–PAGE_BREAK–1.1.2 Стали их классификация и марки
Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом (до 2,14% углерода) и другими элементами.Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
По химсоставустали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 0,6%) стали.
В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.
По назначениюстали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.
По качествустали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.
По характеру застыванияиз жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 – Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы – А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В – химический состав и механические свойства.
Степень раскисленияобозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Например, сталь Ст2кп – сталь группы А, кипящая; БСт3пс – сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп – сталь группы В, спокойная.
Углеродистые качественные сталимаркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.
Легированныминазывают стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре.
Низколегированные стали, содержат до 2,5 % легирующих элементов.
Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей – в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т – титан, С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам и т.п. Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%.
Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш – шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 – с содержанием хрома ≈ 1,5%), Э – электротехническая и т.д.
1.1.3 Применение чугуна и сталей в механических устройствах
Высокопрочный чугуншироко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др.
Серые чугуныпо их применению можно разделить на группы:
1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуныприменяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.
2. Перлитные чугуныприменяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.
3. Антифрикционные чугуныприменяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.
Ковкий чугунприменяют для деталей, требующих по своей форме литой заготовки, но допускающих при работе случайные ударные нагрузки. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Сталиявляются наиболее распространенным конструкционным материалом, так как обладают хорошими механическими характеристиками.
Из углеродистой стали групп Б и В изготавливают крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.
Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, равно- (рис. 1.1, а) и неравнобокие уголки (рис. 1.1, б), двутавры (рис. 1.1, в), швеллеры (рис. 1.1, г), трубы и поковки, а также листы, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.
а б в г
Рис. 1.1
Низкоуглеродистые стали марки 10, 15, 20 и 25 пластичны, хорошо свариваются и штампуются. В нормализованном состоянии в основном их используют для крепежных деталей – валики, оси и т. д. Для увеличения поверхностной прочности этих сталей их цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например слабонагруженных зубчатых колес, кулачков и т. д.
Среднеуглеродистые стали применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки. Среднеуглеродистые стали обыкновенного качества марки 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.
Высокоуглеродистые стали после закалки и отпуска и поверхностной закалки применяют для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.
Низколегированные стали используют для изготовления деталей машин и приборов (кулачков, зубчатых колес и др.), испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженных износу.
продолжение
–PAGE_BREAK–1.2 Сплавы на основе меди и алюминия. 1.2.1. Сплавы на основе меди, классификация, обозначение, достоинства и недостатки.
Медь в чистом виде характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах – иные элементы.
Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А – алюминий, Н – никель, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, К – кремний, Ф – фосфор, Т – титан.
Латуниделят на двойные (простые) и многокомпонентные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). Такие латуни называют специальными или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. Легирующие элементы увеличивают прочность, но уменьшают пластичность латуни. Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают алюминий, цинк, кремний, марганец и никель. Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20% Zn склонны к коррозийному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода, аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250 — 650ºС, а изделия из латуни – при 250 — 270ºС.
Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные и литейные. Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, получившие название морских латуней.
Литейные латуни, предназначенные для фасонного литья, обладают хорошей текучестью, мало склонны к ликвации (неоднородность химического состава, возникающая при его кристаллизации) и обладают антифрикционными свойствами. От Литейных латуней требуется повышенная прочность, поэтому к ним добавляется большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются лучшей коррозийной стойкостью. Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно отсутствие склонности к коррозийному растрескиванию, применяют латуни с высоким содержанием меди. Латуни с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, но хуже сопротивляются коррозии.
В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие – легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное – цинк.
Бронзыклассифицируют по основным легирующим элементам: оловянистые и, безоловянистые (или специальные). К безоловянистым относят алюминиевые, бериллиевые, кремнистые, свинцовистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения, наилучшими антифрикционными свойствами. Оловянистые бронзы по технологическому признаку разделяют на литейные и деформируемые. Безоловянистые бронзы хорошо обрабатываются, в ряде случаев обладают более высокими механическими и антикоррозийными свойствами, чем оловянистые, поэтому они нашли широкое применение в промышленности. В зависимости от назначения и механических свойств специальные бронзы делятся на деформируемые и литейные. К деформируемым специальным бронзам относят бронзы с содержанием основного легирующего элемента 5-10%. Эти бронзы хорошо обрабатываются в горячем и в ряде случаев в холодном состоянии, обладают высокой коррозийной стойкостью. Алюминиевые бронзы – бронзы, содержащие до 90 % А1, обладают повышенными литейными свойствами и их применяют для фасонного литья. Бериллиевые бронзы содержат 2,0-2,5 % Be и обладают наилучшим комплексом свойств из всех известных бронз. Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой и старением. Бериллиевая бронза марки БрБ2 немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Кремнистые бронзы обычно имеют в своем составе 3-4 % Si. Они более прочны и дешевы, чем оловянистые бронзы. Кремнистая бронза обладает высокой устойчивостью против коррозии в ряде агрессивных сред, в особенности в щелочах. Свинцовистые бронзы содержат до 30 % РЬ. Микроструктура: механическая смесь кристаллов (зерен) меди и свинца. Это обеспечивает хорошие антифрикционные свойства сплава.
Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.
Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.
1.2.2 Применение сплавов меди как конструкционных материалов в механических устройствах
Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л – для изготовления литых деталей. Деформируемые оловянистые бронзы используются для получения лент, полос, прутков, проволоки, пружин, трубок, подшипниковых деталей и т.д., к ним относят бронзы марок БрОФ4-0,25, БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 и др. Литейные специальные бронзы используют для фасонного литья в авиа- и машиностроении при получении шестерен, втулок, седел клапанов, пружин, ободов подшипников для различных массивных деталей, работающих в агрессивных средах и при больших давлениях, а также для антифрикционных деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах.
Свинцовистая бронзаБрС-30 обладает высокими антифрикционными свойствами и применяется для сильно нагруженных подшипников с большими удельными давлениями (например, коренные подшипники турбин).
Особое место при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости занимает бериллиевая бронза марки БрБ2. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.
продолжение
–PAGE_BREAK–