Металлы и сплавы, благодаря их уникальным свойствам, остаются наиболее востребованными материалами во всех отраслях промышленности.
Чтобы правильно выбрать сплав для изготовления деталей, узлов и механизмов, важно хорошо знать химические, физические и механические свойства материала. Важно понимать, насколько хорошо выбранный сплав устойчив к коррозии, насколько высока его термостойкость и жаропрочность, а также учитывать твёрдость, упругость, и механическую прочность материала.
Металлические сплавы, при всём их многообразии, подразделяются на две большие группы: чёрные и цветные.
К чёрным металлам относят железо и его сплавы (сталь и чугун), к цветным металлам относят все остальные металлы и сплавы.
Классификация сталей
К чёрным металлам в основном относят сплавы железа с углеродом, а именно стали и чугуны. Сталь - это сплав железа с углеродом, массовая доля железа в котором больше, чем массовая доля какого-либо другого элемента, массовая доля углерода составляет менее 2.14 %. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, то такой сплав называется чугуном. Наличие в составе углерода придает сплавам прочность и твердость, однако снижает пластичность и вязкость. В зависимости от назначения и области применения, в состав стали может входить разное количество легирующих элементов (хром, марганец, вольфрам, никель, молибден и другие).
Стали принято классифицировать по химическому составу, по назначению и по качеству. По химическому составу стали подразделяются на две большие группы - углеродистые и легированные. По назначению различают конструкционные, инструментальные стали, а также стали с особыми свойствами (коррозионностойкие, жаростойкие, хладостойкие и др.). По качеству стали разделяются на обыкновенные, качественные и высококачественные.
Легированные стали
Легирующие элементы — это химические элементы в составе сплава железа и углерода, служащие для улучшения его механических свойств. Легированные стали могут содержать несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства (стойкость к коррозии, жаропрочность и т.п.). В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определённое сочетание букв и цифр.
В наименованиях марок стали и сплавов химические элементы обозначены следующими буквами: А (в начале марки) — сера, А (в середине марки) — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ю — алюминий.Наименование марок стали состоит из обозначения элементов и следующих за ними цифр. Цифры перед буквенным обозначением указывают массовую долю углерода в стали в сотых долях процента. Отсутствие числа перед маркой стали, указывает, что содержание углерода в них 1% и более. Цифры, стоящие после букв, указывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие числа указывает, что элемент содержится в пределах до 1%.
Конструкционные стали.
Конструкционные стали должны обладать высокой конструкционной прочностью, обеспечивать длительную и надёжную работу конструкции в условиях эксплуатации. Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, наряду с высокой прочностью и практичностью, должны обладать хорошим сопротивлениям ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.
Автоматные стали, изготовленные по ГОСТ 1414-75, применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах. Основное требование для них -хорошая обрабатываемость резанием, достигаемая за счёт увеличения содержания серы и фосфора до 0,1-0,2%, а также добавления селена и свинца. Маркируются автоматные стали буквой А и двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Пример: А12 - автоматная сталь, с содержанием углерода 0,12%. При введении свинца в количестве 0,15-0,3% стали маркируются буквами АС и цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента: АС11, АС14, и т.д.
Низколегированные строительные стали содержат относительно малые количества углерода - 0,1...0,25% (ГОСТ 538-88, ГОСТ 27772-88). По сравнению с углеродистыми сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей достигается легирования малыми количествами кремния и марганца, а также хрома, никеля, меди и некоторых других элементов. Чем выше содержание углерода, тем тем значительнее объёмные изменения, тем больше опасность образования холодных трещин. Поэтому, стали, используемые для изготовления строительных конструкций, не должны содержать более 0,25% углерода. К низколегированным строительным сталям для строительных конструкций относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД.
Судостроительные стали (ГОСТ 5521-93) - это корпусные стали для судов. Применяют для изготовления сварных конструкций, эксплуатируемых в интервале температур -60...+150℃ в условиях коррозионного воздействия морской воды, повторно- статических и динамических нагружений. В судостроении применяют литейные высокопрочные конструкционные стали для изготовления отливок сложной конфигурации. Для крупных корпусных литых деталей типа кронштейнов, гребных винтов, рулей используют стали марок 08ГДНФЛ, 08Г2ДНФЛ, а для высоконагружаемых соединительных элементов опорных колонн морских буровых установок, деталей механизма поворота плавучих кранов и крупнотоннажных крюков - высокопрочные хладостойкие сваривающиеся стали марок АБ-1Л и АБ-3Л.
Рессорно-пружинные стали прменяются для изготовления рессоров и пружин. Основными требованиями, предъявляемыми к рессорно-пружинным сталям, являются высокое сопротивление малым пластических деформациям (высокий предел упругости), высокий предел выносливости и повышенная релаксационная стойкость с сохранением упругих свойств в течение длительного времени. Рессорно-пружинные стали обычно легируют кремнием и марганцем (ГОСТ 14959-79), иногда в сочетании с другими элементами. Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температуре не выше 200℃. При нагреве до температуры 300℃ используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах - из более теплостойких сталей: до 500℃ - из стали 3Х2В8Ф, до 600℃- из стали Р18.
Инструментальные стали
По назначению инструментальные стали подразделяют на следующие группы:
- Стали для режущего инструмента
- Стали для штампового инструмента
- Стали для измерительного инструмента.
Углеродистые инструментальные стали для режущего инструмента (ГОСТ 1435-90) маркируются буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют углеродистые качественные стали марок У7-У13 и высококачественные стали марок У7А-У13А. Стали марок У7-У9 применяют для изготовления инструмента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, деревообрабатывающий инструмент, в частности, пилы, топоры, и т.д. Стали марок У10-У13 идут на изготовление режущего инструмента, не испытывающего при работе толчков, ударов и обладающего высокой твёрдостью (напильники, острый хирургический инструмент, и т.д.). Достоинствами углеродистых инструментальных сталей являются низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии. Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.
Низколегированные стали для режущего инструмента (13Х6, 9ХС) также не обладают высокой теплостойкостью и обычно пригодны для работы при температурах не более 200–250 °С. Среднелегированные стали типа 9Х5ВФ, 3Х4В3М3Ф2 имеют более высокую теплостойкость (300–500 °С) Низколегирванная сталь 13Х имеет сравнительно неглубокую прокаливаемость и рекомендована для инструментов диаметром до 15 мм. Из этой стали изготавливают хирургический, гравировальный инструменты, лезвия безопасных бритв.
С увеличением скорости резания возрастают требования теплостойкости стали. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют быстрорежущие стали, впервые предложенные в 1902 г. Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid – быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама – основного легирующего элемента. Среднее содержание углерода во всех быстрорежущих сталях обычно меньше 1 %, а хрома – до 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается, как обычно, цифрами, следующими за их буквенным обозначением.
Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, сохранять постоянство формы и размеров в течение длительного срока эксплуатации. Кроме того, от них требуется хорошая обрабатываемость для получения высокого класса чистоты поверхности и малая деформация при термической обработке. Для измерительного инструмента обычно применяют высокоуглеродистые стали У8 – У12 и низколегированные стали марок Х, ХГС, ХВГ, 9ХС, содержащие около 1 % С и до 1,5 % Сr.
Коррозионностойкие стали
Для защиты от коррозии широко применяется явление пассивации. Пассивность – это состояние повышенной коррозионной устойчивости металлов и сплавов, вызванное преимущественным торможением анодных процессов. Пассивное состояние возникает при образовании тонких прочных и непрерывных оксидных пленок, равномерно покрывающих поверхность материала. Сталь, содержащая 12–14 % Cr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозионностойких сталей вводят также друие элементы – чаще никель. С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет. Коррозионностойкие стали обычно делят на хромистые ферритные, содержащие 12–25 % Сr и 0,07– 0,2 % C и хромистые мартенситные, содержащие 12–18 % Cr и 0,15–1,2 % C, а также аустенитные стали, содержащие 12–18 % Cr, 8–30 % Ni и 0,02–0,25 % C.
Жаростойкие стали
Способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью. Основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Cr, сохраняет окалиностойкость до 600 °С (15Х5), 9 % Cr (40Х9С2) – до 800 °С, 17 % Cr (08Х17Т) – до 900 °С. Таким образом, стали, с процентным содержанием хрома >17% относятся к жаростойким. Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100 °С. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризуются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочностью.
Жаропрочные стали
Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей:
1. П е р л и т н ы е с т а л и . Стали перлитноо класса используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей и коллекторов энеретических установок, длительно работающих при температурах 500–550 °С. Перлитные стали содержат относительно малые количества углерода и обычно легированы хромом, молибденом и ванадием (марки 12ХМ, 12Х1МФ).
2. М а р т е н с и т н ы е с т а л и . Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энеретического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно работающих при температурах 600–620 °С. Стали более значительно легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов – хромокремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М.
3. А у с т е н и т н ы е с т а л и . Из этих сталей изотовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600–700 °С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М. Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных.
Цветные металлы и сплавы
Цветные металлы и сплавы разделяются на две большие группы - алюминиевые сплавы и сплавы на основе меди.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. К деформируемым относится дюралюминий - группа сплавов алюминия с добавками меди (Cu), магния (Mg), марганца (Mn) и др. Маркируются буквой Д и числом, означающий условный порядковый номер (Д1, Д16 и др.) В оптическом производстве дюралюминий применяется при изготовлении оправок для установки заготовок деталей при некоторых видах обработки, наклейки, смоляных подушек при блокировании и т.д. Литейные сплавы используют для отливки деталей сложной конфигурации. Имеются сплавы алюминия с кремнием, с добавками меди, марганца, магния и др. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами. Из силумина изготавливаются корпуса полировальников, наклеечные приспособления и др.
Сплавы на основе меди
Сплавы на основе меди - латунь и бронза - получили широкое распространение как конструкционные материалы.
Латунями называют сплавы меди (Cu) и цинка (Zn). Латуни бывают простые и сложные, включающие в состав легирующие компоненты. Маркируются простые латуни буквой и числом, соответствующим процентному содержанию меди (например сплав Л62 - содержание меди 62%). Сложные латуни маркируются двумя буквами. Первая буква Л, вторая буква - основные элементы, образующие сплав: О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, А – алюминий, Ж – железо, Ф – фосфор, Б – бериллий, Х – хром, Н – никель и т. д., а после буков - цифры, указывающие содержание меди и легирующих элементов в процентах. Например, ЛЖМц-59-1-1 – латунь, содержащая: 59% Сu, 1% Fe, 1% Mn и остальное – цинк
Бронзы - сплавы меди с оловом (Sn), алюминием (Al), свинцом (Pb), кремнием (Si), бериллием (Be). Обозначаются бронзы буквами Бр, а также буквами и числами соответственно входящим в них компонентам. Например, БрОФ6,5-0,15 – бронза; 6,5% Sn, 0,15% Р, остальное – медь. Бронзы и латуни имеют высокие литейные свойства, хорошо обрабатываются, обладают антикороззионными свойствами.
Заключение
Производство изделий из металлических сплавов является неотъемлемой частью развития человеческой цивилизации, ещё со времён бронзового века. Потребность промышленности в металлах и металлических сплавах останется достаточно высокой ещё не одно столетие.