Конструкционные порошковые материалы

Износостойкие стали

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного  трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцевую литую  аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и 11,5-14.5% Mn. Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашива-нием либо при чистом абразивном изнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая. Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превраще-ние.

Коррозийностойкие и жаростойкие  стали и сплавы

Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. Элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3. Для изготовления различного рода высокотемпературных установок , деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.  
Коррозионностойкие стали устойчивы к электрохимической коррозии. Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабо агрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот). Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Стали 15Х25Т и 15Х28 используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвер-гающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже -20 С. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (азотная кислота).  
Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплав 04ХН40МДТЮ предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты. Для изготовления аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислоты, применяют никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni-Mo имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кисло-ты. Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, применяют сплав Н70МФ. Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах. Двухслойные стали нашли применение для деталей аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде. Эти стали состоят из основного слоя - низколегированной (09Г2, 16ГС, 12ХМ, 10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6мм из коррозийностойких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13) или никелевых сплавов (ХН16МВ, Н70МФ).

Криогенные стали

Криогенные стали обладают достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с  высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требования высокой коррозийной стойкости. В качестве криогенных сталей применяют  низкоуглеродистые никелевые стали  и стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих при температуре до -196 С, используют стали с 6-7% Ni (ОН6А) и 8.5-9.5% Ni (ОН9А), обладающие низким порогом хладноломко-сти. Из этих сталей изготовляют цилиндрические или сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже -196 С.

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют стали  и сплавы, способные работать под  напряже-нием при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при вы-соких температурах.

Жаропрочные стали благодаря  невысокой стоимости широко применяются в высокотемпературной технике, их рабочая температура 500-750 С. Чем больше в стали уг-лерода, тем выше прочность и ниже пластичность. 

Стали мартенситного и  мартенсито-ферритного классов (15Х11МФ, 40Х9С2, 40Х10С2М) применяют для деталей  и узлов газовых турбин и паросиловых устано-вок. 

Стали аустенитного класса (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР) предназначены  для изготовления пароперегревателей и турбоприводов силовых ус-тановок высокого давления. 

Жаропрочные сплавы на никелевой  основе находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые тур-бины, химическое аппаратостроение и т. д.).  
Часто используют сплав ХН70ВТЮ, обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700-800 С. Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитирова-нию.

Инструментальные стали  и сплавы

Стали для режущего инструмента

Углеродистые стали небольшой  прокаливаемости, необладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У8, У10, У11,У12, У13 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.  
Стали У10, У11, У12, У13 применяют для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, шабера, напильники и т. д.). Для деревообрабатывающего инструмента применяют стали У7 и У8.  
Стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания с малой скоростью, так как их высокая твердость (У10-У12 - 62-63HRC) сильно снижается при нагреве выше 190-200 С.  
Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью (11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф) пригодны для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью (до 5-8м/мин). Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250 С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большей прокали-ваемостью.  
Быстрорежущие стали (Р6М5, Р12Ф3, Р8М3К6С, Р9, Р8М3, Р8М5) в отличие от других инструментальных сталей обладают высокой теплостойкостью и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью.

Основным легирующими  элементами этих сталей являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий.

Стали для измерительного инструмента

Они (12Х1, Х) обладают высокой  твердостью, износостойкостью, сохраняют постоянство размеров и хорошо шлифуются. Их твердость составляет 63-64HRC. Измерительное скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инстру-менты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х.

Стали для штампов холодного  деформирования

Эти стали (Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5В3МФС, 7ХГ2ВМ) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Эти стали (5ХНМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ) долж-ны иметь высокие  механические свойства (прочность и  вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью и высокую теплопроводность.

Твердые сплавы

Твердыми называют сплавы (ВК3, ВК6, ВК10, Т30К4, Т15К6, Т5К12, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9), изготовленные методом порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных  кобальтовой связкой. Сплав ВК8 применяют  для чернового точения и других видов черновой обработки, а также  для волочения, калибровки труб, прутков  и проволоки. Сплавы ВК10, ВК15 предназначены  для изготовления быстроизнашивающихся деталей. Титановольфрамовые сплавы применяют для чистового (Т30К4) и чернового (Т15К6, Т5К10) точения, фрезерования и строгания стали, твердость сплавов 92-87HRC.

