методичка хз. текст методички. 1. Материаловедение Специи для стали
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
1.Материаловедение 1.1.Специи для стали Многообразие свойств сталей, достигается введением в их состав тех или иных полезных добавок, которые металлурги называют легирующими элементами. Что же они собой представляют? Подобно тому, как кулинар, чтобы приготовить вкусное блюдо, добавляет к нему разнообразные специи, так и сталевар, чтобы сварить сталь с ценными свойствами, вводит в металл те или иные легирующие элементы. У каждой приправы своя цель: одни улучшают вкусовые качества кушанья, другие делают его ароматным и аппетитным, третьи придают ему остроту, четвертые... Трудно назвать все назначения специй, но еще труднее перечислить все те замечательные достоинства, которые приобретает сталь при добавке хрома, никеля, титана, вольфрама, молибдена, ванадия, циркония и других элементов. Температура плавления большинства из них выше, чем у железа, поэтому лишь в необычайно щедрой на жар электропечи создаются благоприятные условия для введения этих тугоплавких компонентов в металл. Даже небольшие добавки, например, хрома придают стали твердость и износостойкость. Такие свойства необходимы шарикоподшипниковой стали, в состав которой, наряду с хромом (до 1,5%), входит углерод (около 1%). Образующиеся в стали карбиды характеризуются высокой твердостью, благодаря чему металл обретает способность уверенно сопротивляться одному из своих опаснейших врагов - износу. Другой давний и коварный враг большинства используемых в технике металлов - коррозия. Особенно тяжелый удар она наносит железу или, точнее, стали, которая является основой нашего материального мира. В распоряжении специалистов сегодня немало способов, позволяющих успешно отражать атаки коррозии на металлы. На помощь им приходят в частности, физика и химия, но, пожалуй, самый кардинальный путь борьбы с этим невидимым врагом, ни на один день, ни на один час, ни на одно мгновение не прекращающим свою "подрывную деятельность", - создание таких сплавов и сталей, которые коррозии, попросту говоря, не по зубам. Свою весомую лепту в это важное дело вносит тот же хром, входящий вместе с никелем в состав предложенной еще в начале нашего века и отлично себя зарекомендовавшей хромоникелевой нержавеющей стали. Она нашла широкое применение не только в технике, но и в изобразительном искусстве. Кто не знает, например, замечательную скульптуру В.И.Мухиной "Рабочий и колхозница"? Величественный 24-метровый монумент, который в 1937 году украшал советский павильон на Международной выставке в Париже, а сейчас возвышается у входа на Выставку достижений народного хозяйства в Москве, выполнен из нержавеющей стали, содержащей примерно 18% хрома и 10% никеля. Вот уже более полвека дожди, снега и ветры пытаются состарить "Рабочего и колхозницу", но содержащиеся в стали хром и никель надежно охраняют железо от атмосферных "агентов" коррозии, не позволяя им делать свое ржавое дело. Иные "обязанности" у другого легирующего металла - марганца, стаж работы которого превышает уже полтора века: еще в 1825 году "Горный журнал" упоминал о выплавке стали с применением марганца. В 1882 году английский металлург Роберт Гадфильд выплавил сталь с высоким содержанием этого элемента. За несколько лет до того, молодой шеффилдский металлург сделал следующую запись в своем исследовательском журнале: "Я начал эти опыты, имея в виду изготовление стали, которая была бы твердой и одновременно вязкой. Опыты привели к некоторым любопытным результатам, весьма важным и способным изменить существующие взгляды металлургов на сплавы железа". Результаты оказались действительно очень интересными. Сталь Гадфильда (так ее начали повсюду называть) была необычайно твердой, но самое удивительное заключалось в другом: под действием ударных нагрузок металл не только не разрушался, но и напротив, становился все тверже и тверже. Благодаря высокой твердости и износостойкости сталь Гадфильда, изготовляемая добавкой к железу богатого ферромарганца, быстро завоевала признание в промышленном мире: ее стали использовать для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации постоянно подвергаются сильным ударам и обычно быстро выходят из строя по причине истирания. Таковы, например, рельсовые крестовины, щеки дробилок, шары для шаровых мельниц, гусеничные траки. Разумеется, заинтересовались ударостойкой марганцовистой сталью и фирмы, выпускающие замки и сейфы. Ценной добавкой к броневой стали служит молибден, вводимый в нее в виде ферромолибдена. Этот легирующий элемент сделал неуязвимой для немецких снарядов броню англо-французских танков, появившихся на полях сражений первой мировой войны. Чем же объяснить такое чудодейственное влияние молибдена на свойства стали? Дело в том, что этот элемент задерживает рост зерна металла в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает ей мелкозернистую однородную структуру, благодаря которой сталь обретает прочность и другие ценные свойства. Вот почему она находит широкое применение в современной технике: стволы артиллерийских орудий и ружей, ответственные детали самолетов и автомобилей, паровые котлы и турбины, режущие инструменты и бритвенные лезвия - все это молибденовая сталь. Поспорить с молибденом за право считаться главной добавкой к железу в производстве орудийной и ружейной стали все основания имеет вольфрам. Впервые в нашей стране вольфрамовую сталь выплавил на Путиловском заводе в Петербурге профессор В.