Лекция 2. Металлические материалы, их классификация и физико-химические свойства
1. Стали, чугуны, сплавы цветных металлов. Классификация сплавов, их марки. Общая характеристика конструкционных, жаростойких, жаропрочных инструментальных сталей и сплавов
Металлы и металлические сплавы (МС)
Металлы – это простые вещества в твердом агрегатном состоянии (кроме ртути), характеризующиеся металлическим блеском, непрозрачностью, ковкостью, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью.
По плотности металлы делят на:
1. Легкие с ρ < 5 г/см3. пример: калий имеет ρ = 0.86 г/см3
2. Тяжелые с ρ > 5 г/см3. пример: осмий имеет ρ = 22.5 г/см3
Металлы легко отщепляют валентные электроны. Наличие валентных электронов проводимости определяет многие свойства металлов.
Смеси двух или более индивидуальных металлов называются сплавами.
В сплавах могут присутствовать в небольших количествах и некоторые неметаллы (C, Si, S). Распространенным методом получения сплавов является сплавление, то есть совместное нагревание их составных частей до полного расплавления смеси. Однако есть металлы, которые не сплавляются друг с другом в любых соотношениях.
Тип диаграммы состояния определяют виды изменения свойств сплавов. Закономерности изменения физико-механических свойств сплавов впервые установил .
Химическое взаимодействие металлов между собой, а также с неметаллами, если продукты их взаимодействия сохраняют металлические свойства, изучает металлохимия.
Если расположить металлы в порядке усиления их химического взаимодействия друг с другом, то получится следующий ряд:
1. Не взаимодействующие друг с другом ни в жидком состоянии, ни в твердом состоянии.
2. Взаимно растворяющиеся в жидком состоянии, а в твердом состоянии образующие эвтектику.
3. Образующие друг с другом жидкие и твердые растворы любого состава.
4. Образующие между собой одно или несколько металлических соединений, называемых металлидами.
Металлические кристаллы
У металлических элементов с одним s – электроном в кристаллах валентная зона построена из s – орбиталей и заполнена лишь наполовину. Следовательно, при незначительном возбуждении энергетическое состояние каждого из электронов может меняться в пределах всей энергетической зоны. Это имеет место, например, при приложении к металлу электрического поля. Тогда электроны начинают двигаться в направлении поля, что определяет высокую электрическую проводимость металлов.
В случае элементов с двумя валентными электронами s – зона заполнена. Однако если s – и р – уровни в изолированных атомах близки, то в кристаллах соответствующие зоны перекрываются. Следовательно, и в этом случае число валентных электронов недостаточно для заполнения энергетических уровней перекрывающихся зон.
Таким образом, металлические кристаллы образуются элементами, в атомах которых число валентных электронов мало по сравнению с числом энергетически близких валентных орбиталей. Вследствие этого химическая связь в металлических кристаллах сильно делокализована.
Металлические твердые растворы
Металлы характеризуются повышенной склонностью растворять металлы и в меньшей степени неметаллы. Эта способность – следствие предельной не локализованности металлической связи. Вследствие дефицита электронов валентная зона металлического кристалла может принимать некоторое число добавочных электронов, не вызывая изменений структуры металлических признаков кристалла. Например, в кристалле серебра, атомы которого имеют по одному валентному электрону s1, электронная концентрация (отношение общего числа валентных электронов к общему числу атомов в кристалле) равна 1. Но она может возрастать до 1.4 за счет электронов, вносимых атомами других элементов.
Подобному увеличению электронной концентрации в валентной зоне до 40 % соответствует предельная растворимость металлов в серебре; например, твердый раствор на основе серебра может содержать (мольн. доли, %): до 40 Cd (s2), 20 In (s2p1), 13.3 Sn (s2p2) и 10 Sb (s2p3).
Как видим, по мере увеличения числа валентных электронов растворимость металлов в серебре падает. В случае же растворения в серебре золота (один валентный электрон s1) электронная концентрация не изменяется, поэтому золото и серебро растворяются друг в друге неограниченно.
Прибавление электронов сверх оптимально допустимого приводит к энергетической неустойчивости данного типа кристаллической структуры металл – растворитель и к возникновению структуры нового типа. Это уже свидетельствует о прекращении твердого раствора в интерметаллическое соединение или при полном завершении валентной зоны – в соединение с ковалентной или ионной связью.
Образование энергетических зон возможно лишь при условии энергетического и пространственного соответствия перекрывающих орбиталей. Поэтому растворимость вещества в металлах зависит не только от числа валентных электронов, но и от их типа (s-, p-, d-, f - ) и энергетического состояния.
Образованию твердых растворов благоприятствуют близость химических свойств, атомных радиусов и типов кристаллической структуры исходных веществ. Несоблюдение одного из этих условий приводит к тому, что твердые растворы между компонентами образуются лишь в ограниченных пределах концентраций или же не образуются вообще.
Например, предельная растворимость ряда металлов в никеле (d8s2, r= 0.124 нм) выражается в виде следующего ряда:
Таблица 1. Растворимость ряда металлов в никеле
Металл | Co | Fe | Mn | Cr | V | Ti | Sc | Ca | K |
Валентные электроны | d7s2 | d6s2 | d5s2 | d5s1 | d3s2 | d2s2 | d1s2 | s2 | s1 |
Металлический R атома, нм | 0.125 | 0.126 | 0.130 | 0.127 | 0.134 | 0.146 | 0.164 | 0.197 | 0.236 |
Растворимость, мольн. % | 100 | 100 | 100 | 50 | 43 | 15 | - | Практически не растворимы |
Близкие по химическим свойствам и размерам атомов никель, кобальт, железо и марганец образуют друг с другом непрерывный ряд твердых растворов.
В ряду Cr – V – Ti по мере увеличения различий в химических свойствах растворимость металлов в никеле падает. Кальций и калий, которые резко отличаются от никеля по свойствам и атомным размерам, твердых растворов с ним практически не образуют.
Как и в индивидуальных кристаллических веществах, в твердых растворах атомы, ионы или молекулы удерживаются в кристаллической решетке силами межатомного, межионного или межмолекулярного взаимодействия. Но кристаллическую решетку твердого раствора образуют частицы двух или более веществ, размещенные относительно друг друга неупорядоченно. Иными словами твердый раствор представляет собой смешанный кристалл. В зависимости от способа размещения частиц различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
Твердые растворы замещения образуются в том случае, если кристаллические решетки компонентов однотипны и размеры частиц компонентов близки. Необходимым условием образования твердых растворов является также известная близость химических свойств веществ (одинаковый тип химической связи).
Например:
Таблица 2. Тип кристаллической решетки и примеры твердых растворов
Кристаллическая решетка | Непрерывные ряды твердых растворов замещения |
Атомно-ковалентная | Si – Ge, Se – Te |
Атомно-металлическая | Ag – Au, Au – Pt |
Сплавы, состоящие из смеси индивидуальных кристаллических компонентов, образуются при соблюдении строго определенного соотношения; такие сплавы называются также эвтектическим смесями. Эвтектической смесью является широко известный оловянный припой – третник (64 % Sn + 36 % Pb) с Тпл. = 181 0С.
К числу сплавов, образующих эвтектику принадлежат сплавы свинца с сурьмой, кадмия с висмутом, олова со свинцом. Эвтектический состав сплава свинца с сурьмой: 13 % Sb и 87 % Pb имеет температуру плавления 246 0С, в то время как чистые сурьма и свинец имеют соответственно Тпл. равные 630 и 327 0С.
Отсюда и применение сплавов свинца с сурьмой в качестве легкоплавких припоев (60 – 80 % Pb, 2.5 % Sb, остальное Sn). Эвтектические сплавы олова и свинца широко используются как типографские и подшипниковые сплавы.
Сплавы типа эвтектических образуются, как правило, металлами, довольно близкими по своей природе, но имеющими различные формы кристаллических решеток.