Стали и сплавы с особыми  физическими свойствами

Магнитные стали и сплавы

Магнитотвердые стали  и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1% С, легированные хромом (3%) ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легирующие элементы повышают коэрцитивную и магнитную энергию В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико. Спла-вы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем, затем проводят шлифование. Сплав ЮНДК15 содержит 18-19% Ni, 8.5-9.5% Al, 14-15% Co, 3-4% Cu. Магнитомягкие стали (электротехническая сталь) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей и др. Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судострое-нии и специальных областях техники. Недостатки этих сталей низкий предел текучести (150-350МПа), что затрудняет их использование для высоко нагруженных деталей машин.

Металлические стекла (аморфные сплавы)

Аморфные сплавы нередко  хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке.  
Магнитомягкие аморфные сплавы делятся на три основные группы:

1. на основе железа  с высокими значениями магнитной  индукции и низкой коэрцитивной  силой;

2. на основе кобальта, имеющие сравнительно неболь-шую  индукцию насыщения, но высокие  механические свойства, низкую коэрцитивную  силу и высокое значение магнитной  проницаемости;

3. железоникелевые сплавы  со средними значениями магнит-ной  индукции и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов. 

Магнитомягкие аморфные сплавы применяют в электротехнике и  электрон-ной промышленности.

Сплавы с заданным температурным  коэффициентом линейного расширения

Широко применяются в  машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni, у которых коэффициент линейного расширения при температурах -100 до 100 С с увеличением содержания никеля до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При тем-пературе 600-700 С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов. Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.

 

Сплавы с эффектом "памяти формы"

Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект "памяти формы"), или  непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами "памяти формы": Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Al-Ni и др. Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект "памяти формы" в соединении NiTi может повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью, пластичностью, коррозийной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях.

Тугоплавкие металлы и  их сплавы

Наибольшее значение в  технике имеют следующие тугоплавкие  металлы: Nb, Mo, Cr, Ta и W. Их применяют при строительстве ракет, космических кораблей, ядерных ре-акторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500-2000 С.

Тугоплавкие металлы и  их сплавы используют в основном как  жаропрочные. 

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал - высокопластичные материалы и хорошо свариваются. 

Наибольшее значение в  технике имеют следующие тугоплавкие  металлы: Nb, Mo,

Cr, Ta и W.

Их применяют при строительстве  ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500-2000°С. Тугоплавкие металлы и их сплавы используют в основном как жаропрочные. Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал - высокопластичные материалы и хорошо свариваются.

Сплав на основе ниобия ВН2А - t=1200°C, sв=850МПа.

Сплав на основе молибдена  ЦМ3 - t=1200°С, sв=500МПа, s100=180МПа. Сплав на основе вольфрама ВВ2 - t=1200С°, sв=130МПа, s100=80МПа.

Титан и сплавы на его  основе

Титан

Титан - металл серого цвета. Температура плавления титана (1668±5)°С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882°С существует a-титан (плотность 4.505г/см3), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а=0.2951нм и с=0.4684нм (с/м=1.587), а при более высоких температурах - b-титан (при 900°С плотность 4.32г/см3), имеющий решетку, период которой а=0.3282нм. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00, ВЕ1-0.

Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность (sв, s0.2), но одновременно снижает пластичность (dy) и вязкость (KCU). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозийную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Сплав ВТ14 (Al - 5.5%, V - 1.2%, Mo - 3.0%) - sв=900-1050МПа, d=10%,

KCU=0.5МДж/м2, s-1=400МПа.

 

Алюминий и сплавы на его  основе

Алюминий 

Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с периодом а=0.4041нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность - 2.7г/см3 против 7.8г/см3 для железа и 8.94г/см3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al).