Лекція №37

Навчальні питання:

1. Леговані сталі. Вплив легуючих елементів.

2. Маркування легованих сталей.

3. Класифікація легованих сталей.

Навчальне питання 1. Леговані сталі. Вплив легуючих елементів.

Легованими називають сталі з спеціально введеними легую­чими елементами, які помітно змінюють їх механічні і фізико- хімічні властивості. До таких елементів належать Сr, NI, W, Мо, V, Ті та ін. Марганець у кількості понад 1 % і кремній понад 0,5% також є легуючими.

Властивості легованих сталей визначаються кількістю введе­них легуючих елементів і характером їх взаємодії з основними компонентами — залізом і вуглецем. За цією ознакою легуючі елементи можна поділити на дві такі групи:

а) елементи, які не утворюють карбідів (Ni, Co, Si, Al, Cu);

б) карбідоутворюючі елементи (Сr, Мn, Мо, W, V, Ті, Zn, Nb).

Елементи першої групи у відпалених сталях розчинені у фе­риті, а в загартованих — у мартенситі або аустеніті. Тому наяв­ність їх у структурі сталі мікроскопічним аналізом виявити не можна.

Карбідоутворюючі елементи заміщують частину атомів заліза в цементиті, наприклад: (Fе, Сr)₈С, (Fе, Мn)₃С, (Fе, Мо)₃С, або утворюють спеціальні карбіди — VС, ТіС, ТаС та ін. При невеликій кількості вуглецю частина цих елементів може пере­бувати в твердому розчині.

Легуючі елементи істотно впливають на поліморфне пере­творення заліза. Одні з них (Ni, Со, Мn) знижують критичну точку A₃ (рис. 27, а) і підвищують А₄. Тому сталі, в яких вміст цих елементів перевищує концентрацію, що визначається точ­кою М, при кімнатній температурі мають аустенітну структуру і при нагріванні не зазнають фазових перетворень до початку плавлення. Інші елементи (Сr, Sі, V, Мо, W), навпаки, підви­щують точку A₃ i знижують A₄ (рис. 27,6). При концентрації цих елементів понад кількість, визначену точкою У, сталі мають феритну структуру і також не зазнають фазових перетворень при нагріванні.

Більшість легуючих елементів підвищують стійкість пере­охолодженого аустеніту: зсувають С-криві на діаграмі праворуч, тобто зменшують критичну швидкість охолодження. Це. дає можливість застосовувати при гартуванні легованих сталей менш інтенсивні охолодники (масло і навіть повітря) і цим зменшувати гартівні напруження. Зменшення критичної швид­кості гартування сприяє також поліпшенню прогартовуваності сталі. Так, введення 5% Ці збільшує критичний діаметр гарту­вання сталі з 12 до 50 мм, 5% W збільшує критичний діаметр гартування її до 90 мм, а 0,4% Mo — до 100 мм. Підвищена прогартовуваність е однією з головних переваг легованої сталі перед звичайною вуглецевою.

Багато легуючих елементів (Mn, Cr, Ni та ін.) знижують температуру початку М_п і кінця М_к мартенситного перетворен­ня, що веде до збільшення кількості залишкового аустеніту в загартованій сталі.

На перетворення в сталі при відпусканні впливають голов­ним чином карбідоутворюючі елементи. Леговані карбіди почи­нають виділятися в структурі при вищих температурах (450— 550° С), ніж цементит у вуглецевих сталях (200—250° С). Крім того, вони відзначаються високою дисперсністю і малою схиль­ністю до зростання. Тому зниження твердості і міцності загар­тованої сталі з такими карбідами при нагріванні сповільнюєть­ся і стає помітним тільки при температурі 550—650° С, тобто теплостійкість сталі підвищується.

Навчальне питання 2. Маркування легованих сталей.

Для маркування легованих сталей у Радянському Союзі взя­то буквено-цифрову систему. Відповідно до неї легуючі елемен­ти позначають такими буквами: А — азот (але не на кінці мар­ки), Б — ніобій, В — вольфрам, Г — марганець, Д — мідь, К — кобальт, М — молібден, Н — нікель, П — фосфор, Р — бор, С — кремній, Т — титан, Ф — ванадій, X — хром, Ц — цирконій, Ю — алюміній.

Дві перші цифри на початку марки конструкційних сталей показують середній вміст вуглецю в сотих частках процента, а цифри після букв — середній вміст позначеного цими буквами елемента в процентах. Наприклад, марка 18Х2Н4В означає сталь з таким складом: 0,18% С, 2% Сr, 4% Ni і близько 1% W.

При маркуванні інструментальних і деяких інших сталей іно­ді відходять від розглянутої системи позначень. Так, марка 4Х9С2 означає жароміцну сталь з 0,4 а не з 0,04% С; 1X13 — нержавіючу сталь з 0,1% С; 9ХС — інструментальну сталь з 0,9% С. У марках інструментальних сталей із вмістом вуглецю, більшим ніж 1%, цифри взагалі не пишуть. Наприклад, марка Х12М означає сталь із вмістом близько 1,5% С, 12% Сг і 1,5% Мо.

Букви в кінці марки означають таке: А — високоякісна сталь з мінімальним вмістом сірки і фосфору; Л — сталь, призначена для лиття; Я — сталь, розлита у вакуумі.

Деякі леговані сталі виділено в окремі групи і позначено бук­вами так: Ш — шарикопідшипникові; Р — швидкорізальні; Е — магнітні; Э — електротехнічні.

Виплавлені на заводі «Електросталь» дослідні сталі позна­чають буквами ЭИ (дослідні) або ЭП (спробні) і порядковим номером, наприклад: ЭИ 765, ЭП 389.

Навчальне питання 3. Класифікація легованих сталей.

Структури легованих сталей. Леговані сталі поділяють на класи залежно від того, яка структура утворюється в них після нормалізації зразків ∅ 25 мм. Розрізняють сталі перлітного, мартенситного і аустенітного класів.

П ер літну (сорбітну, трооститну) структуру після нормалізації мають сталі з невеликою кількістю легуючих елементів. У цих сталей крива охолодження перетинає діаграму ізотерміч­ного перетворення аустеніту в області високих температур (рис. 28, а).

Сталі мартенситного класу вміщують більше легую­чих елементів, ніж сталі перлітного класу. Тому діаграма їх ізо­термічного перетворення зміщена праворуч, а мартенситна точ­ка М_п — вниз. У цьому випадку крива охолодження при норма­лізації не перетинається з кривими діаграми, тобто аустеніт переохолоджується до точки М_п і перетворюється на мартенсит (рис. 28, б).

Для високолегованих сталей аустенітного класу діа­грама ізотермічного перетворення ще більше зміщена праворуч, а мартенситна точка — нижче 0° С. Тому при нормалізації струк­турні перетворення в цих сталях не відбуваються і аустеніт збе­рігається до кімнатної температури (рис. 28, в).

Крім того, сталі з великою кількістю карбідоутворюючих елементів і досить високим вмістом вуглецю звичайно виділяють у карбідний клас, а сталі з великим вмістом феритоутворю- ючих елементів (Сг, Бі) і малою кількістю вуглецю — у ферит ний клас.

За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні і сталі з спеціальними властивостями.

Конструкційні леговані сталі призначені для виготовлення деталей машин та інших конструкцій. Ці сталі повинні мати

високу міцність, ударну в’язкість і пружність. Цьому відлові дають низько- і середньолеговані сталі, які містять Мn, Sі, Сr, Ni (рідше) W, Мо, V. Марганець, кремній і хром підвищують міцність і твердість сталі. Нікель вводять у сталь головним чином для підвищення її прогартовуваності і ударної в’язкості. Вольфрам і молібден використовують як добавки (звичайно в хромонікелевих сталях) для підвищення міцності і твердості сталі, а ванадій — для збільшення пружності при підвищених температурах.

Марганцевисті конструкційні сталі містять марганцю до 2% (15Г, 20Г, 30Г2). Вони легко обробляються тиском і різанням, добре зварюються, після цементації мають більш в'язку і міцну, ніж цементовані вуглецеві сталі, серцевину. Застосовують їх для виготовлення зварних конструкцій, а також Виробів, які піддають цементації.

Хромисті сталі 15Х, 20Х застосовують для виготовлення деталей, що цементуються, які працюють при наявності тертя і потребують підвищеної міцності і в’язкості серцевини, а сталі 30Х і 40Х — для деталей, що гартуються (валів, осей, шесте­рень). Хромисті сталі з вмістом 0,9—1,1% С і 0,8—1,6% Сr (ШХ9, ШХ15) мають високу твердість і стійкість проти спрацю­вання; їх застосовують для виготовлення деталей шарико- і ро­ликопідшипників.

Хромонікелеві стаді е одними з найкращих конструк­ційних матеріалів. Після термічної * обробки вони набувають великої міцності, твердості і пружності в поєднанні з високою ударною в'язкістю. Наприклад, сталі 12ХНЗА, 15ХГНТ, 12Х2Н4А, 20ХГНР застосовують для виготовлення важконаван- тажуваних деталей, що цементуються, а сталі 37ХНЗА, 40ХН — для деталей, Що гартуються (валів, зубчастих коліс, осей і т. п.).

Xромомар ганцевокремнисті сталі 25ХГСА і ЗОХГСА, які називають хромансилями, відзначаються високою міцністю і доброю зварюваністю. Вони е основним матеріалом для виготовлення зварних конструкцій.

Хромонікельвольфрамов і хромонікельмо- лібденові сталі (наприклад, 30ХНВА, 40ХНМА) мають високі механічні властивості: велику в’язкість і міцність проти стомлюваності тощо. Ці сталі застосовують для виготовлення деталей, які працюють при великих навантаженнях і вібраціях.

Інструментальні сталі повинні мати високу твердість і стійкість проти спрацювання. Тому їх легують головним чином карбідоутворюючими елементами (Сr, W, V). Марганець і крем­ній вводять у ці сталі для підвищення їх прогартовуваності.

Залежно від призначення інструментальні сталі поділяють на сталі для різального, штампового і вимірювального інст­рументу.

Сталі для різального інструменту в свою чер­гу поділяють на такі, що призначені для роботи при незначному нагріванні (200—220° С) і для роботи при нагріванні до 600— 650º С. Останні називають швидкорізальними.

Сталі з теплостійкістю до 200—220°С застосо­вують для виготовлення свердел, мітчиків, плашок, розверток, зендерів, напилків і т. п. До них належать, наприклад, сталі марок X (1 % C; 1,4% Сr), ХВГ (1% С; 1,3% W; 1% Мn), 9ХС (0,9% С; 1,1% Сr; 1,3% Sі).

Швидкорізальні — це високолеговані сталі. Найпоши­реніша швидкорізальна сталь Р18 у середньому складається з -0,75% С, 18% W, 4% Сr і 1,2% V. Швидкорізальні сталі для інструментів, які працюють у важких умовах, додатково легують кобальтом і підвищеною кількістю ванадію (Р18К5Ф5).

Структура відпалених швидкорізальних сталей має до 25% карбідів, щоб надати сталі найкращих різальних властивостей треба максимальну кількість легуючих елементів перевести з карбідів у твердий розчин. Цього досягають гартуванням швид­корізальної сталі при температурі 1200—1300° С. Після такого гартування структура сталі складається з мартенситу, карбідів і залишкового аустеніту (близько 30%). Наступне дво- або три­разове відпускання при температурі 560° С зменшує вміст залиш­кового аустеніту до 3—5 %.

Для виготовлення штампів холодного деформу­вання металів застосовують сталі високої твердості і міц­ності. Ці сталі повинні мати і достатню в’язкість, оскільки штам­пи з них працюють при великих ударних навантаженнях. Такі властивості є в сталей марок Х12М, 4ХС, 4ХВ2С та ін.

До штампових сталей гарячого деформування металів ставлять вищі вимоги: вони повинні мати підвищені теплостійкість і теплопровідність, добру термостійкість (5ХНМ, 5ХНСВ).

Штампи для гарячої висадки і пресування нагрі­бають під час роботи до вищих температур, ніж кувальні. Тому для їх виготовлення застосовують високовольфрамові сталі і сталі, додатково леговані Мо, V і Sі, наприклад: ЗХ2В8, 4ХЗВ2М2Ф.

Сталі для вимірювального інструменту повин­ні Мати високу стійкість проти спрацювання, невеликий коефі­цієнт лінійного розширення і здатність тривалий час зберігати задані розміри. Цим вимогам відповідають сталі марок X і ХГ.

