Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью и

высокой износостойкостью (за счет V, Со, W). К ним относятся стали

ледебуритного класса: PI8, Р12, Р6М5, Р6М5К5, Р10К5Ф5, Р9К10,

РОФ2К8М6АТ, РОМ5Ф1, Р12М3К8Ф2-МП.

В вольфрамомолибденовых сталях вольфрам заменен молибденом в

отношении Мо: W (1:1,4-1,5). Молибден придает стали большую

пластичность и плотность; кобальт повышает теплостойкость; ванадий

повышает износостойкость, так как карбиды ванадия самые твердые

структурные составляющие.

Упрочнения (повышения стойкости) быстрорежущих сталей можно

добиться особой термической обработкой (дисперсионное твердение

мартенсита), цианированием поверхности (0,02-0,07мм),

низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО),

плазменным напылением.

16.3. Твердые peжyщие сплавы

Твердые режущие сплавы получают методом порошковой

металлургии путем спекания предварительно спрессованного

металлического порошка; они обладают исключительной

красностойкостью и высокой твердостью. К таким сплавам относятся:

- литые сплавы - стеллиты, сормайты;

- металлокерамические сплавы - победиты.

Компонентами спекаемых твердых сплавов являются:

- кобальт (Со) как связка;

- карбиды вольфрама (WC), титана (TiС), тантала (TаС), ниобия

(NbC), ванадия (VС), хрома (СrС).

Функцией кобальта является регулирование вязкости твердого

сплава. Карбид вольфрама хорошо смачивается кобальтом, что влияет на

схватывание с твердой фазой.

Карбид вольфрама является основой сплавов, обеспечивает

прочность на изгиб и кромочную прочность в системе WC – Со.

Карбид титана значительно тверже карбида вольфрама, менее

растворим и снижает вязкость сплава.

Карбид тантала замещает карбид вольфрама, повышает

теплостойкость, незначительно снижает вязкость сплава по сравнению с

карбидом титана.

Промышленностью выпускаются три труппы металлокерамических

твердых сплавов:

- WC + Со – группа ВК (ВК6, ВК8);

- WC + ТiС + Со – группа ТК (Т15К6)

- WС + TiC + TaC + Со – группа ТТК (ТТ7К15).

123

16.4. Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют следующие

инструменты, деформирующие металл: штампы, пуансоны, ролики,

валики.

Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода,

называют штамповыми сталями.

Штамповые стали делятся на две группы:

- деформирующие металл в холодном состоянии;

- деформирующие металл в горячем состоянии.

Особая группа штамповых сталей - стали для пресс-форм литья под

давлением.

Стали для деформирования в холодном состоянии должны обладать

высокой твердостью, прочностью, сопротивлением пластической

деформации, износостойкостью, вязкостью, теплостойкостью.

Стали с небольшой прокаливаемостъю, имеющие вязкую сердцевину

(У10, У11, У12, ХВ, 9С) применяет после закалки и отпуска, цианирования

или хромирования, что повышает их износостойкость.

Для крупных штампов применяют стали с повышенной

прокаливаемостью (ХГС, ХГСВФ).

Стали для штампов, работающих при ударных нагрузках, содержат

0,4-0,6 % углерода (4ХС, 6ХC, 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С).

Стали для деформирования в горячем состояния работают в

сложных условиях и должны иметь высокую износостойкость, прочность,

сопротивление пластической деформации, повышенную теплостойкость,

хорошую окалиностойкость, высокое сопротивление термической

усталости.

Деформация сталей происходит при ударе (ковка, штамповка), а при

медленном приложении нагрузки (вытяжка, прессование, выдавливание)

штамп сильнее нагревается.

В зависимости от условий работы штампы делятся на три группы:

- ковочные;

- для горячей протяжки, высадки и прессования;

- для пресс-форм литья под давлением.

Стали ковочных штампов должны иметь высокую ударную вязкость,

теплостойкость и хорошую прокаливаемость. Для таких штампов

применяют стали среднеуглеродистые (0,5-0,6 %С), легированные Mn,

Ni,.Cr, V, W (5XHМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 5ХНСВ, 5ХНТ).

Стали для горячей протяжки, высадки и прессования -

высоковольфрамовые с 8-12 % W и 2 % Сг (4Х5В2ФС, 4Х2В5ФМ,

4Х4В4ФМ, 4ХВ2С, 5ХВГ). Эти стали подвергаются особой термической

обработке.

124

Стали для пресс-форм литья под давлением подвергаются износу,

коррозии, эррозии и разгару (образованию сетки трещин на поверхности).

К таким сталям относятся 3X2B8, 4ХВ2С (тепло - разгаростойкие).

16.5. Стали для измерительных инструментов

Стали для измерительных инструментов должны длительное время

сохранять заданные (точные) размеры. Изменение размеров может

возникать по трем причинам:

- износ;

- объемные изменения из-за структурных превращений при

длительном вылеживании;

- тепловое расширение из-за колебаний температур.

Высокая износостойкость сталей для измерительного инструмента

обеспечивается высокой твердостью стали ( 58-64HRC) после

термообработки.

Для стабилизации размеров производится специальная термическая

обработка (обработка холодом и стабилизирующий отпуск при низких

температурах).

Для изготовления измерительного инструмента применяют стали

марок: X, XГ, 120ХГ, 50, 55, 38XBФЮA.

17. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

К этой группе относят стали:

- с особыми химическими свойствами (нержавеющие, жаростойкие,

жаропрочные);

- с особыми физическими свойствами (магнитные, с малым

коэффициентом расширения).

17.1. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали

К этой группе относятся стали, обладающие стойкостью против

электрохимической коррозии.

Антикоррозионными свойствами обладает сталь в том случае, если

она содержит большое количество хрома ( > 12 %) или хрома и никеля.

Применяют три типа хромистых нержавеющих сталей: с

содержанием хрома 13, 17 и 27 %, содержащих углерода от 0,1 до 0,04 %.

Стали с содержанием хрома 17-18 % и 25-28 % имеют добавки Ti,

Ni, которые вводят для измельчения зерна.

По виду равновесной структуры нержавеющие стали делятся на пять

классов:

125

- ферритные;

- мартенсито-ферритные;

- мартенситные;

- аустенитные;

- аустенито-мартенситные.

Например: сталь 12Х13 – мартенсито-ферритного класса (клапаны

гидравлических насосов); сталь 40Х13 – мартенситного класса

(хирургический инструмент); сталь 12Х17 – ферритного класса

(оборудование азотнокислых заводов и пищевой промышленности);

12Х18Н9Т – аустенитного класса с большой коррозионной стойкостью

(химическая, пищевая, нефтяная промышленность, авиастроение,

транспортное машиностроение).

17.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

К жаростойким (окалиностойким) относят стали и сплавы,

обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в

газовых средах при температуре выше 550 °С и в слабонагруженном

состоянии.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой

температуре называется жаростойкостью (окалиностойкостью).

На интенсивность окисления влияет состав стали и строение окисной

(защитной) плёнки, плотность которой повышают такие химические

элементы, как Cr, Si, Al.

Сталь 15X5 (5 % Сr) жаростойка до 700

С, сталь 12X17 (17 % Сr) -до

900

С, стала 15X28 (28 % Сr) - до 1100 - 1150

С. Сплавы на никелевой

основе с Сr и Al ( ХН70Ю с 26-29 % Сr и 2,8-3,5 % Al ) обладают

жаростойкостью до 1200 °С.

Жаропрочность - способность материала сохранять необходимую

длительную прочность при высоких температурах.

Ползучесть - это деформация, непрерывно увеличивающаяся и

завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при

длительном воздействии температуры.

Предел ползучести - это напряжение, вызывающее деформацию

заданной величины (обычно от 0,1 до 1 %) за определенный промежуток

времени (100, 300, 500, 1000 ч) при заданной температуре.

Факторами, способствующими жаростойкости, являются:

- высокая температура плавления основного металла;

- наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных

упрочняющих фаз;

- пластическая деформация, вызывающая наклеп;

- высокая температура рекристаллизации;

126

- рациональное легирование;

- термическая и термомеханическая обработка;

- введение в жаропрочные стали бора, церия, ниобия, циркония, (в

десятых, сотых и даже тысячных долях).

По температуре эксплуатации жаропрочные стали разделяют на

группы:

- для работы при температуре до 350 – 400

С (обычные

конструкционные стали - углеродистые и малолегированные) ;

- для работы при температуре 400 - 550

С (стали перлитного класса

15ХМ, 12Х1МФ для деталей котлов, труб паропроводов и

пароперегревателей, нагруженные сравнительно мало, но работающие до

100 000 ч);

- для работы при температуре 500 - 600

С (стали мартенситного

класса: высокохромистые 15Х11МФ для лопаток паровых турбин;

сильхромы 40Х9C2 для клапанов моторов; 20Х12ВНМФ для дисков,

роторов, валов);

- для работы при температуре 500 - 750

С (стали аустенитного

класса: нестареющие 09Х14Н16В для труб пароперегревателей высокого

давления; стареющие 40Х15Н7Г7Ф2МС для лопаток газовых турбин);

- для работы при температуре 800 - 850- 1200 °С (жаропрочные

сплавы на никелевой основе ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток

турбин).

17.3. Криогенные стали и сплавы

Под криогенными сталями и сплавами подразумевают

металлические материалы для машин и оборудования, предназначенные

для получения, перевозки и хранения сжиженных газов и, следовательно,

эксплуатируемых до температур кипения: кислорода (-183

С), азота (-196

С), неона (-247

С), водорода (-253

С) и гелия (-269

С), а также

сжиженных углеводородов (метила, бутана) (-80...-180 °С).

Стали, работающие при низких климатических температурах (до -

С), - это стали северного исполнения; от комнатной температуры до -

80–

С (4,2 К - температура кипения жидкого гелия) - это криогенные стали

аустенитного класса, одновременно нержавеющие.

Сталь 12X18H20 - сталь со стабильным аустенитом, который не

претерпевает превращений при низких температурах. При всех

температурах σ

0,2

/ σ

= 0,5 (12Х18H10, 12X13AГ19).

Хромоникелевые стали имеют:

- высокую ударную вязкость KCV > 2000 кДж/м

при комнатной

температуре и всех температурах вплоть до –253 °С (кипение жидкого

водорода);

127

- вязкий излом.

Никель снижает порог хладноломкости, повышает прочность стали

(σ

), увеличивает ударную вязкость (KСV) при -196 °С.

Стали 07Х21Г7АН5 с σ

0,2

= 400 МПа и 03Х13Н9Д2ТМ с σ

0,2

= 800

МПа являются высокопрочными криогенными сталями.

17.4. Магнитные стали и сплавы

Основными характеристиками магнитных сталей и сплавов

являются магнитные свойства:

- остаточная индукция B

(измеряется в гауссах (Гс));

- коэрцетивная сила Н

(измеряется в эрстедах (Э));

- магнитная проницаемость (измеряется в Гc/Э).

Магнитная проницаемость определяется по формуле: μ = В /Н

. Если

μ > 1, то материал парамагнитен, если μ < 1 – материал диамагнитный.

К ферромагнитным материалам относятся Fe, Co, N1, имеющие μ »1.

Магнитные сплавы в зависимости от коэрцетивной силы (Н

) и

магнитной проницаемости (μ ) делятся на:

- магнитотвердые сплавы с большой Н

и малой μ, применяющиеся

для изготовления постоянных магнитов. Эти высокоуглеродистые,

легированные сплавы (ЕХ, ЕХ3, ЕХ5К5, сплав ЮНДК24) имеют высокую

твердость, хрупкость и не обрабатываются резанием. Магниты из

магнитотвердых сплавов изготавливают литьём или спеканием из

порошков;

- магнитомягкие сплавы с малой Н

и высокой μ.

К ним относятся :

- электротехническое железо (Армко) марок Э, ЭА, ЭАА для

изготовления сердечников, полюсных наконечников электромагнитов,

реле;

- электротехническая сталь, которая по содержанию кремния

делится на низколегированную (0,8 – 1,8 % Si) (динамная сталь),

среднелегированную (1,8 - 2,8 % Si), повышенно-легированную (2,8 – 3,8

% Si) и высоколегированную (3,8 – 4,8 % Si) (трансформаторная сталь);

- железоникелевые сплавы (пермаллои), содержащие 45-80 % Ni,

дополнительно легированные Cr, Si, Mo и имеющие высокую магнитную

проницаемость. Пермаллой 79НМ (79 % N1, 4 % Мо) после специальной

термической обработки имеет магнитную проницаемость μ

- 30 000 и μ

max

- 22O 000 Гс/Э. Применяют эти сплавы в телефонах и радио (слабые

электромагнитные поля).

- ферриты, получаемые спеканием порошков ферромагнитной

окиси железа Fe

и окислов двухвалентных металлов МО (ZnO, NiО,

MgO). В отличие от других магнитомягких материалов у ферритов очень

128

высокое электросопротивление (10

0м * см), и работают они в области

высоких и сверхвысоких частот.

17.5. Сплавы с особенностями электросопротивления

Сплавы с особенностями электросопротивления делятся на три

группы:

- проводниковые;

- с высоким электросопротивлением;

- диэлектрики.

К проводниковым сплавам предъявляются следующее

эксплуатационные и технологические требования:

- малое электрическое сопротивление;

- высокая прочность (для предохранения от провисания);

- высокая пластичность и способность к холодному и горячему

деформированию;

- хорошая коррозионная стойкость;

- легкость пайки и сварки (при монтаже).

Этим требованиям удовлетворяют (в различной степени) Ag, Си, А1,

Fe.

Одним из важнейших проводниковых материалов является медь

(Сu), которая по свойствам близка к серебру ( плотность ρ = 8,9 г/см

при

С, удельное электросопротивление – 0,017( Ом*мм)/м

Кристаллическая решётка меди – ГЦК с параметром а = 0,36 Нм. Удельное

электросопротивление меди принимается за эталон.

Марки меди: M1 (99,9 %), Т

пл

= 1083

С; МО (99,95 %), Т

кип

= 2360

°С; МОО (99,99 %). В технической меди могут присутствовать вредные

примеси: висмут (≤ 0,002 %), свинец (≤ 0,005 %), сера, кислород, которые

уменьшают пластичность меди.

Чистая медь имеет малую прочность, поэтому её легируют кадмием

(Cd), что приводит к незначительной потере электропроводности при

сохранении достаточно высокой прочности. Проводимость таких сплавов

составляет 80-90 % от проводимости чистой меди. Сплав, упрочненный

наклепом, имеет проводимость 98 % от проводимости меди.

Алюминий (А1) имеет электросопротивление больше, чем у меди в

1,7 раза, но он легче. Для линий передач применяют сплав альдрей (0,4 %

Mg, 0,6 % Si, 0,25 % Fe). К таким сплавам относятся АД000, АД0.

Большую прочность имеют биметаллы системы Fe - A1.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют

при передаче переменных токов повышенной частоты.

129

Железо (Fe) имеет электросопротивление в 6-7 раз ниже

электросопротивления меди. Сплавы железа (сталь с 0,1 – 0,15 % С)

применяются для шин, рельсов электрических железных дорог и метро.

17.6. Сплавы с высоким электросопротивлением

Сплавы с высоким электросопротивлением применяют для

изготовления элементов сопротивления реостатов и нагревательных

элементов. Структура таких сплавов формируется на базе твердых

растворов и к ним предъявляются следующие требования:

- они должны обладать высоким удельным электросопротивлением;

- должны иметь малый температурный коэффициент

электросопротивления;

- должны обладать высокой окалиностойкостью (жаропрочностью);

- в них должны отсутствовать структурные превращения при

нагревах и охлаждениях.

Для элементов сопротивления реостатов применяются сплавы:

- манганин – МНМц 3-12 (11,5-13 % Mn, 2,5-3,5 % Ni,остальное Сu);

- константан - МНМц 40-1,5 (1-2%. Mn, 39-41 % Ni, остальное Сu).

Эти сплавы имеют малый коэффициент электросопротивления:

манганин в интервале температур от – 60 до +80 °С и константан в

интервале температур от - 60 до + 350 °С.

Для нагревательных элементов применяют сплавы:

- железоалюминиевые: фехраль - Х13Ю4 (≤ 0,15 % С, 13 % Сu, 4 %

Al), хромалъ - ОХ23Ю5 (≤ 0,05 % С, 23 % Сr, 5 % Al);

- никелевые: ферронихром - X15H60 (25 % Fe), нихром -Х20Н80.

Сплав для деталей нагревательных приборов выпускается в виде

проволоки или ленты.

17.7. Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

К сплавам с заданным коэффициентом теплового расширения

относятся железо-никелевые сплавы:

- сплав ИНВАР - 36Н (≤ 0,05 % С и 35-37 % Ni). Он почти не

расширяется при температуре от -60 до +100 °С и применяется в

специальных приборах (альтиметрах, барографах) высокой точности,

работающих при переменных нагрузках и климатических изменениях

температуры;

- сплав КОВАР - 29НК (0,03 % С, 29 % Ni, 17-18 % Со). Он имеет

низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -70

до + 420

С и применяется для деталей, впаиваемых в стекло при создании

вакуумноплотных спаев.

130

- сплав платинит - H42 (42-48 % Ni, остальное Fe). Он имеет

коэффициент теплового расширения, равный коэффициенту теплового

расширения платины и стекла.

Технические железоникелевые сплавы относятся к сталям

аустенитного класса.

17.8. Сплавы с заданными упругими свойствами

В приборостроении для изготовления упругих элементов (пружин)

требуется материал, обладающий высоким значением упругих свойств,

достаточной пластичностью, прямолинейным кодом изменения модуля

упругости в широком интервале температур, а также немагнитностью и

коррозионной стойкостью.

К таким сплавам относятся:

- сплав 40KXHM (0,07-0,12 % С, 15-17 % Ni, 19-21 % Cr, 6,4-7,4 %

Мо, 39-41 % Со). Это высокопрочный, с высокими упругими свойствами,

немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав, который

применяется для заводных пружин часовых механизмов,а также для витых

цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400

С;

- сплав 42НХТЮ ( < 0,05 % С, ~42 % Ni). Это высокопрочный сплав

с низким температурным коэффициентом модуля упругости при

температуре до 100

С, который применяется для упругих чувствительных

элементов, работающих до температуры +100

С.

18. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

18.1. Медные сплавы

Медные сплавы делятся на две группы:

- латуни. Это сплавы меди с цинком. Цинк повышает прочность и

пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30 %

Zn.

Латуни (в особенности однофазные) легко поддаются деформации и

поэтому из латуни изготавливают катаный полуфабрикат (листы, ленты,

профили и т.д.). Латуни с содержанием цинка до 40 % пластичны, хорошо

обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки.

Кроме простых латуней – сплавов только меди и цинка, применяют

специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойств

дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения

обрабатываемости (автоматная латунь ЛС59, содержащая 40 % Zn и 1-2 %

Pb), олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде

131

(морская латунь), алюминий и никель для повышения механических

свойств.

Практически применяемые латуни в зависимости от структуры при

комнатной температуре разделяются на две категории:

- α – латуни, содержащие меди не менее 61 %. Марки этих латуней

Л62, Л68 и др. Их изготавливают в виде тонких листов, лент др. α – Латуни

с более высоким содержанием меди (Л80) имеют цвет золота, и их

применяют для ювелирных и декоративных изделий. Латуни, содержащие

высокий процент меди, называют томпаком.

- α + β – латуни, содержащие 55 – 61 % меди. Наиболее

распространенная марка Л59, из которой изготавливают прутки, а из них с

помощью обработки резанием – различные детали.

Латуни с содержанием цинка до 40 % - пластичны, хорошо

обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки.

- бронзы. Это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и

другими элементами, обладающие хорошими литейными свойствами

(малой усадкой) и использующиеся как антифрикционные сплавы.

Маркировка бронзы: БрОЦС8-4-3, содержащая 8 % Sn, 4 % Zn, 3 %

Pb, остальное - медь.

В зависимости от вида легирующего элемента различают:

- оловянистые бронзы , содержащие до 5 % Sn. Они устойчивы к

действию атмосферы, морской воды;

- алюминиевые бронзы, содержащие 9-11 % А1. Они обладают

хорошими технологическими и механическими свойствами. Их применяют

для изготовления зубчатых колес, сальников, деталей турбин;

- кремнистые бронзы, содержащие 1-3 % А1. Они обладают

хорошими литейными и антикоррозионными свойствами, высокой

упругостью, выносливостью;

- бериллиевые бронзы, содержащие 2-2,5 % Ве; 0,5 % Ni,остальное

медь. Эти бронзы относятся к разряду дорогих и используются в

приборостроении для изготовления пружин, мембран и др.

- медно-никелевые сплавы, в которых основным легирующим

элементом является никель. Эти сплавы можно разделить на

конструкционные и электротехнические.

К первой группе относятся коррозионно-стойкие и высокопрочные

сплавы типа мельхиор (МНЖМц30-1-1), нейзильбер (МНЦ15-20), куниаль

(МНА13-3). В качестве дополнительных легирующих элементов в них

добавляют Mn, Al, Zn, Fe, Co, Pb. Изготавливают из этих сплавов

украшения, столовые и чайные приборы.

- сплав монель, содержащий 66 % Ni + 28 % Cu + Mn + Fe. Он

применяется для изготовления монет, хирургического инструмента, так

как обладает высокой коррозионной стойкостью, прочностью, хорошей

132