Если размер частиц одного из компонентов не превышает 2/3 размера частиц другого, то возможно образование твердых растворов внедрения путем проникновения меньших по размеру частиц в междоузлия кристаллической решетки, образованной более крупными частицами. Твердые растворы внедрения, например, образуются при совместной кристаллизации железа и углерода, при адсорбции некоторыми металлами водорода и так далее.
Образование твердых растворов из компонентов сопровождается (как и в случае жидких растворов) энергетическим эффектом, изменением общего объема, а также изменением ряда свойств исходных компонентов.
Твердые растворы чаще всего получают при кристаллизации жидких растворов. Так, твердый раствор Ag – Au образуется при кристаллизации жидкого расплава этих металлов.
Металлические соединения
В противоположность твердым растворам интерметаллиды, как правило, имеют сложную кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов.
В бронзе (сплаве на основе Cu и Sn, содержащем также Al, Be, Pb) присутствует интерметаллическое соединение состава Cu3Sn, а в латуни (сплаве на основе Cu и Zn, содержащем также Al, Fe, Mn) – интерметаллид CuZn3.
Свойства интерметаллидов также существенно отличаются от свойств исходных компонентов. Так, в обычных условиях интерметаллиды уступают чистым металлам по электрической проводимости и теплопроводности, но превосходят их по твердости и температуре плавления.
Например:
Таблица 3. Свойства магния, олова и их интерметаллида
Материал | Mg | α-Sn | Mg2Sn |
Тпл., 0С | 650 | 232 | 778 |
Электрическая проводимость (проводимость ртути = 1) | 21 | 8 | 0.1 |
Ширина запрещенной зоны, эВ | - | - | 0.34 |
Все это показывает, что интерметаллиды можно рассматривать как соединения с сочетанием разных типов химической связи (металлической, ковалентной и ионной). Относительная доля того или иного типа связи в разных металлидах меняется при этом в широких пределах.
Разнообразие типов химической связи и кристаллических структур обуславливает у металлидов широкий спектр физико-химических, электрических, магнитных, механических и других свойств. Так, их электрические свойства могут иногда изменяться от сверхпроводимости в жидком гелии до полупроводимости при обычных условиях.
Механические свойства металлидов весьма чувствительны к воздействию температур. При обычных условиях большинство из них очень тверды и хрупки. При повышении температуры металлиды ведут себя как пластичные материалы. Основная причина этого – возрастание доли металлической связи при нагревании.
Многие металлиды отличаются высокой теплотой образования и химической устойчивостью.
При электролизе растворов или расплавов интерметаллидов относительно более электроотрицательный металл выделяется на аноде, а более электроположительный на катоде.
Сплавы железа. Стали, чугуны
Некоторые свойства железа. Плотность составляет 7.68 г/см3, температура плавления 1539 0С. Железо существует в двух аллотропных формах: α-Fe с объемно-центрированной кубической решеткой (ниже 911 и в интервале 1392 – 1539 0С) и γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой (911 – 1392 0С). Твердость чистого железа не высока и НВ = 80. Предел прочности σB = 250 Н/см2.
Наибольшее применение в технике получили сплавы на основе железа (стали, чугуны). Почти все производимое в промышленности железо содержит углерод. В зависимости от условий получения углерод может быть растворенным в железе, химически связанным с железом в карбид железа – цементит Fe3C (6.67 % С) и распределенном в железе в виде кристаллов графита. При максимальном содержании (6.67 % С) весь углерод находится в форме цементита. Свойства железа при повышении содержания углерода существенно изменяются, а именно: понижается способность к деформации, повышается твердость и хрупкость, максимально увеличивается эластичность, достигает минимума температура плавления (1145 0С при 4.28 % С), понижается ковкость, вальцуемость, основанные на способности металла деформироваться в состоянии размягчения до достижения температуры плавления, улучшаются литейные свойства, поскольку состояние жидкотекучести металла достигается при более низкой температуре.
Диаграмма состояния сплавов Fe - C
Существенно, что углерод значительно растворим в γ-Fe – аустенит может содержать до 1.7 % С. Это фаза внедрения – атомы углерода в кристаллической решетке аустенита располагаются в центре ячейки и посередине ребер. Наоборот в α-Fe углерод практически не растворим. В жидком железе растворяется более 4 % углерода.
При кристаллизации сплавов, содержащих до 1.7 % С (сталь) сначала образуется аустенит. При дальнейшем медленном охлаждении γ-Fe превращается в α - форму, которая не растворяет углерод и он выделяется в свободном виде. В результате распада аустенита получается смесь кристаллов углерода (графит) и α-Fe – феррита. При сравнительно быстром охлаждении углерод выделяется в виде карбида железа – цементита Fe3C (при низких температурах это термодинамически неустойчивая фаза).
Если сталь охлаждать очень быстро (закалка), то γ-Fe превращается в α-Fe, но углерод не успевает выделиться. Получается другая, термодинамически неравновесная фаза, а именно, пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe – мартенсит. Он очень тверд, но вместе с тем хрупок. Чтобы придать стали нужные свойства, производят отпуск – выдерживают материал при повышенной температуре. При этом часть мартенсита распадается на мягкий и вязкий феррит и углерод. То есть термическая обработка очень сильно влияет, на свойства стали.
Кроме рассмотренных фаз и их смесей, в системе Fe – C имеется ледебурит – эвтектика, состоящая из цементита и аустенита, насыщенного углеродом, и перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.
Обычно рассматривают часть диаграммы состояния Fe – C, а именно диаграмму Fe – цементит. Верхняя часть диаграммы состояния Fe – цементит это диаграмма состояния 3 рода (то есть диаграмма состояния с ограниченной растворимостью и эвтектической точкой).
Таким образом, сплавы Fe – C подразделяются на стали, содержащие до 2.06 % С и чугуны с содержанием от 2.06 до 6.67 % С. Это основные конструкционные материалы, применяемые в различных отраслях промышленности.
Виды сплавов железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода сплавы на основе железа подразделяют на:
1. Нелегированные стали (содержание углерода 0.02 – 2.06 %), это твердые, эластичные, устойчивые к деформациям сплавы, обладающие меньшей ковкостью и более низкой температурой плавления, чем для чистого железа; при содержании углерода более 0.2 % твердость сплава может быть увеличена закалкой
2. Чугуны (содержание углерода более 2.06 %, включают многие примеси), это очень твердые, хрупкие и несжимаемые сплавы, разрушаются при сгибании и ударном воздействии, при содержании углерода = 4.5 % имеют более низкую температуру плавления, чем стали, хорошо отливаются, но не поддаются сварке и прокатке
Таким образом, дадим определения сплавам железа с углеродом:
· Сталь – это сплав на основе железа с содержанием углерода от 0.02 до 2.06 %.
· Чугун – это сплав на основе железа, содержащий углерод более 2.06 % с включением примесей кремния, марганца, фосфора, серы и другие.
Виды стали:
· Нелегированные стали, содержат наряду с углеродом небольшие количества других примесей (< 0.5 % Si, < 0.8 % Mn, < 0.09 % P, < 0.06 % S), применяют как конструкционные материалы
· Низколегированные стали, содержат менее 5 % легирующих примесей, применяют как конструкционные материалы
· Высоколегированные стали, содержат наряду с углеродом более 5 % легирующих примесей, применяют как коррозионно устойчивые конструкционные материалы, для изготовления быстрорежущих инструментов
Виды чугуна:
· Передельный чугун – быстро застывающий сплав, богатый Mn, используется для получения сталей и ковкого чугуна
· Литейный чугун – медленно застывающий сплав, богатый Si, используется в чугунно – литейном производстве
· Серый чугун – сплав, в котором углерод содержится в виде графита
· Белый чугун - сплав, в котором углерод содержится в виде цементита Fe3C
Влияние примесей на свойства сталей и чугуна
Специально вводимые в сталь и чугун примеси (легирующие добавки) придают этим сплавам различные технически полезные свойства. Различают неметаллические примеси (S, P, N, H, Si) – так называемые спутники железа, которое хорошо в нем удерживаются. Фосфор, в частности, улучшает литейные свойства, снижая вязкость сплава; кремний способствует при понижении температуры выделению углерода в форме графита (образуются серые чугуны), а марганец – выделению углерода в форме цементита (образуются белые чугуны).
Металлические примеси: Mn, Ni, Cr, реже V, Mo, W, Ti, Co.
Хром повышает твердость, способность к деформации растяжения, износо - и жаростойкость, а также химическую коррозионную устойчивость стали. При содержании выше 12.5 % Cr сталь не поддается коррозии. Никель повышает ковкость, способность к деформации растяжения и твердость стали. Марганец повышает закаливаемость, износостойкость и ковкость стали.
Черная металлургия – это отрасль тяжелой промышленности по производству чугуна, стали, проката, ферросплавов, а также стальных и чугунных изделий.
В технике необходимо, в основном, железо, содержащее около 1 % С (сталь). Сталь выплавляют в два этапа. Сначала восстанавливают железную руду, используя избыток углерода, и получают сплав, содержащий 3 – 4 % С (чугун). Затем выплавляют сталь, удаляя из чугуна избыток углерода.
Чугун выплавляют в доменных печах. В печь загружают руду (Fe2O3, Fe3O4), углерод и флюс (CaCO3), образующий с пустой породой (SiO2, алюмосиликаты) сравнительно легкоплавкий шлак. Углерод берут в виде кокса, получаемого термолизом каменных углей. Современная доменная печь дает в год около 1 млн. тонн чугуна.
Дефицит и дороговизна коксующихся углей обуславливает применение также метода прямого восстановления железной руды смесью СО и Н2, получаемой конверсией природного газа. В результате восстановления при температуре не выше 1100 0С образуется губчатое железо, переплавкой которого в электропечах, минуя стадию производства чугуна, получают сталь.
Основные стадии процесса получения чугуна:
1. Прямое и непрямое восстановление железной руды (оксидов железа):
FeO + C = Fe + CO
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
2Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
2. Науглероживание: C (из 2CO = C + CO2)
3. Образование шлака: CaO + SiO2 = CaSiO3
Получение стали из чугуна, осуществляется двумя способами:
1. Конверторным
2. Мартеновским
В конверторном способе расплавленный чугун наливают в грушевидный сосуд – конвертор и продувают через металл воздух. При этом часть углерода окисляется, образуя CO2; окисляются также некоторые примеси (P, S, Si и другие) и частично железо.
Оксид фосфора реагирует с добавляемым оксидом СаО и с футеровкой конвертора, давая шлак, который используют как фосфорное удобрение. SiO2 также уходит в шлак. Длительность цикла работы конвертора составляет около 30 минут, при этом получается до 300 тонн стали. Ежегодно средний конверторный цех выплавляет около 8 млн. тонн стали.
В мартеновском процессе чугун (200 – 500 тонн) плавят в широкой печи (мартеновская печь), в которой высокую температуру создает факел горящего газа. Окисление примесей происходит частично кислородом воздуха, подаваемым в печь для сжигания газа, частично добавляемыми в чугун оксидами железа (железная руда, окисленный металлолом). Плавка стали длится около 10 ч.
Конверторный способ значительно дешевле и производительнее и он шире используется. Однако по мартеновскому способу можно получать сталь более высокого качества.
Термическая обработка стали
Существует несколько видов термической обработки, которые проводятся с целью изменения структуры сплавов и, следовательно, для придания им необходимых физико-химических и механических свойств:
· Отжиг – для уменьшения внутренних напряжений и гомогенизации структуры
· Закалка – для повышения твердости, износостойкости при трении; проводится путем погружения в воду или масло, эластичность и ковкость при этой обработке снижаются; температура нагревания, и охлаждения, определяют свойства, закаленной стали
· Отпуск – для снижения твердости и хрупкости, увеличения эластичности и ковкости; проводится после закалки, путем выдерживания закаленной стали при 200 – 300 0С
· Улучшение – для увеличения способности к деформации растяжения и твердости; проводится закалкой и отпуском при относительно высокой температуре (450 – 700 0С); в основном этот процесс используется для обработки нелегированных и низколегированных сталей
· Цементация – для отверждения поверхности (при хорошей вязкости всего материала); проводится путем многочасового (2 – 8 ч) отжига с применением избытка углерода, например, смеси древесного угля и CaCО3; при этом поверхность стали науглероживается (образуется поверхностный цементит); в основном этот процесс используется для обработки нелегированных и низколегированных сталей с содержанием углерода менее 0.2 %
· Азотирование – для повышения твердости поверхности; проводится путем, нагревания стали в атмосфере аммиака при 500 0С, при этом на поверхности сплава образуется твердый нитрид железа.
Классификация сталей
1. По содержанию углерода (1n):
11 Низкоуглеродистые (C < 0.3 %)
12 Среднеуглеродистые (0.3 % < C < 0.7 %)
13 Высокоуглеродистые (C > 0.7 %)
2. По назначению (2n):
21 Конструкционные марки:
· Строительные – малоуглеродистые с хорошей свариваемостью, деформируемостью, малой упругостью (элементы строительных конструкций и сооружений)
· Машиностроительные – среднеуглеродистые высокопрочные, хорошо поддаются термической обработке, но хуже свариваются и обрабатываются давлением
22 Инструментальные - высокоуглеродистые с повышенной упругостью, прочностью и твердостью (сверла, резцы, пружины, тросы)
3. По качеству (3n):
31 Обыкновенного качества
32 Качественные
33 Высококачественные
Маркировка сталей
Для углеродистых сталей 31 указывается группа стали (А, Б, В) Ст и цифры 0 … 6 (номер марки). С увеличением цифры увеличивается содержание углерода в стали.
Указываются также, следующие способы раскисления стали:
КП – кипящая сталь
ПС – полуспокойная сталь
СП – спокойная сталь (отсутствие букв означает спокойную сталь)
Группа А – гарантированные механические свойства стали
Группа Б – гарантированный химический состав стали
Группа В - гарантированные механические свойства и химический состав стали
Группа Г – повышенное содержание Mn
Категории сталей:
Если нет буквы перед Ст, то сталь категории А
А1, А2, А3; Б1, Б2; В1, В2, В3, В4, В5, В6
Таблица 4. Маркировки сталей, их характеристика и применение
Марка стали, ее категория, номер марки, способ раскисления | Характеристика состава и свойств | Применение |
Ст1КП2 | Сталь группы А, не термообрабатываемая, кипящая (с повышенным содержанием О), не качественная | Не ответственные конструкции |
ВСт3КП2 | Сталь группы В, номер марки 3, кипящая, категория 2 | Не ответственные конструкции |
ВСт3ГПС | Сталь группы В, номер марки 3, полуспокойная, с повышенным содержанием Mn | Не ответственные конструкции |
0.5КП; 0.8КП; 10КП | Качественные углеродистые стали, с содержанием С: 0.5; 0.8; 1.0 %, кипящие. Высокая пластичность в холодном состоянии, хорошая штампуемость | Сложные не ответственные конструкции, детали |
15, 20, 25 | Качественные углеродистые стали, с содержанием С: 0.15; 0.20; 0.25 %, спокойные. Нормализованное состояние | Не очень ответственные детали, но термостойкие (трубки, болты) |
35,45 | Качественные углеродистые стали, с содержанием С: 0.35; 0.45 %. Более высокопрочные, после термообработки - пластичные | Балки, шатуны, детали, испытывающие периодические нагрузки |
У7 У8 У8ГА У10А | Углеродистые инструментальные стали, содержащие С: 0.7; 0.8; 1.0 %. Mn – 0.33 – 0.58 % Высококачественные высокоуглеродистые стали | Инструменты |
Марки чугунов
Чугуны содержат 2.06 – 6.67 % С. Белый чугун содержит лишь цементит и не содержит лишнего углерода. Большая часть чугунов содержит С в виде графитовых включений.
Пластинчатые включения С – серые чугуны
Шаровидные включения С – высокопрочные чугуны
Хлопьевидные включения С – ковкие чугуны
Таблица 5. Маркировка чугунов
Название | Марка чугуна | Свойства | Применение |
Серые чугуны | СЧ24 (24 – временное сопротивление при растяжении σB) | Не плохая прочность при сжатии, низкая пластичность, введены силикокальций и ферросилиций | Не ответственные корпуса редукторов, станины станков, детали металлургического оборудования |
Высокопрочные чугуны | ВЧ50 (50 – временное сопротивление при растяжении σB) | Высокая прочность, хорошие литейные свойства, обработка резанием | Ответственные коленчатые валы автомобилей и судов, зубчатые колеса, прокатные валы |
Ковкие чугуны | КЧ35-10 (35 – временное сопротивление при растяжении σB 10 – относительное удлинение, %) | Повышенная пластичность | Тонкостенные отливки, автотракторные детали |
Легированные стали
Легирующие добавки повышают, прочность стали, за счет упрочнения феррита, они улучшают жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии и износу.
Si – повышает жаростойкость хромистых сталей (раскислитель)
Mn – замещает более дорогой никель (раскислитель), снижает вязкость феррита
Mo, W – повышают прокаливаемость стали, измельчают зерно
V, Ti, Nb, Zr – образуют низкоплавкие сверхпрочные карбиды, измельчают зерно стали и повышают ее хладостойкость.
Для маркировки легирующих добавок для сталей используют буквенные обозначения. Двухзначная цифра в начале марки указывает содержание С в сотых долях %, а буквы обозначают легирующие элементы. Если легирующего элемента меньше 1.5 %, то цифра его содержания не указывается после буквы, обозначающей марку, стали.
Таблица 6. Маркировка легирующих добавок для сталей
Легирующий элемент | Обозначение |
Азот | А |
Ниобий | Б |
Вольфрам | В |
Марганец | Г |
Медь | Д |
Селен | Е |
Кобальт | К |
Молибден | М |
Никель | Н |
Фосфор | П |
Бор | Р |
Кремний | С |
Титан | Т |
Ванадий | Ф |
Хром | Х |
Цирконий | Ц |
Алюминий | Ю |
Например, 12ХН2 – легированная хромоникелевая сталь, содержащая 0.12 % С, менее 1.5 % Cr и 2 % Ni.
Если в конце марки буква А – то сталь высококачественная, если буква Ш – то сталь особо высококачественная.
Буквы в начале марки:
А – автоматная сталь
Ш – шарикоподшипниковая сталь
Р – быстрорежущая
Е – сталь для постоянных магнитов
По содержанию легирующих добавок стали делят на следующие группы:
· Низколегированные (менее 2.5 % добавок)
· Среднелегированные (2.5 – 10 % добавок)
· Высоколегированные (более 10 % добавок)
По компонентности:
· Однокомпонентные
· Двухкомпонентные
· трехкомпонентные
Низколегированные стали – перлитного класса
Среднелегированные стали – мартенситного класса
Высоколегированные стали – аустенситного класса
Стали перлитного класса: 12НХ; 12Х1МФ; 15Х1М1Ф – теплоустойчивы
Их используют для изготовления труб, пароперегревателей, паропроводов, деталей газовых турбин
Стали мартенситного класса: 40Х9С2, 40Х10С2М – высокожаропрочные и используются для изготовления клапанов двигателей
Стали аустенситного класса: 12Х18Н10Т; 12Х18Н12Т – высоко Коррозионостойкие (к действию кислот и щелочей), поэтому используются для изготовления трубопроводов и емкостей в химической промышленности.
