиты изделий от окисления.
Вариант 16
Многие детали приборов и оборудования, которых устанавливаются на морских судах, должны быть устойчивыми не только против действия воды, водяных паров и атмосферы воздуха, но и против более сильного корродирующего действия морской воды. Подобрать состав стали, устойчивой против действия воды, водяных паров, влажного воздуха и морской воды. Указать марки, химический состав, режим термической обработки, микроструктуру и механические свойства выбранных сталей. Одновременно указать химический состав и марку цветного сплава, устойчивого против действия морской воды, и сравнить структуру, механические и физические свойства стали и цветного сплава выбранных составов.
Вариант 17
Многие детали гидросамолетов изготавливают из высокопрочной стали (с σв не менее 1200 МПа). По условиям эксплуатации эти детали должны быть, кроме того, устойчивы против коррозии в морской воде. Выбрать марку стали, привести ее химический состав, а также структуру и механические свойства после закалки. Привести способ обработки выбранной стали для повышения предела прочности до σв = 1200 МПа, указав, как изменяются при этом другие механические свойства стали.
Вариант 18
Нержавеющая хромоникелевая сталь некоторых составов обладает хорошей стойкостью против действия ряда химических сред, но после сварки становится чувствительной к интеркристаллитной коррозии в зоне, прилегающей к сварному шву. Указать химический состав, режим, термической обработки и макроструктуру нержавеющей стали, стойкой против действия органических кислот, и указать, какой компонент должна содержать эта сталь для сохранения стойкости против межкристаллитной коррозии после сварки. Объяснить причины, вызывающие межкристаллитную коррозию. Сравнить состав, структуру, режим термической обработки, свойства и область применения стали выбранного состава с аналогичными характеристиками нержавеющей хромистой стали с таким же содержанием углерода.
Вариант 19
Тросы самолетов, применяемые в условиях морской службы, должны обладать высоким пределом прочности (800…1000 МПа) и высокой устойчивостью против коррозии в морской воде. Указать состав стали, устойчивой против корродирующего действия морской воды (без применения защитных покрытий), технологический процесс изготовления тросов обеспечивающий получение высоких механических свойств в готовом тросе, и структуру стали. Сравнить структуру, стойкость против коррозии и поведение при сварке стали выбранного состава с хромистой сталью с содержанием 14 % Сr и 0,1 % С. Указать для сравнения механические свойства, режим обработки и структуру стали, применяемой для изготовления тросов, от которых по условиям эксплуатации не требуется повышенной стойкости против коррозии.
Вариант 20
Завод изготавливает вибрационно-частотные датчики для контроля давления и скорости потока газа и жидкости и т.п. Упругие элементы датчиков изготавливались из низколегированной пружинной стали 50ХФА с обработкой на твердость НRС 42…45. В дальнейшем завод должен изготовлять датчики для контроля параметров агрессивных окислительных сред; это требует применения коррозионностойкой ферромагнитной стали для упругих элементов датчиков. Указать состав стали с возможно меньшим содержанием дорогих легирующих элементов и рекомендовать режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающей получение твердости HRC 40…45. Сопоставить режим обработки новой стали с режимом обработки пружинной стали 50ХФА.
Вариант 21
Обоснуйте выбор материала для изготовления упругого элемента торсионного вала диаметром 32 мм, который служит для опрокидывания кабины грузового автомобиля. Приведите режим окончательной термической обработки, получаемую после нее твердость и микроструктуру материала. Предложите простой и рациональный путь повышения предела выносливости и долговечности торсиона.
Вариант 22
Рессоры для грузового автомобиля малой грузоподъемности изготавливают из полосовой стали 55С2 толщиной 9 мм, которая после соответствующей термообработки (закалки и отпуска) приобретает необходимые свойства по всему сечению. Выберите марку стали для изготовления рессор толщиной 20 мм большегрузного автомобиля, которая после термообработки имела бы предел прочности при растяжении не менее 1800 МПа, предел текучести не менее 1600 МПа, ударную вязкость не менее 0,3 МДж/м2. Обоснуйте выбор, расшифруйте химический состав стали, охарактеризуйте ее свойства и структуру после окончательной термообработки. Как обеспечить поверхностное упрочнение рессоры?
Вариант 23
В химическом производстве для изготовления деталей центробежных насосов и емкостей, контактирующих с агрессивной средой (40 %-й водный раствор серной кислоты), успешно использовали аустенитную коррозионно-стойкую сталь. Назовите марку кислотоупорной аустенитной коррозионно-стойкой стали, расшифруйте ее химический состав и объясните, какая термическая обработка обеспечит ее максимальную коррозионную стойкость. В связи с производственной необходимостью температуру среды потребовалось повысить до 200 оС, вследствие чего резко снизилась коррозионная стойкость стали. Предложите и обоснуйте другую марку стали для этих условий эксплуатации или, способ поверхностной защиты коррозионно-стойким покрытием.
Вариант 24
Выберите материал для шарикоподшипника, работающего в агрессивной среде (10 %-м растворе азотной кислоты), назовите режим упрочняющей термической обработки и получаемую структуру. Объясните, почему сталь ШХ15 непригодна для таких условий работы. Расшифруйте химический состав выбранных сталей. Предложите прогрессивный бездеформационный способ упрочнения дорожки подшипника качения. Обоснуйте возможность изготовления деталей крупногабаритных шарикоподшипников, работающих в неагрессивных средах, из цементуемых легированных сталей.
Вариант 25
Выберите материал для изготовления впускных клапанов автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Укажите химический состав выбранного материала, влияние легирующих элементов на окончательную термическую обработку клапана, структуру и свойства стали. Назовите преимущества лазерной закалки седел клапанов.
Вариант 26
Выберите материал для изготовления черпаков землеройных машин, работающих в условиях абразивного изнашивания и динамических нагрузок. Расшифруйте химический состав, охарактеризуйте механические и технологические свойства и приведите режим термической обработки стали, объясните причины ее самоупрочнения при работе.
Вариант 27
Выберите материал для производства камер сгорания реактивных двигателей, испытывающих кратковременный нагрев в сильно окисленной среде до температуры 1100…1200 оС. укажите химический состав, структуру и свойства выбранного материала. Предложите и обоснуйте режим термической обработки для получения заданных свойств. Обоснуйте выбор состава сплава, обеспечивающего максимальную жаростойкость.
Вариант 28
Зубчатые колеса грузовых автомобилей ЗИЛ изготавливают из стали 25ХГТ. Какой вид упрочняющей ХТО (цементацию или нитроцементацию) целесообразно применить? Расшифруйте химический состав стали, укажите достоинства и недостатки указанных способов упрочнения. Опишите структуру и свойтсва упрочненных зубчатых колес.
Вариант 29
Для изготовления некоторых деталей драги, работающей в северных условиях, первоначально применяли нормализованную сталь ВСт3кп. При понижении температуры воздуха до –50 оС резко участились случаи поломок названных деталей. Объясните причины поломок деталей, их зависимость от химического состава стали и термической обработки. Предложите марку стали для замены ВСт3кп. Рекомендуйте режим термической обработки выбранной стали, опишите структуру, поясните понятие «северная сталь».
Вариант 30
Предложите марку недорогостоящей стали для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес с модулем зуба 6…7, а также технологию ее упрочнения, обеспечивающую твердость поверхностного слоя 58…62 НRС и сердцевины не менее 35 НRС. Следует учесть, что колесо имеет Ø 350 мм, высоту 50 мм и эксплуатируется в условиях запыленности при воздействии слабоагрессивных сред.