Легированная сталь

 

Легированная сталь, общие сведения

Легированная сталь широко применяется в различных областях  промышленности. Она используется для изготовления конструкционных деталей и деталей, к которым  предъявляются специальные физикохимические  технологические требования, как например, высокая износостойкость, жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

По количеству содержащихся легирующих элементов  легированная сталь условно разделяется на три группы:  низколегированную,  среднелегированную и высоколегированную.

Микроструктура низколегированной стали мало отличается от микроструктуры углеродистой стали. Микростроение этой стали  по сравнению с углеродистой сталью отличается более мелким зерном,  что приводит к  повышению механических свойств. Кроме того, легирующие элементы повышают прокаливаемость стали, что дает  возможность улучшить механические свойства отливок, за счет  термической обработки.

Микроструктура среднелегированной и высоколегированной стали отличается от углеродистой стали тем, что в ней появляются новые  структурные составляющие: аустенит, мартенсит, тростит, сорбит,  которые придают стали особые свойства.

Примерный химический состав приведен в табл. 1.

Таблица 1

Легированная стальхим.состав

Марганцевая литейная легированная  сталь

   На легированная сталь на основе марганца в литейной практике применяют  низколегированную сталь с содержанием марганца до 2%Mn;  среднелегированную с содержанием 2,5- 4,0 % Mn и высоколегированную, содержащую до 20% Mn.

Низколегированная марганцевая сталь по своим литейным свойствам мало отличается от обычной углеродистой стали,  но имеет  более высокие механические свойства, чем углеродистая сталь (см. табл. 2).

Таблица 2.

таблица марок литейных углеродистых сталей, хим.состав и мех. свойства

 При дополнительном легировании этой стали другими  элементами (Si, Cr,V,Ti,B,Mo и др.) механические свойства стали можно повысить: Gb до 75-85 кг/мм2, Gs до 63-74 кг/мм2, а отношение Gs/ Gb · 100 до 84-85%.

Среднемарганцевая сталь имеет повышенную износостойкость; из нее изготовляют литые детали, не требующие выссоких пластических свойств: кулачки, шестерни, эксцентрики и др.

Большое распространение получила в промышленности высокомарганевая сталь. Механические свойства стали после закалки приведены  в табл. 2.  Основная особенность этой стали состоит в том, что она хорошо работает на износ с ударом. Режущим инструментом эта сталь обрабатывается с большим трудом.

Температура плавления стали с увеличением содержания марганца  понижается и для высокомарганцевой стали равна 1340ᴼ; температурный интервал затвердевания увеличивается на 100ᴼ; жидкотекучесть с повышением марганца увеличивается; заливка форм должна производиться быстро во избежание образования пленок и  заворотов в отливках. Линейная усадка достигает 3%.

Для плавки высокомарганцевой стали применяют печи с основной  футеровкой; для уменьшения пригара применяют  нейтральные  или основные формовочные материалы (хромовую руду, магнезит).

Кремнистая литейная сталь

Для изготовления фасонных отливок применяют низкокремнистую и высококремнистую сталь.

Низкокремнистая легированная сталь идет для изготовления различных конструкционных деталей и содержит до 2 % Si, а высоколегированная  кремнистая сталь используется для изготовления химически стойких  отливок. Высококремнистые сплавы иногда называют  высококремнистым чугуном.

Низкокремнистая сталь обладает хорошим сопротивлением деформациям и повышенной износостойкосттью, изготовляют из нее шестерни, бегунки и другие износостойкие  детали.  Механические свойства приведены в табл 1.

В высококремнистой стали  содержится до 18% Si, вследствие чего она обладает высокой твердостью (Нв = 500) и большой хрупкостью.

Низколегированная кремнистая сталь больших трудностей при изготовлении отливок  не представляет. Значительно  труднее изготовлять отливки из  высококремнистой стали. При изготовлении  отливок из кремнистой стали необходимо учитывать, что с повышением содержания кремния температура плавления стали уменьшается и доходит для стали эвтектического состава до 1190ᴼС.

Кремнистая сталь обладает большей вязкостью, чем углеродистая, и в отливках часто образуются газовые раковины и неметаллические включения; сталь имеет большую объемную усадку. Высококремнистая сталь выпускается из печи при1320-1340ᴼ, а заливается при 1220-1280ᴼ.

Низкокремнистая сталь обладает повышенной  склонностью к  образованию горячих трещин, поэтому формы и стержни должны  быть податливыми. Вследствие большой склонности к образованию  холодных трещин необходимо принимать меры к медленному и равномерному  охлаждению отливок при низких температурах.  Плавка ведется в печах с кислой футеровкой, с обязательной хорошей дегазацией сплава. В отдельных случаях плавка проводится с замораживанием.

Никелевая литейная легированная сталь

Никелевая сталь является наиболее дефицитной, поэтому ее заменяют  другими сталями  или стремятся понизить содержание  никеля присадкой других  легирующих элементов.

В практике применяют  низколегированную никелевую сталь  с содержанием до 2% Ni, среднелегированную с содержанием никеля до 5 % и высоколегированную с содержанием никеля до 30%.

Механические свойства низколегированной никелевой стали  после термической обработки приведены в табл. 1. Сталь этой  группы с низким содержанием углерода  (0,09-0,15%) применяют для отливок, подвергающихся цементации.

 

В практике применяется большое количество конструкционных  сталей, в которых  для легирования, кроме никеля,  добавляют  марганец, молибден и  ванадий.

Механические свойства никелемарганцевой стали приведены  в табл.1. Ванадий и молибден размельчают первичную  структуру  никелевой  стали и обеспечивает получение в сложных литых деталях  равномерного строения металла. Кроме того, молибден и ванадий улучшают прокаливаемость стали.

Среднелегированная никелевая сталь обладает коррозионной стойкостью в морской воде и имеет хорошую  магнитную индукцию.  Из этой стали изготовляют винты, детали электромашин и др.

Никелевая высоколегированная сталь с содержанием 10-25% Ni  не имеет широкого применения; сталь эта имеет  крупнозернистое  строение, обладает  большой хрупкостью и высокой твердостью (Нв = 290 -300). В большинстве случаев применяют никелевую сталь с добавкой  других элементов (Cr, Cu, W, Si, Mn). Температурный интервал затвердевания никелевой стали небольшой, теплопроводность пониженная. Сталь обладает большей  склонностью  к образованию усадочных раковин и склонностью к образованию трещин по сравнению с углеродистой сталью.

 Хромистая литейная сталь

Хром является менее дефицитным легирующим элементом, поэтому его широко применяют для легирования сталей. Применяется низколегированная хромистая сталь с содержанием Cr до 1-2%, среднелегированная (до3-5%Cr) и высоколегированная (жаростойкая) с содержанием Cr до 30%.

Наибольшее распространение находит низколегированная хромистая сталь, в которой содержание углерода, марганца и хрома составляет около 2% (0,35-0,45%С)+(0,6-0,8 Mn)+ (0,7-0,9%Cr).

Хромистая сталь подобного состава хорошо работает на истирание без удара. Механические свойства такой стали после закалки и отпуска приведены в талб.1. Для улучшения свойства стали применяют  дополнительное легирование другими элементами (Mo, V, W). Добавка вольфрама  повышает значение Gb до 125-190кг/мм2.

Срелнелегированная хромистая сталь обладает устойчивостью  против ряда химических реагентов, имеет более высокую прочность при повышенных температурах. Еще более высокими физико-химическими свойствами обладает высокохромистая сталь. Хромистая сталь с 13% Cr хорошо работает в условиях  нагрева до 800ᴼ,  а с содержанием до 30-35% Cr хорошо работает при температурах до 1100ᴼ.

