СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Магнитные стали и сплавы. Феромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные линии) обладают железо, коблаьт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков, сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (Тесла). 1Тл=1Н/(А м). коэрцитивной силой называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества.

Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность.

Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы делят на магнитно-твёрдые и магнитно-мягкие:

Магнитно-твёрдые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальный сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Н_с=5175 А/м), но, т.к. они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляются более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу - Н_с=7166 А/м. Магнитные сплавы, например, ЮНДК24 (9% Al; 13,5% Ni; 3% Cu; 24% Co; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу - Н_с=39810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, небольшой мощности.

Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электрохимическое железо и сталь, железоникелевые сплавы. Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость Ма=(2,78-3,58) 109 Гн/м и применяются для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на 4 группы: с 1% 51 марки – Э11, Э12, Э13; с 2% 51 – Э21, Э22; с 3% 51 – Э31, Э32; с 4% 51 – Э41-Э48. Вторая цифра (1-8)характеризует уровень электротехнических свойств.

Железоникелевые сплавы содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Cr и Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) Ма=175,15 109 Гн/м. применяют в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио).

Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа и окислов двухвалентных металлов.

В отличие от других магнитно-мягких материалов, у ферритов очень выское удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивления (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (<0,15% С; 12-15% Cr; 3,5-5,5% Al), 0Х23Ю5 (<0,05% C; 21,5-23,5% Cr; 4,6-5,3% Al), и никелевые сплавы, например, марок ХШ5Н60 – ферронихром, содержащий 25% Ре, Х20Н80 – нихром.

Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (ОХ23Ю5).

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (<0,05% Cu 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100 °С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.).

Сплав 29НК, называемый коваром (<0,03% C; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Co), имеет низкий коэффицент теплового расширения в интервале температур от -70 до +420 °С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев.

Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Cr; 6,4-7,4% Mo; 39-41% Co). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионно-нестойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температуре 400 °С.

При выполнении практической работы рекомендуется использовать учебные пособия, ГОСТы, справочники и справочные данные, приведенные в конце данного методического указания в Приложении.

Для получения навыков в выборе легированной стали в зависимости от условий их работы приводится примерное решение задачи.

Пример:

Задача. Подберите легированную инструментальную сталь повышенной теплостойкости, пригодную для резания жаропрочных сталей, укажите ее марку и химический состав, термическую обработку и микроструктуру в готовом инструменте.

Сопоставьте теплостойкость стали Р12 и выбранной стали.

Решение задачи. При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержавеющих, жаропрочных и др.), получающих все более широкое применение в промышленности, стойкость инструментов и предельная скорость резания могут быть сильно снижены по сравнению с получаемым при резании обычных конструкционных сталей чугунов с относительно невысокой твёрдостью (до НВ 220-250).

Это связано главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов пониженная. Вследствие этого тепло, выделяющееся при резании, лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и деталью и в основном воспринимается режущей кромкой.

Кроме того, эти сплавы сильно упрочняются под режущей кройкой в процессе резания, из-за чего заметно возрастают усилия резания.

Для резания подобных материалов, называемых труднообрабатываемые, мало пригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости типа Р12, сохраняющие высокую твёрдость (HRC 60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615-620 °С.

Для обработки аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые. Кобальтовые стали сохраняют твёрдость HRC 60 после более высокого нагрева до 640-645°С. Кроме того, кобальт заметно повышает теплостойкость быстрорежущей стали, а следовательно, снижает температуру режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в тело инструмента. Стали с кобальтом имеют высокую твёрдость до HRC 68.

Для сверл и фрез, применяемых для резания аустенитных сплавов, рекомендуются кобальтовые сплавы марок Р12Ф4К5 или Р8М3К6С.

Химический состав сталей, %

Термическая обработка кобальтовых сталей принципиально не отличается от обработки других быстрорежущих сталей.

Закалка до 1240-1250°С (Р12Ф4К5) и 1210-1220 °С (Р8М3К6С), что необходимо для растворения большого количества карбидов и насыщения аустенита (мартенсита) легирующими элементами. Более высокий нагрев недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вязкость. Структура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит и избыточные карбиды, не распространяющиеся при нагреве и задерживающие рост зерна. Твёрдость HRC 60-62.

Затем инструменты опускают при 550-560 °С (3 раза по 60 мин.). Отпуска вызывают: а) выделение дисперсных карбидов из мартенсита, что повышает твёрдость до HRC 66-69; б) превращает мягкую составляющую – остаточный аустенит в мартенсит; в) снимает напряжения, вызываемые мартенситным превращением.

После отпуска инструмент шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому с выдержкой 15-30 мин. (в зависимости от сечения инструмента).

Твёрдость цианированного слоя на глубину 0,02-0,03 мм достигает HRC 69-70. Цианирование повышает стойкость инструментов на 50-80%. После цианирования возможен кратковременный нагрев при 450-500 °С с охлаждением в масле, поверхность инструмента тогда приобретает синий цвет и несколько лучшую стойкость против воздушной коррозии.

Для получения навыков в выборе материала и его обоснования для изготовления деталей или инструментов приводится примерное решение задачи.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: