Чугунная легированная сталь: свойства и ключевые применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Литая легированная сталь - это категория стали, которая характеризуется своими легирующими элементами и процессом литья, используемым в ее производстве. Этот класс стали обычно включает в себя различные легирующие элементы, такие как хром, никель, молибден и ванадий, которые значительно улучшают ее механические свойства и устойчивость к износу и коррозии. Основная классификация литой легированной стали попадает в более широкую категорию легированных сталей, которые известны своим улучшенным сроком службы, прочностью и закаливаемостью по сравнению с углеродными сталями.
Всеобъемлющий обзор
Литая легированная сталь в первую очередь классифицируется как среднеуглеродная легированная сталь, которая производится с помощью методов литья. Включение легирующих элементов, таких как хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo) и ванадий (V), способствует ее уникальным свойствам. Эти элементы повышают прочность, жесткость и стойкость стали к различным формам деградации, что делает ее подходящей для требовательных приложений.
Значительные характеристики литой легированной стали включают:
- Высокая прочность и жесткость: Легирующие элементы обеспечивают высокий предел прочности на растяжение и стойкость к ударам.
- Устойчивость к износу: Улучшенная твердость и прочность способствуют ее способности противостоять износу в тяжелых условиях.
- Закаливаемость: Наличие легирующих элементов позволяет проводить эффективную термообработку, улучшая твердость и прочность стали.
Преимущества:
- Отличные механические свойства, что делает ее подходящей для приложений с высоким уровнем напряжения.
- Хорошая свариваемость и обрабатываемость, позволяющие использовать различные варианты изготовления.
- Устойчивость к деформации при высоких температурах и нагрузках.
Ограничения:
- Более высокая цена по сравнению со стандартными углеродными сталями из-за легирующих элементов.
- Возможность хрупкости при неправильной термообработке.
- Могут потребоваться более сложные процессы изготовления.
Исторически литая легированная сталь играла важную роль в развитии различных промышленных приложений, особенно в автомобильной и авиационной отраслях, где требуются высокопроизводительные материалы.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Класс | Страна/Регион происхождения | Примечания/Комментарии |
|---|---|---|---|
| UNS | G41300 | США | Ближайший эквивалент AISI 4130 |
| AISI/SAE | 4130 | США | Широко используется в авиационных приложениях |
| ASTM | A517 | США | Используется для сосудов под давлением |
| EN | 1.7225 | Европа | Эквивалент AISI 4130 с незначительными различиями в составе |
| DIN | 34CrMo4 | Германия | Подобные свойства, но с другими легирующими отношениями |
| JIS | SCM430 | Япония | Сравним с AISI 4130, используется в автомобильных приложениях |
В таблице выше указаны различные стандарты и эквиваленты для литой легированной стали. Примечательно, что хотя такие классы, как AISI 4130 и EN 1.7225, часто считаются эквивалентными, тонкие различия в составе могут влиять на характеристики производительности, особенно в условиях высокого напряжения.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (Символ и название) | Диапазон (% ) |
|---|---|
| Углерод (C) | 0.28 - 0.33 |
| Манган (Mn) | 0.60 - 0.90 |
| Хром (Cr) | 0.80 - 1.10 |
| Молибден (Mo) | 0.15 - 0.25 |
| Никель (Ni) | 0.40 - 0.70 |
| Силикон (Si) | 0.15 - 0.40 |
Основные легирующие элементы в литой легированной стали играют решающую роль:
- Хром: Увеличивает закаливаемость и устойчивость к коррозии.
- Молибден: Улучшает прочность при повышенных температурах и повышает жесткость.
- Никель: Увеличивает прочность и стойкость к ударам, особенно при низких температурах.
Механические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Типичное значение/Диапазон (метрическая система) | Типичное значение/Диапазон (имперская система) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|
| Предельная прочность | Закаленная и отпусканная | 620 - 850 МПа | 90 - 123 ksi | ASTM E8 |
| Предельная прочность (0.2% сдвиг) | Закаленная и отпусканная | 450 - 600 МПа | 65 - 87 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Закаленная и отпусканная | 15 - 25% | 15 - 25% | ASTM E8 |
| Твердость (по Роквеллу C) | Закаленная и отпусканная | 28 - 35 HRC | 28 - 35 HRC | ASTM E18 |
| Ударная прочность | Зубчатая проба Charpy, -20°C | 30 - 50 Дж | 22 - 37 фунт-фут | ASTM E23 |
Сочетание этих механических свойств делает литую легированную сталь подходящей для приложений, требующих высокой прочности и жесткости, таких как в строительных компонентах, машиностроении и автомобильных деталях. Ее способность выдерживать значительные механические нагрузки гарантирует структурную целостность в требовательных условиях.
Физические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Значение (метрическая система) | Значение (имперская система) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Температура окружающей среды | 7.85 г/см³ | 0.284 фунт/дюйм³ |
| Температура плавления | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Температура окружающей среды | 45 Вт/м·К | 31 BTU·дюйм/(ч·фт²·°F) |
| Удельная теплоемкость | Температура окружающей среды | 460 Дж/кг·К | 0.11 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Температура окружающей среды | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·дюйм |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и теплопроводность, важны для приложений в условиях высоких температур, где вес и рассеяние тепла являются критическими факторами.