Эту сталь называют  жаростойкой. С повышением  содержания хрома понижается температура плавления и повышается вязкость. Для уменьшения литейных дефектов сталь  перед заливкой перегревают и увеличивают скорость заполнения форм в 1,5 раза по сравнению с углеродистой сталью.  Жидкотекучесть высокохромистой стали близка к жидкотекучести ковкого чугуна.  Высоколегированная сталь обладает большой склонностью к образованию усадочных  раковин и трещин.

Охлаждение деталей в интервале температур 400-600ᴼ, отлитых из стали ферритного класса, необходимо производить быстро, так как эта сталь обладает хрупкостью при 475ᴼ.

Хромоникелевая литейная сталь

Хромоникелевая легированная сталь находит самое широкое применение для изготовления литых деталей.

Низколегированная хромоникелевая сталь при подборе надлежащего химического состава и соответствующей термической обработки обеспечивает получение высокого предела прочности(до 120-160 кг/мм2). Низколегированную хромоникелевую сталь  легируют  дополнительно другими элементами (Mo,Mn и пр.).

Среднелегированная хромоникелевая сталь состава:0,15- 0,25%С; 2,5-3%Cr; 1,0-1,5Ni; 0,3-0,4%Mo – применяется для массивных отливок, работающих на износ. В современной практике применяется большое количество высоколегированных хромоникелевых сталей, получивших название жаростойких или нержавеющих  сталей типа 18/8, 25/20 и др.

Жидкотекучесть высоколегированной стали, изменяющаяся в зависимости от состава и температуры, ниже жидкотекучести  углеродистой стали. Для лучшего заполнения формы сталь перегревают и применяют  большую скорость заливки, в результате чего получается  металл с крупнокристаллическим строением, что  является наиболее опасным в отношении  образования трещин. Поэтому для каждой отливки  устанавливают оптимальную температуру заливки.  Для  отдельных марок  стали с целью получения мелкокристаллического  строения применяют модифицирование путем добавки в низколегированные стали силикокальция, алюминия, титана, ванадия, а в высоколегированные – титана, ниобия, циркония; кроме того, применяют продувку стали азотом. Заливку хромоникелевой стали производят сифоном и металл  подводят рассредоточенно, чтобы избежать местного перегрева.

Прибыли устанавливаются на отливках  больших размеров, чем для углеродистой стали.

В отливках из хромоникелевой стали линейная усадка зависит от  состава стали. При этом необходимо учитывать, что эти стали обладают склонностью к образованию трещин как внутренних, так и   наружных, поэтому формы и стержни должны быть податливыми.

Медистая литейная сталь

Легирование стали медью применяется для массовых отливок и отливок тонкостенных сложной конфигурации с толщиной стенок 2-3 мм. Медистая сталь хорошо работает на износ, поэтому ее  применяют  для коленчатых валов, поршней и других деталей. Примерные  механические свойства медистой стали приведены в табл. 1.

Медистая сталь обладает повышенной жидкотекучестью. Усадка медистой стали мало отличается от усадки обычной углеродистой стали. Для устранения трещин увеличивают содержание кремния и марганца в стали.

Вольфрамовая литейная сталь

В последние годы получила широкое распространение технология литья по выплавляемым моделям различного режущего  инструмента из вольфрамовой стали.

Литой инструмент изготовляют из стали различных марок: Р,PФ1,РФ2,ЭИ262 и др. Сталь может быть карбидного и ледебуритного классов.

Наибольшая трудность, с которой встречаются при изготовлении литого инструмента,- это получение равномерного распределения карбидов по сечению отливки. Равномерное распределение карбидов достигается двумя путями: регулирование скорости охлаждения отливок и подбором соответствующего состава стали. Литой инструмент изготовляют  с минимальным припуском на механическую обработку, так как верхняя корка отливки является наиболее ценной режущей часть. Вольфрамовая сталь дает большие усадочные раковины и имеет малую теплопроводность – примерно в 3 раза меньшую, чем углеродистая сталь.

 

Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов.