Применение чугунов и сталей
Применяемые в практике стали содержат кроме углерода до 0,4% кремния, 0,5-0,8% марганца и по 0,02 - 0,05% серы и фосфора. Кремний и марганец растворяясь в феррите упрочняют сталь. Сера, образуя соединение FeS, вызывает красноломкость (хрупкость при повышенных температурах). Фосфор, растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость.
По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные ( С < 0,8% ) и инструментальные ( С>0,7%).
Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами; группы Б - химическим составом и группы В - механическими свойствами и химическим составом.
По степени раскисления эти стали бывают кипяшими (кп), полуспо- койными (пс) или спокойными (сп).
В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.
Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой - номером стали, например Ст3, Ст5 и г.д. Группа стали указывается соответствующей буквой в начале марки БСт 1, ВСт6, в марке группы А такая буква не ставится - Ст4. В марке указывается также степень раскисления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце - категория - Ст2кпЗ; ВСт4кп4 (первая категория не указывается - Ст1сп).
Из конструкционных сталей выделяются так называемые автоматные стали с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в основном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08 - 0,30%) и фосфора (до 0,15%). Сера образует при резании сульфид MnS, оказывающий смазывающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании Автоматные стали маркируют буквой А и числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.
Инструментальные стали (ГОСТ 2283-79) подразделяют на качественные: У7,У8. У13 и высококачественные: У7А, У8А. У13А. Числа в марке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь.
Легированные стали - стали в которых содержатся специально введенные (легирующие - Сг, Ni, Mo, V, Ti и др.) элементы, изменяющие их свойства. Мп>1% и Si>0,5% также являются легирующими. Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами: Х-хром, Н- никель, М- молибден, В- вольфрам, К- кобальт, Т-титан, А-азот, Г'- марганец, Д- медь, Ф- ванадий, С- кремний, П- фосфор, Ю- алюминий, Р- бор, Б- ниобий, Ц- цирконий.
Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв - среднее содержание обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18% С, 2% Сг, 4% Ni и около 1% W или 12ХН2А - 0,12%С, 1% Cr,2%Ni, а буква А в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная.
При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5%С , 12% Сг, 0,5% Мо.
Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш- шарикоподшипниковые, Р- быстрорежущие, Е- магнитные и др.
Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные - буквами ЭП и условным номером (ЭП54).
Легированные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.
К конструкционным легированным сталям относятся стали, применяемые для изготовления цементируемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаропрочные, износо- и коррозионностойкие стали. Эти стали легируют разнообразными элементами - Mn, Ni, Si, Сг, Mo, Ti, А1 и др.
К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали доллжны облагать высокой твердостью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообразующими элементами - Сг. W, V, Мо и др.
К сталям и сплавам со специальными физическами свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием Ni. Сr и др.
Белые чугуны в изломе из-за углерода в виде цементита имеют белый блестящий цвет. Они обладают высокой твердостью и износоустойчивостью, хрупкие и плохо поддаются обработке резанием, из-за этого ограниченно применяются в машиностроении В частности, они используются для изготовления валиков мукомольных мельниц, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием. Большинство передельных чугунов являются белыми
Серые чугуны в изломе имеют серый цвет. Они самый дешевый литейный материал, хорошо обрабатывается резанием. Наличие пластинчатых включений графита, представляющих по существу пустоты с острыми надрезами, обусловливает низкие механические свойства. Из серых чугунов изготавливаются разнообразные детали: корпуса насосов, станины, кронштейны, корпуса коробок передач и др.
ГОСТом установлены следующие марки серых чугунов: СЧ 00 (без испытания механических свойств), СЧ 12, СЧ 15, СЧ18, СЧ21, СЧ 24. Цифра в марках обозначает предел прочности на разрыв в кгс/см 2 (10 -1 Мпа)
Модифицированные чугуны в изломе имеют серый цвет и маркируются как серые чугуны, применяются для изготовления ответственных деталей: станин станков, блоков и картеров двигателей, цилиндровых втулок, поршней крупных двигателей и др. ГОСТом предусмотрены следующие марки чугунов: СЧ 28, СЧ 32, СЧ 35, СЧ 38.
Легированные чугуны - обычно серые или модифицированные, в которые во время плавки введены небольшие легирующие добавки для придания специальных свойств. Они маркируются так же как и серые, только в чертежах деталей указывается количественный состав легирующих элементов.
Ковкие чугуны - получаются из белых чугунов путем длительного отжига (в начале получают отливки из белого чугуна, затем отжигают в камерных печах). Они обладают высокой прочностью и ударной вязкостью, из них изготовляют детали автомобилей, сельскохозяйственных и других машин, имеющих сложную форм>' и тонкое сечение и работающих в условиях ударной нагрузки (мосты автомобилей, картеры, зубчатые колеса, звездочки и др.).
По ГОСТу ковкие чугуны маркируются ферритные - КЧ 30-6, КЧ 33- 8, КЧ 37-12, перлитные - КЧ 50-5, КЧ 55-4. Первые цифры обозначают предел прочности на разрыв в кгс/см 2 , вторая цифра - относительное удлинение в %.
Высокопрочные чугуны - получаются модифицированием серого чугуна магнием с последующей добавкой ферросилиция, что придает им высокую прочность и вязкость, приближая их по свойствам к сталям. Они обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются резанием. Из них изготавливаются ответственные детали: коленчатые валы, зубчатые колеса, корпуса задних мостов автомашин и др. Они маркируются (ГОСТ 7293-85): ферритные - ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45; перлитные - ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра означает предел прочности на разрыв в кгс/см 2 .
Чугун. Марки, свойства и применение чугунов
Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.
Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.
Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.
Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.
Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).
Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.
Чугун серый
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.
Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.
Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.
Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.
По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают — серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σв = 274÷637 МПа, твердость — 143÷637 НВ и химический состав.
Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.
Чугун высокопрочный с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.
Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).
ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =12%.
Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.
Чугун ковкий
В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.
Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.
Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение
эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках
(хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,
глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,
умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.
Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса,
поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,
По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 32.4 Н/мм 2 (33 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =8 %.
Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.
Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.
Чугун легированный
Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.
Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.
Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.
Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение
Характеристика и сферы применения чугунов и сталей
Железная руда как горная порода, в которой содержатся соединения железа и примеси других химических элементов. Выплавка в мартеновской печи - основной способ получения обычных сортов стальной продукции. Влияние легирующих элементов на свойства стали.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.12.2015 |
| Размер файла | 11,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, марганец, сера и другие элементы.
Чугун -- железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы.
Железная руда представляет собой горную породу, в которой содержатся соединения железа и примеси других элементов. Чугун получают из красного, бурого и магнитного железняков.
В качестве топлива используют главным образом каменно-угольный кокс. Флюсы применяют для отделения от железной руды пустой породы (оксиды кремнезема, кальция, марганца), которая, способствуя образованию шлаков, оказывает вредное влияние на процесс выплавки чугуна.
В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида железа или цементита.
Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100--1200°С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.
Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются режущим инструментом и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.
Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950--1000°С. При этом чрезмерная хрупкость в твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.
Для повышения прочности чугуны легируют, т. е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).
Наибольшее применение получили чугуны следующих марок: отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412--79); отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 и др. (ГОСТ 1215--79).
Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ -- серый чугун, КЧ -- ковкий чугун. Цифры после букв у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.
Сталь -- сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Кроме того, сталь в расплавленном состоянии жидкотекуча, из нее изготовляют различные отливки. Поэтому она широко применяется во всех областях народного хозяйства, особенно в машиностроении.
Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.
Наиболее распространенным способом получения обычных сортов стали является мартеновский, а для выплавки высококачественных сталей применяют электроплавку.
Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.
Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:
по химическому составу -- углеродистая, легированная;
по качеству -- сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;
по назначению -- конструкционная, инструментальная.
Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.
В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.
Углеродистые конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380--78) и качественные (ГОСТ 1050--74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные(пс) и кипящие (кп).
Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (сталь) и цифрами 1, 2, 3. 6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода.
В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:
группа А -- стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2сп, Ст3кп и др.);
группа Б -- стали с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);
группа В -- стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5).
Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).
Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой.
Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготовляют оси, валы, зубчатые колеса и другие детали.
Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.
Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т. д.
Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т. д.
Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).
В состав легированной стали кроме углерода вводят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др.
В зависимости от вводимых лигирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.
Легирующие элементы придают стали в зависимости от ее назначения необходимые свойства. Рассмотрим, какое влияние оказывают они на свойства стали.
Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0,8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.
Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). стальной мартеновский легирующий
По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяется на конструкционную и инструментальную.
Легирующие элементы, введенные в состав стали согласно стандарту имеют следующие обозначения:
Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.
Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв.
Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы -- легирующие элементы, последующие за буквами цифры -- содержание в процентах этих элементов в стали.
Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома;
12ХНЗА -- хромо-никелевую сталь, содержащую около 0,12%-углерода, 1% хрома и 3% никеля и т. д.
Из конструкционной легированной стали изготовляют ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.
К конструкционным легированным сталям относятся:
хромистая (15Х, 20Х, 30Х и др.),
хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФ),
хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС),
хромоникелевая (12ХН2, 12ХНЗА и др.).
Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.
Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200--250°С.
Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее:
сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок и метчиков;
стали 11Х и 13Х --для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента;
сталь ХВГ--для длинных метчиков, разверток и других инструментов.
Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства.
Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах.
Инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали, нагреваясь в процессе резания до 550--600°С, не теряет своих режущих свойств.
Материалы, улучшающие свойства сталей. Характеристика влияния на свойства сталей легирующих элементов.
Качество стали зависит от количества в ней углерода, который является одним из основных элементов, входящих в состав. Еще одним обязательным элементом является железо.
Хром, никель, ванадий, медь и пр. элементы добавляются для улучшения свойств материала.
Рассмотрим подробнее влияние легирующих элементов на свойства стали:
Никель - позволяет сделать материал не только прочным, но и пластичным. Именно этот элемент, входящий в состав, отвечает за стойкость к коррозии;
Хром - также отвечает за устойчивость к коррозии, благодаря ему получается нержавеющая сталь, делает ее твердой и прочной;
Ванадий - благодаря этому элементу структура стали становится мелкозернистой, плотной;
Медь - помимо стойкости к коррозии противодействует кислотам;
Вольфрам - позволяет материалу оставаться твердым при увеличении температуры (нагреве);
Марганец, входящий в состав, отвечает за износостойкость;
Кремний - делает металл упругим, отвечает за магнетизм;
Если в состав входит алюминий, то он позволяет становиться материалу жаростойким.
Что происходит со структурой, когда добавляются различные примеси? При их введении кристаллическая решетка рушится за счет различия в формах электронов, а также атомных величин. Характеристики стали могут меняться в зависимости от состава.
В состав могут входить две, три и более примесей. Это зависит от того, какой конечный продукт нужно получить.
В состав могут также входить титан, кобальт, молибден, отвечающие за прочность, твердость и пластичность материала, который приобретает все перечисленные свойства в основном после того, как будет пройдена термообработка.
Подобные документы
Классификация, свойства, применение, маркировка углеродистых и легированных сталей. Влияние углерода и примесей на их свойства. Термическая обработка сплава 30ХГСА. Измерение твёрдости методом Роквелла. Влияние легирующих элементов на рост зерна стали.
дипломная работа [761,3 K], добавлен 09.07.2015
Общая характеристика легированных сталей и их специфические свойства: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость. Распределение легирующих элементов в сталях, зависимость механических свойств от их содержания.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 17.08.2009
Процесс легирования стали и сплавов - повышение предела текучести, ударной вязкости, прокаливаемости, снижение скорости закалки и отпуска. Влияние присадок легирующих элементов на механические, физические и химические свойства инструментальной стали.
курсовая работа [375,9 K], добавлен 08.08.2013
Роль легирующих элементов в формировании свойств стали. Анализ и структура хромоникелевых сталей. Роль и влияние никеля на сопротивление коррозии. Коррозионные свойства хромоникелевых сталей. Характеристика ряда хромоникелевых сталей сложных систем.
реферат [446,2 K], добавлен 09.02.2011
Процентное содержание углерода и железа в сплаве чугуна. Классификация стали по химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления. Примеры маркировки сталей. Расшифровка марок стали. Обозначение легирующих элементов, входящих в состав стали.
презентация [1,0 M], добавлен 19.05.2015
Классификация инструментальных сталей. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей. Химический состав стали 4Х5МФ1С. Влияние температуры закалки на структуру и твердость материала. Оценка аустенитного зерна и износостойкости.
дипломная работа [492,5 K], добавлен 19.02.2011
Влияние легирующих элементов на свойства стали. Состав, свойства и методы термической обработки хромистых сталей с повышенной прочностью и стойкостью против коррозии в агрессивных и окислительных средах. Технологии закалки окалиностойких сильхромов.
Стали и чугуны
Сталь является сплавом железа и небольшого количества углерода (до 2%) с примесями серы, кремния, фосфора, марганца.
Содержание углерода оказывает большое влияние на качество стали. С его увеличением повышается предел прочности и предел текучести, снижается пластичность, уменьшается склонность стали к старению, повышается хрупкость и ухудшается свариваемость. Сталь, содержащая углерода меньше 0,25%, называется низкоуглеродистой, от 0,25 до 0,6% —среднеуглеродистой и от 0,6 до 2% (предельное содержание) — высокоуглеродистой.
Различают сталь обыкновенного и повышенного качества, качественную и высококачественную. Большую часть химических аппаратов изготовляют из углеродистой стали обыкновенного и повышенного качества (ГОСТ 380—71).
Сталь обыкновенного качества используется для изготовления деталей и аппаратов, к которым не предъявляется особых требований в отношении прочности и коррозии (с антикоррозионными покрытиями она пригодна и для изготовления аппаратов, работающих в агрессивных средах). В химическом аппаратостроении наиболее часто применяются следующие марки сталей: Ст. 3, Ст. 4 и Ст.5. Цифра за буквами Ст. (сталь) означает условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств.
Для изготовления ответственных деталей аппаратов, работающих в неагрессивных средах, применяется углеродистая качественная сталь (ГОСТ 1050—60). В зависимости от содержания углерода эта сталь условно маркируется цифрами: 08, 10, 15, 25, 30 и т. д. Двухзначные цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 10 содержит в среднем 0,10% углерода).
Другим видом железоуглеродистых сплавов являются чугуны. Они отличаются повышенным содержанием углерода (более 2%). Для изготовления химической аппаратуры чугуны применяются в значительно меньшей степени, чем стали. Вследствие хрупкости и меньшей прочности чугуны обычно используются в виде литья для аппаратуры, работающей под избыточным давлением не выше 6 кгс/см 2 , а при диаметре аппарата более 2м — не выше 3 кгс/см 2 .
Большей прочностью и вязкостью обладает ковкий чугун (ГОСТ 1215—59) марок: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8 и др. (первые две цифры означают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса—относительное удлинение).
Стали и чугуны не обладают высокой коррозионной стойкостью. Они мало устойчивы даже к действию воды при доступе кислорода. В растворах таких солей, как А1С1з, NaCI, K2S04 и т. п., при взаимодействии которых с железом образуются растворимые соединения, коррозия протекает в еще большей. степени. Однако соли, дающие нерастворимые соединения с железом (например, Na2CO3, Na3P04 и т. п.) уменьшают коррозию, а соли с окислительными свойствами (например, К2Сг04) даже при незначительном содержании в растворах пассивируют железо. В растворах солей, катионы которых более электроположительны, чем железо (CuS04, NiS04 и т. п.), коррозия происходит вследствие вытеснения железом металла из солей.
В растворах щелочей на поверхности железоуглеродистых сплавов образуются нерастворимые продукты, защищающие их от коррозии. Образование защитных пленок начинается уже при рН > 9,5; но при концентрациях щелочей более 30%, особенно при повышенных температурах, защитное действие этих пленок резко снижается.
В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (например, в НС1), сталь, а тем более чугун, очень сильно разрушаются, В кислотах с окислительными свойствами (H2SO4, НNОз) на поверхности железа образуются защитные пленки, препятствующие дальнейшей коррозии. Это относится к сравнительно концентрированным кислотам. Так, НNОз при концентрации более 30% пассивирует железо, а при концентрации выше 50% практически не действует на него.
H2SO4 пассивирует железо при концентрации более 75%.
В органических кислотах, не являющихся окислителями, железоуглеродистые сплавы быстро разрушаются. В других органических средах (спирты, углеводороды, хлорпроизводные и т. п.) в отсутствие воды они практически не корродируют.
Разрушение железоуглеродистых сплавов наблюдается и в сухих газовых средах, особенно .при повышенных температурах (выше 300°С). Газовой коррозии способствует наличие окислителей, которыми чаще всего являются кислород воздуха, а также ,перегретый водяной пар при температурах выше 500 °С.
При 200—300 °С и давлении 300 кгс/см 2 водород вызывает водородную коррозию, в результате которой резко ухудшаются механические свойства металла. Причиной разрушения является диффузия водорода в металл, вызывающая в нем глубокие изменения, обусловленные образованием гидридов и их разложением. Кроме того, водород реагирует с карбидом железа
в результате чего происходит разрыхление структуры и постепенное обезуглероживание стали.
При высоких температурах и давлениях окись углерода, а также другие газообразные агенты вызывают коррозию.
Легированные стали. Для улучшения механических показателей и химической стойкости сталей в их состав могут вводиться специальные добавки, к которым относятся такие металлы, как никель, хром, титан, вольфрам, ванадий, марганец и др. Стали с такими добавками называются легированными. В зависимости от количества добавок они делятся на низколегированные (до 5% легирующих добавок), среднелегированные (5—10%) и высоколегированные (выше 10%).
При маркировке стали легирующие элементы условно обозначаются соответствующими буквами; Х — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Д — медь, С — кремний, Б — ниобий, Г — марганец, Ю—алюминий, В—вольфрам, Ф—ванадий, Р—бор и т. д. Цифра, стоящая после буквенного обозначения легирующего элемента, указывает примерное содержание (в %) данного элемента в сплаве; при содержании элемента до 1% цифра 1 опускается. В марках низколегированной стали цифры, стоящие слева от букв, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так, сталь марки 14Г2 содержит углерода около 0,14% (и марганца ~2%).
Из низколегированных сталей большое применение в аппарато- и котлостроении получила хромомолибденовая сталь марки 12МХ с содержанием молибдена около 0,5% и хрома около 0,5%. Из этой стали изготавливаются теплообменники, работающие при высоких температурах, горячие коллекторы и паропроводы высокого давления.
Высоколегированные стали (ГОСТ 5632—61) в зависимости от основных свойств подразделяются на три группы: к I группе относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой и др.); ко II группе— жаростойкие (окалиностойкие) стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и обладающие при этом стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С; к III группе— жаропрочные стали, выдерживающие высокие температуры в нагруженном состоянии и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.
Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является хром, влияние которого на коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности стали устойчивой защитной пленки окислов. Минимальное содержание хрома в нержавеющей стали должно составлять примерно 12%.
Дальнейшее повышение коррозионной стойкости стали достигается введением в нее никеля, титана, молибдена и других присадок. Широко применяются стали марок ОХ18Н10 (содержание хрома 18%, никеля 10% и содержание углерода не более 0,08%), Х18Н10Т (содержание хрома 18%, 10% никеля, титана до 0,8% и углерода не более 0,12%).
Повышение жаростойкости стали достигается в основном введением в сталь хрома, алюминия и кремния.
Легированные чугуны получаются подобно легированным сталям. Особый интерес представляют сплавы, известные под названием ферросилидов, или кремнистых чугунов, с содержанием кремния до 15—17% (марки С15, С17, ГОСТ 2233—70). Они стойки к HNO3 всех концентраций, даже при температуре кипения, к серной кислоте (до 98%), нагретой до 100°С, Однако стойкость их к НСl растворам едких щелочей и восстановительным средам недостаточна. Если ввести в состав ферросилида С15 3,5— 4% молибдена, получается кремнемолибденовый чугун марки С15М4, известный под названием антихлор. Этот материал пригоден для изготовления деталей, работающих в среде горячей НС1. Изделия из ферросилидов (отливки) обладают высокой твердостью, хрупкостью и плохо переносят местный или быстрый нагрев.
Для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воздействия горячих водных растворов или расплавов NaOH иКОН,используются щелочестойкие чугуны (СЧЩ-1, СЧЩ-2).
Металлургической промышленностью выпускаются высокопрочные чугуны (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2 и др., ГОСТ 7293—70), представляющие большой интерес как конструкционные материалы для химического аппаратостроения.
Медь и ее сплавы. Вследствие дефицитности, высокой стоимости и недостаточной химической стойкости во многих средах (минеральные кислоты, аммиак, хлориды и т. д.) медь находит ограниченное применение в качестве материала для химической аппаратуры. Однако она имеет очень ценное свойство - сохраняет пластичность при весьма низких температурах. Поэтому для аппаратуры, работающей в таких условиях, медь—очень удобный материал. Верхняя предельная температура применения меди 400 °С.
Следует отметить высокую теплопроводность меди (в 6—7 раз выше, чем у железа) и легкость ее обработки, как в холодном, так и в горячем состояниях.
В зависимости от количества примесей медь подразделяется на ряд марок: МО, Ml, М2, МЗ, М4 и др. (ГОСТ 859—66). Наименьшее количество примесей содержится в марке МО. Для изготовления, аппаратуры применяют медь Ml, М2 и МЗ.
Для изготовления отдельных деталей аппаратов, насосов, кранов широко используются различные медные сплавы — латуни и бронзы.
Латунями называют сплавы меди с цинком. Широко применяются латуни с содержанием цинка до 50%. Они обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Марки простых латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л62 (ГОСТ 15527—70); двухзначные цифры в марке означают среднее содержание меди. Латуни с большим содержанием меди (90—96%) называются томпаками.
Введение в латунь небольших количеств олова, никеля, алюминия, марганца, железа и других, добавок во многих случаях улучшает механические свойства сплава и его коррозионную стойкость—специальные латуни (например, алюминиевая— ЛА77-2, оловянистая—Л070-1, Л090-1, свинцовая — ЛС74-3, ЛС64-2 и др.).
Из бронз (сплав меди с алюминием или оловом) следует особо отметить алюминиевые (Бр. АЖН 10-4-4, Бр. АЖМц 10-3-1,5 и др.; ГОСТ 493—54), значительно превосходящие по коррозионной стойкости оловянистые бронзы и латуни. Они стойки в фосфористой, уксусной, лимонной и других органических кислотах, в условиях атмосферной коррозии, в морской воде и т. д.
Кремнемарганцовистая бронза марки Бр. КМцЗ-1 применяется для изготовления аппаратуры, работающей под давлением, а также для взрывоопасной аппаратуры, так как эта бронза не дает искр при ударах.
Никель и его сплавы. Никель и сплавы на его основе благодаря высокой механической прочности и значительной химической стойкости во многих агрессивных средах, пластичности и способности к обработке различными способами представляют большой интерес для химического аппаратостроения.
Никель выпускается пяти марок: Н-0, Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4 (ГОСТ 849—70). Для изготовления химической аппаратуры применяют две марки НП2 и НПЗ (в виде проката).
Никель отличается высокой стойкостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей, высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах во многих органических средах, в том числе в жирных кислотах, феноле, спиртах и т. д., выдерживает действие слабых холодных растворов соляной кислоты и ее солей.
Вследствие дефицитности и высокой стоимости никель применяется для изготовления 'аппаратуры сравнительно редко. Значительно чаще используются сплавы никеля с медью, молибденом и другими металлами, обладающими более высокой коррозионной стойкостью, чем никель.
Сплавы никеля с медью известны под названием монель-металл, они обладают высокой стойкостью в окислительных средах при температурах до.750°С и сохраняют механическую прочность до 500 °С. Монель-металл стоек в чистой НзР04 высокой концентрации при нагревании и в растворах HF всех концентраций (включая и безводный HF) при всех температурах вплоть до кипения при ограниченном доступе воздуха.
К другим высокостойким в агрессивных средах сплавам никеля относятся никельмолибденовые (Н70М26Л, Н65МЗОЛ, Н60М35Л), пригодные для отливки арматуры и отличающиеся высокой коррозионной стойкостью в слабых (до 5%) растворах соляной кислоты и 65—78%-ных растворах серной кислоты.
Алюминий. Высокой степени чистоты (не ниже 99,6%) алюминий стоек к действию кислот — азотной, ортофосфорной, уксусной — и очень многих органических сред. Сернистые соединения и газы, содержащие сероводород, сернистый ангидрид, пары серы, сухой хлористый водород, также не действуют на алюминий. Поэтому он находит применение в химическом аппаратостроении. Из алюминия изготовляют сборники, баки и цистерны для хранения и перевозки азотной кислоты, трубы, реакторы, теплообменники и другие аппараты, работающие без давления и при температуре стенок не выше 150 °С.
Марки алюминия А995, А99, АО и др. (ГОСТ 11069—64).
Находят применение сплавы алюминия с кремнием (силумины СИЛ-1 и СИЛ-2—сплавы алюминия с 10—13% кремния, отличающиеся высокой стойкостью к азотной кислоте), марганцем (АМд), магнием (АМг1,АМг2 и др.), медью и магнием (Д1, ДЛ6 и др.), бериллием.
Свинец. Обладает высокой химической стойкостью, особенно как в чистой H2S04, так и в ее растворах. Однако свинец весьма мало прочен. Поэтому его чаще всего применяют не непосредственно, а в качестве защитного покрытия стальных и чугунных аппаратов и деталей. Как самостоятельный материал он употребляется для изготовления труб.
Верхний температурный предел применения свинца 150— 200°С, при более высоких температурах он постепенно теряет прочность и коррозионную стойкость, что затрудняет его применение.
Для защиты от коррозии используют свинец маркиС2(ГОСТ 3778—65).
Серебро. Этот металл очень редко применяется для изготовления химической аппаратуры из-за высокой стоимости. Однако в отдельных производствах, где перерабатываются особенно сложные агрессивные смеси (например, производство хлоруксусной кислоты), он является единственным подходящим материалом.
Титан. Это самый перспективный материал для изготовления химического оборудования. Отличается исключительно высокой прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью, малой плотностью, высокой сопротивляемостью эрозии и усталостным напряжениям, хорошими технологическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, превосходящей в ряде случаев стойкость высоколегированных кислотостойких сталей.
Исключительные антикоррозионные свойства титана обусловлены образованием на его поверхности защитной окисной пленки. Поэтому титан стоек в тех средах, которые способствуют созданию такой пленки или, по крайней мере, не разрушают ее. Он стоек в разбавленной H2S04, разбавленной и концентрированной НNОз (за исключением дымящей), Н202, H2S, сухом и влажном хлоре, царской водке, уксусной и молочной кислотах, а также во многих других средах, агрессивных для большинства металлов. Для титана характерна исключительно высокая стойкость в морской воде; в НС1иНзР04 она зависит от концентрации кислот и их температуры. Титан стоек в очень разбавленных растворах этих кислот при относительно невысоких температурах, но с повышением концентрации кислот и их температуры скорость коррозии увеличивается.
Большим преимуществом титана перед другими коррозионно-стойкими металлами и сплавами является то, что его коррозионное разрушение протекает равномерно—межкристаллитнаяиточечная виды коррозии наблюдаются в очень редких случаях.
Однако титан взаимодействует при повышенных температурах с кислородом, азотом и водородом, а также с СО, CO2, NНз, водяным паром и многими летучими органическими соединениями. Марки технического титана: ВТ-1, ВТ1-2.
Представляют большой интерес также сплавы титана с различными металлами: алюминием, молибденом, хромом, ванадием и др. (например, марки ВТ4, ВТ5, ВТ14, ВТ15, ОТ4 и др.). Добавки этих металлов приводят к улучшению механических свойств и повышению коррозионной стойкости титана. Предельная температура эксплуатации титановых сплавов 350—500°С.
Несмотря на сравнительно высокую стоимость, титан и его сплавы быстро внедряются в химическую промышленность, главным образом для изготовления ответственных деталей химической аппаратуры.
Другие металлы. Помимо титана, важное значение, в химическом машиностроении приобретают цирконий, тантал, молибден, ниобий (и сплавы на их основе).
Отличительной характеристикой циркония является его стойкость в НС1, НNОз и H2S04 (до концентрации кислоты 80%).
По стойкости в щелочах цирконий превосходит титан и тантал; он стоек в горячих концентрированных растворах NaOH и обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью в морской воде при комнатной температуре.
Тантал стоек в горячей НС1 и в царской водке. Однако он нестоек к действию олеума, горячей НзР04, соединений фтора и концентрированных растворов щелочей. Следует также отметить склонность этого металла к водородной коррозии.
Читайте также: