Маркировка и применение сталей




КЛАССИФИКАЦИЯ, МАРКИРОВКА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить классификацию и маркировку металлических материалов; научиться рационально подбирать материалы для деталей конкретного назначения и режимы их термической обработки.

Сплавы на основе железа

Сталью называется сплав железа с углеродом, где содержание углерода от 0,02 до 2,14%.

Кроме железа и углерода в стали всегда содержатся постоянные примеси: марганец, кремний, сера, фосфор, водород, кислород, азот и т.д. Помимо постоянных примесей могут быть и случайные примеси, такие как хром, никель, медь и другие.

Основным классификационным признаком, определяющим марку стали, является её химический состав. По химическому составу стали условно подразделяются на группы:

- углеродистые стали не содержат легирующих элементов, содержат постоянные примеси – марганец (до 0,8%) и кремний (до 0,5%), вредные примеси - сера (до 0,05%) и фосфор (до 0,05%);

- низколегированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов не более 3%;

- легированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов от 3 до 10%;

- высоколегированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов свыше 10%.


По качеству стали подразделяются в зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) на следующие категории:

  Содержание серы, %, не более Содержание фосфора, %, не более
- стали обычного качества 0,05 0,05
- качественные стали 0,035 0,035
- высококачественные стали 0,025 0,025
- особовысококачественные стали 0,025 0,015

 

Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям.

По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов в машиностроении и строительстве, обладающих высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на следующие группы:

- строительные, содержащие до 0,25% углерода;

- машиностроительные цементируемые, содержащие до 0,25% углерода;

- машиностроительные улучшаемые, содержащие от 0,3 до 0,5% углерода;

- пружинно-рессорные, содержащие от 0,5 до 0,7% углерода.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки металлов резанием или давлением и обладающая высокой твёрдостью, прочностью, износостойкостью и т.д. Инструментальные стали содержат более 0,7% углерода и подразделяются на стали для режущего инструмента, измерительного инструмента и штамповые стали.

 

 

Стали с особыми свойствами предназначены для изготовления деталей специального назначения: коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие и другие.

По структуре в равновесном состоянии углеродистые стали делят на доэвтектоидные (содержат до 0,8% углерода), эвтектоидные (0,8% углерода) и заэвтектоидные (содержат 0,8-2,14% углерода). Легированные стали в нормализованном состоянии подразделяют на ферритные, перлитные, мартенситные, аустенитные, карбидные.

Маркировка и применение сталей

 

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) обозначают буквами Ст, что означает «сталь», и цифрами от 0 до 6, что соответствует номеру марки стали. С повышением порядкового номера от Ст1 до Ст6 содержание углерода в стали увеличивается (с 0,12 до 0,49%, соответственно).

В зависимости от степени раскисления различают стали: спокойные (Ст3сп), полуспокойные (Ст2пс), кипящие (Ст4кп). Спокойные стали получают полным раскислением. Они содержат до 0,3 % кремния и поэтому затвердевают спокойно, без газовыделений. Кипящие стали не раскисляют, поэтому до затвердевания в них повышенное содержание FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создает впечатление «кипения» металла. Содержание кремния до 0,07 %. Полуспокойные стали раскисляют не полностью, они содержат кремния до 0,17 %.

Полуспокойные стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2%). В этом случае после номера стали ставится буква Г. Так, Ст3сп обозначает сталь обыкновенного качества, порядковый номер 3, спокойная. Ст1кп – сталь обыкновенного качества, порядковый номер 1, кипящая. Ст5Гпс – сталь обыкновенного качества, порядковый номер 5, полуспокойная с повышенным содержанием марганца.

Кипящие стали имеют порог хладоломкости на 30-40°С выше, чем спокойные, поэтому для ответственных сварных конструкций применяют спокойные стали.

С повышением условного номера марки стали возрастают пределы прочности и текучести, но снижается пластичность. Следует помнить, что независимо от степени раскисления стали, имеющие один и тот же порядковый номер, будут иметь одинаковые прочностные(σв, σт) и пластичные (δ, ψ) характеристики.

Наибольшее распространение в машиностроении находит Ст3.

Стали обыкновенного качества являются наиболее дешёвыми и применяются для деталей неответственного назначения. Из них изготовляют горячекатаный прокат: листы, балки, прутки, уголки, трубы и т.д. Эти стали широко используют в строительстве, а также для малоответственных деталей машин (оси, валы, втулки, валики, болты, гайки и др.).

Углеродистые конструкционные качественные стали (ГОСТ 1050-88) обозначают двухзначным числом, где цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 45 содержит 0,45% углерода. Если сталь полностью не раскислена, в обозначении добавляют индекс кп – кипящая (Сталь 45кп) или пс – полуспокойная (Сталь 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается.

К углеродистым сталям относят стали с повышенным содержанием марганца (0,7-1,0%) 15Г, 25Г и т.д. Эти стали имеют повышенную прокаливаемость.

Низкоуглеродистые стали марок 08, 08пс, 08кп применяются в отожжённом состоянии для изготовления изделий методом холодной штамповки (кузовные детали, прокладки, змеевики и т.д.).

Стали марок 10, 15, 20, 25 обычно используют как цементируемые для деталей, работающих на износ (шестерни, шпиндели, рычаги, втулки и т.д.).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные им 30Г, 40Г, 50Г применяют для самых разнообразных деталей (коленчатые валы, шатуны, штоки, плунжеры и др.). Для этих деталей проводится термическая обработка: чаще всего улучшение (закалка и высокий отпуск) или закалка токами высокой частоты (ТВЧ).

Пружинно-рессорные стали (ГОСТ 14959-79) содержат от 0,5 до 0,7 % углерода. Стали марок 60, 70, 65Г применяют в основном для изделий, обладающих высокими упругими свойствами при высокой твёрдости и прочности. Термическая обработка заключается в закалке и среднем отпуске при 350-450°С.

Углеродистые инструментальные качественные стали (ГОСТ 1435-99)обозначаются буквой У и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8 (содержание углерода 0,8%), У13 (содержание углерода 1,3%). Высококачественные стали имеют в конце марки букву А. Например У7А, У12А.

Стали марок У7, У7А применяют для инструментов, подвергающихся ударам и требующих высокой вязкости (зубила, молотки, клейма, инструмент для обработки древесины, центры токарных станков).

Стали марок У8, У8А используют для изделий повышенной твёрдости и достаточной вязкости (кернеры, ножовочные полотна, отвёртки, столярный инструмент).

Стали У9, У9А, У10, У10А применяются для изделий, не подвергающихся ударам (фрезы, метчики, плашки, развёртки, калибры).

Стали У11, У11А, У12, У12А применяются для инструмента высокой твёрдости (напильники, шаберы, фрезы, свёрла).

Стали У13, У13А применяются для инструмента исключительно высокой твёрдости (бритвы, шаберы, волочильный инструмент).

Легированные стали

 

Влияние легирующих элементов на свойства стали проявляются в основном при термической обработке. Все легирующие элементы, за исключением марганца, уменьшают склонность аустенитного зерна к росту, что способствует получению мелкозернистой структуры и снижению порога хладоломкости.

Легирующие элементы, за исключением кобальта, уменьшают критическую скорость закалки, то есть способствуют получению структуры мартенсита при меньших скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе). Это позволяет закаливать детали сложной конфигурации, так как термические напряжения будут небольшими.

Уменьшая критическую скорость закалки легирующие элементы увеличивают прокаливаемость. В отличие от углеродистых сталей, которые имеют малую прокаливаемость (dкр. =10-15 мм), легированные стали обладают высокой прокаливаемостью (dкр. может достигать 400 мм).

Маркировка легированных сталей. В конструкционных сталях две цифры в начале марки обозначают содержание углерода в сотых долях процента, в инструментальных сталях цифра соответствует содержанию углерода в десятых долях процента. Если сталь содержит ~1% углерода, то цифра, указывающая на содержание углерода, не ставится.

Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каждому из них присвоена своя буква: А – азот, Б - ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ю – алюминий.

Цифры, следующие за буквами легирующих элементов, указывают их содержание в процентах. Отсутствие цифры за буквой показывает, что данный элемент содержится в пределах одного процента. Например в стали 30ХН3 содержится 0,3% углерода, 1% хрома, 3% никеля; в стали 12Х18Н9Т содержится 0,12% углерода, 18% хрома, 9% никеля и 1% титана; в стали 5ХНМ содержится 0,5% углерода, 1% хрома, 1% никеля и 1% молибдена; сталь ХВГ содержит 1% углерода, 1% хрома, 1% вольфрама, 1% марганца.

Буква А в конце стали указывает, что сталь высококачественная (30ХГСА), если же буква А расположена в середине марки, то сталь легирована азотом (16Г2АФ), буква А в начале марки указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости резанием (А12).

Быстрорежущие стали обозначаются Р9, Р18, где цифры указывают содержание вольфрама в процентах. Углерода в них около 1%.

Шарикоподшипниковая сталь обозначается ШХ9, ШХ15 (цифры указывают на содержание хрома в десятых долях процента).

Конструкционные легированные стали подразделяют на строительные (ГОСТ 19281-89 и ГОСТ 19282-89), машиностроительные цементируемые (ГОСТ4543-71), машиностроительные улучшаемые (ГОСТ 4543-71), пружинно-рессорные (ГОСТ 14959-79).

Цементируемые стали содержат до 0,25% углерода. Из них изготовляют шестерни, оси, валики и другие детали, которые должны иметь мягкую сердцевину и твёрдую износостойкую поверхность. После цементации, последующей закалки и низкого отпуска (при температуре ~200°С) твёрдость поверхностного слоя детали составляет ~60HRC.

В качестве цементируемых сталей применяют 20Х, 18ХГТ, 20ХГР, 25ХГТ, 12ХН3А и другие.

Улучшаемые стали содержат 0,3-0,5% углерода. Наиболее распространённым из них являются 30Х, 40Х, 30Г, 45Г, 40ХН, 30ХГСА и так далее. Термическая обработка этих сталей состоит из закалки в масло и высокого отпуска (при температуре 550-600°С). Улучшаемые стали предназначены для изготовления валов, шатунов и других ответственных деталей, работающих в условиях ударных и циклических нагрузок.

Пружинно-рессорные легированные стали содержат 0,5-0,7% углерода и недефицитные легирующие элементы - марганец и кремний, которые повышают предел упругости стали. Основные марки пружинно-рессорных сталей: 60Г, 70Г, 50С2, 60С2, 70С3А и другие. Термическая обработка состоит из закалки в масло и среднего отпуска (420-480°С).

Инструментальные легированные стали содержат 0,7-1,7% углерода и от 1 до 25% легирующих элементов и подразделяются на стали для режущего инструмента, измерительного и штампового инструмента.

Стали для режущего инструмента имеют высокую твёрдость на режущей кромке (62-68 HRC) и делятся на следующие группы: стали повышенной прокаливаемости, обладающие невысокой теплостойкостью (ГОСТ 5950-2000): 11ХФ, ХВСГ, Х, ХВГ. Термическая обработка для них: закалка и низкий отпуск. Теплостойкость этих сталей составляет 250°С.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) обладают высокой теплостойкостью (600-650°С). Характерные марки Р18, Р6, Р6М5 и другие. Их термическая обработка – закалка в масло с температур 1240-1280°С и трёхкратный отпуск при температурах 560°С.

Стали для измерительного инструмента (измерительные скобы и плиты, шаблоны, калибры и др.) должны обладать высокой твёрдостью и сохранять постоянство размеров и формы. Обычно применяют хромистые стали марок Х, ХВГ. Термическая обработка этих сталей – закалка и низкий отпуск (при температуре 120-140°С). После термической обработки твёрдость составляет 62-64НRC.

 

Чугуны

 

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, где содержание углерода от 2,14 до 6,67%. В машиностроении для получения литых деталей находят широкое применение серые чугуны, в структуре которых большая часть или весь углерод находится в виде графита. По форме включений графита серые чугуны подразделяются на собственно-серые (крупно-пластинчатый графит), модифицированные (мелко-пластинчатый графит), ковкий (хлопьевидный графит) и высокопрочные (шаровидный графит).

Наличие свободного графита резко снижает сопротивление чугунов удару, разрыву, у них пониженная пластичность, но наличие графита имеет свои положительные стороны:

- чугуны лучше, чем сталь обрабатываются резанием;

- чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства;

- детали из чугунов не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, переходы, отверстия);

- из-за наличия графитовых включений чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

- чугуны значительно дешевле стали.

Условное обозначение марки серого чугуна включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое значение величины минимального временного сопротивления при растяжении (sв) в МПа × 10-1. Например, СЧ15 – серый чугун, имеющий sв =150 МПа.

В зависимости от прочности серые чугуны подразделяются на десять марок (ГОСТ 1412-85) и применяются для изготовления литых корпусов редукторов, электродвигателей, гильз цилиндров и поршней двигателей внутреннего сгорания, тормозных дисков, поршневых колец, шкивов и так далее.

Высокопрочные чугуны, согласно ГОСТ 7293-85, выпускаются восьми марок. Условное обозначение включает в себя буквы ВЧ (высокопрочный чугун) и цифровое обозначение минимальной величины временного сопротивления на растяжение (sв) в МПа × 10-1. Применяются высокопрочные чугуны как заменитель углеродистой стали для получения коленчатых валов и тонкостенных отливок.

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79) промышленность выпускает одиннадцати марок. Условное обозначение включает буквы КЧ (ковкий чугун) и цифровые обозначения величин временного сопротивления на растяжение (sв) в МПа ×10-1 и относительного удлинения (d) в процентах. Например, КЧ37-12 – ковкий чугун, предел прочности которого не менее 370 МПа и относительное удлинение не менее 12%.

Из ковких чугунов изготовляют картеры редукторов, ступицы, скобы, вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, основания тормозных колодок.

 

Алюминиевые сплавы

 

Основные преимущества алюминиевых сплавов, определяющие области их применения, это малая плотность (2700-3000 кг/м3) при достаточно высоких механических свойствах. Они значительно уступают сплавам на железной основе по величине модуля упругости (7×104 МПа у алюминия и 20×104 МПа у сталей и чугунов) и их твёрдость значительно ниже, чем у стали.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на три группы:

1. Деформируемые, используемые для изготовления листов, прутков, профилей, поковок.

2. Литейные, применяемые для получения литых заготовок.

3. Спечённые, получаемые методом порошковой металлургии.

Маркировка алюминиевых сплавов включает набор букв и цифр. Буква «Д» в начале марки обозначает сплавы типа дуралюминов, буква «А» в начале марки – технический алюминий или деформируемые сплавы с марганцем (АМц) или магнием (АМг). Буквы «АК», стоящие в начале марки, присвоены ковким алюминиевым сплавам, буква «В» - высокопрочным сплавам. С букв «Ал» начинается маркировка всех литейных алюминиевых сплавов. После этих букв следует условный номер сплава. Например, Д16 – дуралюмин №16, АК8 – ковочный алюминиевый сплав №8.

Часто за условным номером следуют обозначения, характеризующие состояние сплава: М – мягкий (отожжённый), Н – нагартованный, П – полунагартованный, ПЧ – повышенной чистоты, Т – термически обработанный.

К термически неупрочняемым деформируемым сплавам относятся сплавы типа АМг5, АМц (ГОСТ 4784-97). Они обладают высокой пластичностью и хорошей свариваемостью. Сплавы типа АМг и АМц применяют для изготовления трубопроводов, бензобаков, узлов кузовов автомобилей.

К упрочняемым термической обработкой сплавам относятся дуралюмины (Д1, Д16) (ГОСТ 4784-97), ковочные сплавы (АК6, АК8) (ГОСТ 1583-93). Эти сплавы обычно подвергаются закалке с температуры 500±5°С и естественному старению в течение 4-5 суток. Дуралюмины широко применяются для изготовления прутков, заклёпок, силовых каркасов, крепёжных деталей, кузовов грузовых автомобилей.

Жаропрочные алюминиевые сплавы типа АК4-1 после закалки и искусственного старения при температуре 170-190°С в течение 12-18 часов используют для деталей типа поршней и головок цилиндров двигателей.

Литейные алюминиевые сплавы. В основном это сплавы системы «алюминий - кремний» Ал2, Ал4, Ал9 и т.д. (ГОСТ 2685-75). Из сплавов этой системы изготовляют детали и колёса агрегатов, блоки и головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпуса редукторов, насосов и т.д.

 

Медные сплавы

Основное преимущество медных сплавов – это низкий коэффициент трения, сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии. Медные сплавы обычно не подвергаются термической обработке, за исключением бериллиевых и некоторых алюминиевых бронз.

Различают две основные группы медных сплавов: латуни и бронзы. Латуни – это сплавы меди с цинком. Они являются самыми распространёнными из тяжёлых цветных сплавов, применяемых в машиностроении. По технологическим свойствам латуни подразделяются на деформируемые и литейные. Двойные деформируемые латуни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. Например, Л90 – латунь, содержащая 90% меди и оставшиеся 10% цинка. Латуни, содержащие более 90% меди, называют томпаком. В марках легированных латуней указываются так же, как в стали, буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов.

Буквы обозначают следующие элементы:

О – Sn (олово) Ж – Fe (железо) Х – Cr (хром) Н – Ni (никель)
Ц – Zn (цинк) Ф – P (фосфор) К – Si (кремний) Т – Ti (титан)
Мц –Mn (марганец) Б – Ве (бериллий) С – Pb (свинец) А – Al (алюминий)

 

Например, ЛАН59-3-2 содержит 59% меди, 3% алюминия, 2% никеля, остальное (36%) – цинк.

Химический состав и механические свойства деформируемых латуней определяются ГОСТ 15527-2004. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей её название (ГОСТ 17711-93). Например, ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное - медь.

Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% цинка, но необходимо помнить, что максимальную пластичность имеют однофазные латуни, содержащие до 30% цинка. Эти латуни выпускаются в виде холоднокатанных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют следующие детали: радиаторные трубки, сильфоны, трубопроводы, колпачки и т.д.

Из латуней, содержащих более 39% цинка, изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры и т.д.

Алюминий повышает прочность латуней (ЛА77-2), а свинец облегчает обрабатываемость резанием (ЛС59-1). Кремнистые латуни ЛК80-3 характеризуются высокой прочностью и пластичностью даже при температурах -183°С. Наилучшими литейными свойствами обладает латунь ЛЦ17К3.

Бронзы – это сплавы меди, в которых цинк или никель не являются основными легирующими элементами. Общим достоинством бронз является высокая коррозионная стойкость и хорошие антифрикционные свойства. Бронзы маркируются буквами «Бр» с указанием легирующих элементов, обозначенных буквами как в латунях. Цифры за буквами указывают количество легирующих элементов в процентах. В деформируемых бронзах (ГОСТ 5017-74 и ГОСТ 18175-78) содержание меди не указывается, а определяется по разности. Например, БрОЦС4-4-2,5 имеет следующий состав: олова 4%, цинка 4%, свинца 2,5%, медь – остальное (89,5%).

В литейных бронзах (ГОСТ 613-79 и ГОСТ 493-79) среднее содержание компонентов в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей её название (как в латуни). Например, бронза БрА10Ж3Мц2 содержит 10% алюминия, 3% железа, 2% марганца, остальное – медь.

Оловянистые бронзы хорошо свариваются и паяются, не дают искры при ударах, не магнитны, морозостойки, обладают хорошими антифрикционными свойствами и имеют хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, в пресной и морской воде. Из них изготовляют паровоздушную и масляную арматуру, антифрикционные детали (втулки, подшипники, вкладыши, червячные пары).

Алюминиевые бронзы являются заменителями оловянистых бронз. Алюминиевые бронзы типа БрАЖ9-4 применяются для изготовления различных втулок, направляющих сёдел, фланцев, шестерён и многих других, преимущественно мелких, но ответственных деталей.

Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы (ГОСТ 3882-74) изготовляются методом порошковой металлургии и состоят из карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), связанных кобальтом.

Различают три вида твёрдых сплавов. Сплавы типа ВК содержат 6% кобальта, остальное - карбид вольфрама. Сплавы типа Т15К6 содержат 6% кобальта, 15% карбида титана, остальное – карбид вольфрама. Сплавы типа ТТ20К9 содержат 9% кобальта, 20% карбидов титана и тантала, остальное – карбид вольфрама.

Твёрдые сплавы значительно превосходят быстрорежущие стали по твёрдости, теплостойкости и модулю упругости. Их применяют для резания материалов повышенной твёрдости и труднообрабатываемых материалов (аустенитных сталей, титановых сплавов, пластмасс).

Недостаток твёрдых сплавов – невозможность их обработки резанием, так как твёрдые сплавы не принимают термической обработки и не изменяют своей высокой твёрдости.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: