Свойства сталей и сплавов. Натуральный и синтетический каучуки; классификация резин
1.2 Стали и сплавы с особыми физическими свойствами. Маркировка. Области применения
К сталям и сплавам с особыми физическими свойствами относятся те, работоспособность которых оценивается не только по механическим, но и по ряду других (теплофизических, магнитных, электрических и др.) свойств требуемого уровня.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами часто называют прецизионными.
Прецизионные сплавы - металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или редким сочетанием свойств, уровень которых в значительной степени обусловлен точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами имеют очень широкий диапазон использования. Наибольшее распространение получили стали и сплавы:
1. Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.
Стали и ставы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ГОСТ 10994-74) предназначены для впаивания изделий на их основе в стеклянные и керамические корпуса вакуумных приборов. Химический состав этих сплавов базируются на системе Fe+Ni + Co с небольшим количеством меди. Точный состав каждого сплава устанавливается для конкретного вида стекла или керамики, используемых в изделиях, из условия равенства их температурных коэффициентов линейного расширения.
Особое место в сплавах с заданным температурным коэффициентом линейного расширения занимают сплавы с малым коэффициентом, существенно не меняющимся в высокотемпературной области. Эти сплавы предназначены для изготовления деталей измерительных приборов и технических средств. Промышленное значение имеет сплав инвар на базе железа и никеля (36%) с небольшим (0,05%) количеством углерода. Эти сплавы используют для деталей, впаиваемых в неорганические диэлектрики - стекло, керамику, слюду и др.
В связи с тем, что изделия работают в различных условиях, необходимо знать, какой материал может быть использован для данных условий. Кроме того, правильно подобранный материал будет дольше служить. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения представлены в таблице 2.
"right">Таблица 2Характеристики сплавов с заданным ТКЛР и области их применения
Марки стали |
Массовая доля элементов, % |
Свойства и назначения |
||||
C |
Ni |
Co |
прочих |
|||
36Н (Инвар) |
Не более 0,05 |
35-37 |
- |
- |
б=1,5*10 град. Для маятников точных часов, нивелированных реек и др. при t=20-80?С. |
|
32НКД |
Не более 0,05 |
31,5-33 |
3,2-4,2 |
0,6-0,8(Cu) |
б=1*10-6 град-1. Применяют для тех же целей, что Н36 при t= -60-+100?С |
|
35НКТ |
Не более 0,05 |
34-35 |
5-6 |
2,2-2,8 (Ti) |
б - не нормируется. Для изготовления деталей приборов, которые не должны существенно изменять размеры в интервале температур от +100 до -100?С |
|
38НК |
Не более 0,05 |
37,5-38,5 |
1,5-2,5 |
- |
б=(3-7)*10-6 град-1. для соединений с различными неорганическими диэлектриками, керамикой. |
|
30НКД |
Не более 0,05 |
29,5-30,5 |
13-14,2 |
0,3-0,5 (Cu) |
б=(4-7)*10-6 град-1 для вакуумно плотных соединений с высокопрочным стеклом |
|
46Н |
Не более 0,05 |
45,5-46,5 |
- |
- |
б=(3-7)*10-6 град-1. Средний ТКЛР. Для вакуумно плотных соединений с сапфиром. |
|
58Н (инвар-стабиль) |
Не более 0,05 |
57-59 |
- |
- |
Коэффициент линейного расширения близок к ТКЛР б-стали. Для изготовления штриховых мер для координатно-расточных станков высокой точности. |
|
18ХТФ |
0,07 |
- |
- |
17-19(Cr) 0,4-0,8 (Ti) 0,25-0,45 (V) |
б=(11-11,4)*10-6град-1для изготовления конусов металлостеклянных кинескопов. |
2. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением (при повышенной жаростойкости);
Стали и сплавы с высоким электросопротивлением (ГОСТ 10994-74) должны сочетать высокое сопротивление (1,06... 1,47 мкОм·м, что более чем в 10 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали) и иметь жаростойкость 1000...1350°С. К технологическим свойствам таких сплавов предъявляются требования высокой пластичности, обеспечивающей хорошую деформируемость на прутки, полосу, проволоку и ленты, в том числе малых сечений, а к потребительским - малая величина температурного коэффициента линейного расширения. Для этих сплавов используются системы Fe + Сг + А1, Fe + Ni + Сг и Ni + Сr. Их микроструктура представляет собой твердые растворы с высоким содержанием легирующего элемента. Чем больше в сплавах хрома и алюминия, тем выше их жаростойкость. Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,06...0,12%), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок эксплуатации изделий.
Проволоку (ГОСТ 12766.1-90) и ленту (ГОСТ 12766.2-90) для нагревателей изготавливают из прецизионных сплавов. Из сталей Х15Ю5, Х15Н60, Х15Н60-Н изготавливают калиброванные прутки диаметром 8-10 мм, а из сталей Х23Ю5, Х23Ю5Т - прутки теплотянутые для электронагревательных элементов печей, бытовых приборов, элементов сопротивления, работающих в окислительной атмосфере без динамических нагрузок.
Для электронагревателей используют ферритные низкоуглеродистые (< 0,03-0,15% С) сплавы с малым содержанием марганца (0,3-0,7%), легированные Al, Cr (хромали), Ni и Cr (нихромы). В зависимости от химического состава сплавов изменяется температурный интервал их использования. Например: сплавы Cr-Ni работают до температуры 1100-1200оС, молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1500оС, но в связи с низкой жаростойкостью их эксплуатируют только в вакууме или в среде инертных газов. Нихром Х20Н80 - до 1050оС, хромаль ОХ23Ю5 - до 1100оС, фехраль Х13Ю5 - до 900оС.
В связи с эти материалы делят на три группы:
1. Сплавы с рабочей температурой до 500 оС - медные сплавы, легированные Ni и Mn (константан МНМц 40-1,5; манганин МНМц 3-12).
Константан применяется для термопар, т.к. он имеет высокое электрическое сопротивление при 20оС и малый коэффициент электрического сопротивления. Манганин применяется для резисторов, шунтов, элементов сопротивления теплодатчиков. Его подвергают отжигу в вакууме при температуре 400оС и отпуску при 25 оС для снятия внутренних напряжений.
Можно использовать сплавы на основе Ag, Pd, Au, Pt.
2. Сплавы с рабочей температурой до 1 200оС на основе Fe и Ni -хромаль Х23Ю5, нихром Х20Н80 (эти материалы дополнительно легируют Аl, который понижает пластичность). Применяют для нагревательных элементов.
3. Сплавы с рабочей температурой более 1 200оС - МоSi2. Это сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Ta), керамические материалы (силитовые стержни). SiC - полупроводник. Ферритные сплавы малопластичны, поэтому при деформации их необходимо подогревать, а при эксплуатации при высоких температурах за счет роста ферритного зерна они могут охрупчиваться. При температурах 1150-1 200оС сплавы нередко провисают под собственной тяжестью из-за малого сопротивления ползучести.
3. Магнитные стали и сплавы
Магнитные стали и сплавы классифицируют на магнитно-твердые, магнитно-мягкие и парамагнитные.
Магнитно-твердые стали и сплавы (ГОСТ 17809-72) по своим потребительским свойствам характеризуются высокими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно высокой магнитной энергией (BrHc) max.
По химическому составу промышленные магнитно-твердые стали и сплавы в порядке возрастания их коэрцитивной силы и магнитной энергии представляют собой:
высокоуглеродистые стали (1,2... 1,4%С);
высокоуглеродистые (1%С) сплавы железа с хромом (до 2,8%), легированные кобальтом;
высокоуглеродистые сплавы железа, алюминия, никеля и кобальта, называемые алнико.
Легирующие элементы повышают, главным образом, коэрцитивную силу и магнитную энергию, а также улучшают температурную и механическую стабильности постоянного магнита.
В углеродистых магнитно-твердых сталях необходимые свойства обеспечиваются неравновесной мартенситной структурой с высокой плотностью дефектов. В сплавах железа с хромом (например, ЕХЗ) высокие потребительские свойства обеспечивают магнитная и кристаллографическая текстуры, получаемые в результате термообработки, включающей нормализацию и высокий отпуск или закалку и низкий отпуск. Наиболее высокие свойства (Нс = 500 Э), достигаемые в сплавах алнико, реализуются за счет выделения интерметаллида NiAl и наличия магнитной и кристаллографической текстур. Для сплавов алнико используют при термообработке нагрев до 1300°С с последующим охлаждением со скоростью 0,5...5°С/с в магнитном поле.
Обозначают магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М).
Магнитно-твердые стали и сплавы используются для изготовления различного рода постоянных магнитов. В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31ТЗБА и др.). Эти сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем. После литья проводят только шлифование.
Магнитно-мягкие стали и сплавы отличаются легкой намагничиваемостью в относительно слабых магнитных полях. Магнитомягкие стали (электротехнические тонколистовые стали) применяют для изготовления якорей и полюсов электротехнических машин, магнитопроводов, статоров и роторов электродвигателей, для силовых трансформаторов и т.д.
Их основными потребительскими свойствами являются высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери на вихревые токи и при перемагничивании. Эти свойства обеспечивает гомогенная (чистый металл или твердый раствор) структура, чистая от примесей. Магнитно-мягкие материалы должны быть полностью рекристаллизованы для устранения внутренних напряжений, так как даже слабый наклеп существенно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Магнитная проницаемость возрастает при микроструктуре из более крупных зерен.
Различают следующие группы магнитомягких сталей:
1) электротехническая тонколистовая (ГОСТ 3836-83);
2) сортовая (ГОСТ 11036-75);
3) кремнистая (ГОСТ 21427-75).
К электротехническим тонколистовым сталям относят восемь марок: 10895, 20895, 10880, 20880, 10864, 10848, 20848, 20832.
Первая цифра обозначает тип стали - изотропная (1 - горячекатаная, 2 - холоднокатаная); вторая цифра - ноль - содержание кремния, равное 0,3%; третья цифра - восемь - нормируемую характеристику; четвертая и пятая - значение коэрцитивной силы (Нс = 95, 80, 64, 48, 32 А/м). Эти стали подвергают отжигу при температуре 950оС, охлаждают на воздухе до температуры 600оС, с выдержкой в течение 10 ч.
К сортовым сталям относят двенадцать марок, которые делят на две группы: для горячей обработки давлением (10895, 10880, 10864, 20895, 20880, 20864); для механической обработки (11895, 11880, 11864, 21895, 21880, 21864). Вторая цифра обозначает коэффициент старения: ноль - не нормируется; единица - Нс < 10%.
Кремнистая сталь бывает трех видов:
горячекатаная изотропная (ГОСТ 21427.3-75);
холоднокатаная изотропная (ГОСТ 21427.2-75);
холоднокатаная с ребровой текстурой (ГОСТ 21427.1-75).
Марки обозначают четырехзначным числом: первая цифра - вид проката; вторая - содержание кремния; третья - группа по нормированной характеристике; четвертая - номер стали в группе. Кремнистые стали подвергают отжигу при 1150оС в защитной атмосфере, время выдержки 4-6 ч, эти стали склонны к старению при температуре 150оС.
По химическому составу промышленно применяемые магнитно-мягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:
низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;
сплавы железа с никелем.
В низкоуглеродистых сталях кремний, образуя с a-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3...4%.
Железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36...83%, называемые пермаллои, обладают наиболее высокими потребительскими свойствами. Для улучшения тех или иных характеристик в их состав вводят хром, молибден, медь и др. Величина их магнитной проницаемости превосходит аналогичные показатели для низкоуглеродистых сталей в 15-103 раз. Пермаллои - легко деформируемые сплавы. Однако деформация значительно ухудшает их первоначальные магнитные характеристики. Для восстановления свойств проводят термообработку по строго разработанному режиму: скорость нагрева (до 900...1000°С), выдержка и скорость охлаждения. Применяют их в аппаратуре, работающей в слабых частотных полях (телефон, радио).
Для электротехнических сталей (ГОСТ 21427-75) принята маркировка, основанная на кодировании. В обозначении марки используют четыре цифры, причем, их значения соответствуют кодам, содержащим следующую информацию:
первый - структура материала (по наличию и степени текстуры) и вид прокатки (горячая или холодная деформация);
второй - химический состав по содержанию кремния;
третий - величины потерь тепловых и на гистерезис;
четвертый - значение нормируемого потребительского свойства.
Электротехнические стали изготавливают в виде рулонов, листов и резаной ленты. Они предназначены для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока, якорей и полюсов электротехнических машин, роторов, статоров, магнитных цепей трансформаторов и др.
Парамагнитными сталями являются аустенитные стали 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 45Г17Ю, 20Г20, 55Г9Н9ХЗ, 40Г14Н9Ф2 и др. Их химический состав базируется на системе Fe + Cr + Ni -rTi. Основными потребительскими свойствами являются немагнитность и высокая прочность. Необходимая прочность достигается при деформационном и дисперсионном упрочнении изделий. К недостаткам этих сталей и сплавов следует отнести низкий предел текучести (150...350 МПа), что ограничивает область применения только малонагруженными конструкциями.
Парамагнитные стали и сплавы применяют для изготовления немагнитных деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2 и др.)
сталь сплав каучук резина
-
Делись добром ;)