Применяемые в машиностроении

Число металлических сплавов, применяемых в технике, исчисляется тысячами и постоянно возрастает в соответствии с возникающими требованиями различных отраслей промышленности. Классификация и характеристика всех сплавов по одному из признаков, одинаковому для всех, невозможна. Поэтому, принято классифицировать сплавы по ряду признаков, к которым относятся химический состав, назначение, свойства и. т.д.

§ 5.1 Конструкционные стали

Сталью называется сплав железа с углеродом, где содержание углерода от 0,01 до 2%. Кроме железа и углерода в стали всегда содержаться постоянные примеси: марганец, кремний, сера и фосфор. В стали могут быть также и другие случайные примеси: хром, никель, медь и другие элементы.

По назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционная сталь должна обладать высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами, т.е. хорошо обрабатываться резанием и давлением, хорошо свариваться.

Есть три основные группы конструкционных сталей: сталь углеродистая обыкновенного качества, сталь углеродистая качественная и конструкционные легированные стали. Существуют также стали специального назначения.

Сталь конструкционная обыкновенного качества. Требования к этой группе сталей устанавливает ГОСТ380-94. Эти стали содержат до 0,5% углерода и к их производству не предъявляют высоких требований. Они легко обрабатываются резанием, хорошо свариваются.

Стали обыкновенного качества наиболее дешёвые и используются для изготовления деталей и конструкций менее ответственного назначения. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств, стали обыкновенного качества делятся на три группы: А, Б и В. В группу «А» входят стали, поставляемые по механическим свойствам, т.е. с гарантированными механическими свойствами. В группу «Б» входят стали, поставляемые по химическому составу. В группу «В» – по механическим свойствам и химическому составу. Все стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст» и цифрой после них. Цифра обозначает порядковый номер этой стали в ГОСТе. В ГОСТе записаны свойства и химсостав этой марки стали. Например:

– БСт2 – это сталь обыкновенного качества, группы «Б», порядковый номер этой стали в ГОСТ380-94 – второй;

– ВСт4 – это сталь обыкновенного качества, группы «В», порядковый номер этой стали в ГОСТ380-94 – четвёртый;

– Ст3 – это сталь обыкновенного качества, группы «А» (буква «А» в обозначении марки стали не ставится), порядковый номер этой стали в ГОСТ380-94 – третий.

Сталь конструкционная качественная. По сравнению со сталями обыкновенного качества к качественным сталям предъявляют более высокие требования, а именно: меньшее содержание серы, фосфора, неметаллических включений. Они более дорогостоящие, требования к этим сталям устанавливает ГОСТ1050-88.

Эти стали обозначаются так: Сталь12, Сталь 08, Сталь45. Цифра обозначает содержание углерода в сотых долях процента, т.е. в Стали12 содержится около 0,12% углерода и приблизительно 99,8% железа, а также есть примеси; в Стали45 – 0,45% углерода. Низкоуглеродистые стали очень пластичные, хорошо обрабатываются давлением (например из Стали08 изготовляют детали кузова автомобиля), хорошо свариваются. Высокоуглеродистые стали более твёрдые и прочные. Они хорошо обрабатываются резанием, также хорошо свариваются. Из них изготовляют различные детали ответственного назначения.

Стали конструкционные легированные (ГОСТ4543-71, ГОСТ14959-69 – рессорно-пружинные, ГОСТ19282-73 – строительные). Легированными называют стали, содержащие в своём составе кроме железа и углерода специально добавляемые легирующие элементы с целью получения особых свойств сплава: высокой прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности, стойкости к определённым химическим веществам и др. Например, для получения нержавеющей стали в неё добавляют не менее 12% хрома. Эти стали дорогостоящие.

Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система маркировки. Сначала ставится цифра, обозначающая содержание углерода в сотых долях процента. Если цифры нет, то углерода один процент. Далее следуют буквы, обозначающие легирующие элементы. После каждой буквы ставится цифра, обозначающая содержание в сплаве данного легирующего элемента в процентах. Если цифры после буквы нет, то соответствующего элемента один процент. Буква «А» в конце марки означает, что сталь высококачественная, т.е. в ней меньше примесей серы и фосфора.

Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Г – марганец, Х – хром, Н – никель, Т – титан, В – вольфрам, Ф – ванадий, С – кремний, М – молибден, К – кобальт, Ю – алюминий, Д – медь, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, П – фосфор. Например:

– Сталь 65Г содержит около 0,65% углерода, 1% марганца, а остальное железо;

– Сталь ХВ5А содержит 1% углерода, 1% хрома, 5% вольфрама, сталь высококачественная;

– Сталь 12Х18Н9Т содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 9% никеля, 1% титана (нержавеющая ГОСТ5632-72).

Легированная сталь применяется для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях больших нагрузок, высоких температур, в агрессивной химической среде и др.

§ 5.2 Инструментальные материалы

Инструментальные стали – это большая группа сталей, которые в результате термической обработки получают высокую твёрдость, прочность и износостойкость, необходимые для обработки материалов резанием или давлением. Инструментальные стали также подразделяются на углеродистые и легированные.

Стали инструментальные углеродистые. Эти стали содержат от 0,65 до 1,35% углерода. Они подразделяются на качественные и высококачественные (отличается пониженным содержанием примесей серы, фосфора, кремния и марганца). Твёрдость высококачественной и качественной стали одинакова, но высококачественная сталь прочнее, лучше противостоит действию ударных нагрузок. Закалённые инструментальные стали имеют твёрдость 45…65HRC (45…65 единиц по шкале Роквелла).

Маркируются эти стали следующим образом: впереди ставится буква У (углеродистая), а за ней цифра, обозначающая содержание углерода в десятых долях процента. Высококачественная сталь обозначается буквой «А» после цифры. Например: У7 (содержание углерода 0,7%, остальное – железо), У7А, У8, У8А.

Инструментальные углеродистые стали применяются для изготовления деревообрабатывающего инструмента, слесарного инструмента (молотки, пассатижы, напильники, зубила и др.), штампов, буров. Для изготовления металлорежущего инструмента используется в настоящее время редко.

Стали инструментальные легированные (быстрорежущие стали) (ГОСТ19265-73). Основное применение инструментальные легированные стали находят для изготовления металлорежущих инструментов. Основным требованием для режущего инструмента является высокая твёрдость, которая должна сохраняться при высоких температурах (550…650ºС), возникающих в процессе резания металлов. Быстрорежущие стали обладают такими свойствами. Закалённые быстрорежущие стали имеют твёрдость 60…70HRC (60…70 единиц по шкале Роквелла). Основными легирующими элементами для них являются вольфрам, ванадий, молибден, хром, кобальт.

Быстрорежущие стали обозначают буквой «Р». Цифра за буквой «Р» обозначает содержание вольфрама в процентах. Остальные легирующие элементы обозначаются такими же буквами, как при обозначении конструкционных легированных сталей. Например: Р18 – быстрорежущая сталь, содержащая 1% углерода, 18% вольфрама и около 81% железа; Р6М5 – быстрорежущая сталь, содержащая 1% углерода, 6% вольфрама, 5% молибдена и около 88% железа.

Твёрдые сплавы (ГОСТ3883-74). Твёрдые сплавы получают методами порошковой металлургии. Порошок карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала смешивают со связующим веществом – кобальтом, прессуют в формах, а затем подвергают спеканию при температуре 1500…2000ºС. В результате получаются пластины, состоящие из карбидных частиц, связанных кобальтом.

Твёрдые сплавы обладают очень высокой твёрдостью (85…92HRC), износостойкостью и теплостойкостью. Рабочая температура резания может быть увеличена до 800…1000ºС. Режущие инструменты, оснащённые пластинами из твёрдого сплава, работают с высокой производительностью и обладают высокой стойкостью.

По структуре и природе карбидных фаз твёрдые сплавы могут быть разбиты на три подгруппы:

1) Вольфрамокобальтовые сплавы. Обозначаются буквами «ВК» и цифрами. Цифра после буквы «К» обозначает содержание кобальта в процентах, а остальное карбид вольфрама. Например: ВК4 (4% кобальта и 96% карбида вольфрама), ВК25 (25% кобальта и 75% карбида вольфрама).

2) Титано-вольфрамокобальтовые сплавы. Обозначаются буквами «ТК» и цифрами. Цифра после буквы «Т» обозначает содержание карбида титана в процентах, цифра после буквы «К» – содержание кобальта в процентах, остальное – карбид вольфрама. Например: Т15К6 (15% карбида титана, 6% кобальта, 79% карбида вольфрама).

3) Титано-тантало-вольфрамокобальтовые сплавы. Обозначаются буквами «ТТК» и цифрами. Цифра после букв «ТТ» обозначает суммарное содержание карбидов титана и тантала в процентах, цифра после буквы «К» – содержание кобальта в процентах, остальное – карбид вольфрама. Например: ТТ7К12 (7% карбидов титана и тантала, 12% кобальта, 81% карбида вольфрама).

§ 5.3 Чугуны

Чугун – это сплав железа с углеродом, где содержание углерода более 2%. В зависимости от состояния углерода различают белый чугун, серый чугун, высокопрочный чугун и ковкий чугун. Белый чугун конструкционного значения не имеет.

Все чугуны имеют высокие литейные свойства, антифрикционные свойства, хорошо обрабатываются резанием. Они дешевле сталей.

Серый чугун. Требования к свойствам серого чугуна устанавливает ГОСТ1412-79. В серых чугунах большая часть углерода находится в виде графита, имеющего пластинчатую форму. Он обозначается буквами «СЧ», означающими серый чугун, затем следует число, показывающее предел прочности при растяжении. Например: СЧ10 – серый чугун, предел прочности при растяжении 100 мегапаскалей (10 кгс/мм²); СЧ30 – серый чугун, предел прочности при растяжении 300 мегапаскалей (30 кгс/мм²).

Серый чугун применяют в машиностроении для изготовления отливок различного назначения, не испытывающих больших нагрузок: корпусов, станин и других. Серый чугун дешевле других чугунов и сталей.

Высокопрочный чугун (ГОСТ7293-85). В высокопрочном чугуне углерод находится в виде шаровидного графита. Он обозначается буквами «ВЧ», означающими высокопрочный чугун, затем следует число, показывающее значение временного сопротивления при растяжении. Например: ВЧ50 – высокопрочный чугун, временное сопротивление при растяжении 500 мегапаскалей (50 кгс/мм²).

Высокопрочный чугун применяют для изготовления тяжело нагруженных отливок, например, коленчатые валы, кулачковые валы двигателей внутреннего сгорания.

Ковкий чугун (ГОСТ1215-79). Ковкий чугун кроме хороших литейных свойств способен также испытывать пластическую деформацию. Из него изготовляют отливки, а также обрабатывают давлением – ковкой. В ковком чугуне углерод находится в виде графита, имеющего хлопьевидную форму.

Ковкий чугун обозначается буквами «КЧ» и двумя цифрами. Первая цифра показывает предел прочности при растяжении, вторая – относительное удлинение. Например: КЧ60-3 – ковкий чугун, предел прочности при растяжении 600 мегапаскалей (60 кгс/мм²), относительное удлинение 3%, КЧ36-10 – ковкий чугун, предел прочности при растяжении 360 мегапаскалей (36 кгс/мм²), относительное удлинение 10%.

Ковкий чугун применяют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Также из него возможно изготавливать тонкостенные отливки.

§ 5.4 Цветные металлы

Медь. Медь обладает высокими электро- и теплопроводными свойствами. Технически чистая медь применяется для изготовления электрических проводников и теплообменных устройств.

Латунь (ГОСТ15527-70, ГОСТ17711-72). Латунь – это группа сплавов меди с цинком. Кроме меди и цинка в латунь могут быть введены олово, свинец, железо, марганец, никель, кремний, алюминий, фосфор, бериллий и др. Латунь широко применяется в приборостроении, общем и химическом машиностроении. Латунь обладает коррозионной стойкостью, ряд марок латуни обладают литейными свойствами или антифрикционными свойствами. Она обрабатывается резанием, ряд марок латуни обрабатывается давлением.

Бронза (ГОСТ5017-74, ГОСТ18175-78, ГОСТ613-79). Бронза – это сплав меди с другими элементами: оловом, железом, алюминием, титаном, свинцом и др. Бронза обладает хорошими литейными, антикоррозийными и антифрикционными свойствами. Она применяется в общем и химическом машиностроении, в приборостроении для изготовления деталей, работающих в условиях трения, в слабокоррозионных средах.

Алюминий (ГОСТ4784-74, ГОСТ1583-89). Алюминий находит очень широкое применение в технике. Используется как технически чистый алюминий, так и его сплавы. Алюминий – лёгкий металл. Он обладает антикоррозийными свойствами, хорошими литейными свойствами (литейные сплавы), обрабатывается давлением (деформируемые сплавы), хорошо обрабатывается резанием, а также разработаны способы сварки алюминия. Технически чистый алюминий используется в электротехнической промышленности. Алюминиевые сплавы, вследствие своей лёгкости, используются в авиастроении, транспортном машиностроении, т.е. там, где существуют жёсткие ограничения по массе машин.

Титан и его сплавы (ГОСТ19807-91). Титан обладает малой плотностью в сочетании с очень высокими механическими (прочностью) и антикоррозийными свойствами. Он применяется в химическом машиностроении, в авиационной, ракетной, космической технике.

Вопросы для самоконтроля

1) Приведите определение термина «сталь»?

2) Приведите определение термина «чугун»?

3) Какие существуют основные классы сталей?

4) В какой форме может содержаться в чугунах углерод?

5) Какими преимуществами обладают чугуны по сравнению со сталью?

6) Какими отличительными свойствами обладает быстрорежущая сталь?

7) Из каких компонентов состоят твёрдые сплавы?

8) Какими преимуществами обладает алюминий и его сплавы?

9) Какие металлы входят в состав бронзы?

10) Какие металлы входят в состав латуни?

11) Какова область применения латуни?

12) Расскажите о принципах классификации легированных сталей?