Легированная сталь
Легированная сталь, общая информация
Легированная сталь широко используется в различных областях промышленности. Он используется для изготовления конструктивных элементов и деталей, к которым предъявляются особые физико-химические и технические требования, такие как повышенная износостойкость, термостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и т.д.
По содержанию легирующих элементов легированные стали условно делятся на три группы: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Микроструктура низколегированной стали практически не отличается от микроструктуры углеродистой стали. Микроструктура этой стали, по сравнению с углеродистой сталью, характеризуется меньшим размером зерен структуры, что приводит к повышению ее механических свойств. Кроме того, легирующие элементы повышают прокаливаемость стали, что позволяет повысить механические свойства отливок путем термообработки.
Микроструктура средне- и высоколегированной стали отличается от углеродистой тем, что в ней появляются новые структурные компоненты: аустенит, мартенсит, тростит, сорбит, которые придают стали особые свойства.
Примерный химический состав приведен в табл. 1.
Таблица 1
Марганцевая литейная легированная сталь
Легированная сталь на основе марганца в литейном производстве используется низколегированная сталь с содержанием марганца до 2% Mn; среднелегированная сталь с содержанием 2,5- 4,0% Mn и высоколегированная сталь, содержащая до 20% Mn.
Низколегированная марганцевая сталь по своим литейным свойствам практически не отличается от обычной углеродистой стали, но обладает лучшими механическими свойствами, чем углеродистая сталь (см. таблицу 2).
Таблица 2.
При дополнительном легировании этой стали другими элементами (Si, Cr, V, Ti, B, Mo и т.д.) механические свойства стали могут быть улучшены: Gb до 75-85 кг/мм2, Gs до 63-74 кг/мм2, а соотношение Gs/Gb•100 до 84-85%.
Среднемарганцевая сталь обладает повышенной износостойкостью; из нее получаются литые детали, не требующие высоких пластических свойств: кулачки, шестерни, эксцентрики и т.д.
Высокомарганцевая сталь стала широко использоваться в промышленности. Механические свойства стали после закалки приведены в таблице 2. Главной особенностью этой стали является то, что она идеально выдерживает ударный износ. С помощью режущего инструмента эта сталь обрабатывается с трудом.
Температура плавления стали снижается с увеличением содержания марганца и для высокомарганцевой стали равна 1340 °С; температурный диапазон затвердевания увеличивается на 100 °с; текучесть увеличивается с увеличением содержания марганца; заливку в формы следует проводить как можно быстрее, чтобы избежать образования пленок и заворотов в отливки. Линейная усадка достигает 3%.
Печи с основной футеровкой используются для выплавки высокомарганцевой стали; для уменьшения обжига используются нейтральные или основные формовочные материалы (хромовая руда, магнезит).
Кремнистая литая сталь
Для изготовления фасонных отливок используются низко-кремнистая и высоко-кремнистосодержащая сталь.
Низколегированная кремниевая сталь используется для изготовления деталей различных конструкций и содержит до 2% Si, а высоколегированная кремниевая сталь используется для изготовления химически стойких отливок. Сплавы с высоким содержанием кремния иногда называют чугуном с высоким содержанием кремния.
Низко-кремнистая сталь обладает хорошей устойчивостью к деформации и повышенной износостойкостью, из нее изготавливаются зубчатые колеса, направляющие и другие износостойкие детали. Механические свойства приведены в таблице 1.
Сталь с высоким содержанием кремния содержит до 18% Si, поэтому она обладает высокой твердостью (Hb = 500) и высокой хрупкостью.
Низколегированная кремнистая сталь не представляет больших трудностей при изготовлении отливок. Гораздо сложнее изготавливать отливки из высококремнистой стали. При получении отливок из кремнистой стали необходимо учитывать, что с увеличением содержания кремния температура плавления стали снижается и приближается к 1190°C для стали эвтектического состава.
Кремнистая сталь обладает более высокой вязкостью, чем углеродистая, и в литых заготовках часто появляются газовые оболочки и неметаллические включения; сталь имеет большую объемную усадку. Высококремнистую сталь получают из печи при температуре 1320-1340 °C и разливают при температуре 1220-1280 °C.
Низко-кремнистая сталь имеет большую склонность к образованию горячих трещин, поэтому формы и стержни должны быть податливыми. Из-за высокой склонности к образованию холодных трещин необходимо принимать меры для медленного и равномерного охлаждения отливок при низких температурах. Плавку проводят в печах с кислотной футеровкой, с обязательной хорошей дегазацией сплава. В некоторых случаях плавление осуществляется с замораживанием.
Никелевая литейная легированная сталь
Никелевая сталь является наиболее дефицитной, поэтому ее заменяют другими сталями или стремятся снизить содержание никеля за счет добавления других легирующих элементов.
На практике используется низколегированная никелевая сталь с содержанием Ni до 2%, среднелегированная сталь с содержанием никеля до 5% и высоколегированная сталь с содержанием никеля до 30%.
Механические свойства низколегированной никелевой стали после термообработки приведены в таблице. 1. Сталь этой группы с низким содержанием углерода (0,09-0,15%) используется для отливок, подвергающихся цементации.
В производстве используется большое количество конструкционных сталей, в которые, помимо никеля, для легирования добавляют марганец, молибден и ванадий.
Механические свойства никель-марганцевой стали приведены в табл.1. Ванадий и молибден измельчают первичную структуру никелевой стали и гарантируют однородную структуру металла в сложных литых деталях. Кроме того, молибден и ванадий улучшают прокаливаемость стали.
Среднелегированная никелевая сталь обладает коррозионной стойкостью в морской воде и хорошей магнитной индукцией. Из этой стали изготавливаются винты, детали электрических машин и т.д.
Высоколегированная никелевая сталь с содержанием Ni 10-25% практически не используется; эта сталь имеет крупнозернистую структуру, обладает большой хрупкостью и повышенной твердостью (Hb = 290-300). В большинстве случаев используется никелевая сталь с добавлением других элементов (Cr, Cu, W, Si, Mn). Температурный предел затвердевания никелевой стали невелик, теплопроводность низкая. Сталь имеет сильную склонность к усадке оболочек и растрескиванию по сравнению с углеродистой сталью.
Хромистая литейная сталь
Хром не является таким уж дефицитным легирующим элементом, поэтому он широко используется для легирования сталей. Используется низколегированная хромистая сталь с содержанием Cr до 1-2%, среднелегированная (до 3-5%Cr) и высоколегированная (жаропрочная) с содержанием Cr до 30%.
Наиболее распространенной является низколегированная хромистая сталь, в которой содержание углерода, марганца и хрома находится в диапазоне: 2% (0,35-0,45% C) + (0,6-0,8 Mn) + (0,7-0,9% Cr).
Хромовая сталь такого состава хорошо поддается истиранию без ударных воздействий. Механические свойства такой стали после закалки и отпуска приведены в табл.1. Для повышения свойств стали используется дополнительное легирование другими элементами (Mo, V, W). Добавление вольфрама увеличивает значение Gb до 125-190 кг/мм2.
Среднелегированная хромистая сталь устойчива к воздействию ряда химических реагентов, обладает более высокой прочностью при повышенных температурах. Высокохромистая сталь обладает еще более высокими физико-химическими свойствами. Хромистая сталь с содержанием Cr 13% хорошо работает при нагреве до 800 °C, а с содержанием Cr до 30-35% хорошо работает при температурах до 1100 °C.
Эта сталь называется жаропрочной. С увеличением содержания хрома температура плавления снижается, а вязкость увеличивается. Чтобы уменьшить дефекты литья, сталь перед разливкой перегревают и скорость разливки увеличивают в 1,5 раза по сравнению с углеродистой сталью. Текучесть высокохромистой стали равна текучести ковкого чугуна. Высоколегированная сталь имеет высокую склонность к образованию усадочных раковин и трещин.
Охлаждение деталей в диапазоне температур 400-600°, отлитых из ферритной стали, должно производиться быстро, так как эта сталь обладает хрупкостью при температуре 475°.
Хромоникелевая литейная сталь
Хромоникелевая легированная сталь находит самое широкое применение для изготовления литых деталей.
Низколегированная хромоникелевая сталь при выборе соответствующего химического состава и соответствующей термообработке обеспечивает повышенный предел прочности (до 120-160 кг/мм2). Низколегированная хромоникелевая сталь дополнительно легируется другими элементами (Mo, Mn и др.).
Среднелегированная хромоникелевая сталь с составом: 0,15- 0,25% C; 2,5-3%Cr; 1,0-1,5Ni; 0,3-0,4%Mo — используется для массивных отливок, работающих на износ. В современной практике используется большое количество высоколегированных хромоникелевых сталей, называемых жаропрочными или нержавеющими, таких как 18/8, 25/20 и т.д.
Текучесть высоколегированной стали, которая варьируется в зависимости от химического состава и температуры, меньше, чем текучесть углеродистой стали. Для хорошего заполнения формы сталь подвергают перегреву и используют высокую скорость заливки, в результате чего получается металл с крупнокристаллической структурой, которая наиболее опасна с точки зрения образования трещин. Поэтому для каждой отливки устанавливается оптимальная температура разливки металла.
Для отдельных марок стали используется модификация для получения мелкокристаллической структуры путем введения силикокальция, алюминия, титана, ванадия в низколегированные стали и титана, ниобия, циркония в высоколегированные стали; кроме того, используется продувка азотом. Хромоникелевую сталь заливают с помощью сифона, и металл подается диспергированным, чтобы избежать локального перегрева.
Медистая литейная сталь
Легирование стали медью применяется для массовых отливок и тонкостенных отливок сложной конфигурации с толщиной стенки 2-3 мм. Медная сталь хорошо противостоит износу, поэтому ее используют для коленчатых валов, поршней и других деталей. Приблизительные механические свойства медной стали приведены в таблице 1.
Медная сталь обладает повышенной текучестью. Усадка медной стали мало отличается от усадки обычной углеродистой стали. Для устранения трещин в стали увеличивают содержание кремния и марганца.
Вольфрамовая литейная сталь
В последние годы широкое распространение получила технология литья под давлением различных режущих инструментов из вольфрамовой стали.
Литой инструмент изготавливается из стали различных марок: P, RF1, RF2, EI262 и др. Сталь может быть твердосплавной и ледебуритовой.
Наибольшая трудность, с которой приходится сталкиваться при изготовлении литых инструментов, заключается в получении равномерного распределения карбидов по сечению отливки. Равномерное распределение карбидов достигается двумя способами: регулированием скорости охлаждения отливок и подбором соответствующего состава стали.
Литой инструмент изготавливается с минимальным допуском на механическую обработку, поскольку верхняя корка отливки является наиболее ценной режущей частью. Вольфрамовая сталь дает большую усадку оболочек и обладает низкой теплопроводностью – примерно в 3 раза меньше, чем углеродистая сталь.
Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов.
