Сплави з алюмінію, заліза та міді

Вплив марганцю. Максимальний вміст марганцю 0,8%, він знижує вміст сірки, суттєво підвищує міцність, практично не знижує пластичність та різко знижує червоноламкість за рахунок зв'язування сірки, яка присутня у вигляді FeS у власний сульфід. Марганець розчиняється у фериті і цементиті.

Вплив сірки. Сірка – це негативна домішка, верхня границя вмісту сірки 0,05%. Сірка з залізом утворює сполуку FeS, яка практично не розчиняється у твердому залізі, а з рідким залізом утворює легкоплавку евтектику з tпл=988°С. При кристалізації евтектика розташовується по межах зерен і при наступному нагріванні сталі до 1000 – 1200 °С під час кування чи прокатки вона розплавляється. При деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають тріщини і надриви. Це явище називається червоноламкістю.

Сполуки сірки знижують ударну в'язкість і характеристики пластичності у поперечному напрямку витяжки, знижується і межа витривалості. При збільшенні вмісту сірки знижується робота розвитку тріщини і в'язкість руйнування, сірка погіршує зварюваність і корозійну стійкість сталей. Вміст сірки в сталі суворо обмежується і залежить від якості сталі.

Автоматні сталі                        S=0,08 – 0,3 %     P ≤ 0,05 %

Сталі звичайної якості             S ≤ 0,05 %     P ≤ 0,04 %

Якісні                                        S ≤ 0,04 %     P ≤ 0,035 – 0,04 %

Високоякісні                             S ≤ 0,025 %     P ≤ 0,025 %

 

Вплив фосфору. Фосфор розчиняється у фериті, дуже сильно деформує кристалічну гратку і підвищує межу міцності і плинності, але знижує пластичність і в'язкість, і причому сильніше при збільшенні кількості вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі і знижує роботу розвитку тріщини. Сталь, яка містить фосфор в кількості 0,05 % має роботу розвитку тріщини у 2 рази меншу, ніж сталь з вмістом 0,005 % P. Кожна 0,01 % P підвищує поріг холодноламкості на 20 – 25 °С. Здатність фосфору до сегрегації по границях зерен сприяє окрихчуванню при низьких температурах, це явище називається холодноламкістю. Фосфор має велику схильність до ліквації, тому внутрішня частина зливку сильно збагачена фосфором і характеризується низькою в'язкістю.

Вплив газів. Водень, азот, кисень в сталях містяться в невеликих кількостях, і кількість їх залежить від способу виробництва сталі. Гази присутні у різних несуцільностях, у твердому розчині, у формі різних сполук – неметалевих включень – нітриди, оксиди. Неметалеві включення знижують межу витривалості та в'язкість руйнування.

Дуже негативною домішкою є водень, оскільки він сильно окричує сталь. Водень у катаних заготовках утворює флокени – тонкі тріщини овальної чи округлої форми, які у зломі мають вигляд п'ятна чи пластівців сріблястого кольору. Флокени різко погіршують властивості сталі. Водень при заварюванні сприяє утворенню холодних тріщин.

Домішки кольорових металів присутні в сталях в кількості сотих долей % , і попадають в сталь з металевого лому, це Cu, Ni, Cr, Zn, Sn,  Sb та ін. Ці домішки практично не впливають на механічні властивості сталей, хоча по деяким даним домішки кольорових металів підвищують поріг холодноламкості.

Класифікація вуглецевих сталей

Сталями називаються сплави Fe і C, які містять до 2,14 %С.

Класифікація сталей проводиться по наступним параметрам :

І) По структурі у відпаленому стані :

      а) доевтектоїдні  – Ф+П; до 0,83 % С 

      б) евтектоїдні  – П; 0,83 % С

           в) заевтектоїдні – П+ЦІІ; 0,83 – 2,14 % С

         ІІ) По вмісту вуглецю :

               1) технічне залізо – містить  до 0,025 %С, структура – ферит та  Ф+ЦІІІ. Ці сплави використовуються в електротехнічній промисловості для виготовлення магнітопроводів, якоря і полюса машин постійного струму, роторів, статорів асинхронних двигунів, силових трансформаторів, апаратів, приладів та ін.

              2) конструкційні сталі – сталі, які призначені для виготовлення  деталей машин, конструкцій та  споруд. Конструкційні сталі повинні  характеризуватися високою межею  плинності при високій пластичності  та низьким порогом холодноламкості. Ці сталі повинні мати хороші  технологічні властивості – гарну  оброблюваність тиском та різанням  не утворювати шліфовочні тріщини, мати високу прогартованість  і малу схильність до зневуглецювання, деформації та тріщиноутворення  при гартуванні. Конструкційні сталі  повинні гарно зварюватись усіма  видами зварювання. Конструкційні  сталі містять 0,1 – 0,7 %С, і в свою  чергу діляться на :

              2.1 Цементовані  сталі (0,15 – 0,25 %С) –  сталі із яких виготовляють  середньорозмірні  зубчасті колеса, вали коробок передач автомобілів, вали швидкохідних верстатів, шпінделей, шестерен та ін. Для підвищення  поверхневої твердості та зносостійкості  застосовують цементацію та нітроцементацію.

              2.2 Будівельні сталі – до 0,33 %С. Вони можуть піддаватись зварюванню  і застосовуватися для елементів  будівельних конструкцій, які не  піддаються зварюванню. Сталі, які  призначені для зварних конструкцій, повинні характеризуватись малою  чутливістю до термічного старіння.

2.3 Поліпшувані сталі  – містять 0,3 – 0,5 %С. Ці сталі використовують  після нормалізації, покращення  і поверхневого гартування для  різних деталей – шестерен, зубчатих  колес, валів осей та ін.

2.4 Сталі з високим  вмістом вуглецю – 0,6 – 0,85 %С. Ці  сталі характеризуються високою  міцністю, зносостійкістю та пружними  властивостями, із них виготовляють  пружини, ресори, шпінделі, замкові  шайби, прокатні валки, рейки.

Конструкційні сталі маркуються : сталі 10, 20, 30, 40, 45, 60, 65.

3) Інструментальні вуглецеві  сталі. Ці сталі містять 0,7 – 1,5 %С. Вони використовуються для виготовлення  ріжучого, вимірювального, формоутворюючого  та хірургічного інструменту  – фрези, свердла, пилки, ножовочні  полотна, напильники, леза, гострий  хірургічний інструмент. Це марки  У7, У8, У10, У12.

ІІІ) По якості (за вмістом негативних домішок – сірки та фосфору) :

1) Автоматні сталі. Це  сталі з високою оброблюваністю  різанням, яка досягається введенням  в сталь S, P, Se, Ta, Ca і утворення неметалевих включень. Наявність у сталі включень з низькою температурою плавлення  призводить до утворення плівки між інструментом і заготовкою, що знижує коефіцієнт тертя в умовах різання. Присутність сірки і фосфору полегшує відділення стружки і руйнування металу, сприяє отриманню гладкої блискучої поверхні різання. У разі механічної обробки автоматних сталей утворюється коротка, ламка стружка, що особливо важливо при обробці на швидкохідних  верстатах – автоматах. Недоліком автоматних сталей є їхня понижена пластичність. Це пов’язано з тим, що переважна більшість включень в умовах прокатування сприяє утворенню смугастої структури, що викликає появу анізотропії властивостей. Сталі застосовують для виготовлення деталей, від яких не вимагаються високі механічні властивості ( деталі кріплення, пальці, втулки тощо ).

Маркуються : А12, А20, А30, А40Г.

2) Сталі звичайної якості  загального призначення (ГОСТ 380 – 88 )

Сталі цього класу діляться на три групи.

Група А – поставляється замовнику з гарантованими механічними властивостями, у вигляді гарячекатаного прокату – балки, швеллєри, кутники, прутки, листи, труби. Використовуються у будівництві.

Маркуються : Ст0…Ст6.

Група Б – поставляється замовнику з гарантованим хімічним складом.Це прокат, який піддається тепловому впливу – гарячій пластичній деформації та термічній обробці – малонавантажені  деталі – вали, осі, зубчаті колеса.

Маркуються : БСт1кп, БСт6сп.

Група В – поставляється з нормованими механічними властивостями і хімічним складом. Використовуються для виготовлення деталей зварюванням, коли необхідно знати склад сталі. Властивості металу подалі від зони теплового впливу при зварюванні відповідають властивостям вихідного металу.

Маркуються : ВСт0…ВСт6.

В залежності від умов і ступеня розкислення розрізняють :

1. спокійні сталі «сп» - Ст1сп ;

2. напівспокійні сталі «пс» - Ст1сп ;

3. киплячі сталі «кп» - Ст2кп.

У цих сталях різна масова кількість кисню і кремнію. У спокійних – 0,15 – 0,3 % Si, ~ 0,002 %О2; у напівспокійних – 0,05 – 0,15 % Si, ~ 0,01 %О2 і у киплячих – не більше 0,05 % Si та 0,02 %О2. Спокійні сталі отримують повним  розкисленням сталі феромарганцем, ферокремнієм та фероалюмінієм у печі, а потім у ковші. Сталі охолоджують спокійно без газовиділень. Киплячі сталі розкислюють тільки феромарганцем, і до затвердіння у них міститься підвищена кількість FeO. При охолодженні у виливниці FeO взаємодіє з вуглецем сталі, при цьому утворюється СО, який виділяється у вигляді пухирців, створюючи враження, що метал кипить.

Для відповідальних зварних конструкцій, а також таких, що працюють при низьких кліматичних температурах, застосовують спокійні сталі, оскільки у них низька температура порогу холодноламкості.

Механічні властивості сталей звичайної якості підвищують гартуванням у воді з прокатного нагріву і наступним самовідпуском. Тимчасовий опір зростає при цьому у 1,5 – 2,0 рази при достатньо високій пластичності. Структура – Т, С.

3) Якісні сталі 

Від сталей звичайної якості якісні відрізняються меншим вмістом сірки та фосфору та меншою кількістю неметалевих включень.

Сталь 08, 10, 15, 85, 08кп, 10кп.

У сталях цього класу достатньо високий комплекс механічних властивостей, який досягається термічною обробкою. Вони мають також хороші технологічні властивості ( оброблюваність різанням, зварюваність, деформованість ). Ці сталі не дефіцитні, вони дешеві. Основний недолік – мала прогартованість, а це накладає певні вимоги по розмірах деталей (малі перетини). Ці сталі, як правило, у машинобудуванні використовуються для виготовлення простих деталей невеликого перетину.

4) Високоякісні сталі

Високоякісні сталі містять S≤ 0.025 %. По вмісту вуглецю вони позначаються так як і якісні конструкційні та інструментальні сталі, а у кінці марки – літера «А»

У10А, У12А, 38ХМЮА

5) Особливовисокоякісні  сталі 

Якщо сталь на металургійному підприємстві піддавалась рафінуванню рідким синтетичним шлаком у ковші для видалення неметалічних включень, газів, сірки, фосфору, то вона містить цих негативних домішок значно менше. Міцність та пластичність таких сталей майже не змінюється після переплаву, а зменшується кількість неметалічних включень, їх глобулізація знижує анізотропію властивостей пластичності і в’язкості. У цих сталях висока конструкційна міцність. У цих сталях в кінці марки стоїть буква «Ш»

Чавуни

Чавунами називаються сплави заліза і вуглецю, які містять більше 2,14 % вуглецю. В залежності від стану вуглецю чавуни бувають білими та сірими. Так як і сталі, чавуни це не прості подвійні сплави, а це багатокомпонентні сплави. Вони містять ті ж постійні домішки – Mn, Si, P, S, але в більших кількостях, тому суттєво  впливають на процес графітизації чавуну і відповідно на структуру ат властивості.

Марганець підвищує зносостійкість чавуну, усадку, крихкість. Розчиняючись  у цементиті підвищує його стійкість при розпаді, тобто сприяє відбілюванню чавуну. Вміст Mn у сірих чавунах допускається 0,5 – 1,0 %.

Кремній міститься у чавунах в кількості (0,3 – 0,5) – (3,0 – 5,0) %. Він дуже сильно впливає на процес графітизації, підсилює графітизацію чавуну. Таким чином Si у чавунах – корисна домішка, чим його більше, тим більше фериту.

Сірка – сприяє відбілюванню чавуну і погіршує ливарні властивості (сильно зменшується рідкотекучість). Сірка підвищує твердість, знижує механічні властивості, підсилює схильність до утворення тріщин. Вміст сірки, в залежності від розмірів відливки коливається в межах 0,08 ( малі ) – 0,12 % ( крупні ).

Фосфор – практично не впливає на процес графітизації чавуну, це корисна домішка, оскільки фосфор покращує рідко текучість чавуну. Це пояснюється утворенням легкоплавкої потрійної евтектики ( Fe3C – Fe3P – Fe ) з температурою плавлення 950 °С. Тверді ділянки фосфідної евтектики підвищують твердість та зносостійкість чавуну. Високофосфористі чавуни ( 1% Р) використовуються для литва виливок складної форми, художнього литва, а у звичайних чавунах вміст Р=0,3 – 0,5 %. Підвищений вміст фосфору рекомендується і для антифрикційних чавунів які працюють при малих питомих тисках.