2.2 Влияние легирующих элементов. Маркировка легированных сталей
Для улучшения физических, химических, прочностных и
технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.
Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его.
Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель — элементы с решеткой, отличающейся от решетки -Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сr и 1,5% Мn.
Повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Улучшение прокаливаемости стали достигается при ее легировании несколькими элементами, например Сr + Мо, Cr + Ni, Cr + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.
Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.
Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает ее чувствительной к перегреву. Всвязи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.
Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2…0,4% и вольфрам в количестве 0,8…1,2% в комплексно легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан — сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002…0,005%).
Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.
Цементуемые стали — это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко – (до 2,5%) и среднелегированные (2,5…10% суммарное содержание легирующих элементов) стали.
Улучшаемые легированные стали — среднеуглеродистые (0,25…0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали термически улучшают, подвергая закалке и высокому отпуску (при 500…600°С).
Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ 4543–71):
хром (X), 8. алюминий (Ю),
никель (Н), 9. ванадий (Ф),
марганец (Г), 10. медь (Д),
кремний (С), 11. бор (Р),
молибден (М), 12. кобальт (К),
вольфрам (В), 13. ниобий (Б),
титан (Т) 14. цирконий (Ц),
Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%.
В качественных конструкционных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные — Ш. Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9…1,0% углерода; 17…19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.
Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435–99) выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г, например У8Г, после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца, что обеспечивает большую твердость сплава.
Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет
букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь
высокого качества, содержащая 1,2% С.
Легированные инструментальные стали имеют ГОСТ 5950– 2000. Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).
Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5% легирующих элементов. В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент — хром.
Высоколегированные инструментальные стали (быстрорежущие) (ГОСТ 19265–73) содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600…640°С). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывают содержание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие стали дополнительно вводят молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких сталей содержат соответственно буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество.
Коррозионно-стойкая (или нержавеющей) сталь. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12%.
К жаростойким относят стали, содержащие алюминий, хром, кремний. Они не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30% Сr, устойчива при температуре до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаростойкость хромистых сталей. Стойкость таких материалов при высоких температурах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных пленок, состоящих из оксидов легирующих элементов (хрома, алюминия, кремния).
жаропрочные стали., содержат хром, кремний, молибден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более.
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы.
Электротехническое железо (марок Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ = (2,78/3,58)·109 ГГн/м.
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si — марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si — Э21, Э22; с 3% Si — Э31, Э32; с 4% Si — Э41—Э48. Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электротехнических свойств.
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe2O3 и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление.
Износостойкие стали — шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.
Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для изготовления шариков и роликов подшипников. По химическому составу (ГОСТ 801–78) и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей. Они содержат около 1% Сu, 0,6…1,5% Сr.
Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5…2% С и до 2% Сr). Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна.
Высокомарганцовистую сталь Г13Л, содержащую 1,2% С и 13% Мn. Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закалкой (при температуре 1000…1100°С) при охлаждении на воздухе.
Глава 3 Характеристика и область применения на примере ножа просечного из стали марки 9ХС (инструментальной)
Легированные инструментальные стали имеют ГОСТ 5950– 2000. Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам). По сравнению с углеродистыми легированные инструментальные стали имеют преимущества:
хорошая прокаливаемость;
большая пластичность в отожженном состоянии;
значительная прочность в закаленном состоянии, более высокие режущие свойства.
Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62…69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200…260°С). Их используют для изготовления инструмента более сложной формы. В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент — хром.
3.1 Характеристика сталь марки 9ХС
Марка: 9ХС(заменители: ХВГ, ХВСГ).
Класс: Сталь инструментальная легированная.
Расшифровка марки стали 9ХС: первая цифра говорит о том, что сталь содержит 0,9% углерода, а буквы Х и С о том что в данной марке имеется до 1,5% хрома и кремния, таким образом становится ясно, что это легированная сталь. По сравнению со сталью X она имеет большую прокаливаемость — до 35 мм; повышенную теплостойкость — до 250…260°С (сталь X — до 200…210°С) и лучшие режущие свойства.
Вид поставки: сортовой прокат, фасонный, калиброванный пруток,
шлифованный пруток и серебрянка, поковки и кованные заготовки.
Использование в промышленности: сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Ответственные детали, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами.
Химический состав в % стали 9ХС
|
C
|
0,85 - 0,95
|
|
Si
|
1,2 - 1,6
|
Mn
|
0,3 - 0,6
|
Ni
|
до 0,35
|
S
|
до 0,03
|
P
|
до 0,03
|
Cr
|
0,95 - 1,25
|
Mo
|
до 0,2
|
W
|
до 0,2
|
V
|
до 0,15
|
Ti
|
до 0,03
|
Cu
|
до 0,3
|
Fe
|
94
|
Инструмент из стали 9ХС и его термообработка: Инструментальная сталь 9ХС – сплав, из которого создают некоторые строительные инструменты. Также из него делают режущие бытовые и промышленные заготовки (рис. 5).
Термообработка: Состояние поставки.
Температура ковки, °С: начала 1180, конца 800. Сечения до 200 мм охлаждаются в колодце.
Твердость материала: HB 10 -1 = 241 МПа.
Температура критических точек: Ac1 = 770 , Ac3(Acm) = 870 , Ar1 = 730 , Mn = 160.
Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций.
Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 221, К υ тв. спл=0,9 и Кυ б.ст=0,5.
Флокеночувствительность: не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: склонна.
Таблица 1
Механические свойства стали 9ХС
Механические свойства стали 9ХС
|
ГОСТ
|
Состояние поставки,
режим термообработки
|
Сечение,
мм
|
σ0,2
(МПа)
|
σв
(МПа)
|
Ψ
%
|
KCU
(кДж / м2)
|
НВ,
не более
|
Изотермический отжиг 790-10 °С. Температура изотермической выдержки 710°С
|
--
|
295-390
|
590-690
|
50-60
|
--
|
(197-241)
|
Закалка 870°С, масло. Отпуск:
180-240°С
450-500°С
|
до 40
до 30
|
--
--
|
--
--
|
--
--
|
78
--
|
59-63
4650
|
*Температура отпуска рекомендуется для цанг и других деталей пружинного типа,
а также нагруженных валов.
| |
Скачать 483.38 Kb.