Сталі і сплави з спеціальними властивостями. До цієї гру­пи належать сталі і сплави, що мають особливі хімічні або фізичні властивості. Сталі ці поділяють на нержавіючі, жаро­міцні, жаростійкі (окалиностійкі), магнітні, з високим електро­опором, з особливими тепловими властивостями та ін.

Нержавіючі сталі мають високу корозійну стійкість у хімічно активних газових і рідких середовищах. Висока коро­зійна стійкість цих сталей забезпечується великим вмістом хро­му і нікелю.

Хромисті нержавіючі сталі 2X13, 3X13, 4X13 належать до мартенситного класу, тому вони призначені для виготовлен­ня виробів, які піддають зміцнювальній термічній обробці. З них виготовляють вали, штоки, клапани, пружини хімічного устаткування. Сталі марок XI7, Х25Т, Х28 належать до ферит­ного класу, а тому термообробкою зміцнити їх не можна. При­значені вони в основному для виготовлення деталей штампу­ванням.

Хромонікелеві нержавіючі сталі додатково легують титаном, молібденом, ніобієм і деякими іншими елементами (Х18Н9Т, Х16Н15МЗБ та ін.). Ці сталі високопластичні, добре штампуються і зварюються. Застосовують їх для виготовлення апаратури, яка працює в контакті з водяною парою, кислотами та іншими хімічно активними середовищами. Сталі типу Х18Н9Т належать до аустенітного класу, тому зміцнювальній термічній обробці їх не піддають. Гартування у воді температури 1150°С сприяє підвищенню їх пластичності.

Жароміцні і жаростійкі сталі і сплави. Під жаро­міцністю розуміють здатність сплавів зберігати міцність, а під жаростійкістю — чинити опір газовій корозії при високих темпе­ратурах.

У жароміцних сталях легуючі елементи — це Сr, Ni, Мо, W, Nb, Ті, В (наприклад, сталь 1Х14Н18В2БР). Жароміцні сталі застосовують для виготовлення деталей, що працюють тривалий час при температурах 600—750° С. Для роботи при температурах до 1000° С використовують складнолеговані сплави на основі ні- келю (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ та ін.).

Основними легуючими елементами в жаростійких сталях є Сr, Sі, А1 і Ni. Вміст 10—13% Сr робить сталь жаростійкою до 750° С, 15—17% Сr —до 800—900° С, а 25% Сг —до 1000° С. У промисловості широко застосовують жаростійкі сталі 1Х12СЮ, 1Х25Н25ТР та ін.

Магнітні матеріали поділяють на магнітотверді, які засто­совуються для виготовлення постійних магнітів, і магнітом’які, застосовувані для виготовлення магнітопроводів (осердь транс­форматорів, реле).

Як магнітотверді використовують сталі, леговані хро­мом, вольфрамом і кобальтом (ЕХЗ, ЕХ7В7, ЕХ5К5 та ін.), а та­кож спеціальні ливарні сплави типу алніко (А1 — № — Со), на­приклад: ЮНДК15, ЮНДК24.

До м а г н і том’я к и х матеріалів належать: технічно чисте залізо, електротехнічні феритні сталі з вмістом до 4% Sі, а також спеціальні сплави — пермалой, альсифер та ін. Пермалой— це сплав заліза з 45—80% Ni і деякими іншими елементами (Сr, Мо, Sі, Сu); альсифер — сплав заліза з 5,5% А1 і 9,5% Sі. Електро­технічну сталь і пермалой звичайно випускають у вигляді листів, альсифер — це ливарний сплав. Магнітні сталі і сплави піддають термічній обробці за спе­ціальними режимами.

Сплави з високим електроопором призначені для виготовлення електронагрівних елементів, приладів і печей. Ці сплави працюють при температурах до 1300° С, тому вони повинні мати високу жаростійкість. Цим вимогам відповідають так зва­ні фехралі — сплави заліза з хромом і алюмінієм (Х13Ю4, 0Х27Ю5А), а також ніхроми — сплави з хромом і нікелем (Х20Н80, Х20Н80ТЗ).

До сплавів з особливими тепловими власти­востями належать сплави заліза з нікелем, кобальтом та ін­шими добавками. Ці сплави в деякому інтервалі температур мають малий коефіцієнт лінійного розширення (інвар 36Н, супер- інвар 32НКД, ковар 29НК), деякі з них — пружні властивості, які не залежать від температури (елінвар 36НХИ),та ін.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.