Устойчивость к коррозии
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C) | Рейтинг устойчивости | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Хлориды | 3-5 | 25-60 | Средний | Риск точечной коррозии |
| Серная кислота | 10 | 25 | Плохая | Не рекомендуется |
| Соляная кислота | 5 | 25 | Плохая | Не рекомендуется |
| Атмосферная | - | - | Хорошая | Умеренная устойчивость |
Литая легированная сталь проявляет различные степени устойчивости к коррозии в зависимости от окружающей среды. Она хорошо работает в атмосферных условиях, но подвержена точечной коррозии в хлоридных средах. В сравнении с нержавеющими сталями, литая легированная сталь в целом предлагает меньшую устойчивость к коррозии, что делает ее менее подходящей для сильно коррозионных приложений.
Устойчивость к температуре
| Свойство/Лимит | Температура (°C) | Температура (°F) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывной эксплуатации | 400 | 752 | Подходит для высокотемпературных приложений |
| Максимальная температура прерывистой эксплуатации | 500 | 932 | Только кратковременное воздействие |
| Температура растрескивания | 600 | 1112 | Риск окисления за этой точкой |
| Состояния прочности на ползучесть | 400 | 752 | Ползучесть может стать проблемой выше этой температуры |
При повышенных температурах литая легированная сталь сохраняет свою прочность и жесткость, но окисление может стать проблемой. Правильная термообработка может улучшить ее характеристики при высокотемпературных приложениях.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS) | Типичный защитный газ/флюс | Примечания |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Аргон + CO2 | Хорошо для тонких участков |
| TIG | ER80S-Ni | Аргон | Требует предварительного нагрева |
| Электродуговая сварка | E7018 | - | Подходит для более толстых участков |
Литая легированная сталь обычно сварка, но может потребоваться предварительный нагрев, чтобы избежать растрескивания. Постсварочная термообработка может улучшить свойства сварного шва.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | Литая легированная сталь | AISI 1212 | Примечания/Советы |
|---|---|---|---|
| Относительный индекс обрабатываемости | 70 | 100 | Хорошая обрабатываемость с правильными инструментами |
| Типичная скорость резания (токарная обработка) | 50 м/мин | 80 м/мин | Регулировать в зависимости от инструментов и условий |
Обрабатываемость хорошая, но необходимо уделять внимание выбору подходящих скоростей резания и инструментов, чтобы избежать чрезмерного износа.
Формуемость
Литая легированная сталь проявляет умеренную формуемость. Холодная формовка возможна, но горячая формовка предпочтительнее для сложных форм. Может происходить упрочнение, что требует тщательного контроля процесса формовки.
Термообработка
| Процесс обработки | Температурный диапазон (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 600 - 700 / 1112 - 1292 | 1 - 2 часа | Воздух или вода | Улучшение пластичности и снижение твердости |
| Закалка | 800 - 900 / 1472 - 1652 | 30 минут | Масло или вода | Увеличение твердости и прочности |
| Отпуск | 400 - 600 / 752 - 1112 | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости и улучшение жесткости |
Процессы термообработки, такие как закалка и отпуск, значительно изменяют микроструктуру литой легированной стали, улучшая ее механические свойства. Превращение из аустенита в мартенсит во время закалки увеличивает твердость, в то время как отпуск позволяет регулировать жесткость.
Типичные применения и конечные использования
| Отрасль/Сектор | Пример конкретного применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении | Причина выбора |
|---|---|---|---|
| Аэрокосмическая | Компоненты самолетов | Высокая прочность, жесткость | Критично для безопасности и производительности |
| Автомобильная | Детали шасси | Устойчивость к износу, ударная прочность | Долговечность при нагрузках |
| Нефть и газ | Сверла | Устойчивость к коррозии, твердость | Производительность в тяжелых условиях |
| Тяжелая техника | Коробки передач | Высокая предел прочности на растяжение, обработка | Надежность в работе |
Другие применения включают:
- Строительные компоненты в мостах и зданиях
- Высокопроизводительные инструменты и штампы
- Морские приложения, где критически важны прочность и устойчивость к коррозии
Выбор литой легированной стали для этих приложений обусловлен ее превосходными механическими свойствами, которые обеспечивают надежность и производительность в сложных условиях.
Важные аспекты, критерии выбора и дальнейшие сведения
| Характеристика/Свойство | Литая легированная сталь | AISI 4140 | Нержавеющая сталь | Краткая запись «за»/«против» или компромиссы |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Высокая прочность | Умеренная | Высокая коррозионная устойчивость | Литая легированная сталь предлагает лучшую прочность, но меньшую устойчивость к коррозии |
| Ключевой аспект коррозии | Средний | Средний | Отличный | Нержавеющая сталь предпочтительнее в коррозионных средах |
| Свариваемость | Хорошая | Умеренная | Отличная | Нержавеющая сталь легче в сварке |
| Обрабатываемость | Хорошая | Умеренная | Умеренная | Литая легированная сталь легче обрабатывается |
| Приблизительная относительная стоимость | Умеренная | Умеренная | Высокая | Экономически выгодно для приложений с высокой прочностью |
| Типичная доступность | Обычная | Обычная | Обычная | Все классы широко доступны |
При выборе литой легированной стали необходимо учитывать рентабельность, доступность и специфические требования приложения. Ее баланс прочности, жесткости и обрабатываемости делает ее универсальным выбором для различных инженерных приложений. Однако для условий с высоким потенциалом коррозии такие альтернативы, как нержавеющая сталь, могут быть более подходящими.
В заключение, литая легированная сталь является ценным материалом в инженерии, предлагая уникальное сочетание свойств, которые соответствуют широкому спектру приложений. Понимание ее характеристик, преимуществ и ограничений имеет важное значение для принятия обоснованных решений по выбору материалов.