Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
887.pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
5.62 Mб
Скачать

М едистые ст али 20ДХЛ, 08ГДНФЛ, 12ДХН1МФЛ и т.д. содержат до 2 % меди, а также другие добавки. Эти сплавы имеют высокую прокаливаемость, поэтому пригодны для получения массивных отливок. Стали, легированные медью, после закалки подвергаются дисперсионному твердению, в результате чего повышается их прочность и упругость. Достаточно хорошая жидкотекучесть и трещиноустойчивость позволяют использовать стали для изготовления ответственных крупногабаритных фасонных отливок в судостроении и турбостроении, часто в виде сварно­ литых конструкций.

3.3.3. Легированные стали со специальными свойствами

Это самая многочисленная группа из всех литейных сплавов. В ГОСТ 2176-77 включено 40 марок сталей со специальными свойствами. На практике чаще пользуются классификацией легированных сталей по назначению и делят их на 6 групп, как показано в табл. 3.8.

 

 

Таблица 3.8

 

 

Классиф икация легированных сталей по назначению

 

Группа

Наименование

Основная характеристика

|

|

 

стали

 

 

А

Нержавеющие

| Обладают стойкостью к коррозии в атмосфер-

j

 

I ных условиях

I

 

 

БКислотостойкие Имеют высокую сопротивляемость коррозии в

(кислотоупорные) условиях действия различных агрессивных | сред (кислот и др.)

ВОкалиностойкие Хорошо сопротивляются окалинообразованию

Г

Жаропрочные

(газовой коррозии) при высоких температурах

1

Сохраняют достаточные прочностные свойства1

 

Износостойкие

1и окалиностойкость при высоких температурах

 

Д

| Обладают высоким сопротивлением износу при

 

 

| абразивном и ударном воздействии в разли-

 

 

Специального

1чных условиях

,

Е

Магнитные, с высоким электросопротивлением |

 

назначения

| и пр.

|

Основным легирующим элементом высоколегированных сталей является хром. Он входит в состав практически всех марок сталей со специальными свойствами. Как исключение, можно назвать износостойкую сталь 110Г13Л, содержание Сг в которой менее 1 % .Кроме хрома используют никель, марганец, кремний, молибден. Для улучшения свойств в стали вводят в

небольших количествах: титан, вольфрам, ванадий, медь, алюминий, ниобий, бор.

Средний химический состав высоколегированных сталей

 

Класс

 

 

 

Дру-

 

!

I

 

 

 

S'

 

по

Si Мп Сг

 

 

гие

R

МаРка

струк- С

Ni

Мо

эле-

hie бо-не бо­

стапи

туре

 

 

 

менты

лее

лее

 

 

 

 

 

Хромистые среднелегированные стали

20Х5ТЛ

М

0,20

0,45

0,45

5 J 1 LQ.50

-

 

ID,035! 0,040

20Х5МЛ

М

0,20

0,52

0,50

5,2

25 0,50

0,52

 

iD,040'0,040

20Х8ВЛ

М

0,20

0,45

0,40

8,2

2^ 0,50

 

1,5 WJ0,035:0,030

Хромистые коррозионно-стойкие стали

 

 

120Х13Л

М

0,20

0,50

0,55

13,0

<0,50

-

-

0,025! 0,030

10Х14НДЛ

М

<0.10

0,30

0,45

14,2

1,40

-

1,4 Cu 0,030 0,030

09Х16Н4БЛ

М

0.09

0,40

0,45

16,0

4.00

-

0,1 Nb 0.025 0.030

15Х13Л

М+Ф

0.15

0.50

0.55

13.0

<0.50 .

_

0.02510.030

Хромистая кислото- и жаростойкая сталь

 

 

15Х25ТЛ

Ф

0,15

0,85

0,65

25,0

<0,50

|

-0,6 п

0,030'0,035

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали

 

10Х18Н9Л

А

0,10

0,60

1,50

18,5

9,50

-

-

0,0300,035

12Х18Н9ТЛ

А

< 0 ,12

0,60

1,50

18,5

9,50

-

0,6 Ti

0,0300,035

10Х18Н11БЛ

А

< 0 ,10

0,60

1,50

18,5

10,00

-

0,7 Nb

0,030 0.035

12Х18Н12МЗТЛ_____ А

< 0 .12

0,60

1,50

17,5

12,00

3,50

0.6 Ti

0.03010.035

Хромоникелевые жаростойкие стали

 

 

15Х23Н18Л

А

0,15

0,60

1,50

23,5

18,50

-

-

0,030| 0,030

20Х25Н19С2Л

А

< 0,20

2,50

1,10

25,0

19,00

-

0,030! 0,035

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18Х25Н19СЛ

А

< 0 ,18

1,40

1,10

24,0

19,00 ^0,20 < 0,4 W 0,030 0,035

35Х23Н7СЛ

А+Ф

< 0,35

0,85

0,67

23,0

7,00

-

-

0,035 0,035

40Х24Н12СЛ

А+Ф

< 0 ,40

1,10

0,55

24.0

12.00

_

.

0.030! 0.035

I

Хромоникелевые жаропрочные стали

 

 

15Х18Н22В6М2Л

А

0,15

0,40

0,45

17,0 22,00

2,50

6,0 w

0,030i0,035

D8X17Н34В5ТЗЮ2Л

А

<0.08

0,35

0,45.

16,5>33,50

5.0 Ti

5.0 W

0.010l0.010

Хромокремнистая износостойкая сталь

 

 

40Х9С2Л

М

0,42

2,50

0,50!

9,0 <0,50J _ L _

 

0,030| 0,035

Высокомарганцовистые износостойкие стали

 

110Г13Л

А

1.15

0,65»13,215 <1 ,С) <1.00I

 

-

0,050 0,120

120Г13Х2БЛ

А

1.20

0,65•

13,0(Э 2,0

<1,00I

 

0,1Nb

0,050 0,100

130Г14ХМФАЛ

А

1.30

<0,6!013,7!5 1,2*5 <1.0СI

0,25

0,05 NI 0.05010.070

Так как специальные свойства легированных сталей приобретаются в результате легирования, то для их изучения удобнее воспользоваться классификацией сталей по химическому составу. В соответствии с ней сталь получает название по одному или двум преобладающим элементам. Средний химический состав некоторых высоколегированных сталей приведен в табл. 3.9.

3.3.3.1. Марганцовистые износостойкие стали

Особое место в машиностроении занимает сталь, содержащая более 10 % марганца.

В 1893 году англичанин Роберт Гадфильд получил патент на сталь, содержавшую 10-14 % Мп. Она резко отличалась от всех ранее известных материалов и во всём мире осталась известной как сталь Гадфильда. В России аналогичная сталь имела обозначение Г13Л, а с 1977 года её

м аркирую т 110Г13Л.

В ГОСТ 2176-77 включены и более

слож нолегированны е

разновидности этой стали: 120Г13Х2БЛ,

130Г14ХМФАЛ. Химический состав стали 110Г13Л претерпел небольшие изменения по сравнению с составом стали Гадфильда и, тем более, со сталью Г13Л. В современной стали несколько увеличено содержание марганца:

Химический состав, %

С

Si

Мп

S

Р

Сталь Гадфильда

0,9-1,5

0,3-1,2 10,0-14,0

<0,04

<0,15

Г13Л ГОСТ 2176-57

0,9-1,3

0,5-1,0

11,5-14,5

<0,04

<0,12

110Г13Л ГОСТ 2176-77

0,9-1,4

0 ,8-1,0

11,5-15,0

<0,05

<0,12

По структуре стали относятся к аустенитному классу. При медленном охлаждении из аустенита выделяются карбиды (FeMn)3C, располагающиеся по границам зерен. В литом состоянии сталь очень хрупкая, имеет низкие прочность, пластичность и вязкость. Отливки подвергают закалке: нагрев до 1050-1000 °С и охлаждение в холодной воде. После нагрева карбиды вновь переходят в твердый раствор, который при закалке фиксируется в виде относительно чистых зерен аустенита. Качество аустенитной стали, не имеющей фазовых превращений, в значительной степени зависит от величины зерна. Для измельчения

зерна нельзя

допускать больш их перегревов стали и снижать

тем пературу

заливки. Более устойчивое качество обеспечивает

дополнительное модифицирование.

После термической обработки сталь 110Г13Л приобретает высокие механические свойства: СТВ= 800...1000 МПа, 04 = 250...400 МПа, 5 = 40...55 %, KCU = 2...3 МДж/м2 твердость 180...200 НВ. При работе в условиях ударных или статических нагрузок сталь наклепывается и твердость возрастает до 600 НВ.

В результате этого резко повышается износостойкость стали даже в самых тяжелых условиях абразивного износа. Сочетание большой ударной вязкости и способности к наклепу с отличной износостойкостью обеспечило широкое применение отливок из этой стали в м аш иностроении, горной, металлургической, химической и строительной промышленности. Из неё отливают: гусеничные траки, конусы и щеки дробилок, детали ковшей экскаваторов и землечерпалок, железнодорожные рельсы (повороты), стрелки, крестовины и множество других деталей. В общем объеме литья из легированных сталей доля отливок из 110Г13Л составляет « 1 5 %.

Стандарт допускает большие колебания химического состава. Его можно варьировать в зависим ости от назначения и требований, предъявляемых к изделию. Главное внимание обращается на содержание Мп и С. Оптимальным считается отношение Мп/С = 10. Повышение содержания углерода уменьш ает пластичность, а понижение износостойкость. С одержание -фосфора и серы должно быть минимальным, так как они резко ухудш ают эксплуатационны е и технологические свойства. Благодаря обессеривающ ему действию марганца фактическое содержание серы обычно не превышает 0,02 %. Необычно высокое для стали допустимое содержание фосфора (0,12 %) обусловлено тем что нужное количество марганца вводится в конце плавки в виде ферромарганца, содержащего до 0,55 % Р. Удалить Р обычными методами окислительной плавки невозможно, так как кислород будет расходоваться на окисление марганца. Каждая 0,01 % Р, по данным Ю.А. Шульте, снижает относительное удлинение на 1 %, а ударную вязкость на 0,3 МДж/м2 Для особо ответственных отливок при плавке необходимо использовать специальный ф ерромарганец с низким содержанием фосфора.

Высокомарганцовистые стали имеют вполне удовлетворительные литейные свойства. Хорошая жидкотекучестъ («0,8 отжидкотекучести стали ЗОЛ) и заполняемость позволяют получать крупногабаритные и тонкостенные отливки. Температура плавления низкая: 1340-1400 °С. Чем ниже температура и меньше время разливки стали по формам, тем выше механические свойства отливок. Коэффициент термического сжатия у стали 110Г13Л в 2 раза больше, а теплопроводность в 2 раза меньше, чем у углеродистой стали, в связи с этим сталь 110Г1ЗЛ имеет высокую линейную усадку (до 3 %) и склонна к образованию горячих и холодных трещин. Кроме того, сталь склонна к транскристаллизации и ликвации углерода, фосфора и серы.

3.3.3.2. Хромистые стали

Хром является важнейшим

легирующ им элементом

ж елезоуглеродисты х сплавов. В тех

или иных количествах он

присутствует в большинстве легированных сталей. Исключение составляют экономнолегированные марганцовистые и ванадиевые конструкционные стали, а также стали 35НГМЛ, 08ГДНФЛ и 12ДН2ФЛ. В них содержание хрома

ограничено до 0,3 %, как в

 

 

обычных углеродистых сталях.

 

 

 

Влияние хрома и других

 

 

элементов кратко рассмотрено в

 

 

подразделе 3.3.1. Добавка хрома

 

 

в'сталь резко сужает аустенитную

 

 

область. Из двойной диаграммы

 

 

равновесия системы Fe-Cr (рис.

 

 

3.7) видно, что область аустенита

 

 

замыкается

при концентрации

 

 

« 1 2 % Сг,

затем

переходит в

 

 

узкую

гетерогенную

область а +у,

Содержание хреше, %

Сг

которая заканчивается уже при

 

 

13 % Сг. При большем содержании

Рис. 3.7. Диаграмма состояния Fe-Cr

хрома

сплавы

при

всех

температурах представляют собой легированный феррит и соответственно относятся к ферритному классу.

При нагреве и охлаждении в них не происходит фазовых превращений. В области низких температур (<800°С) и высоких концентраций хрома появляется новая фаза С Она представляет собой интерметаллиды FeCr и отличается повышенной твердостью и хрупкостью. Ее присутствие в сталях нежелательно. Под влиянием углерода аустенитная область расширяется. Так, при 0,25 % С чисто ферритная структура без фазовых превращений может быть получена только при 23 % Сг. В зависимости от взаимных содержаний углерода и хрома можно получать либо стали с фазовыми превращениями (мартенситного или перлитного классов), либо без фазовых превращений (ферритного класса), либо с частичными фазовыми превращениями (мартенситно-ферритного класса). В присутствии углерода хром не только растворяется в железе, но и образует различные

карбиды: (CrFe)3C, (CrFe)7C3 и (CrFe)4C.

Стали, легированные хромом, приобретают высокую стойкость к различным видам коррозии и сохраняют прочность при высоких температурах.

Среднелегированные хромистые стали содержат « 5 % Сг. Наилучшее сочетание прочности и пластичности достигается при содержании углерода не более 0,25 %. Стали дополнительно легируют титаном (20Х5ТЛ), молибденом (20Х5МЛ) и вольфрамом (20Х8ВЛ). По структуре такие стали относятся к м артенситном у классу. Они способны сопротивляться коррозии в различных средах и сохранять высокую прочность при температурах до 600 С. Из стали 20Х5МЛ изготовляют арматуру установок в нефтяной промышленности. Сталь 20Х8ВЛ рекомендуется для изготовления отливок, работающ их в условиях износа при повышенных температурах.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) хромистые стали могут быть мартенситного и ферритного классов. Замечено, что повышение коррозионной стойкости сталей происходит скачкообразно при концентрации хрома в феррите, кратной 1/8 моль (1/8, 2/8, 3/8 и т.д.-), что в атомных процентах составляет 12,5; 25,0; 37,5 или в весовых процентах соответственно 11,7; 23,4; 35,1. В соответствии с этим коррозионно-стойкие стали содержат не менее 12 % Сг. Стали, содержание хрома в которых превышает второе пороговое значение (25 %), кроме того, становятся ещё и высокожаростойкими.

Наличие в стали углерода связывает часть хрома в карбиды, и его концентрация должна быть увеличена. Так, при образовании карбида (CrFe)7C3, количество хрома определяется по формуле

(% Сг] >12 + 10 [% С.]

При увеличении содержания хрома в стали образуется карбид (CrFe)4C, в котором более высокое отношение Сг/С, поэтому формула приобретает следующий вид:

[% Сг] > (15-17) + (16-18) [% С.]

Чисто хромисты х сталей мало. Для улучш ения свойств их дополнительно легируют такими элементами, как Mo, V, Mn, Си, Ti, N, Nb, B,W .

Б о л ь ш и н с т в о сталей относится к м артенситному классу (20X1 ЗЛ .10Х14НДЛ,09X16Н4БЛ .09ХТ7НЗЛ). Их применяю т для изготовления отливок, работающих в малоагрессивных средах в условиях умеренных ударных статических нагрузок при температурах до 600 С. Это могут быть клапаны, лопатки турбин, арматура. Добавки никеля до 4 % обеспечивают получение более прочного мартенсита после закалки и отпуска. Так, сталь 09Х16Н4БЛ имеет следующие механические свойства: <Ув = 950 МПа, СТт = 800 МПа, 8 = 10 %. Медь в стали 10Х14НДЛ повышает коррозионную стойкость в морской воде. Такая сталь используется для изготовления ответственных отливок в судостроении.

Сталь 10Х12НДП обладает хорошей кавитационной стойкостью. Хром истая сталь мартенситно-ф ерритного класса 15Х13Л имеет удовлетворительную стойкость при работе в атмосферных условиях и пресной воде, хорошо выдерживает ударные нагрузки. Прочность её ниже, чем сталей мартенситного класса.

Сталь ферритного класса 15Х25ТЛ является кислотостойкой и одновременно жаростойкой, применяется в химическом машиностроении. Из-за отсутствия фазовых превращений отливки не могут подвергаться термической обработке, а прочность стали в литом состоянии очень низкая (CJB= 450 МПа). Низкие механические свойства обусловлены крупнозернистой структурой, ф ормирующ ейся при первичной кристаллизации, особенно при малых скоростях охлаждения.

Хромистые стали в отличие от углеродистых имеют пониженную теплопроводность, повыш енную окисляемость и склонность к пленообразованию. Практическая жидкотекучесть хромистых сталей выше, чем углеродистых. Несмотря на это, формы рекомендуется заливать при более высоком перегреве стали и быстрее, чтобы избежать деф ектов, связанных с окислением . Из-за повышенной температуры заливки увеличивается объем усадочных раковин, поэтому нержавеющие стали требуют увеличения размеров прибылей.

Х р ом о кре м н и ст а я ст аль мартенситного класса 40Х9С2Л обладает повышенной износостойкостью и применяется для изготовления нагруженных деталей, работающих в условиях трения при температурах до 700 °С, таких как клапаны двигателей, крепежные детали.

З.З.З.З. Хромоникелевые и никельхромистые стали

Никель расширяет область аустенита как в углеродистых, так и в хромистых сталях. Как видно из диаграммы Шефлера (рис. 3.8), структура хромоникелевых сталей зависит от сочетания концентраций хрома и никеля и изменяется от ферритной до аустенитной. При использовании диаграммы Шефлера необходимо учесть и влияние других компонентов стали. С этой цель рассчитывают эквиваленты хрома и никеля по формулам

ЕCr = Cr + Mo + 1,5Si + 0,5Мо;

ЕNi = Ni + ЗОС + 0,5Mn + Со + +7.5N.

Числа перёд символами химических элементов в формулах указывают процентное содержание элементов в стали.

Максимальную коррозионную стойкость имеют хромоникелевые стали аустенитного класса. В ГОСТ 2176-77 включено 6 марок таких сталей: 07Х18Н9Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12МЗТЛ и 10Х17Н10Г4МБЛ. Никель является более дорогим и дефицитным

элементом, чем хром, поэтому за основу аустенитных сталей приняты сплавы с 18 % Сг.При таком содержании хрома для получения аустенитной

структуры требуется м инимальное количество никеля

9 %.

Соотношение Сг Ni = 18 9 считается классическим для нержавеющих сталей и выдерживается во многих марках.

В соответствии с псевдодвойной диаграммой состояния

(Fe + 18%Сг + 8 % Ni)-C (рис. 3.9) растворимость углерода в аустените при понижении температуры уменьшается до 0,02 %.

Избыточный углерод образует карбиды (CrFe)4C, которые при медленном охлаждении могут выделяться по границам зерен. Содержание хрома в твердом растворе, граничащем с карбидами, становится меньше порогового значения, необходимого для сохранения коррозионной стойкости .

Это приводит к межкристаллитной коррозии. Чтобы избежать

2 в 10 14 18 22 26 ЭО 34 38

 

Эквивалент хрома

Содержание С, %

 

Рис. 3.8. Диаграмма Шефлера конечных

Рис. 3.9. Псевдодвойная диа­

структур хромистых сталей

грамма при 18 % Сг и 8 % Ni

образования карбидов хрома, содержание углерода в аустенитных сталях ограничивают до 0,2 % и вводят более сильные, чем хром, карбидообразующие элементы Ti, Nb. Добавка титана в количестве

% Ti = 6(% С - 0,02) связывает углерод в карбиды TiC, сохраняет хром в твердом растворе и устраняет межкристаллитную коррозию. Легирование стали молибденом повышает коррозионную стойкость, но для сохранения аустенитной структуры в такой стали необходимо увеличивать концентрацию никеля (сталь 12Х18Н12МЗТЛ).

Ж аростойкие стали ауст енит ного класса отличаются ещё более высоким содержанием хрома и никеля. К ним относятся сплавы 15Х23Н18Л, 20Х25Н19С2Л и 18Х25Н19СЛ. Их можно использовать для производства деталей паровых и газотурбинных установок и для печной арматуры.Все стали аустенитного класса отличаются сравнительно невысокой

прочностью (СГв= 450...550 Мпа) и очень хорошими пластическими свойствами (О = 25...35 %). Условно-истинная жидкотекучестъ соответствует жидкотекучести низкоуглеродистых сталей, а практическая выше, чем у них, из-за более низкой температуры плавления. Затрудняет получение отливок склонность к плёнообразованию. Опасность образования горячих или холодных трещин невелика. При медленном охлаждении возможно образование грубозернистой дендритной структуры, которую невозможно исправить термической обработкой, так как в стали при нагреве не происходит фазовая перекристаллизация.

Отливки из сталей аустенитного класса подвергают закалке с температуры не ниже 1050 °С. Чем больше содержание углерода, тем выше температура нагрева под закалку. Целью закалки является растворение карбидов и фиксация их в твердом растворе. При нагреве стали после закалки может произойти повторное выделение карбидов, поэтому отпуск для снятия внутренних напряжений не проводится. Высокая пластичность стали сводит до минимума опасность появления закалочных трещин.

Стали аустенито-мартенситного класса 08Х14Н7МЛ и 14Х18Н4Г4Л содержат никеля меньше, чем вышеназванные и применяются как заменители стали 10Х18Н9Л для изготовления деталей, работающих при нормальных и низких температурах.

Стали аустенито-ферритного класса 12Х25Н5ТМФЛ, 16Х18Н12С4ТЮЛ используются как коррозионно- и кислото-стойкие, стали 35Х23Н7СЛ, 40Х24Н12СЛ и 20Х20Н14С2Л являются жаростойкими, сталь 10Х18НЗГЗДЛ кавитационно-стойкая. Структура этих сталей представляет собой зерна феррита, окаймленные аустенитом. Двухфазная структура предотвращ ает развитие межкристаллитной коррозии. Прочность сталей выше, чем у сплавов с чисто аустенитной структурой, а пластичность ниже. Титан способствует измельчению зерна, молибден повышает коррозионную стойкость, а кремний - жаростойкость.

Жаропрочные стали аустенитного класса имеют наиболее сложный легирующий комплекс. Жаропрочность стали 15Х18Н22В6М2Л дос™гается за счет растворного упрочнения большими добавками вольфрама и молибдена. В стали 08X17Н34В5ТЗЮ2Л жаропрочность обеспечивается путем дисперсионного твердения. Упрочняющими частицами являются интерметаллиды Ы\зТ\ и №зА1. Стали применяют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, длительное время работающих при температурах до 800 °С (сопловые и рабочие лопатки, роторы и др.) Из-за повышенной окисляемости стали требуют вакуумной плавки.

3.4. Графитизированные стали

Граф итизированные стали представляю т собой самостоятельную группу железоуглеродистых сплавов, отличающихся по свойствам от литых сталей и чугунов, но по основному классификационному признаку, а именно по содержанию углерода (меньше 2 %), они относятся к сталям. По составу они занимают большую часть области заэвтектоидных сталей на диаграмме состояния и делятся на три группы (табл. 3.10).

 

 

 

 

 

Таблица 3.10

 

Состав графитизированных сталей

 

 

Группа

Наименование

 

Содержание элементов, %

 

стали

с -

Si

Мп

S

р

 

I

С повышенными

1,30-1,65

0,75-1,35

0,3-0,5

0,03

0,04

 

пластическими

 

 

 

 

 

 

свойствами

 

 

 

 

 

II

Высококремнистая

1,30-1,55

1,6-2,5

0,3-0,5

0,1

0,07

III

Легированная

1,33

1,2

0.8

0,1

0,05

Эти высокоуглеродистые сплавы подвергают обязательному графитизирующему отжигу. Свободный углерод выделяется в форме графита, так же как в отливках из ковкого чугуна. Объем производства отливок из граф итизированных сталей невелик, поэтому единого стандарта на них не сущ ествует. Нет и стандартной маркировки. Наиболее вероятной областью применения таких сталей являются детали, работающие в условиях износа и особенно абразивного износа.

Основные механические свойства сталей этих групп приведены в табл. 3.11.

 

 

 

 

Таблица 3.11

 

Механические свойства литых графитизированных сталей

Группа

Металлическая

Механические свойства

стали

основа

а . МПа

НВ

5, %

I

Ферритная

350-450

100-120

10-20

 

Зернистый перлит

500-600

220-230

5-10

II

Ферритная

380-450

120-160

7-15

 

Зернистый перлит

550-600

235-280

3-7

III

Зернистый перлит

600-800

230-280

3-10

К графитизированным сталям с повышенными пластическими свойствами относятся сплавы марок ЭИ 293, ЭИ 336, ЭИ 361. Стали этой группы отличаются от сталей двух других групп сравнительно низким содержанием кремния. Для более быстрой графитизации ограничено содержание примесей, которые препятствуют этому процессу: хрома (менее 0,08 %), никеля (до 0,2 %) и серы (до 0,03 %). С этой же целью придерживаются таких соотношений между марганцем и серой (Mn/S>3), при которых большая часть содержащейся в стали серы связывается в устойчивые соединения MnS.

Структура отливок указанной группы сталей в литом состоянии представляет собой вторичный цементит с небольшим количеством графитных включений.

В высококремнистых сталях процесс графитизации протекает намного быстрее. Почти весь сверхэвтектоидны й углерод графитизируется еще при охлаждении отливок в формах. Структура этих сталей в литом состоянии состоит из графита и перлита. Более высокое содержание кремния приводит к существенному повышению прочностных характеристик отливок за счет уменьшения их удлинения и ударной вязкости, поэтому стали этой группы следует применять для изготовления деталей, работающих в условиях небольших ударных нагрузок.

Легированные графитизированные стали содержат повышенные количества марганца и хрома, которые ускоряю т граф итизацию заэвтектоидного углерода. Структура отливок из этой стали также перлито-граф итная, только в тонкостенны х отливках могут присутствовать остатки вторичного цементита. Дополнительное легирование никелем (< 0 ,5 %) и молибденом (^ 0 ,7 %) позволяет существенно повысить механические свойства.

Конечная структура отливок из графитизированной стали обычно формируется при графитизирующем отжиге. В зависимости от его

режима может быть

получен компактный графит в

ф ерритной,

ф ерритно-перлитной

или перлитной матрицах (рис

. 3.10). При

изготовлении ответственных отливок применяют и такие виды ТО, как сфероидизация перлита, закалка и отпуск. Их применение обеспечивает зернисто-перлитную, мартенситную или сорбитную металлическую основу. Литейные свойства граф итизированной стали, как и всех высокоуглеродистых сплавов, довольно высоки, однако она склонна к образованию холодных трещ ин. Более высокие трудоемкость изготовления и себестоимость отливок из стали по сравнению с отливками из КЧ или ВЧШГ часто являются причиной выбора чугуна в качестве материала отливки.

'

/ 4 - .-

.

.

<!.

 

. v.*

-p- • ^

 

 

 

t*

-^/.y'-

. r « -Л- • --

 

W V <

< 4 v ; *■ I -v.' 7.

■■;• »>

* ; - U . ' -

Рис. 3.10. Структура отливок из графитизированной стали после отжига: а - ферритная; б - феррито-перлитная; в - перлитная

3.5. Хладостойкие стали

Более 75 % территории России занимают зоны с умеренно холодным и холодным климатом (УХЛ и ХЛ по ГОСТ 15150-69), где тем пература зимой опускается до -40 и даже -60 °С. Этот географический фактор играет большую роль при выборе материала для стальных отливок и технологии литья.

Это связано с тем, что металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (Fe, Cr, Mo, W), а также некоторые металлы с гексагональной решеткой (Ti, Zn, Cd) при понижении температуры резко теряют пластичность и становятся хрупкими. Подобная закономерность сохраняется и у многокомпонентных сплавов с соответствующ ими решетками. Поэтому ферритные и перлитные стали более склонны к потере пластичности, чем аустенитные.

Свойство металлов и сплавов при низких тем пературах переходить в хрупкое состояние и разруш аться без признаков пластической деформации называется хладноломкостью. Обратное ему понятие - хладостойкость - характеризует способность противостоять разрушению при низких температурах.

Больш инство промыш ленных конструкционны х сортов стали при

отрицательных температурах переходит из вязкого состояния в хрупкое. Подобное снижение вязкости металла представляет большую опасность для эксплуатации машин, конструкций и сооружений на открытом воздухе. За счет охрупчивания при низких температурах число поломок стальных деталей горного, горно-металлургического, дорожного и строительного оборудования, работающего в холодных климатических зонах, возрастает десятикратно.

Исследования показали, что хладостойкость стали зависит от следующ их ф акторов: состава стали; природы и характера неметаллических включений; дисперсности и однородности структуры; характера термической обработки. При уменьшении содержания серы в углеродистой и низколегированной конструкционной стали от 0,04 до 0,01 % ударная вязкость возрастает в 2-3 раза, поэтому снижение содержания вредных примесей является наиболее важным направлением повыш ения хладостойкости . Далее следует уменьш ение общей загрязненности стали неметаллическими включениями и придание им более благоприятной округлой формы. Повышает хладостойкость м елкозернистая равноосная структура матрицы, получаемая в результате легирования и термической обработки.

В большинстве случаев для изготовления машин и оборудования в северном исполнении (для деталей в климатическом исполнении ХЛ по ГОСТ 15150-69) необходимо использовать специальные хладостойкие и износостойкие стали в соответствии с ГОСТ 21357-87: 08Г2ДНФЛ; 12ХГФЛ; 14Х2ГМРЛ; 20ГЛ; 20ФТЛ; 20ХГСФЛ; 25Х2НМЛ; 27ХН2МФЛ; 27ХГСНМДТЛ; ЗОГЛ; 30ХГ2СТЛ; ЗОХЛ; 35ХМФЛ; 35ХМЛ; 110Г13Л; 110Г13ХБРЛ.

Стали для отливок должны выплавляться в электрических печах с основной футеровкой, так как массовая доля серы и фосфора в сталях допускается не более 0,02 % (каждого элемента). В печах с кислой футеровкой невозможно получить сталь с таким низким содержанием примесей. По согласованию с потребителем допускается содержание серы и фосфора во всех сталях до 0,03 % каждого, а в сталях 110Г13Л и 110Г13ХБРЛ фосфора до 0,08 % при условии обеспечения механических свойств и других требований стандарта. Хладостойкие стали при выплавке обрабатываются раскислителями и модификаторами, содержащими щелочно-земельные и редкоземельные металлы, поэтому в некоторых марках содержатся такие легирующие элементы, как ниобий (Б) и бор (Р).

По своей сути понятия хладостойкая и высококачественная конструкционная сталь равнозначны. Повышение хладостойкости достигается благодаря снижению содержания вредных примесей и рациональному модифицированию глобуляризаторами неметаллических включений. Некоторые марки хладостойких сталей имеют одинаковое обозначение с обычными конструкционными сталями, однако несколько отличаются от них по химическому составу:

Химический состав, %

С

Si

Мп

S

Р

Сталь 20ГЛ (ГОСТ 977-88)

0,15-0,25

0,20-0,40

1,2-1,6

0,04

0,04

Сталь 20ГЛ (ГОСТ 21357-87)

0,17-0,25

0,30-0,50

1,1-1,4

0,02

0,02

Содержание таких элементов, как титан, ниобий, бор в хладостойких сталях весьма невелико. Так, в стали 110Г13ХБРЛ присутствует от 0,002 до 0. 005.% В и от 0,06 до 0,10 % Nb, а в сталях 20ФТЛ, 27ХСНМДТЛ и 30ХГ2СТЛ от 0,01 до 0,07 % Ti. Многие стали легированы молибденом (0,08-0,55 %) и ванадием (0,01-0,15 %).

Литые детали из хладостойкой стали можно эксплуатировать при температурах до -60 °С. Оценка хладостойкости стали производится путем испытания ударной вязкости, поэтому в число сдаточных характеристик наряду с оч,GB, 5, \|/ введена ударная вязкость при -60 °С.

В зависимости от требуемого уровня свойств отливки подвергают нормализации (повышенная пластичность) или закалке и высокому отпуску (повышенная прочность).

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите классификацию литейных сталей.

2 . Какие элементы могут присутствовать в стали и какие из них считаются постоянными примесями?

З.Чем отличаются различные марки углеродистых сталей и как они маркируются?

4. Почему все углеродистые стали содержат кремний и марганец?

5. На какие группы по назначению делятся стальные отливки и как в связи с этим меняются требования к стали?

6 .Опишите влияние углерода на литейные свойства углеродистых сталей.

7. Какую структуру имеют углеродистые стали в литом состоянии? 8. Какие виды ТО наиболее часто применяют для стальных отливок? 9. Как осуществляется маркировка легированных сталей?

10. Перечислите, в каком состоянии могут находиться различные элементы в железоуглеродистом расплаве. Какие из них можно использовать для легирования стали?

11. По каким признакам можно классифицировать легирующие элементы для сталей?

12.Какие элементы и в каких количествах используют в конструкционных легированных сталях? Назовите основные группы этих сталей.

13.Какие стали называют экономнолегированными?

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]