Инструментальные углеродистые стали

Судя по терминам, приведённым в названии подпункта 3.4, материал является, во-первых: высокоуглеродистой сталью, то есть состоящей только из железа и углерода, во-вторых: инструментальной, что говорит об изготовлении из неё инструментов либо режущих (свёрла, пилы), либо мерительных (калибры – однозначные меры для одного размера), либо монтажных (монтировки, молотки), и, в третьих: она может являться только или качественной, или высококачественной.

Марки: У7, У7А, У7Г; У8, У8А и так далее до У13, У13А.

У – означает. что сталь инструментальная углеродистая. Число – содержание углерода в десятых долях процента. Так в стали У7 содержится 0,7% углерода, а в стали У13 – 1,3%.

Термостойкость относительно остальных режущих инструментальных материалов невысокая – 200 °С, твёрдость НRC 60, поэтому этот класс сталей применяют для ручного ударного и режущего инструмента. Технологическое свойство «свариваемость» находится практически на нулевом уровне вследствие высокого содержания углерода.

Применение:

У7, У8 – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, стамески;

У9, У10, – измерительный и монтажный инструмент;

У11 – ножовочные полотна, свёрла, развертки;

У12, У13 – напильники.

 

Инструментальные легированные стали

Судя по терминам, приведённым в названии подпункта 3.5, материал является, во-первых: высокоуглеродистой сталью; во-вторых: легированной, то есть состоящей из железа, углерода и легирующих элементов; в третьих: инструментальной, что говорит об изготовлении из неё инструментов либо режущих, либо мерительных, либо монтажных; в четвёртых: она может являться или качественной, или высококачественной, или особовысококачественной.

Инструментальные легированные стали по процентному содержанию легирующих элементов классифицируются на низколегированные и высоколегированные (содержание легирующих элементов – более 8%).

Марки низколегированных инструментальных сталей: 9Х; 9ХС; ХВГ; Х6ВФ.

9Х – содержит 0,9% углерода и 1% хрома, так как после буквы Х не стоит число. Из неё изготовляют деревообрабатывающий инструмент;

9ХС – содержит 0,9% углерода, так как перед маркой стоит цифра 9, а у инструментальных сталей в марке содержание углерода в десятых долях процента, 1% хрома и 1% кремния, так как после букв Х и С не стоит число. Из неё изготовляют ручной режущий инструмент: свёрла, развёртки, метчики и плашки;

ХВГ – содержит 1% углерода, так как перед маркой не стоит цифра, 1% хрома, 1% вольфрама и 1% марганца, так как после букв не стоит число. Из неё изготовляют режущий инструмент большой длины, так как она при закалке не поддаётся короблению.

Х6ВФ – содержит 1% углерода, так как перед маркой не стоит цифра, 6% хрома, 1% вольфрама и 1% ванадия, так как после букв не стоит число. Из неё изготовляют режущий и накатной инструмент: зубчатые ролики, ножовочные полотна, бритвы, станочный деревообрабатывающий инструмент.

Термостойкость низколегированных инструментальных сталей низкая – 240 °С, твёрдость НRC 64...69.

Марки высоколегированных инструментальных сталей: Р9; Р18; Р18Ф2; Р6М5.

Р – обозначение быстрорежущей стали, читается русским «эр». Число после буквы Р обозначает процентное содержание чистого вольфрама. Остальные буквы и числа обозначают то же, что и у легированных сталей соответственно: условное обозначение легирующего элемента и его содержание в процентах. Чем больше процентное содержание вольфрама, тем выше твёрдость и износостойкость стали при высоких температурах.

Термостойкость – 600 °С, твёрдость НRC 65...70. Из них изготовляют высокопроизводительный режущий инструмент: резцы, фрезы, свёрла, фасонный режущий инструмент.

 

Специальные стали

К специальным относят стали, имеющие одно или несколько необходимых свойств, резко отличающих их от обычных сталей возможностью эксплуатации в каких-то отдельных (не во всех сразу) экстремальных условиях. Для этого в их состав вводят легирующие элементы, повышающие эти свойства.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали классифицируются на: атмосферокоррозионностойкие и собственно коррозионностойкие.

Атмосферокоррозионностойкие стали по своему составу являются низколегированными, но хром (Cr), фосфор (P) и медь (Cu) обеспечивают образование на поверхности деталей защитные оксидные плёнки, то есть такие стали становятся практически инертными по отношению к кислороду, и, в то же время, остаются достаточно дешёвыми. Невысокое содержание углерода обеспечивает таким сталям хорошую свариваемость, что важно для строительства. Им также свойственна повышенная адгезия лакокрасочных покрытий, что увеличивает срок службы окраски на поверхностях конструкций вдвое.

Марки: 10ХДП; 10ХСНД; 15ХСНД.

Указанные марки сталей применяются в слабоагрессивной атмосфере для металлических конструкций: мостов, опор ЛЭП, мачт, в промышленных зданиях, домнах. По сравнению с изготовленными из обычных конструкционных сталей срок службы таких конструкций примерно в 3 раза выше.

Коррозионностойкие стали по своему составу являются высоколегированными. Содержание хрома более 12% обеспечивает образование на поверхности защитного электрохимического потенциала, предотвращающего химическое соединение с кислородом. Остальные легирующие элементы изменяют у стали соответствующие им свойства (смотри п.п. 3.3).

Марки: 12Х13; 40Х13; 12Х18Н10Т. Сталь 95Х18, имеющая высокую контактную прочность (0,95% С), используется для работы в азотной кислоте.

Указанные марки сталей применяются в условиях слабоокислительной окружающей среды в быту (малоуглеродистые стали: посуда, приборы), в медицине и производстве (среднеуглеродистые стали: режущий и измерительный инструмент, ёмкости, приборы), при изготовлении ёмкостей для перевозки и хранения агрессивных жидкостей (малоуглеродистые стали с добавками никеля и титана), например, железнодорожных цистерн.

Тепло- и жаростойкие стали применяются для изготовления деталей, испытывающих нагрузки при повышенных (теплостойкие до 600 °С) и высоких (жаростойкие – свыше 600 до 1100 °С) температурах эксплуатации.

Обычные конструкционные стали теплостойки до 450 °С.

Большинство теплостойких сталей являются низколегированными и, следовательно, они более дешёвыми, чем высоколегированные.

Марки: 12ХМ; 15Х5М; 20Х3МВФ. Стали 15Х11МФ, 20Х13 – высоколегированные теплостойкие – для более ответственных деталей: лопаток турбин, клапанов гидравлических агрегатов.

Жаростойкие стали все – высоколегированные.

Марки: 15Х28; 10Х13СЮ; 45Х14Н14В2М.

Применение: печная арматура, детали установок пиролиза, клапаны двигателей внутреннего сгорания.

Износостойкие (шарикоподшипниковые) стали имеют высокие показатели твёрдости (HRC 61...66 при содержании углерода 1%). Детали из них долговечны в процессе контактной работы в смазке с защитой от пыли и статической и динамической нагрузке в пределах допустимых значений.

Марки: ШХ4; ШХ15; ШХ15СГ – с объёмной закалкой.

Буква «Ш», стоящая впереди в марке, обозначает, что сталь является износостойкой шарикоподшипниковой, а число после буквы «Х» – содержание хрома в десятых долях процента.

Вследствие лучшей прокаливаемости при термообработке сталь ШХ15СГ используется при изготовлении деталей шарико- и роликоподшипников крупногабаритных размеров (шарики диаметром более 30 и ролики – более 50 мм), ШХ15 – для меньших размеров, а ШХ4 – для мелких и с относительно невысокой частотой вращения при эксплуатации.

Для всех деталей шарико- и роликоподшипников с высокой динамической нагрузкой применяют стали марок 18ХГТ и 20Х2Н4А – с поверхностной закалкой.

Кроме указанных из таких сталей изготовляют втулки плунжеров, ролики толкателей, ползуны и подобные детали, которым требуется высокая износостойкость.

 

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором более 2,14% от общего объёма. Остальной объём сплава занимают железо и различные полезные добавки (легирующие элементы) и вредные примеси.

Вследствие более высокого содержания углерода чугун отличается от стали по своим механическим свойствам отсутствием пластичности, то есть его невозможно обрабатывать пластическим деформированием (ковать и т. п.).

По цвету в изломе образца чугуныбывают серые (углерод в них находится в виде свободного графита) и белые (углерод в них находится в виде химического соединения с железом – цементита Fe₃C, имеющего белый цвет).

По назначению серыечугуны – конструкционные, а белые – передельные (для переделки в сталь).

По прочности конструкционные чугуны классифицируются на серые (невысокой прочности), высокопрочные (имеют высокую прочность) и ковкие (имеют высокую прочность и некоторую пластичность).

По химическому составу конструкционные чугуны бывают: углеродистые, которые состоят только из железа и углерода и легированные, в которые для улучшения свойств при плавке вводят легирующие элементы (в основном чистые металлы).

Серые – марки СЧ10, СЧ15 и так далее до СЧ40. Прописные буквы русского алфавита обозначают: «С» – серый, «Ч» – чугун; число – предел прочности на растяжение в кгс / мм².

Высокопрочные – марки СЧ45, ВЧ50 и так далее до ВЧ80, ВЧ100. Буквы обозначают «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун, число – предел прочности на растяжение в кгс / мм².

Ковкие – марки КЧ30-6...КЧ80-1,5. Буквы обозначают «К» – ковкий, «Ч» – чугун, первое число – предел прочности на растяжение в кгс / мм², второе – относительное удлинение в %. Термин «ковкие» не означает возможность пластически деформировать, так как их пластичность незначительна и не позволяет ковать даже при нагреве до температуры плавления.

В процессе расчётов деталей из конструкционного чугуна на прочность требуется перевод единиц измерения «кгс / мм²» в «МПа», так как справочные данные приводятся в Н / мм², что равно МПа, для чего следует число, обозначенное в марке чугуна, умножить на 10. Например: 10 кгс / мм² = 100 МПа.

Для улучшения свойств конструкционные чугуны при плавке легируют чистыми металлами.

Легированные конструкционные чугуны имеют специальные свойства (к марке чугуна «Ч» добавляется буква, обозначающая легирующий элемент и его процентное содержание), например:

ЧХ22 – хромистый (жаро-, коррозионно-, износостойкий);

ЧС5Ш – кремнистый (коррозионно-, окалиностойкий);

ЧЮ22Ш – алюминистый (жаро-, износостойкий);

ЧГ8Д3 – марганцовистый (немагнитный, износостойкий);

ЧН19Х3Ш – никелистый (немагнитный, коррозионно-, хладостойкий, жаропрочный).

Из чугунов всех видов литьём и обработкой резанием изготовляют массивные неподвижные детали сложной формы: корпуса редукторов, станины станков и прессов и т. п.

 

Лабораторная работа № 2

«Определениемаркистали механическими испытаниями на сжатие»

(2 часа)

1 Цель работы: изучить работу стенда испытательного марки МИ-40У и закрепить теоретическое изучение различных видов и марок сталей механическими испытаниями образцов на сжатие.

2 Принадлежности:

стенд испытательный марки МИ-40У;

компьютер;

образец из малоуглеродистой (мягкой) стали диаметром 10...15 мм и высотой 10 мм не менее;

штангенциркуль ШЦ-1;

справочная литература: [2].