Сплавы на основе железа

Сплавы  на основе железа

Железо – это  металл сероватого цвета, атомная масса  которого равна 55,85, а атомный радиус – 0,127 нм. Температура плавления 1539 ⁰C. В твердом состоянии железо имеет кристаллическую решетку, для которой характерно два возможных состояния, называемых полиморфной модификацией и обозначаемых как a-Fe и y-Fe . Существование этих модификаций зависит от температуры нагрева. 

Для a-Fe характерна объемноцентрированная кубическая решетка, которая существует при температурах менее  ≤ 910 ⁰C  и в диапазоне T = 1392 – 1539 ⁰C . В диапазоне температур T = 910 – 1392 ⁰C  железо существует в форме y=Fe. 

Углерод является неметаллическим  элементом, который растворяется в  железе как в жидком, так и твердом  состояниях. Чаще всего система Fe-C  существует в виде жидкого сплава или твердого раствора. Твердыми растворами называют такие фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую структуру, а атомы других компонентов присутствуют в решетке первого, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения и внедрения.  

Твердый раствор углерода и других примесей в a-Fe называется ферритом. Углерод при этом располагается в центре грани куба, в котором может поместиться сфера радиусом, равным 0,29R, где R – атомный радиус железа.   

Раствор углерода и  других примесей в y-Fe  называют аустенитом. Атом углерода при этом размещается в центре куба со вписанной сферой радиусом 0,41R. Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкой прочностью. 

Наиболее распространенными  сплавами на основе железа являются сталь  и чугун, которые представляют собой  твердые растворы (сплавы) железа Fe с углеродом С. Если содержание углерода в растворе менее 2,14%, то такой сплав  называется сталью, а если больше 2,14%, то чугуном. Граница разделения чугуна и стали соответствует предельной растворимости углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей и при высоком нагреве имеют  только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. По этой причине  стали легко деформируются при  нормальных и повышенных температурах, т.е. являются ковкими материалами. В отличие от сталей чугуны характеризуются  хрупкостью, но обладают хорошими литейными  свойствами, в том числе более  низкими температурами плавления.

Стали 

В общем объеме продукции  машиностроения, продукции из стали  обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) и  качественной (ГОСТ 1050-74), а также  легированной (ГОСТ 4543-71) составляют почти 80%. Они дешевые и имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании  с хорошей обрабатываемостью  резанием и давлением. 

Стали, применяемые  при изготовлении машин и конструкций, можно условно разделить на углеродистые с содержанием углерода С<0,25%, среднеуглеродистые стали с С=0,25...0,6% и высокоуглеродистые с С>0,6%. Углеродистые стали являются наиболее распространенными. Их производство доходит до 80% от общего объема производства всех сталей.       

Углеродистые стали  обыкновенного качества по ГОСТу 380-94 с обозначением Ст предназначены  для изготовления горячекатаного проката: сортового, фасонного, толсто- и тонколистового, широкополосного (холодного тонколистового), а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, катаной и литой заготовок, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов, малонагруженных  деталей, металлоконструкций, всевозможных корпусных деталей и т.п. 

Марки зарубежных углеродистых сталей обыкновенного качества и  международного стандарта, соответствующих  российским сталям марки СТ по механическим свойствам приведены в табл. 2. При этом содержание основных элементов (С, Si, Mn, P, S) лежат в предусмотренных  интервалах. 

При сопоставлении  пределов прочности и текучести  разброс составляет в пределах  ±50 МПа. 

Марки зарубежных аналогов углеродистой и низколегированной  качественной конструкционной стали  приведены для сравнения результатов  исследования ученых различных стран  мира (табл. 3 и 4).                                                                                                                                        Таблица 2

Механические свойства сталей можно характеризовать пределом прочности  и пределом текучести , значения которых в сильной степени  зависят от химического состава  сталей и ее термообработки. Кроме  того, для сталей характерно постоянные значения модуля упругости Е и  коэффициента Пуассона µ , которые независимо от марки можно полагать равными соответственно E = 2,1•10⁵ МПа,µ = 0,3 . С увеличением процентного содержания углерода повышаются характеристики прочности и снижается пластичность.  

Кроме углерода, в  состав сталей включают и другие элементы. Такие стали называются легированными. Они обладают большой статической  прочностью, а также прочностью при  переменных режимах нагружения. В  качестве легирующих элементов, как  правило, используются: хром (Cr), кремний (Si), никель (Ni), ванадий (W), алюминий (Al), марганец (Mg) и др. 

