Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

1. Общая классификация сталей.

2. Маркировка сталей.

3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

4. Стали обыкновенного качества. Классификация.

Стали классифицируются по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7%С).

Легированные стали в зависимости от введенных элементов делят на хромистые, марганцовистые, хромо-никелевые, хромо-кремниево-марганцовые и другие.

По количеству введенных элементов их классифицируют на низко-, средне - и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных - от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.

По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.

Конструкционные стали представляют собой наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. Среди них можно выделить цементируемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента; штампов холодного и горячего деформирования. К сталям специального назначения относят коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, электротехнические стали.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых процессом ее производства.

Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (О₂, Н₂, N₂) и вредных примесей, например, S и Р. Но количество примесных газов трудно определить, поэтому основными показателями качества сталей служат нормы содержания вредных примесей.

Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07%Р, качественные не более 0,04% S и 0,035%Р; высококачественные не более 0,025% S и 0,025% P, особо высококачественные не более 0,015% S и 0,025%Р.

Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми (до 0,5%С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особо высококачественные – легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла О₂, иначе сталь хрупко разрушается при горячем деформировании. Спокойные стали раскисляют Mn, Si и Al. Такие стали содержат мало О₂ и спокойно, без газовыделения затвердевают. Кипящие стали раскисляют только Mn. Перед разливкой в них содержится повышенное количество О₂, который частично взаимодействуя с углеродом при затвердевании удаляется в виде “СО”.

Выделение пузырей СО производит впечатление кипения стали. Кипящие стали дешевы, их производит низкоуглеродистыми и практически без Si (Si≤ 0,07%), но с повышенным содержанием газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре сталь классифицируют в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном (равновесном) состоянии стали делят на 6 классов:

1. Доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит.

2. Эвтектоидные, структура которых состоит из перлита.

3. Заэвтектоидные, имеющие в структуре вторичные, выделяющиеся из аустенита карбиды.

4. Ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды.

5. Аустенитные.

6. Ферритные.

В отличие от легированных, углеродистые стали могут быть 1х 3-х классов.

Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества элементов (Ni, Mn), расширяющих g - область, стали ферритного класса – при введении элементов, расширяющих a-область (Cr, Si, V, W).

При легировании возможна частичная перекристаллизация (a↔g) и образование промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (А'). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которых могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды.

К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых и широко применяемых сталей.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью А'. При охлаждении на воздухе они закаляются в мартенсите. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенного количества Ni или Mn (обычно в сочетании с Cr) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 ^оС и сохраняют аустенит при комнатной температуре. В перлитной и промежуточной областях аустенит не распадается.

Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по той и другой классификации.

Маркировка сталей.

Углеродистые стали, за исключением сталей обыкновенного качества, маркируются по содержанию углерода. Марка легированной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТу 4543-71 принято обозначать N₂ – A, Se – E, P – П, РЗЭ – Ч, Cr - X, Ni – H, Mn - Г, Si-C, Mo-M, W – B, Ti – T, V - Ф, Al - Ю, Cu - Д, Nb - Б, бор – Р, Co – K. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента, %. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента содержится меньше или около 1%.

В конструкционных сталях две цифры в начале марки показывают содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 20ХН3А в среднем содержит 0,2%С, 1% Cr и 3% Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная.

Особо высококачественные имеют в конце марки букву Ш, например, 30ХГС-Ш. Иногда в сложнолегированных сталях некоторые цифры опускаются.

Особые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих – с буквы Р, электротехнических – с буквы Э, магнитотвердых – Е, автоматных – с буквы А.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

1. Классификация.

2. Углеродистая инструментальная сталь.

3. Легированная инструментальная сталь.

4. Быстрорежущая сталь.

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HRC 60-65), прочностью и износостойкостью. Применяют для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит – избыточные карбиды.

По назначению инструментальные стали в основном разделяются на 4 группы: 1.для режущего инструмента; 2. для холодных штампов; 3. для горячих штампов; 4. для измерительного инструмента.

1. Для режущего инструмента применяют углеродистые стали, преимущественно высокоуглеродистые (заэвтектоидные) и легированные перлитного и карбидного классов, поставляемые со структурой зернистого перлита.

По составу сталь для режущего инструмента разделяется на следующие 3 подгруппы: углеродистая и легированная с небольшой прокаливаемостью; легированная с большой прокаливаемостью; быстрорежущая. Исключительно важное значение для режущего инструмента имеют твердые сплавы (не относящиеся к сталям), которые находят все большее применение, особенно при скоростной обработке.

За последнее время появились керамические (неметаллические материалы) для режущего инструмента, которые допускают еще большие скорости резания, чем твердые сплавы и при этом более дешевые.

Сталь для режущего инструмента после закалки и отпуска должна отличаться высокой твердостью и износостойкостью, а вместе с тем небольшой хрупкостью, чтобы не выкрашиваться в работе.

2.Стали для холодных штампов делят на 4 подгруппы: углеродистые малой прокаливаемости; легированные повышенной прокаливаемости; легированные карбидного класса, имеющие повышенную износостойкость; повышенной вязкости.

Стали 1х 3х подгрупп с высоким соединением углерода – эвтектоидные и заэвтектоидные – после термической обработки должны быть твердыми, износостойкими, прочными и достаточно вязкими. Стали 4-й подгруппы со средним содержанием углерода – доэвтектоидные – должны иметь повышенную вязкость.

3. Стали для горячих штампов делят на молотовые, высадочно-прессовые, для прессформ (форм для литья под давлением).

Сталь для молотовых штампов должна отличаться большой прокаливаемостью [т.е. достаточной твердостью и износостойкостью при повышенных температурах], удовлетворительной теплопроводностью. Она должна хорошо сопротивляться тепловой усталости, проявляющейся в образовании сетки трещин на рабочей поверхности штампа.

Сталь для высадочно-прессовых штампов в сравнении со сталью для молотовых штампов подвергается меньшей ударной нагрузке, но более продолжительное время соприкасается с горячим металлов. Подобная сталь должна иметь большую сопротивляемость тепловой усталости и большую прочность. Ударная вязкость может быть меньше.

Сталь для прессформ и для литья под давлением работает в очень тяжелых условиях. Она охлаждается водой, подвергается термическим напряжениям, изнашивается и разъедается жидким металлом.

4. Сталь для измерительного инструмента не должна изменять со временем свои размеры: от нее требуется высокая поверхностная твердость, хорошее сопротивление износу и достаточная вязкость.

В ГОСТах и технических условиях инструментальная сталь по химическому составу, т.к. одна и та же марка инструментальной стали может иметь разное назначение и требовать различной термической обработки инструмента.

Инструментальная сталь [по ГОСТ] разделяется на углеродистую, легированную и быстрорежущую.

Быстрорежущая сталь.

Быстрорежущей называется сталь, которая после термической обработки сохраняет структуру высоколегированного, отпущенного мартенсита с карбидами. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Режущие свойства сохраняются при высоких скоростях резания, когда инструмент продолжительное время нагревается до 560 ^оС.

У инструментальной углеродистой стали, например, У10 или У10А, после закалки и отпуска при 150⁰С получается структура отпущенного мартенсита с мелкими частицами цементита. Высокая твердость при последующем нагреве сохраняется только до 150⁰С. При работе таким инструментом нельзя допускать нагрева его режущей кромки выше 150⁰С, что ограничивает скорость резания.

Режущая кромка инструмента из термически обработанной быстрорежущей стали во время работы может нагреваться до 500⁰С без изменения структуры и свойств, поэтому для такого резца можно увеличить скорость резания в 8-10 раз по сравнению с инструментом из стали У10 или У10А.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – W в %. Среднее содержание V в стали обозначают цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта – цифрой за буквой К и т.д. Среднее содержание Cr в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и в обозначении марки стали не указывается.

Наиболее распространенными марками БРСТ являются Р18 и Р9, применяемые для обработки мягких и средней твердости материалов. Химический состав Р18: С=0,7-0,8%, W=17,5-19,0; V=1,0-1,4; Cr=3,8-4,4; Р9 – С 0,85-0,95; W=8,5-10,0; V=2,0-2,6; Cr=3,8-4,4.

Сталь Р18Ф2 отличается повышенной стойкостью при удовлетворительной шлифуемости, а стали Р14Ф4 и Р10К5Ф5 применяются для обработки нержавеющих и жаропрочных сплавов и твердых материалов.

Влияние легирующих элементов: W обеспечивает красностойкость быстрорежущей стали. Gr способствует большей прокаливаемости. V в нормальном количестве способствует стойкости карбидов и повышает производительность режущего инструмента. Однако, повышение содержания V требует увеличения содержания углерода. Избыток V ухудшает шлифуемость быстрорежущей стали.

Сложные карбиды W, Cr и V с трудом растворяются в аустените. W, вследствие большого атомного объема, а V из-за большого химического сродства с углеродом при отпуске не перемещаются в решетке Fe, и вследствие этого, твердость сохраняется даже при повышенных температурах (до 560⁰С).

“Со” присутствует в твердом растворе и не влияет на карбиды. При содержании более 5%,“Со” повышает твердость, красностойкость и режущие свойства стали, но увеличивает ее хрупкость и способствует обезуглероживанию.

Литая БР сталь имеет в структуре карбиды, главным образом в составе эвтектики, которая в результате прокатки и ковки разрушается и дает отдельные карбиды в виде зерен разной величины. Структура кованой и отожженной БР стали состоит из сорбитообразного перлита и частиц двойного карбида (Fe₂W₂)C. В свою очередь, сорбитообразный перлит состоит из ферритной основы и мельчайших частичек того же карбида, называемого эвтектоидным.

Cr и V находятся в БР стали в твердом растворе в двойном карбиде (Fe₂W₂)С или феррите.

Пороком структуры БР стали является карбидная полосчатость. Она сильно снижает прочность режущего инструмента при нагружении вдоль хрупких полос карбида.

При нагреве под закалку карбиды растворяются в аустените, увеличивая его легированность. Но, общее количество карбидов, содержащихся в быстрорежущей стали, превышает их предельную растворимость в аустените, поэтому часть карбидов остается в структуре. Это увеличивает износостойкость режущей кромки и препятствует росту аустенитного зерна. Таким образом, создается природная мелкозернистость аустенита, в связи с чем Бр сталь имеет мелкий фарфоровидный излом. Большое количество первичных и вторичных карбидов в структуре стали Р18 являются ее преимуществом перед сталью Р9.

Высокие режущие свойства Бр сталь получает только после соответствующей термической обработки.

Бр сталь Р9 имеет 2 области температур быстрого превращения:

1. Перлитную (в пределах 700-800⁰С), где при достаточном времени изотермической выдержки превращение аустенита может полностью завершиться.

2. Промежуточную (250-350⁰С), в которой хотя превращение аустенита начинается рано, но протекает медленнее и останавливается при содержании аустенита приблизительно 60%.

В области температур 370-600⁰С аустенит Бр стали очень устойчив.

Положение точек Мн и Мк, т.е. начала и конца мартенситного превращения, находится в зависимости от температуры нагрева для закалки Бр стали: чем выше температура закалки, тем легированнее аустенит Бр стали и тем ниже положение точек Мн и Мк.

После прокатки или ковки Бр сталь подвергают изотермическому отжигу, чтобы понизить ее твердость и облегчить механическую обработку. После нагрева выше точки Ас₁ (880⁰С) с соответствующей выдержкой, производится охлаждение до температуры наиболее быстрого перлитного превращения аустенита в сорбитообразный перлит.

После отжига структура Бр стали должна состоять из сорбитообразного перлита с включением большого количества карбидов.

Твердость отожженной Бр стали не должна превышать НВ255.

Магний и его сплавы.

Из применяемых в машиностроении металлов и сплавов магний является наиболее легким (d»1,7). Температура кипения 1097⁰С. При температуре, близкой к Тпл (650⁰С), Mg легко воспламеняется и горит ослепительным пламенем, выделяя много тепла.

Механические свойства Mg, особенно предел текучести, очень низки и потому он применяется только в сплавах.

Mg и его сплавы отличаются относительно плохой деформированностью. Основными легирующими элементами в сплавах Mg являются Al, Zn и Mn. Алюминий добавляется в сплавы магния в количестве 11% и увеличивает их механические свойства. Цинк добавляется в количестве до 2%, повышая механические свойства меньше, чем алюминий, увеличивает пластичность и улучшает их литейные качества.

Mn увеличивает сопротивление коррозии, для чего добавляют 0,1-0,5% Mn.

Вредными примесями в сплавах магния являются Ni, Fe, Cu и Si.

Магниевые, как и алюминиевые сплавы подразделяют на 2 группы:

1. Литейные сплавы – для получения деталей методом фасонного литья, маркируются буквами Мл.

2. Деформируемые сплавы, подвергаемые прессованию, прокатке, ковке, штамповке и другим видам обработки давлением, маркируются буквами МА.

Термическая обработка магниевых сплавов имеет много общего с термической обработкой алюминиевых сплавов. Обычно их отжигают в течение 15-20 часов при температуре 400-420⁰С. Для устранения наклепа магниевые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ~ 350 ^oС.

Некоторые магниевые сплавы могут быть упрочнены закалкой и старением. В зависимости от состава закалку осуществляют при нагреве до 380-540 ^oС, а последующее старение – при 150-200 ^oС. Прочность магниевых сплавов в процессе старения можно повысить на 20-35%.

Из литейных сплавов наибольшее применение получили сплавы Мл5 [7,5-9,0 Al; 0,2-0,8 Zn; 0,15-0,5 Mn] и Мл6 [9-10,2 Al; 0,6-1,2 Zn; 0,1-0,15 Mn]. Достоинства литейных сплавов: меньший удельный вес по сравнению со сплавами Al, хорошая обрабатываемость режущим инструментом.

Недостатки: низкая устойчивость против коррозии, худшие, по сравнению с алюминиевыми сплавами литейные свойства, необходимость мер предосторожности для предотвращения загорания сплава.

Деформированные сплавы магния близки к литейным и принадлежат к системам Mg-Mn; Mg-Al-Zn. Применяют их в основном для изготовления деталей горячей штамповкой в интервале температур 280-450⁰С для улучшения их пластичности, т.к. гексагональная решетка магния затрудняет их пластическую деформацию при комнатной температуре.

Наиболее прочны деформируемые сплавы – МАЗ и МА5, содержащие в среднем (соответственно) 6 и 8,5% алюминия при 1,0 и 0,5 цинка и 0,3% марганца.

Предел прочности у этих сплавов достигает σ_в 30-35 кГ/мм² (294-343 Мн/м²). Сплав МА1, содержащий в среднем 2% Mn без других компонентов, применяется как листовой материал и имеет повышенную пластичность, но меньший предел прочности (σ_в ≈ 20 кГ/мм², 196 Мн/м^2).

Для предохранения от коррозии магниевые сплавы обрабатываются раствором Н₂О+К₂Cr₂0₇+HNO₃ и тщательно окрашиваются.

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

1. Характеристика меди.

2. Классификация медных сплавов. Латуни.

3. Оловянные бронзы.

4. Алюминиевые бронзы.

5. Кремниевые, бериллиевые, свинцовые бронзы.

В электромашиностроении и при производстве проводов очень широко применяется чистая медь, которая по электропроводимости занимает среди металлов 2-е место после серебра. Медь – вязкий металл красновато-розового цвета. Кристаллическая решетка меди – куб с центрированными гранями.

Микроструктура чистой меди состоит из зерен с характерными двойниками. Медь отличается хорошей теплопроводимостью и стойкостью против атмосферной коррозии.

Присутствие даже незначительных количеств других элементов может сильно понизить ее электропроводимость. Нерастворимые в меди и неметаллические включения (Pb, Bi, S-стые и О₂-е включения) мало изменяют ее электропроводимость.

Элементы, образующие твердые растворы с медью по-разному влияют на ее электропроводимость. Например, полностью растворимое в медь серебро очень мало снижает ее электропроводимость. Элементы, ограниченно растворимые в твердом состоянии, например, As резко снижают электропроводимость меди, причем, чем меньше растворимость, тем больше снижается электропроводимость.

Различные элементы могут сжижать или расширять решетку меди, но чем сильнее они искажают ее, тем больше снижение электропроводимости. Так, Ni полностью может растворяться в меди, но вызывает большое снижение электропроводимости вероятно потому, что Ni сильно сжимает решетку меди.

Медную проволоку используют тогда, когда не требуется высокая механическая прочность. Утроить предел прочности в случае необходимости можно добавками Cd (0,8-1,0%). Электропроводимость при этом составляет приближенно 90% от электропроводимости чистой меди.

Оловянные бронзы.

Оловянистая бронза – один из старейших металлических сплавов. Медь дает с Sn диаграмму состояния, состоящую, подобно меди с цинком, из ряда перитектических диаграмм. Однако, влияние олова на структуру сплавов эффективнее влияния цинка приближенно в 2 раза. Оловянистые бронзы подвержены сильной дендритной ликвации [на что указывает очень большое расстояние между линиями ликвидус и солидус на диаграмме состояния Cu-Sn].

В системе Cu-Sn образуется a - твердый раствор Sn и Cu с ГЦК решеткой и ряд проме­жуточных твердых растворов, полученных на основе соединений электронного типа. Основой b - твердого раствора является соединение Cu₅Sn с отношением числа валентных электронов к числу атомов 3/2; основой g - твердого раствора – соединение Cu₃₁Sn₈ (21/13) и основой e - твердого раствора Cu₃Sn – 7/4.

Структура промышленных оловянистых бронз из-за малой скорости диффузии олова в меди, а также по причине сильной ликвации не всегда соответствует диаграмме сплавов Cu-Sn. Из-за малой скорости превращения литые бронзы с 8-10% Sn состоят из a - твердого раствора в Cu неоднородной концентрации и эвтектоида. Дендриты бронзы, богатые медью, при травлении темнеют, а междендритные пространства, богатые оловом, а также эвтектоид, остаются светлыми.

Если в бронзе присутствует цинк, он полностью находится в твердом состоянии и не обнаруживается под микроскопом. Он улучшает ее механические свойства и жидкотекучесть. Свинец присутствует в виде отдельных темных включений, которые можно различить даже без травления. Он улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость режущим инструментом. Никель повышает механические свойства, измельчая зерно.

Фосфор служит раскислителем и устраняет хрупкие включения оксида олова, повышает жидкотекучесть, износостойкость и антифрикционные свойства. Химический состав оловянистых бронз: БрОЦС6-6-3, Sn 6, Zn 6, 3%Pb.

Наилучшими литейными свойствами – минимальной усадкой – обладают оловянистые бронзы, например, БрОФ-10-1, называемая фосфористой, но она дорогая. Более дешевые и доступные вторичные бронзы, получаемые при переплавке лома и отходов, например, БрОЦС6-6-3.

Алюминиевые бронзы.

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозийными и антифрикционными свойствами. Они широко применяются. Бывают двойные, например, марки БрА5 (алюминий 5%) и многокомпонентные с присадками Fe, Mn, Ni, марки БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН-10-4-4.

В a - твердом растворе может находиться до 9,8% Al. Двойная алюминиевая бронза марки БрА5 отличается высокой прочностью и пластичностью и хорошо поддается как холодной, так и горячей обработке давлением.

Многокомпонентные сплавы прочнее и технологичнее, но менее пластичны.

Железо замедляет фазовую перекристаллизацию алюминиевой бронзы за счет образования крупнозернистой и хрупкой g - фазы при охлаждении отливок. Mn входит в твердый раствор и повышает прочность и коррозионные свойства бронзы. Никель улучшает механические свойства бронз при повышенных температурах, увеличивает износостойкость и создает возможность их термической обработки.

По сравнению с оловянистыми бронзами алюминиевые обладают несколько худшими литейными качествами: дают большую усадку, больше склонны к образованию трещин при затрудненной усадке. Неблагоприятные условия плавки и заливки способствуют большому насыщению газами и окислению. У алюминиевых бронз из-за образования оксида алюминия труднее получаются герметичные отливки сложной формы, труднее поддаются пайке.

Но многокомпонентные алюминиевые бронзы широко применяются для отливок и штамповок как качественные заменители оловянистых бронз.

5.Кремнистая бронза: БрКМц 3-1 идет на изготовление пружин.

Бериллиевая: Бр-Б2 после закалки и старения имеет высокие механические свойства. Если после закалки при 800⁰С бериллиевая бронза имеет σ_в=50 кГ/мм² (490 Мн/м²), d ≈ 30% и НВ ~ 100, то после старения в течении 2 часов при 350 ^оС твердость увеличится до НВ400, предел прочности σ_в =130¸150 кг/мм² (1275-1470Мн/м²), но относительное удлинение падает до δ = 1,5÷2 %.

Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,95%Рв), поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен и заполняют междендритные пространства.

Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это определяет широкое применение бронзы БрС30 для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводимость бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПЛАВЫ

1. Нержавеющая сталь.

2. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.

3. Стали с высоким электрическим сопротивлением.

4. Стали с особым тепловым расширением.

5. Магнитные стали и сплавы.

6. Титан и его сплавы.

Развитие ядерной, нефтяной и химической промышленности вызвало бурный рост производства сплавов с особыми физическими и химическими свойствами.

Основным требованием, предъявленным к специальным сплавам, является обеспечение определенного уровня физических свойств.

В зависимости от назначения, стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами можно разделить на следующие 5 групп:

1. Нержавеющие стали с высоким сопротивлением коррозии и действию кислот.

2. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

3. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.

4. Стали с особым тепловым расширением.

5. Магнитные стали и сплавы.

Механические свойства этих сталей и сплавов чаще имеют второстепенное значение, но многие из них должны иметь химических состав высокой точности и строго соблюдаемую технологию производства.

Сталь с высоким сопротивлением коррозии, т.е. по отношению к химическому или электрохимическому разрушению металла вследствие взаимодействия с внешней средой, называется нержавеющей.

Высокое сопротивление коррозии нержавеющей стали объясняется очень большим содержанием в ней хрома. Оксиды хрома (FeCr)₂О₃ образуют на ее поверхности очень тонкую, но достаточно прочную и непроницаемую (благодаря структурному соответствию с основным металлом) защитную пленку.

При нарушении целостности этой защитной пленки коррозионная стойкость нержавеющей стали снижается (например, окалина, царапины и риски после механической обработки, неметаллические включения).

Нержавеющие стали разделяются в основном на 2 типа: мартенситные (хромистые) и аустенитные (хромо-никелевые или хромо-марганцевые), например, состав коррозионно-стойких сталей по ГОСТ 5632-61 таков: мартенситно-ферритная сталь марки 1Х13 содержит 0,09-0,015% С, 12,0-14,0Cr.

Мартенситная сталь 2Х13 содержит 0,16-0,24% С, 12-14 Cr, аустенитная сталь Х18Н9Т содержит менее 0,12С, 17-19Cr, 8,0-9,5 Ni, (С-0,02)х5-0,7Ti.

Ферритная сталь ОХ17Т содержит менее 0,08 С, 16-18 Cr, 5С-0,8 Ti. По назначению эти стали разделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные низкоуглеродистые стали, 1Х13 и 2Х13 должны содержать не менее 12% хрома. Термическая обработка деталей из сталей 1Х13 и 2Х13 заключается в закалке их при 1000⁰С в масле и отпуске при 600-700⁰С с целью получения сорбитной структуры. Такие стали отличаются хорошей ковкостью и вязкостью, из них изготавливаются турбинные лопатки, детали для холодильного оборудования и т.д. Сталь 2Х13, а иногда и сталь 3Х13 применяется для деталей, работающих при высоких напряжениях.

Инструментальные хромистые нержавеющие стали 3Х13 и 4Х13 применяются для изготовления ножей, хирургического инструмента, пружин.

Режущий инструмент из этих сталей закаливают при 1050 ^оС в масле и отпускают при 200-280 ^оС до HRC 48-56. Структура стали после термической обработки состоит из отпущенного мартенсита с незначительным количеством карбидов. Сталь с такой структурой принадлежит к мартенситному классу и хорошо сопротивляется коррозии.

Низкая теплопроводимость сталей с высоким содержанием хрома требует осторожного нагрева их и ступенчатой закалки. Добавка свыше 8% никеля в хромистую сталь Х18Н9 и 1Х18Н9Т позволяет получить после закалки с 1150⁰С в воде аустенитную структуру. Высокая температура нагрева необходима для растворения карбидов и получения однородного аустенита. Подобная закалка создает у стали повышенную, по сравнению с хромистой нержавеющей сталью, коррозионную стойкость, вязкость и прочность при повышенных температурах. Аустенитные стали технологичны, хорошо поддаются холодной прокатке, штамповке, волочению, хорошо свариваются.

Хромо-никелевые стали устойчивы в отношении HNO₃, на холоду, и к H₂SO₄, а в соляной – на холоду и в малых концентрациях.

Магнитные стали и сплавы.

Магнитные сплавы разделяются на магнитотвердые, применяющиеся для постоянных магнитов и магнитомягкие, предназначающиеся для сердечников трансформаторов, электродвигателей и генераторов.

Магнитотвердые сплавы. Постоянные магниты получают из твердых закаленных сталей, безуглеродистых стареющих сплавов или прессуются и спекаются из мельчайших порошков.

Они должны обладать возможно большей магнитной энергией (ВН), максимально высокой и устойчивой коэрцитивной силой Нс, препятствующей их размагничиванию; высоким остаточным намагничиванием – остаточной индукцией Br; не изменять своих свойств с течением времени

Наибольшая трудность для магнитотвердых материалов обуславливается получением высокой коэрцитивной силы Нс. Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно мартенсит с большим количеством дефектов строения (дислокаций, блоков, границ зерен и т.д.), являющихся источниками искажений кристаллической решетки и внутренних напряжений.

Наивыгоднейшая структура с повышенными напряжениями Ш рода у стали для постоянных магнитов – мартенсит с частицами цементита или других карбидов, получаемый после закалки и старения. Например, высокоуглеродистая хромистая сталь для постоянных магнитов ЕХ3 отличается значительной устойчивостью аустенита и хорошей прокаливаемостью. Ее подвергают закалке при 850 ^оС в масле и старению при 100 ^оС в течение 5-ти часов. При этом получается достаточная коэрцитивная сила и остаточная индукция.

Легирующие элементы повышают коэрцитивную силу, остаточную индукцию и улучшают температурную стабильность и стойкость постоянного магнита к механическим ударам. Хромистые, вольфрамовые и кобальтовые сплавы легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией, поэтому их применяют для неответственных магнитов массового производства.

Магнитны сплавы, содержащие никель и алюминий сокращенно называют альни, с добавлением кобальта – альнико.

Сплавы альни и альнико обладают большой твердостью, хрупки и плохо обрабатываются, поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием. Небольшие магниты весом 50-100 г выгоднее изготавливать из мелких порошков методами прессования и спекания.

Магниты из микропорошков Fe или Fe и Со по магнитным свойствам находятся на уровне литых магнитов альни и альнико.

Магнитомягкие стали, электротехническая сталь и сплавы обладают малой коэрцитивной силой Нс и очень высокой магнитной проницательностью μ. Наиболее вредными примесями в магнитомягких сталях и сплавах являются “С”, S, О₂ и N₂, которые почти не растворяются в феррите. Они присутствуют в виде частичек цементита.

В качестве магнитомягкого материала можно использовать чистое железо. Электротехническое железо (марки ЭА, ЭАА) используют для изготовления сплошных сердечников, работающих в условиях постоянной температуры магнитного потока, когда потери на вихревые токи не значительны. Такой металл отличается высокой магнитной проницательностью и малой коэрцитивной силой, однако электрическое сопротивление его низкое и поэтому для электрических машин и трансформаторов оно непригодно.

Для изготовления трансформаторов применяют тонколистовую кремнистую сталь. Маркируется она следующим образом: Э-31 – 1-я цифра указывает приблизительное количество Si (примерно 2,-3,8%). Вторая цифра обозначает уровень электрических и магнитных свойств. Далее могут стоять один или два нуля. Один нуль указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, т.е. с высокими электромагнитными свойствами вдоль направления прокатки. Два нуля – сталь холоднокатаная, малотекстурованная.

Для слаботочной промышленности требуются сплавы с высокой начальной магнитной проницательностью в слабых магнитных полях. Такие сплавы называются пермаллоями. Они отличаются очень высоким содержанием никеля 76,5-79,5%. Свою высокую начальную магнитную проницательность пермаллои получают после сложной термической обработки. Сплав подвергают высокотемпературному нагреву в атмосфере Н₂ для создания крупнозернистости, удаления углерода и снятия внутренних напряжений, после чего производится охлаждение в магнитном поле. Более дешевые никелевые сплавы, содержащие 45-50% никеля, называют гайперниками, но их свойства ниже свойств термически обработанных пермаллоев.

Легирование Fe-Ni сплавов Si, Mo, Mn и Cu, увеличивая у них электрическое сопротивление, позволяет применять их на повышенных и высоких частотах, снижает их восприимчивость к наклепу и обеспечивает постоянство свойств.

Титан и его сплавы.

Один из самых распространенных металлов в земной коре – Ti отличается малым удельным весом (4,5), высоким сопротивлением коррозии и высокой прочностью. Он обладает высокой температурой плавления (1660±10 ^оС), парамагнитен и существует в 2-х аллотропических модификациях a и b. Важнейшими легирующими элементами для сплавов из титана являются Al, V, Mo, Mn, Cr и Sn, которые образуют у них твердые растворы замещения.

По структуре различают 3 группы титановых сплавов: на основе a - твердого раствора, на основе a+b твердого раствора, на основе b - твердого раствора. Наиболее широко применяются сплавы П группы, термообработка которых позволяет значительно повышать механические свойства.

Очень распространенным сплавом является сплав ВТ6, он теплоустойчив, его a - фаза упрочнена алюминием, а b - фаза стабилизирована вахадием. Он рекомендуется для изделий, подвергаемых термической обработке и сварке, работающих при повышенных температурах в пределах 400 ^оС

Наиболее перспективным является сплав ВТ15 со структурой из b - фазы. Сплав ВТ15 после нагрева до 800 ^оС, последующей закалки в воде и старения при 450⁰С в течение 50 ч получает предел прочности 155 кг/мм². Высокая прочность сплава ВТ15 сохраняется до 500 ^оС (при выдержке 30 мин.), резкое разупрочнение наступает только при температуре 600 ^оС.

Для титановых сплавов, содержащих вредные примеси, образующие твердые растворы замещения, характерна “омега-хрупкость”. Промежуточная w - фаза благодаря сложности своей кристаллической решетки отличается высокой твердостью и хрупкостью. Она образуется из неустойчивой b - фазы в интервале температур от комнатной до 480⁰С при следующем превращении: b®w+b®a+b. Алюмини