19. Качественные углеродистые стали: свойства, маркировка, применение.

Качественные углеродистые стали обладают более высокими механическими свойствами, так как в них содержится меньше примесей: они на 10-15% дороже. Из качественных сталей производят прокат, сортовую сталь и т.д. Она хорошо обрабатывается всеми видами обработки. Марка стали обозначается: Сталь 45 СП(сталь, затем процентное содержание углерода в сотых долях процентов и метод раскисления, 0,45% углерода в стали этой марке). Выпускаются стали 22-х марок. В ней гарантируются химический состав, макро и микроструктура и механические свойства. Наиболее часто употребляются Сталь45 и Сталь20.

20. Инструментальная углеродистая сталь: свойства, маркировка, применение.

Инструментальная углеродистая сталь применяется для изготовления инструментов, маркируется буквой У и числом, показывающим десятые доли процента содержания углерода(например, сталь марки У8 содержит 0,8% углерода). Отличается более высоким содержанием углерода, низким содержанием примесей, что обозначается буквой А в конце марки стали. Выпускаются стали семи марок от У8 до У13, аналогично высококачественные от У8А до У13А.

21. Легированные стали: классификация, свойства, маркировка, применение. Нержавеющие стали.

Легированными называют стали, в которые вводят одну или несколько легирующих добавок для получения заданных свойств. Название легирующих элементов определяет название стали: хромистая, хромомарганцевая и т.д. Добавкой хрома, никеля получают нержавеющие стали, добавкой вольфрама, молибдена - жаростойкие.

Хром повышает коррозионную стойкость стали, при содержании свыше 10% сталь становится нержавеющей.

Никель придаёт коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность.

Вольфрам повышает прочность, сохраняя свойства после прокаливания.

Часто применяют для легирования кремний, марганец, в небольших количествах титан, ванадий и другие металлы.

В обозначение марки входит одна или две цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента, буквы русского алфавита, обозначающие символ легирующего элемента, после буквы - цифра, показывающая содержание элемента в процентах, при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра опускается.

Например: 15Х2М(0,15% углерода, менее 2% никеля, менее 1,5% молибдена); 20Х13(0,20%С, около13% хрома).

Стали специального применения маркируются вначале буквой, обозначающей область применения стали:

А - автоматная сталь(используется для станков-автоматов);

Ш - шарикоподшипниковая;

Р - быстрорежущая(для изготовления инструментов для обработки металлов на станках методом скоростного резания).

Обозначение легирующих элементов:

Х -хром, В - вольфрам Н - никель Г - марганец

М - молибден Ф - ванадий С - кремний К - кобальт

Т - титан П - фосфор Ю - алюминий Р - бор

А -азот Б - ниобий Д - медь Е - селен

Ц - цирконий

22.Термическая обработка стали. Закалка, отжиг, отпуск, нормализация. Химико-термическая обработка стали.(Никифоров, с. 104-118 , Гинберг, с. 263-268, лаб. Работы).

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам(отливки, поковки, прокат и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

В черной металлургии преобладающими процессами термической обработки металлопродукции являются отжиг, нормализация и высокий отпуск, снижающие твердость, что облегчает металлургический передел(например, калиброванной стали) и деформационную и механическую обработку резанием на машиностроительных заводах.

Отжиг I рода

Отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения(перекристаллизация) или нет. Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений(критических точек Ai и Лз).

Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную на предшествующих стадиях передела.

Гомогенизация(диффузионный отжиг).

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали для уменьшения неоднородности.

Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига чаще применяют как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08-0,2 % углерода, чаще подвергаемых холодной деформации(прокатке, штамповке, волочению), температура отжига находится в интервале 680-700 °С.

Отжиг нормализационный(нормализация).

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 40-50°С, заэвтектоидной выше Асм также на 40-50 °С(рис. 84), непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуск.

Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.

Закалка и отпуск стали.

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50°С выше Ас3 для доэвтектоидных сталей или Ac1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточной высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Объемной закалке и отпуску подвергают многие детали агломерационного, доменного, сталеплавильного и прокатного оборудования(разнообразные валы и оси, правильные ролики и т. д.).

Отпуск стали.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1 выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Химико-термическая обработка.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующими элементами(например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до заданной температуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах менять свойства стали.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий: 1) выделения диффундирующего элемента в атомарном состоянии в результате реакций, протекающих в насыщающей среде; 2) контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновения(растворения) в решетку железа(адсорбция); 3) диффузии атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими смесями(карбюризаторами) и газовую.

Цементацию с последующей закалкой и отпуском применяют для повышения работоспособности деталей металлургических машин(всевозможные шестерни, зубчатые муфты и втулки, пальцы, втулки и ролики шлеп-перов и т.д.), испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали(0,1-0,18% углерода). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода(0,2-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Нитроцементация.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840-860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4-10 ч. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стальных деталей.

Для нитроцементации легированных сталей рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 1,5-5,5%(объемы) необработанного природного газа и 1,0- 3,5%(объемн.) NHg.

После нитроцементации следует закалка непосредственно из печи, реже после повторного нагрева, применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160-180°С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25-30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска HRC 58-60, НV5700- 6900 МПа. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость.

Азотирование.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как воздух, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементуемой стали.

Азотирование широко применяется для зубчатых колес, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков и других изделий.