Стали, в которых  суммарное содержание легирующих элементов  не превышает 2,5%, называются низколегированными; в том случае, если содержание легирующих элементов составляет 2,5...10% - это  легированные стали, а если легирующих добавок больше 10%, то такие стали  называют высоколегированными.  

Коррозийно-стойкие  стали обладают стойкостью против коррозии. Это большая группа высоколегированных сталей. В качестве легирующего элемента здесь используется хром (13...25%), иногда никель.  

Материалы с высокими упругими свойствами (пружинные стали) – это углеродистые либо легированные стали, с большим содержанием  углерода (0,5...1,1%).            

Качество стали  определяется содержанием вредных  примесей, однородностью химического  состава и структуры. Вредными примесями  являются сера, фосфор, мышьяк, кислород, азот и водород. Неметаллические  включения в виде оксидов и  сульфидов существенно уменьшают  пластичность, способствуют хрупкому разрушению. Крупные их частицы с  размерами от 20 мкм и выше снижают  прочность, контактную выносливость, являются опасными концентраторами напряжений и при знакопеременных нагрузках  уменьшают сопротивление усталости  деталей. Здесь вакуумирование стали  снижает содержание газов, выравнивает  химический состав, а электрошлаковый  переплав сталей обеспечивает одинаковые механические характеристики вдоль  и поперек направления прокатки. 

С увеличением количества углерода возрастает доля цементита  в структуре, что затрудняет перемещение  дислокации и, соответственно, развитие сдвиговых процессов. В результате повышается прочность, но снижается  пластичность. 

У низколегированной  стали с содержанием углерода до 0,2% после закалки и отпуска  происходит упрочнение, а также уменьшается  чувствительность к концентраторам напряжений. 

Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением  обладают высокой прочностью, вязкостью  и хладостойкостью. 

Резервом повышения  качества стали является производство их металлизированных окатышей, отличающихся чистотой от вредных примесей. Для  улучшения обрабатываемости резанием, в стали дополнительно вводят селен, свинец, кальций и теллур. 

Прогрессивными методами винтовой и поперечной, продольно-винтовой, холодной прокатки изготовляются детали в виде тел вращения: роторы компрессоров, шнеки мясорезательных машин, кольца и шарики подшипников, зубчатые колёса с накаткой зубьев, сверла, винты, звездочки  цепной передачи, ступенчатые валы, втулки и заготовки других деталей. При этом наружные слои приобретают  волокнистую структуру, ориентированную  по профилю зуба, твёрдость повышается в 1,4 - 1,5 раза, прочность увеличивается  до 25 %, а усталостная выносливость повышается до 2,2 раза. Это намного  эффективнее, чем точение и фрезерование круглой заготовки.  

Разработаны процессы и оборудование для полугорячей  и холодной объёмной штамповки, выдавливания, позволяющие получать точную заготовку. При этом направления волокон  совпадают с направлениями нормальных напряжений.

Низкоуглеродистые стали Сталь 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 15Г, 20Г, 25Г (ГОСТ 1050-74) применяются для изготовления шайб, заклепок, крышек, болтов, фланцев, вилок, муфт, втулок, косынок, штуцера  теплообменных аппаратов. После  цементации и цианирования применяют  для изготовления втулок, осей звеньев  цепи, болтов, гаек, винтов, шестерен, червяков, шпинделей, звездочек и других деталей  с высокой твердостью и износостойкостью поверхностей. 

Износостойкие цементируемые  стали 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 18ХГ, 20ХН, 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 14Х2Н3МА, 20ХН2М, 15Н2М, 20Н2М (ГОСТ 4543-71) применяются для  изготовления червячных, шлицевых и  распределительных валов, зубчатых колес, втулок, шпилек, осей, вал-шестерен, валов редукторов. 

Углеродистые стали 5пс и 5сп (ГОСТ 380-88) применяются для  изготовления болтов и гаек. 

Стали с добавками  титана 18ХГТ, 25ХГМ, 25ХГТ, 30ХГТ, 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТА, 15Х2ГН2ТРА, 20ХГНТР, 25Х2ГНТА (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления зубчатых колес коробок передач, червячных валов, зубчатых венцов, осей, тяжелонагруженных зубчатых колес, трансмиссий транспортных машин. После азотирования – ходовых валиков и винтов станков и др. деталей, от которых требуется минимальная деформация. 

Стали с микродобавками бора 20ХГР, 27ХГР, 20ХНР, 20ХГНР (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления зубчатых колес, кулачковых муфт, вал-шестерен, червяков, пальцев, валиков, втулок.  

Углеродистые и  легированные стали 30, 35, 30Г, 35Г, 40, 45, 40Г, 45Г, 50Г, 50, 55, 40Г2, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 30ХРА, 33ХС, 38ХС, 40ХС, 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА,35ХГСА (ГОСТ 1050-74) и 30ХН2МА, 38Х2Н2МА (ГОСТ 4543-71) с  различной термической и химико-термической  обработкой применяются для изготовления осей, валиков, винтов, штифтов, упоров, колец, шайб, втулок, тяг, траверс, шатунов, валов, шпинделей, вилок переключения передач, маховиков, гаек, болтов, зубчатых венцов, зубчатых колес, шпонок, храповиков, фрикционных дисков, плунжеров, муфт, зубчатых реек, шлицевых и шестеренных  валов, анкерных болтов, муфт сцепления  коробок скоростей, полуосей, деталей  сварных соединений, ответственных  деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам.  После  закалки с отпуском – тяг, траверс, рычагов, цилиндров прессов, крепежных  деталей, валов, шпинделей высокой  прочности 

Высокопрочные стали 38ХН3МФА, 30ХН2МФА, 38ХН3МА, 34ХН1М, 34ХН1МА, 34ХН3М, 34ХН3МА, 35ХН1М2ФА (ГОСТ 4543-71) применяются  для изготовления деталей редукторов, болтов, шпилек, валов, осей, зубчатых колес, муфт, особо ответственных деталей  компрессорных машин, роторов, полумуфт и др. особо ответственных тяжелонагруженных  деталей. 

Конструкционные углеродистые литейные стали 25Л, 30Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л, 35ГЛ, 30ГСЛ, 40ХЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ (ГОСТ 977-75) применяются  для изготовления станин прокатных  станов, шкивов, траверс, корпусов подшипников, зубчатых колес, корпусов редукторов, кронштейнов, балок, маховиков, тормозных  дисков, шестерен, кожухов, вилок, звездочек, вилок компрессора, деталей лебедки, стяжных колец плавающих головок  подогревателей и теплообменников, муфт подъемно-транспортных машин, ходовых  колес, валиков крупно-, средне- и  мелкосортных станов для прокатки мягкого  металла, дисков, зубчатых венцов, крестовин, ступиц, валов, кулачковых муфт, цапф, щек  дробилок, рычагов, ходовых колес, толкателей, осей и др. деталей общего машиностроения. 

Высоколегированные  коррозионно-стойкие литейные стали 20Х13Л, 15Х13Л, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ, 40Х24Н12СЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12М3ТЛ, 15Х23Н18Л, 35Х18Н24С2Л (ГОСТ2176-77) применяются  для изготовления лопаток компрессоров, шнеков, крепежных деталей, деталей, подвергающихся действию слабых агрессивных  сред (влажный пар, водные растворы солей органических кислот), деталей  повышенной прочности для пищевой  промышленности. 

Коррозионно-стойкие  стали 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 12Х17, 15Х17АГ14, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т, 15Х28, 08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 03Х16Н15М3, 03Х16Н15М3Б, 08Х17Н13М2Т, 11Х11Н2В2МФ, 16Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 31Х9Н9МВБ (ГОСТ 5632-72) применяются  для изготовления режущих инструментов, дисков, валов, втулок, оборудования заводов  пищевой промышленности, консервных заводов, мясо - молочной промышленности, труб теплообменной аппаратуры, деталей  компрессорных машин. 
 

Жаростойкие стали 08Х18Н10, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 40Х9С2, 12Х17, 08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х18СЮ, 15Х25Т, 15Х28 (ГОСТ 5632-72) применяются для изготовления теплообменников, адсорбционных башен. 

Азотируемая сталь 38Х2МЮА (ГОСТ 4543-71) применяется для изготовления втулок, зубчатых колес. 

Улучшаемые стали 40, 50 (ГОСТ 8479-70) применяются для изготовления тяг, серьг, крюков, траверс, осей, муфт, звездочек, цилиндров, рычагов. 

Низколегированная сталь 14Г2АФ (ГОСТ 19282-73) применяются  для изготовления подкрановых ферм для мостовых кранов.