Н. Липин - один из организаторов производства в России легированной стали. Даже небольшое количество вольфрама, вводимого в сталь в виде сплава с железом - ферровольфрама, значительно повышало сопротивляемость ружейных и орудийных стволов разъеданию их пороховыми газами. Раньше других это сумели оценить немецкие инженеры: в годы первой мировой войны легкие германские пушки выдерживали до пятнадцати тысяч выстрелов, в то время как русские и французские орудия выходили из строя уже после шести-восьми тысяч выстрелов. Но, пожалуй, важнейшее амплуа вольфрама в электросталеплавильном производстве - создание быстрорежущей стали. Еще в 1864 году англичанин Роберт Мюшет впервые ввел вольфрам (примерно 5%) как легирующую добавку в сталь. Вошедшая в историю металлургии под названием "Самокал Мюшета", эта сталь могла выдерживать красное каление, не только сохраняя, но и увеличивая свою твердость, то есть обладала свойством самозакалки. Резцы, изготовленные из этой стали, позволили в 1,5 раза повысить скорость резания металла - 7,5 м в минуту вместо прежних 5. Спустя четыре десятилетия появилась быстрорежущая сталь содержащая уже до 8% вольфрама. Теперь скорость резания металла достигла 18 м в минуту. Прошло несколько лет, и скорость обработки металлов возросла еще примерно вдвое. Так за полвека вольфрам сумел повысить производительность металлорежущих станков в семь раз! К числу важнейших легирующих элементов по праву относится "витамин V" - так часто называют ванадий. Именно о нем сказал замечательный советский ученый и популяризатор науки академик А.Е.Ферсман: "...сказочны те силы, которые он придает железу и стали, вооружая их твердостью и прочностью, вязкостью и гибкостью, неразрушимостью..." Первые попытки применить ванадий в производстве стали относятся к началу нашего века. В 1905 году будущий автомобильный король Генри Форд присутствовал на крупных автогонках. Как часто случается на подобных состязаниях, здесь не обошлось без катастрофы. Спустя некоторое время Форд подошел к месту, где разыгралась трагедия, и подобрал там обломок детали одной из двух столкнувшихся машин – французской. Это была часть стрежня клапана. Казалось бы, деталь как деталь, но искушенный в этих вопросах Форд обратил внимание на ее небольшие размеры, и он решил подвергнуть металл испытаниям. Интуиция не подвела Форда: сталь оказалась очень прочной и твердой. 1.2. Классификация стали по содержанию примесей По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы Классификация сталей по качеству
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов. Стали качественные Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов. Стали высококачественные Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА. Стали особовысококачественные Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш. 1.3. Классификация стали по назначению По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали. Строительные стали К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д. Стали для холодной штамповки Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп. Цементируемые стали Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР). Улучшаемые стали К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали. Высокопрочные стали Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ. Пружинные стали Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР). Подшипниковые стали Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома до 1,5% (ШХ9, ШХ15). Износостойкие стали Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость. Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть: ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар); ферритной (15X28) - для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной (12Х18НЮТ) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах; мартенситно-стареющей (ЮХ17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочной кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот. Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные. Коррозионно-стойкие стали Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С. Жаропрочные стали Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.). Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Со и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74): при 400-550°С -15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500-600°С -15Х5М, 40ХЮС2М, 20X13; при 600-650°С -12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, ЮХЦН23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ. Жаростойкие стали Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при . 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием. |