1.2.2 Стали

Стали — это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода 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< С< 0,6 %) и высокоуглеродистые (С > 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 назначению стали 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 легированными хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (сера и фосфор). 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 застывания из 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 оксида 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 выше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят натри 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 раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная.

Например, сталь Ст2кп — сталь группы А, кипящая; БСтЗпс — сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп — сталь группы В, спокойная.

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными числами (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 удачному сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокими прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрами, которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента, например сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % углерода.

Легированными являются 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.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами. 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, X — 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 0,3 % 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 З0ХГС и 9ХС кремния больше 0,8 %, марганца в стали З0ХГС больше 1 %.

Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую назначение стали. Например, буква Ш — шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 — с содержанием хрома 1,5 %), Э — электротехническая и т.д.

Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток — большая плотность и, как следствие, небольшие удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей в качестве обычных конструкционных материалов дорого.

Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно- (рис. 11.1, а) и неравнобочных уголков (рис. 11.1, б), двутавров (рис. 11.1, в), швеллеров (рис. 11.1, г) и профилей других видов разных размеров, оговоренных стандартами.

Рис. 11.1

11. 3 Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.

11. 3.1 Медь и ее сплавы

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.

Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50 %. Марки таких латуней обозначают буквой Л и числом, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и антикоррозионных свойств в латуни кроме цинка вводят в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые числа указывают среднее содержание меди, а последующие — легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80 % меди, по 3 % кремния и свинца, а остальное — цинк.

Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются с букв Бр и М соответственно, а следующие буквы и числа указывают на наличие легирующих элементов и их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5 %, медно-никелевыйсплав мельхиор МН19 содержит 19 % никеля.

Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы; они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью к атмосферной коррозии.

Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, применяют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечников, втулок, шайб, а латунь ЛК80-3Л — для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БрАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.

Особое место при изготовлении упругих элементов занимает из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.

Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много выше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.