Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Легированные стали и твердые сплавы


Легированные стали и твердые сплавы

Легированными или специальными называют стали, в которые вводят легирующие элементы (от греческого «лега» — сложное). Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. К ним относятся: Си, Al, Si, Ti, V, Cr, Nb, W, Mo, Ni, Mn, Co и др.

Легированием повышают коррозионную стойкость сталей, придают им стойкость в условиях низких и высоких температур и давлений, повышают прочность, твердость, износостойкость и др. Отдельные легирующие элементы повышают у стали: Си, Si, Cr, Mo, Ni и др. — коррозионную стойкость: Si, Cr, Mo, W, Mn, Ni и др. — твердость и прочность; V, Со, Ni — вязкость; Cr, Mn, Ni — сопротивление истиранию и т. д.

Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном состоянии (очень редко), в виде твердых растворов замещения в феррите, аустените и цементите (легированный цементит), самостоятельных специальных карбидов, химических соединений с железом или друг с другом (интерметаллических) и с неметаллами (оксидов, сульфидов и др.). Более всего легирующие элементы образуют твердые растворы и карбиды. Большинство легирующих элементов растворяются в феррите и аустените с образованием твердых растворов замещения.

Легирующие элементы разделяют на две группы — не образующие карбидов и карбидообразующие.

Железо и вводимые в сталь легирующие карбидообразующие элементы Mn, Cr, Mo, W, Ni, V и др. (они расположены в порядке повышения степени сродства к углероду) образуют с углеродом кар-оиды — мПзс, Сг7Сз, Мо2С, W2C, NiC, VC и др., повышающие твер-дость и прочность стали. Железо имеет более низкую степень срод ства к углероду, чем легирующие элементы.

В легированных сталях содержатся три фазы: легированные фер рит, аустенит и цементит. Легированные феррит и аустенит являют ся твердыми растворами легирующих элементов соответственно t модификациях a-Fe и y-Fe, а легированный цементит является цементитом, в котором часть атомов железа замещена атомами легирующего элемента.

Преимущества легированных сталей особенно полно проявляются после термической обработки.

Легированные стали классифицируют в зависимости от общего содержания легирующих элементов: низколегированные содержат до 2,5%, среднелегированные 2,5—10% и высоколегированные — более 10% легирующих элементов; по назначению — конструкционные (машиностроительная, строительная), с особыми свойствами (коррозионно-стойкие или нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные и др.) и инструментальные. Легированные стали маркируют с обозначением каждой марки стали буквой и числом.

Низколегированные строительные стали применяют для изготовления строительных стальных конструкций (ферм, мостов, нефтепроводов, газопроводов и др.) и арматуры для железобетонных конструкций.

Стальные конструкции обычно являются сварными и поэтому для них применяют хорошо свариваемые малоуглеродистые (менее 0,22—0,25%о С) низколегированные стали повышенной прочности с добавлением более дешевых легирующих элементов — кремния и марганца.

Низколегированные стали повышенной прочности обладают высокой пластичностью (8 = 23—25%>) и ударной вязкостью, повышенной прочностью; предел прочности при растяжении 550— 600 МПа, предел текучести 350—450 МПа, а после термической обработки эти показатели становятся еще выше.
Кроме низколегированных сталей повышенной прочности применяют и низколегированные стали высокой прочности, имеющие предел текучести более 450 МПа. Например, сталь марки 18Г2АФ имеет ферритно-перлитную структуру со значительно измельченными зернами вследствие наличия в ней нитридов ванадия, что значительно повышает предел текучести (примерно выше на 100 МПа).

В железобетонных конструкциях применяют простые углеродистые стали и низколегированные арматурные стали в виде проволоки и стержней гладких или периодического профиля. Ненапряженные железобетонные конструкции, в которых сталь испытывает небольшие напряжения, армируют простыми углеродистыми сталями и низколегированными сталями марок 35ГС, 18Г2С и 25Г2С.

Предварительно напряженные конструкции, в которых сталь одвергается большим напряжениям, армируют высокопрочными п еДНеуглеродистыми, высокоуглеродистыми и низколегированными (марок 45С, 80С, 35ГС, 45ГС, 20ХГ2С, 20Х2Г2Т) сталями в горячекатаном или термически упрочненном состоянии путем закалки и отпуска.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали. При воздействии внешней среды может происходить разрушение металла, называемое коррозией.

Коррозионностойкими называют стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах. Наиболее подвержены коррозии в различных средах (на воздухе, в воде и др.) железоуглеродистые и низколегированные стали. В этих случаях на поверхности металлов образуется неплотная оксидная пленка, не предохраняющая металл от дальнейшей коррозии.

При введении некоторых легирующих элементов в сталь скачкообразно повышается ее коррозионная стойкость, а при определенном количестве легирующего элемента возможно получение стали, практически не поддающейся коррозии. Название нержавеющей стали дается в зависимости от введенного в нее легирующего элемента.

Наиболее широко применяются хромистые нержавеющие стали, а также хромоникелевые. В них главным легирующим элементом является хром. Хромистые содержат 0,08—0,40% С и 13—17% Сг и обладают полной коррозионной стойкостью на воздухе, в воде и некоторых кислотах, щелочах и солях благодаря тому, что на поверхности стали образуется плотная тонкая пленка оксида хрома, защищающая сталь от коррозии.

Сталь, содержащая менее 12% Сг, подвержена коррозии. Обычные марки хромистых нержавеющих сталей: 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 12X17, 08Х17Т, 14Х17Н2 (содержит 1,5—2,5% Ni), 15Х25Т, 15X28.

Высокую коррозионную стойкость имеют и хромоникелевые стали. В качестве основных легирующих элементов в них вводят хром и никель. Их получают введением никеля в хромистую сталь, содержащую 0,12—0,14% С и 17—20% Сг. С введением никеля хромистая сталь приобретает аустенитную структуру, что уменьшает склонность зерен к росту, повышает коррозионную стойкость, предотвращает хладноломкость, улучшает механические свойства. Марки хромоникелевых нержавеющих сталей: 12Х18Н8, 12X18Н9Т, ЮХ14П4НТ и др.

Коррозионностойкие стали применяют для изготовления строительных изделии и конструкций, эксплуатируемых в грунтовых и морских водах, газах и других агрессивных средах.

Жаростойкие и жаропрочные стали. В различных областях техники все шире используют высокие температуры и давления. Между тем при высоких температурах металлы ведут себя иначе, чем щ обычных или даже несколько повышенных (300—350°С) темпераpax.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали, стойку против химического разрушения (окисления) их поверхности в газо, вой среде при температурах выше 550°С, работающие длительное время в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Окали, ностойкость стали повышают легированием ее элементами, обладь ющими большим сродством к кислороду, чем железо, вследствие чего в благоприятном направлении изменяются состав и строение окалины.

При окислении стали^ легированной алюминием, кремнием или хромом, имеющими большое сродство к кислороду по сравнению с железом, на ее поверхности образуется тонкая плотная пленка оксидов АЬОз, Si02 или СггОз, затрудняющая дальнейшее окисление.

С повышением содержания данных легирующих элементов повышается окалиностойкость стали, что позволяет нагревать ее до более высокой рабочей температуры.

Предельная температура эксплуатации жаростойких сталей составляет 900—1150°С при содержании хрома 16—27%, если действие нагрузки кратковременное. При высокой температуре металл может иметь высокую прочность, а при длительном ее действии прочность становится низкой.

Жаростойкие стали содержат 0,08—0,50% С; они легируются главным образом хромом, а также молибденом, вольфрамом, ванадием.

Легированные инструментальные стали и твердые сплавы. Легированные инструментальные стали применяют в тех случаях, когда углеродистую сталь нельзя применять ввиду недостаточной ее стойкости.

Тонкое лезвие (кромка) режущего инструмента работает под большим удельным давлением, в результате чего оно затупляется, изнашивается. Для обеспечения длительной надежной работы оно должно изготовляться из металла с твердостью выше 60HRC. При больших скоростях резания и особенно твердых металлов кромка режущего инструмента значительно нагревается (до красного каления). В этом случае режущая кромка должна быть из стали, обладающей так называемой красностойкостью (теплостойкостью), т. е-способностью сохранять высокую твердость при продолжительном нагревании.

У низколегированных инструментальных сталей высокая твердость сохраняется до температуры 250°С, у высоколегированных – до 600 °С.

Марки низколегированных инструментальных сталей: Х06,85ХФ’ 9ХС, ХГ, ХВГ, ХГСВФ, В1 и др.

Низкоуглеродистые инструментальные стали применяют для готовления режущих инструментов, работающих в относительно й3 иХ условиях, и измерительных инструментов.

Эти стали обладают высокой твердостью (горячей твердостью) и высокими режущими свойствами в горячем состоянии и красностойкостью, способностью сохранять высокую твердость во времени. Из них изготовляют режущие инструменты для работы при высоких скоростях резания, когда вьщеляется много теплоты и инструменты сильно нагреваются. Основные марки быстрорежущих сталей: Р18, Р6М5, РЗМЗФЗ, Р6М5Ф2КВ и др.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапиц-скорость); число за буквой Р — содержание вольфрама в процентах (буква В не пишется).

После отжига стали всех марок состоят из а-твердого раствора и карбидов.

Твердые металлокерамические сплавы и керметы. Твердые сплавы изготовляют на основе тугоплавких карбидов. Они обладают высокими прочностью, твердостью, износостойкостью, коррозионной устойчивостью и жаростойкостью. Разогрев кромки режущего инструмента из быстрорежущей стали додустим только до 650°С, а из твердых сплавов разогрев возможен до 800—1000 °С.

Твердые металлокерамические сплавы готовят способом порошковой металлургии. Порошки карбидов вольфрама и титана смешивают с кобальтом или никелем (связующим веществом), прессуют, и полученные изделия обжигают при высокой температуре (1500—2000°С) до спекания. Обожженные изделия состоят из мельчайших зерен карбидов, связанных кобальтом. Полученные изделия обладают высокой твердостью (HRC до 85) вследствие содержания в них 90—95% карбидов и сохраняют ее вплоть до температуры 1000°С. Марки металлокерамических сплавов: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К6, Т60К6.

Из металлокерамических сплавов готовят режущие пластины, резцы, сверла, фрезы и др.; их применяют для скоростного резания металлов.

Керметы, т. е. керамико-металлические порошковые сплавы, готовят методом порошковой металлургии. Из порошков неметалли-еских материалов (карбидов, оксидов, нитридов, силицидов, бори-Дов) и металлов (кобальта, никеля, хрома и др.), являющихся язующим веществом, получают изделия с высокими показателями ердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочно-



Похожие статьи:
Строительные термины и определения

Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум