Силицирование – операция насыщения поверхностного слоя стали кремнием. Проводится для деталей, работающих в агрессивных средах, при высоких температурах и в условиях трения для оборудования нефтяной, химической и бумажной промышленности (детали насосов, арматура, патрубки, винты).
Силицированные детали обладают высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) – до 700 – 750°С и кислотоупорностью, так как образующаяся на поверхности окисная пленка кремния предохраняет металл от дальнейшего окисления и является стойкой к кислотам любой концентрации (азотной, серной, соляной) при их температуре до 100°С.
Несмотря на низкую твердость НВ270 (HV 250 – 300) силицированный слой плохо обрабатывается режущими инструментами, отличается пористостью, но обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при 170 – 200°С. Силицированные изделия можно деформировать и накатывать на них резьбу.
Наиболее широко применяется газовое силицирование порошковым методом. В рабочее пространство печи помещают детали, засыпают их порошковым ферросилицием или карбидом кремния, нагревают до 950 – 1000°С и пропускают хлор. Образуется хлористый кремний. При контакте с поверхностью детали из него вытесняется атомарный кремний, диффундирующий в сталь. Процесс ведут в течение 2 – 5 ч. Силицированный слой толщиной 0,5 – 1,4 мм представляет собой твердый раствор, содержание кремния в котором до 14 %.
Кроме перечисленных операций химико-термической обработки в машиностроении используются: диффузионное цинкование, титанирование, боралитирование, боросилицирование и другие операции многокомпонентного насыщения поверхности деталей несколькими металлами и металлоидами.
Легированные стали
Легированными называют стали, в состав которых специально вводятся химические элементы, называемые легирующими. К ним относятся: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан и др.
Механические свойства никакой другой группы материалов не изменяются так сильно, путем добавления легирующих элементов и под воздействием процессов термообработки, как у сталей. Легированием стали (различными элементами в разных количествах) и применением термической обработки можно получить большую вязкость при одинаковой прочности по сравнению с углеродистой сталью, большую прочность и т. д.
Но преимущества легированных сталей заключается не только в более высоких механических свойствах. Легированием можно изменить и физико-химические свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную, немагнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами. Влияние легирующих элементов на сталь очень велико.
Все легирующие элементы сдвигают точки диаграммы состояния как по температуре, так и по концентрации, образуя стали с ферритной, аустенитной, перлитной, карбидной структурами. Очень большое влияние легирующие элементы оказывают на режимы термической обработки сталей, изменяя температуры отжига, закалки и отпуска.
Легирующие элементы разделяются на карбидообразующие: хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др., которые могут находиться в твердом растворе, а при значительных количествах образовывать специальные карбиды. Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твердостью, чем карбид железа – цементит. Не карбидообразующие: никель, кобальт, алюминий, медь и др., которые растворяясь в феррите или аустените значительно влияют на их свойства. Так никель придает стали высокую прочность и пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, уменьшает коэффициент теплового линейного расширения. Его большое содержание в стали обеспечивает аустенитную структуру при всех температурах.
7.1. Классификация и маркировка легированных сталей
В зависимости от содержания легирующих элементов стали делят на низколегированные до 2,5 %, среднелегированные от 2,5 до 10 % и высоколегированные более 10 %. В зависимости от назначения легированные стали подразделяют на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами (специальные стали).
Легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Первое число указывает содержание углерода: для конструкционных сталей (две цифры) – в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях процента. Если впереди букв цифра отсутствует, то содержание углерода составляет 1 % или более. Затем следуют буквы русского алфавита, указывающие легирующие элементы. Обозначения легирующих элементов приведено в табл. 1.
Цифры, стоящие за буквами указывают на среднее содержание легирующего элемента в целых процентах. Если за буквой цифра отсутствует, это значит, что данного элемента не более 1 %, если стоит цифра 1 – около 1,5 %. Буква А в конце марки обозначает, что сталь высококачественная, т.е. с пониженным содержанием серы и фосфора. Например, сталь марки 12ХН3А – конструкционная сталь, содержащая 0,12 % углерода, хрома до 1 %, никеля 3 %, высококачественная.
Некоторые группы сталей имеют в марке дополнительные буквы: быстрорежущая – Р, шарикоподшипниковая – Ш. Многие стали с особыми свойствами имеют свои названия и другой принцип маркировки.
7.2. Легированные конструкционные стали
Конструкционные легированные стали в свою очередь делятся на стали повышенной обрабатываемости резанием, стали низколегированные, цементуемые (нитроцементуемые) и стали улучшаемые.
Легированные конструкционные стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали). В углеродистых конструкционных автоматных сталях повышено содержание серы и фосфора, что обеспечивает образование короткой и ломанной стружки, получение гладкой блестящей поверхности при резании. Большое распространение получили легкообрабатываемые стали, содержащие свинец и кальций (Ц – кальций), способствующие лучшему отделению стружки. Свинец, при содержании его 0,1 – 0,3 %, позволяет повысить скорость резания на 25 – 30 %.
В автомобильной промышленности для деталей, изготовляемых из прутков на металлорежущих автоматах, широко применяют автоматные стали содержащие свинец и кальций АС12ХН, АС38ХГМ, АС19ХГН, АЦ20ХГНМ, АЦ40ХГНМ, АСЦ30ХМ и др.
Низколегированные конструкционные стали. Это стали содержащие не более 0,22 % углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов марок 14Г2, 17ГС, 18Г2С, 10ГТ. Стали 14Г2, 17ГС, 10ХСНД в основном используются для штампованных изделий и металлических сварных конструкций, а 18Г2С, 10ГТ для армирования железобетонных конструкций.
В судо-, вагоно- и мостостроении широко применяют низколегированные низкоуглеродистые стали марок 09Г2С, 10ХНДП, 10ХСНД и др. Для отливки деталей рам тележек вагонов и корпусов автосцепок используют сталь марки 20ГФЛ. Эти стали обладают хорошими технологическими свойствами, достаточно высокой прочностью (по сравнению с углеродистой сталью в 1,5 – 2 раза), обладают хорошей свариваемостью, более коррозионностойкие. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет экономить 20 – 30 % металла. Стоимость большинства марок низколегированной стали всего на 10 – 15 % выше углеродистых.
Легированные конструкционные цементуемые стали. Это низколегированные стали (не более 0,3 % углерода) обязательно подвергаются химико-термической обработке (цементации, нитроцементации, борированию и т. п.) с последующей закалкой и отпуском. Они применяются для изготовления деталей, требующих высокой поверхностной твердости и прочной вязкой сердцевины. После закалки и отпуска поверхностный слой должен иметь твердость не ниже HRC58 – 62.
Стали хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые 20Х, 15ХФ, 20ХГНР и т.п. применяют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, мелкие зубчатые колеса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).
Хромоникелевые 12ХН3А, 20Х2Н4А, хромомарганцетитановые 18ХГТ, 25ХГТ, хромоникельмолибденовые 18Х2Н4МА стали применяются для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при ударных и знакопеременных нагрузках. В частности, из сталей марок 12ХН3А и 20ХН3А делают шестерни зубчатой передачи колесомоторного блока локомотивов и электропоездов.
Хромоникелевые стали могут работать в условиях отрицательных температур, малочувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но они дороги из-за дефицитности никеля и их часто заменяют хромомарганцетитановыми 18ХГТ, 25ХГТ и т. п. К этой же группе относятся стали более сложного химического состава, такие как 15ХГН2ТА, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА и их заменители 20Г2Р и 06ХГР.
Легированные конструкционные улучшаемые стали общего назначения. Это стали среднеуглеродистые, содержат 0,3 – 0,5 % углерода и подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению). Они должны иметь высокую прочность при достаточной пластичности, малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости и хорошую прокаливаемость.
Хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для изготовления средненагруженных деталей: зубчатых колес, валов, рычагов, ответственных болтов и гаек. Стали марок 30ХР, 40ХРА, 33ХС, 38ХСА имеют повышенную прочность, хорошую прокаливаемость.
Хромокремнемарганцевые стали марок 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХГСА называемые «хромансиль» не содержат дефицитных легирующих элементов, но имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются и часто являются заменителями более дорогих хромоникелевых и хромомолибденовых сталей.
Хромоникелевые стали марок 30ХН3А, 40ХН, 45ХН после термической обработки имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению с другими легированными сталями. Из этих сталей изготавливают венцы тяговых зубчатых передач локомотивов с применением улучшения и поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.).
Группа рессорно-пружинных сталей. Основным требованием, предъявляемым к рессорно-пружинным сталям, является высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют стали, легированные элементами, повышающими предел упругости: кремний, марганец, хром, ванадий, вольфрам.
Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение закалки и среднего отпуска при температуре 400 – 500 °С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения структуры троостита отпуска (с твердостью HRC42 – 48), обеспечивающего наиболее высокий предел упругости.
Для изготовления пружин вагонов, некоторых автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов наиболее часто применяют кремнистые стали марок 55С2, 60С2, 70С3А, которые имеют высокие пределы текучести и упругости.
Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, вольфрамом и никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве. Стали марок 60С2ХФА и 65С2ВА имеют хорошую прокаливаемость и высокую прочность, их применяют для крупных высоконагруженных пружин и рессор. При больших динамических нагрузках используется сталь марки 60С2Н2А. Для автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА.
Срок службы рессор может быть увеличен в 1,5 – 2 раза дополнительной дробеструйной обработкой (поверхностным наклепом), создающей в поверхностных слоях металла остаточные напряжения сжатия, понижающие рабочие напряжения растяжения.
Шарикоподшипниковые стали. Маркируются буквой «Ш». Основной маркой шарикоподшипниковой стали является ШХ15, химический состав которой 0,95 – 1,05 % углерода и хрома 1,3 – 1,65 %. После закалки с 840 – 860 °С в масле и отпуска при 150 – 170 °С позволяет получить твердость HRC62 – 65. Для более крупных подшипников используется хромомарганцевокремнистая сталь марки ШХ15СГ (кремния 0,4 – 0,65 %, марганца 0,9 – 1,2 %). Структура сталей после термической обработки скрытокристаллический мартенсит с равномерным распределением мелких избыточных карбидов, обеспечивает высокую твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.
Крупные подшипники диаметром более 500 мм, работающие при высоких динамических нагрузках, изготавливают из цементуемых сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с более сложной термической обработкой после цементации.
Высокомарганцовистая износостойкая аустенитная сталь. Это так называемая «сталь Гадфильда Г13», которую начали применять с 1882 года. В настоящее время ее марка 110Г13Л. Она содержит 0,9 – 1,3 % углерода и 11,5 – 14,5 % марганца. Это соотношение Mn: C? 10 обеспечивает в литых изделиях после закалки в воде аустенитную структуру с высокой прочностью s в = 100 МН/м 2 (90 кгс/мм 2) и низкой твердостью НВ200. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при трении с давлением и ударами, что объясняется ее повышенной способностью к наклепу. В результате наклепа, аустенит в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя, мартенсит образуется в следующем, низлежащем слое и т. д. Поэтому сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием и широко используется только в литейном производстве. Ее применяют для щек камнедробилок, зубьев ковшей экскаваторов, черпаков землеройных машин, траков гусеничных машин и т.п. На транспорте из нее отливают детали крестовин стрелочных переводов. Если же во время работы сталь не испытывает значительных давлений и ударов, вызывающих наклеп, то повышения износоустойчивости не наблюдается.
7.3. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали
Основным легирующим элементом всех марок нержавеющих сталей является хром. От коррозии сталь предохраняет прочная тонкая плотная пленка окислов хрома Cr 2О 3, которая образуется на поверхности деталей. Хрома должно быть не менее 12 – 13 %, в противном случае пленка не будет сплошной. Наибольшее распространение имеют хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали.
Хромистые нержавеющие стали типа Х13 содержат углерода 0,1 – 0,4 %. Наиболее распространенные и дешевые 08Х13, 12Х13, 20Х13. Они хорошо штампуются, свариваются и используются в химическом производстве, для медицинского оборудования, в пищевой промышленности и в быту. Стали марок 30Х13, 40Х13 после закалки и отпуска имеют твердость HRC50 – 56 и используются, в основном, как инструментальные для измерительного и хирургического инструмента. Кроме вышеперечисленных имеются и другие марки сталей типа 12Х17, 15Х25Т, 15Х28 и т.д.
Хромоникелевые нержавеющие стали различных химических составов и марок типа 12Х18Н9 содержат большое количество хрома и никеля. Никель обеспечивает получение аустенитной структуры после закалки стали в воде. При этом достигается более высокая коррозионная стойкость, механические и технологические свойства.
Так же как и некоторые хромистые стали, сталь 12Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии при нагреве до температур 550 – 750 °С (например, при сварке). Причина – обеднение периферийной зоны зерен стали хромом ниже 12 % вследствие выделения из аустенита карбидов хрома. Для предотвращения межкристаллитной коррозии в состав сталей вводят титан (например, сталь 12Х18Н10Т) или снижают в стали содержание углерода (например, сталь 04Х18Н10).
Хромоникелевые нержавеющие стали широко применяют в химической, нефтяной промышленности, в транспортном машиностроении и строительстве. Из них катают толстостенные бесшовные трубы. Для экономии дорогостоящего никеля его иногда заменяют марганцем, который также способствует образованию аустенитной структуры. Например, сталь 10Х14Г14Н3 рекомендуется как заменитель стали 12Х18Н9.
7.4. Легированные инструментальные стали и сплавы
Эти стали применяются для изготовления режущего, измерительного и ударно-штампового инструмента.
Стали для режущего инструмента должны обладать высокой твердостью (не ниже HRC62), превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью, теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью стали сохранять при нагреве режущей кромки структуру и свойства, необходимые для резания. По сравнению с углеродистыми, эти стали обеспечивают меньший рост зерна при нагреве под закалку, большую прокаливаемость, более высокие режущие свойства. Сталь 9ХФ применяют для круглых и ленточных пил, для ножей при холодной резке металла, для метчиков и другого инструмента сечением до 30 мм. Сталь 9ХС имеет прокаливаемость до 35 мм, повышенную теплостойкость до 250 – 260 °С. Из нее изготавливают сверла, зенкеры, развертки, фрезы, метчики, плашки и т.п.
Стали ХВГ и ХВСГ лучше закаливаются и прокаливаются. При охлаждении в масле они прокаливаются насквозь в сечении до 80 мм, менее чувствительны к перегреву. Эти стали применяют для изготовления крупных и длинных протяжек, длинных зенкеров и разверток, круглых плашек и т.п.
Быстрорежущие стали маркируются буквой «Р», после которой цифра указывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама. Эти стали широко применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, в тяжелых условиях. Быстрорежущие стали – высоко- и сложнолегированные, чем обеспечивается их высокая износостойкость и теплостойкость до 600 – 650 °С.
Долгое время основной маркой быстрорежущей стали была Р18 (18 % вольфрама). Однако во второй половине прошлого столетия вольфрам стали заменять молибденом. Наиболее распространенные в настоящее время марки быстрорежущих сталей: Р6М3, Р6М5, Р6М5К5. Химический состав этих марок: углерода 0,85 %; хрома 3,5 – 4,0 %; ванадия 2,0 – 2,5 %. Вольфрам и молибден указаны в марках сталей. Кобальт (порядка 5 %) повышает теплостойкость стали.
Фазовый состав сталей после отжига при 800 – 850 °С состоит из легированного феррита, в котором растворен почти весь хром, и карбидов вольфрама, молибдена и ванадия (порядка 20 %). Для придания стали теплостойкости инструмент подвергают закалке. Для растворения карбидов и получения высоколегированного аустенита (а затем мартенсита) температура закалки высокая 1210 – 1230 °С, охлаждение в масле или закалка ступенчатая. Структура стали после закалки – высоколегированный мартенсит, нерастворенные карбиды и остаточный аустенит (около 30 %). Твердость стали HRC60 – 62. После закалки сталь подвергают трехкратному отпуску при температуре 550 – 570 °С. При отпуске происходит выделение из мартенсита мелких карбидов и превращение остаточного аустенита в мартенсит. Твердость стали повышается до HRC63 – 65. Инструменты из быстрорежущей стали сохраняют режущую способность при больших скоростях резания, превышающих скорости резания инструментом из других сталей в 2 – 3 раза.
Стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и сохранять размеры инструмента при изменении температуры окружающей среды. Для изготовления калибров, скоб, шаблонов и других инструментов, помимо углеродистых, используют стали марок: Х, 9ХС, ХВГ и др..
Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость при достаточной вязкости. Вытяжные, гибочные, высадочные штампы, дыропробивные пуансоны, волочильные доски делают из сталей марок: Х12М, Х12Ф1, Х12Ф1Т.
Для резьбонакатного инструмента, матриц, пуансонов, гибочных, рихтовочных штампов используется сталь марки Х6ВФ.
Стали для штампов горячего деформирования должны иметь высокие механические свойства, которые сохраняются при многократном нагреве, глубокую прокаливаемость и обладать стойкостью против разгара. Разгаростойкость – устойчивость стали против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении. Для молотовых штампов паровоздушных и пневматических молотов используют стали марок 5ХНМ, 5ХНВ. Средненагруженный инструмент работающий с нагревом поверхности до 600 °С изготавливают из сталей марок 4Х5В2ФС и 4Х5МФ1С.
Металлокерамические твердые сплавы Они получили большое распространение во второй половине прошлого столетия как инструментальный материал для режущих инструментов. Они не являются сталями. Их получают методами порошковой металлургии и по составу они делятся на три группы.
Вольфрамокобальтовые группы ВК, состоят из карбидов вольфрама WC и кобальта. Кобальт является пластичной цементирующей связкой для порошка карбида вольфрама. Их марки: ВК3, ВК6, ВК8, где цифра показывает содержание кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Эти сплавы используют для обработки чугунов, цветных сплавов, неметаллических материалов и т. п.
Вольфрамотитанокобальтовые группы ТК (Т5К10, Т15К6, Т30К4). Цифры указывают содержание карбидов титана TiC и содержание кобальта, остальное – карбиды вольфрама WC. Третью группу составляют вольфрамотитанотанталокобальтовые ТТК (ТТ7К12, ТТ10К12). Первое число указывает суммарное содержание карбидов титана TiC и карбидов тантала TaC, второе – содержание кобальта, остальное – карбиды вольфрама WC. Сплавы групп ТК и ТТК используются для обработки сталей.
Сплавы выпускаются, в основном, в виде неперетачиваемых 3-х, 4-х, 5-тигранных пластин, которые механически крепятся к корпусу инструмента и являются его рабочей (режущей) частью. Высокие твердость HRC68 – 76 (HRA85 – 92) и теплостойкость (до 800 – 1000 °С) этих сплавов позволяют значительно увеличить обрабатываемость многих инструментальных материалов и повысить скорость резания в 3 – 5 раз по сравнению с инструментами из быстрорежущих сталей.
Сверхтвердые материалы Их широко применяют для оснащения лезвийных инструментов: резцов, сверл, фрез и т. п. Такие инструменты применяют для чистовой размерной обработки при высоких скоростях резания (более 1000 м/мин).
Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость которого в 8 раз превосходит твердость закаленной быстрорежущей стали. Преимущественное применение имеют синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения марок АС2, АС6, АС15 и др.
Область применения алмазных инструментов ограничивается высокой адгезией к железу, что является причиной его низкой износостойкости при точении сталей и чугунов. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, пластмассы, керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость поверхности.
Более универсальными являются инструменты из кубического нитрида бора (КНБ).
В зависимости от технологии получения КНБ выпускают под названием: эльбор, эльбор-Р, боризон.
КНБ имеет такую же, как алмаз, кристаллическую решетку и близкие с ним свойства. По твердости он не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости и химической инертности. Это позволяет использовать его для обработки труднообрабатываемых сталей, в том числе цементованных и закаленных. При этом высокоскоростное точение закаленных сталей заменяет шлифование, сокращая в 2 – 3 раза время обработки и обеспечивая низкую шероховатость поверхности.
7.5. Стали и сплавы с особыми свойствами
Стали и сплавы с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов – это сплавы системы «железо – хром – алюминий» имеющие структуру твердого раствора, что позволяет их деформировать с большим обжатием и получать тонкую ленту и проволоку. Количество углерода в них строго ограничено 0,06 – 0,12 %, не более. Кроме высокого электросопротивления, стали и сплавы должны обладать окалиностойкостью и достаточной прочностью при нагреве для сохранения формы нагревателей в процессе работы. Это стали ферритного класса марок Х13Ю4 – фехраль; 0Х23Ю5, 0Х27Ю5А – хромель. Чем выше содержание в сплавах хрома и алюминия тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента.
Другую группу сплавов с высоким омическим сопротивлением составляют твердые растворы на основе никеля с хромом – нихромы. Марка нихрома Х20Н80, рабочая температура 1125 °С. Для удешевления нихрома часть никеля заменяют железом – ферронихромы Х15Н60 и ХН20ЮС (20 % никеля) с рабочей температурой до 875 °С. Высоколегированный ферронихром ХН60Ю3 (60 % никеля) может применяться до температур 1125 °С и заменять нихром Х20Н80.
Сплавы с заданным коэффициентом линейного теплового расширения. Детали машин и приборов, которые должны сохранять постоянство размеров при нагреве до 100 °С и охлаждении до –100 °С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов) изготавливают из сплава марки Н36 (0,05 % углерода и 36 % никеля, остальное железо) получившего название инвар. Коэффициент линейного расширения инвара в 8 раз меньше чем у железа. В результате замены части никеля кобальтом получается сплав – суперинвар, его марка Н31К6, с еще меньшим коэффициентом теплового линейного расширения, чем инвар.
Сплав Н48 (48 % никеля) имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у стекла и платины и его применяют для спаев со стеклом. Он получил название платинит. Для спайки с молибденовыми стеклами применяют сплав 29НК (29 % никеля, 18 % кобальта) называемый коваром.
Сплавы с заданными упругими свойствами (сплавы с постоянным модулем упругости).
В ряде случаев требуется металл с постоянным, не изменяющимися с температурой, модулем упругости (Гука – Е, Юнга – G). Такие сплавы применяются для пружин различных точных приборов, для камертонов и т.п. Их называют элинварами. Их состав на основе никеля, хрома и железа.
Элинвар марки Н35ХМВ (1,2 % углерода, никеля 35 %, хрома 9 %, молибдена 2 %, вольфрама 3 %) обеспечивает температурную погрешность хода часов порядка 0,5 с в сутки на 1 °С. Сплав марки 42НХТЮ (0,05 % углерода, никеля 42 %, хрома 5,5 %) высокопрочный, и применяется для упругих элементов, работающих до температур 100 °С.
Жаростойкие (окалиностойкие) стали (типа 40Х10С2М, 45Х14Н14С2М) должны обладать высокой стойкостью против коррозии при температурах выше 550 °С. Чтобы пленка окислов Cr 2 O 3 защищала металл от кислорода и печных газов при температуре 1000 °С, необходимо содержание хрома в стали не менее 25 %. Положительное влияние на сопротивление коррозии при высоких температурах оказывают алюминий и кремний. Они образуют защитные пленки Al 2 O 3 и SiO 2. Стали 15Х25Т, ХН32Т (0,05 % углерода, хрома 20 %, никеля 32 %) выпускаются в виде прутков, листов, труб, а марка 15Х25Н19С2Л – используется для отливок.
Жаропрочные стали и сплавы способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Металлы обладают свойством медленно и непрерывно деформироваться при статическом нагружении, особенно при высоких температурах. Это свойство называется ползучестью. Она характеризуется пределом ползучести – напряжением, вызывающим заданную деформацию за определенный промежуток времени при заданной температуре. Кроме того, жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности – напряжением, вызывающим разрушение при данной температуре за данный интервал времени.
Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку – температуре эксплуатации. Так для работы при температурах 400 – 550 °С применяют стали 15ХМ, 12Х1МФ (трубы паропроводов и пароперегревателей), 40Х9С2 для клапанов двигателей внутреннего сгорания, а при температуре 800 – 1200 °С – сплавы на никелевой основе (например, ХН55ВМТФКЮ) для лопаток газовых турбин и т.п.
Специальные чугуны (ГОСТ 7769-82), называемые жаростойкими, обладают окалиностойкостью, ростоустойчивостью и трещиноустойчивостью, а называемые жаропрочными – высокой длительной прочностью и стойкостью против ползучести при высоких температурах. Кроме того, сюда же относятся коррозионностойкие чугуны.
Для повышения жаростойкости серых и ковких чугунов их легируют кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28, ЧХ32). Эти чугуны проявляют высокую жаростойкость (окалиностойкость) при температурах до 700-800°С в топочных и генераторных газах. В качестве термостойких и окалиностойких чугунов применяют аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и высокопрочный ЧН15ДЗШ, а в качестве жаропрочных – аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.
С целью повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при 1020-1050°С. При отжиге карбид Ме 3С растворяется в аустените, а легированные карбиды приобретают высокую прочность (жаропрочность) и достаточную пластичность. В качестве чугунов, обладающих высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот, при меняют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) – 4С13, ЧС15, ЧС17 и хромом ЧХ22, ЧХ28, ЧХ32. Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые аустенитные чугуны (например, 4Н15Д7).
СПЛАВЫЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
8.1 Алюминий и его сплавы
Алюминий – серебристо-белый металл с плотностью 2,7 г/см 3 (2700 кг/м 3); температура плавления 660°С, имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), полиморфизмом не обладает. Электро- и теплопроводность высокие (65 % от электропроводности меди). Имеет высокую отражательную способность и широко используется в рефлекторах, прожекторах, телеэкранах. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной плотной пленки Al 2 O 3. Из него изготавливают посуду, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов.