Черные металлические материалы
Черные металлические материалы – это железо и его сплавы. Железо в чистом виде в РЭС не используется, а применяются сплавы на основе железа:
- стали – это железосодержащие материалы, в которых может присутствовать углерод меньше 2,14 %;
- чугуны, в которых углерода может содержаться от 2,14 до 6,67%; в конструкциях РЭС почти не используются;
- твердые сплавы.
В РЭС в основном используют отдельные марки сталей, реже твердые сплавы.
По химическому составу и технологии получения стали и твердые сплавы делят на несколько групп:
1. Сталь углеродистая общего назначения. Из этой группы может представить интерес для конструкций РЭС стали: Ст1, Ст2 и Ст3 для изготовления заклепок; Ст5пс и Ст5сп для изготовления: крепежных деталей, ручек, рычагов, элементов замков, штырей, шпилек (интервал рабочих температур от 0 до 4250С).
Условные обозначения: Ст – сталь. Впереди могут быть буквы Б или В, указывают на группу стали, например В, это сталь, которая поставляется по механическим свойствам и химическому составу; пс – полуспокойная, кп – кипящая, указывает на степень окисления; буква Г – на повышенное содержание марганца. Цифра после Ст – условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Увеличение номера указывает на повышение содержания углерода и соответственно увеличение прочности.
2. Сталь углеродистая качественная конструкционная. Материал представляет широкий интерес для изготовления: заклепок, крепежа, деталей, получаемых глубокой вытяжкой. Из этой группы для этих целей могут найти применение в РЭС стали: 08, 10, 15, 20, 25, 40 и 45. Цифра обозначает массовую долю углерода – 0,8%, 0,20% и т.д. Могут присутствовать буквы, обозначающие степень окисления, пс – полуспокойная, сп – спокойная, кп – кипящая.
|
|
|
Материал отличается более высокими механическими свойствами, так как содержит меньше серы, фосфора и неметаллических включений. При поставке гарантируется химический состав.
3. Сталь рессорно-пружинная. Маркируется номерами, начиная от 65,70 до 85. Цифра обозначает соответственно среднюю массовую долю углерода от 0,65 до 0,85%.
4. Сталь легированная конструкционная. Особые качества этих сталей определяются легирующими добавками различных элементов. Качественный и количественный состав этих добавок отражается в маркировке материалов.
Приняты следующие обозначения легирующих элементов: Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, С – кремний, Г – марганец, Ю – алюминий, Т – титан, Р – бор. Цифра после обозначения указывает на процентное содержание легирующей добавки. Отсутствие цифры означает, что добавки содержится менее 1,5%. Эта группа материалов делится на три подгруппы: качественная – индексами не выделяется; высококачественная - в конце обозначения стоит буква А, особо высококачественная – в конце ставится буква Ш. Деление на подгруппы осуществляется в зависимости от химического состава и свойств. В конструкциях РЭС могут найти применение следующие марки конструкционной легированной стали:
|
|
|
15Х,15ХА, 20Х – для изготовления зубчатых колес, червячных передач, втулок;
10Г2 – крепежные детали, рамы, охладительные системы, детали, работающие при температуре до – 700С;
33ХС – для изготовления деталей пружинного типа;
30ХМ, 30ХМА – для изготовления: валов, осей, втулок, зубчатых колес, крепежных деталей;
40ХФА – для изготовления: осей, втулок, зубчатых колес, крепежных деталей;
38Х2Н2МА – для изготовления крепежных деталей;
38ХН3МФА – для изготовления крепежных деталей;
38Ч2МЮА – для изготовления деталей высокой прочности, сложной конфигурации, деталей, от которых требуется высокая твердость, износоустойчивость, повышенный предел выносливости при минимальной деформации при термической обработке.
Легирующие элементы вводят для повышения конструктивной прочности. Так, введение хрома повышает износостойкость и твердость; бора – хладостойкость; марганец повышает предел текучести, но делает сталь чувствительной к перегреву; введение титана приводит к измельчению зерна и уменьшает чувствительность стали к перегреву, уменьшает хрупкость после отпуска; добавление кремния делает сталь способной переносить знакопеременные нагрузки; введение молибдена приводит к измельчению зерна, повышению прочности, сопротивлению ползучести, устраняет хрупкость после отпуска; введение ванадия приводит к образованию мелкого зерна и повышению вязкости; введение никеля повышает вязкость, понижает порог хладоломкости. Если при этом присутствует молибден, то сталь обладает высоким пределом выносливости. Одновременное добавление хрома и алюминия повышает твердость, износоустойчивость и минимальные деформации в процессе термической обработки.
|
|
|
5. Сталь рессорно-пружинная легированная. Если нет указаний легирующих добавок – это просто сталь рессорно-пружинная: 65,85. Если есть буквы, то сталь с повышенными механическими свойствами: например стали 60С2Н2А или 70С2ХА. Материалы применяются для изготовления пружин.
6. Сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Показателем этой группы в маркировке является буква А в начале обозначения, поскольку эти стали еще называют автоматными, то есть обрабатываемые с применение автоматов. Если нет другой буквы, то - это сталь автоматическая сернистая; если стоит буква С (АС) – это сталь автоматная свинец содержащая; если стоит буква Е (АЕ), то - это сталь автоматическая селеносодержащая. Цифры после А, АС или АЕ обозначают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Остальные обозначения, как в легированных конструкционных сталях. В конструкциях деталей РЭС находят применение следующие марки автоматных сталей:
|
|
|
AII – для изготовления болтов и гаек, получаемых резанием;
А20 – для деталей, к которым предъявляются требования высокой точности;
А30, А40 (содержит марганец меньше 1,5%) – для изготовления нагруженных деталей типа осей, валиков, шпилек высокой точности;
АС12ХГН – для изготовления шасси и каркасов приборов.
Наличие серы 0,08-0,25% и фосфора 0,06-0,15% улучшают обрабатываемость резанием этих материалов. Но при этом повышается хрупкость стали при высоких температурах, например, при обработке резанием, то есть появляется свойство красноломкости. Для предотвращения красноломкости в эти стали добавляют марганец (А40Г).
Свинецсодержащие автоматные стали содержат небольшие добавки свинца – 0,15-0,30%, что добавочно улучшает обрабатываемость стали резанием. Свинец не растворяется в стали, а присутствует в виде мелких обособленных включений, делая стружку ломкой и оказывая смазывающее действие. В основном применяются в автомобилестроении. Иногда автоматные стали легируют кальцием для повышения производительности обработки резанием при максимальной стойкости режущего инструмента, такое действие имеет место при комплексном легировании кальцием, свинцом или серой.
7. Сталь подшипниковая. Показателем этого материала является буква Ш в начале маркировки. Остальное, как в легированных конструкционных сталях, ШХ20СГ. Правда, содержание хрома указывается в десятых долях процента, т.е. в этом материале хрома 2%. Материал используется для изготовления элементов подшипников и деталей с высокой износоустойчивостью.
8. Сталь нелегированная инструментальная. Это сталь обладает высокой твердостью и износоустойчивостью, применяется при изготовлении инструмента. Обозначение – начальная буква У, далее идет цифра – средняя массовая доля углерода в десятых долях процента. Пример обозначения – У8ГА – сталь нелегированная высококачественная инструментальная, 0,80% углерода, содержит повышенную долю марганца.
9. Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Эти материалы используются для изготовления инструмента. Обозначение марок этих сталей строится следующим образом: Х12, 5Х2МНФ, начинается либо с легирующей присадки, либо с цифры, обозначающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента углерода. Далее обозначения и цифры, как в легированных конструкционных сталях. Правда, если после легирующей присадки нет цифры, то содержание его до 1%.
10. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Эти материалы используют для изготовления инструмента, работающего в сильно нагруженных условиях при достаточно высокой температуре.
Показателем этих сталей является буква Р в начале обозначения марки. Далее идет цифра, указывающая на массовую долю вольфрама в процентах. В обозначение не входят массовые доли хрома, молибдена да 1% и ванадия в сталях марок Р18.
Буква А в обозначении марки означает содержание азота.
Пример обозначения Р9М4К8 – быстрорежущая сталь, 9% вольфрама, 4% молибдена, 8% кобальта. 11Р3АМФ2 – быстрорежущая сталь, 1,1% углерода, 3% вольфрама, азота меньше 1%, молибдена 3%, ванадия 2%, хрома 4% не указано в обозначении марки.
11. Сплавы высоколегированные коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. В эту группу входят сплавы на железной, железноникелевой и никелевой основах. Они предназначены для использования в коррозионно-активных средах при высоких температурах, например при работе РЭС в условиях морского климата, в прибрежных районах с повышенной влажностью, в помещениях с агрессивной средой. Основным легирующим элементом в этих сплавах является хром. Поэтому маркировка этой стали начинается с буквы Х. В некоторых случаях ей предшествуют цифры, обозначающие максимальную массовую долю углерода в сотых долях процента. Могут присутствовать также медь, ниобий, обозначающиеся соответственно буквами Д и Б;
- внутри группы присутствуют различные деления, например на высоколегированные стали, железноникелевые сплавы и сплавы на никелевой основе;
- деление на коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы, жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы и жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью;
- далее имеется деление в зависимости от основной структуры, полученной при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева. Это классы: мартенситный, мартенситно - ферритный, аустенитно – мартенситный, аустенитно – ферритный и аустенитный.
Для деталей РЭС представляет интерес следующие марки этих сталей:
30Х12 и 40Х13 – для изготовления пружин;
35Х18 – для изготовления втулок и деталей, подвергающихся большому износу;
09Х16Н4Б – для изготовления штамповкой с последующей сваркой защитных кожухов и каркасов;
25Х1МФ – для изготовления плоских пружин, болтов и шпилек;
18Х12ВМБФР – для изготовления крепежных деталей и деталей, работающих при больших нагрузках и повышенных температурах.
12.Сплавы прецизионные магнитомягкие; магнитотвердые; с заданным температурным коэффициентом линейного расширения; с заданным свойством упругости.
12.1. Магнитомягкие стали и сплавы легко намагничиваются и перемагничиваются; характеризуются узкой петлей гистерезиса, высокой магнитной проницаемостью и относительно большой индукцией насыщения. Из них изготавливают магнитопроводы транзисторов и дросселей, магнитные экраны.
В эти стали добавляют кремний, который увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Однако содержание кремния ограничивают 4,8%, так как при этом растет хрупкость материала и затрудняется его обрабатываемость давлением.
В кремнистых сталях наблюдается анизотропия, т.е. неодинаковость магнитных свойств в различных направлениях кристаллической решетки. Материал текстурируют вдоль прокатки. Это уменьшает потери при перемагничивании при повышенной магнитной индукции. Представителем этих материалов являются электротехнические стали. Они маркируются четырьмя цифрами. Первая цифра характеризует сталь или сплав по структурному состоянию и виду прокатки на классы: 1- горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.
Вторая цифра указывает на условное содержание кремния:
0 до 0,4 %; 1 – 0,4-0,8%; 2 – 0,8-1,8%; 3 – 1,8-2,8%; 4 – 2,8-3,8%; 5 – 3,8-4,8.
Третья цифра означает нормируемую характеристику:
0- удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте 50 Гц; 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл при частоте 50 Гц; 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400Гц для горячекатаной и холоднокатаной изотропной стали и удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 400 Гц для холоднокатаной анизотропной стали; 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м; 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м или 5 А/м.
Четвертая цифра означает порядковый номер типа стали.
В конструкциях РЭС в основном применяют холоднокатаную сталь анизотропную для магнитопроводов силовых трансформаторов, дросселей, измерительных трансформаторов.
12.2. Сплавы прецизионные магнитомягкие –это высоколегированные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами, уровень которых определяется точным химическим составом, специальной технологией выплавки и специальной термообработкой. Магнитомягкие прецизионные сплавы применяют для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях.
Маркировка прецизионных магнитомягких сплавов несколько необычна, так как цифры, означающие среднюю массовую долю элемента, входящего в сплав, ставятся перед буквой, обозначающей этот элемент. Кроме того, введена буква Л для представления бериллия. Кроме того, в конце после дефиса могут быть обозначения, указывающие на способ выплавки сплава: ВИ – вакуумно-индукционный, ЭЛ – электронно-лучевой, Ш - электрошлаковый.
Для обозначения прецизионных мягких магнитных сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса в конце маркировки ставится буква П.
В конструкциях РЭС из этого вида материалов наиболее широко применяют пермалои.
Пермалои – это железоникелевые сплавы. По составу разделяются на низконикелевые, содержащие 39-65% никеля, и высоконикелевые, содержащие 75-84,5% никеля.
Низконикелевые пермалои: 445Н, 50Н, 50НХС имеют повышенную магнитную индукцию насыщения и повышенное удельное электросопротивление, поэтому их применяют в аппаратуре с небольшим подмагничиванием, а именно: при изготовлении сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, реле, дросселей, это относится к маркам 45Н и 50Н; для сердечников магнитных головок, это относится к пермалою 50НХС.
Низконикелевые пермалои 50 НП и 34НКМП имеют прямоугольную петлю гистерезиса, поэтому используются для изготовления: сердечников магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, элементов вычислительной аппаратуры.
Высоконикелевые пермалои: 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ имеют очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях.
79Н3М и 68НМ применяют при изготовлении сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов.
Пермалои очень чувствительны к деформациям (наклепу), в результате чего ухудшаются их первоначальные магнитные характеристики. Легирование сплавов молибденом уменьшает их чувствительность к деформациям.
Медь стабилизирует магнитную проницаемость в определенных интервалах напряженности, а хром, кремний, марганец и молибден увеличивают удельное электрическое сопротивление, что позволяет использовать пермалои в переменных полях.
Магнитные свойства пермалоев зависят от термической обработки, которая заключается в отжиге образцов готовых изделий в вакууме или в чистом сухом водороде. Используется также термомагнитная обработка, при которой охлаждение производится в продольном магнитном поле, что дает возможность получить высокое значение магнитной проницаемости.
К прецизионным магнитомягким материалам относят также стали 16Х и 36КНМ – это материалы с высокой коррозионной стойкостью. Они предназначаются для изготовления магнитопроводов без защитных покрытий в приборах и аппаратах морского и тропического исполнения.
12.3. Магнитотвердые стали и сплавы. Они характеризуются высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно высокими значениями максимальной удельной энергии.
Магнитотвердые материалы в основном используют: для изготовления постоянных магнитов, для магнитной записи, в магнитных системах ламп бегущей волны, в магнетронах для радиопередающих устройств.
По технологии производства магнитотвердые металлические материалы классифицируют: на литые, спеченные и деформируемые.
Магнитотвердые материалы литые. Обычно они изготавливаются на основе системы: железо – никель - алюминий Fe – Ni – Al. Из этого материала изготавливают: постоянные магниты для измерительных приборов, магнитных муфт, поляризованных реле.
Алюминий и никель увеличивают коэрцитивную силу сплавов. Для повышения остаточной индукции в состав железо – никель – алюминий вводят кобальт. После термомагнитной обработки сплавы, содержащие свыше 18% кобальта, приобретают особо высокие магнитные свойства. Медь стабилизирует магнитные свойства, уменьшая их зависимость от технологии изготовления сплавов и нарушения режима термообработки. Присадка титана повышает коэрцитивную силу, но одновременно повышает хрупкость отливки, поэтому содержание титана ограничивают 0,3-9%.
Введение кремния и ниобия в некоторые сплавы также способствует улучшению магнитных свойств.
Вредной примесью в сплавах на основе железа – никеля – алюминия является углерод, который даже в малых количествах (0,1%) значительно снижает коэрцитивную силу и остаточную индукцию.
Высокие магнитные свойства сплавы получают после термической обработки - закалки и высокотемпературного отпуска.
Дальнейшее повышение магнитных свойств достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллической текстур.
Недостатком литых сплавов являются низкие технологические свойства. Из-за высокой твердости и хрупкости сплавы склонны к трещинообразованию, сколообразованию, очень плохо обрабатываются резанием. Показателем магнитотвердых литых материалов являются начальные буквы ЮН – алюминий и никель. Если никеля больше 14%, то его содержание не указывается. Наличие в сплаве железа также не указывается.
Буква А в конце марки обозначает столбчатую кристаллическую структуру сплава, АА - сплавы имеют монокристаллическую структуру. Примеры маркировки этих материалов: ЮНДК40Т8АА; ЮНДК3515БА.
Спеченные (металлокерамические) магнитотвердые материалы. Исходными продуктами при этом являются порошки сплавов на основе систем железо – никель – алюминий; медь – никель – кобальт; железо – кобальт – молибден; кобальт – платина и другие.
Из приведенных композиций представляют большой интерес материалы на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными металлами: церием, самарием, празеодимом, латаном, иттрием, поскольку удается создать материалы с небольшой коэрцитивной силой и удельной магнитной энергией, позволяющей изготавливать мощные магниты небольших габаритов и массы.
Самарий – дорогой металл, существенное удешевление магнитов из редкоземельных металлов возможно путем замены самария машметаллом: церий – 52 % + латан 25% + ниобий 17% + железо до 5 % + кремний 0,3 %.
Самарий содержащие магнитные материалы:
КС37 – основа – кобальт, 37% самария, обозначается буквой С; КСП37А – включает 37% самария + празеодим, буква А означает улучшенную структуру материала. Буква П обозначает празеодим.
Эти материалы применяют для изготовления магнитов магнетронов и ламп бегущей волны.
Деформируемые магнитотвердые сплавы и стали. Основное преимущество этих материалов – это возможность получения этих магнитных материалов в виде листа, ленты, проволоки. Это сплавы на основе композиций: железо – церий – никель – ванадий, железо – кобальт – хром – ванадий применяются для активных частей гистерезисных двигателей. Например, сплавы 52К10Ф. Прутки ЕХ3 – легирован хромом, ЕВ6 – хромом и вольфрамом, ЕХ9К15М2 – хромом, кобальтом, и молибденом.
12.4. Прецизионные сплавы с особыми физическими свойствами. Для конструкций РЭС эти материалы имеют большое значение.
12.4.1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Эти материалы сохраняют благодаря малому значению ТКЛР в некотором интервале температур практически постоянными свои линейные размеры с 1) минимальным, близким к нулю ТКЛР, 2) сплавы с низким ТКЛР и 3) сплавы со средним ТКЛР.
Сплавы с минимальным ТКЛР применяют для изготовления деталей высокоточных приборов, измерительных инструментов, эталонов длины, стрелок показывающих приборов и других деталей, требующих стабильности размеров в интервале климатических изменений температуры.
Сплавы этой группы пластичны, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и паяются. Для конструкций РЭС представляют наибольший интерес.
- 36Н, этот сплав называют инвар, который содержит 36% никеля, а также небольшие количества: хрома, марганца, углерода, кремния, серы и фосфора, остальное железо. Данный сплав сохраняет свои размеры в интервале температур от –600С до + 1000С, поэтому используется для изготовления деталей, требующих постоянство размеров в достаточно большом диапазоне температур, а также как один из компонентов термобиметаллов.
- 32НКД – суперинвар, включает в свой состав кобальт и медь. Применяется для изготовления деталей приборов очень высокой точности, например деталей метрологических приборов, требующих постоянства размеров в интервале климатических температур.
- 35НКТ – сплав включает 2,3-2,8% титана, что при всех прочих свойствах и сохраненные точности размеров в материале появляется свойство повышенной твердости и прочности при высокой чистоте поверхности.
- Сплавы с низким ТКЛР предназначены для вакуумно-плотных соединений с неорганическими диэлектриками: стеклом, керамикой, слюдой, искусственным сапфиром и т.д. Эти материалы в диапазоне температур от – 700С до 5500С имеют ТКЛР, близкий или равный по величине ТКЛР соединяемых ими диэлектриков. Представители этих материалов:
- 29НК – ковар, он имеет ТКЛР как термостойкое стекло. В материале присутствует кобальт, который повышает точку Кюри и расширяет область применения сплава до 4200С. Сплав хорошо спаивается со стеклом и хорошо смачивается расплавленным стеклом.
- 52Н-ВИ – сплав вакуумно-индукционной плавки – это магнитный материал используется для изготовления герметизированных магнитоуправляемых контактов, поэтому для них, кроме ТКЛР, нормируется индукция насыщения не менее 1,5Тл и коэрцитивная сила не менее 16 А/м.
- 58Н-ВИ – инвар стабиль, представляет большой интерес для изготовления шкал со штриховыми мерами (отсчетных шкал), у него ТКЛР близок к ТКЛР стали и чугуна. Этот сплав относится к сплавам со средним ТКЛР, отличается стабильностью размеров.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 360; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!