Легированные стали

 

Для придания необходимых свойств сталям в них вводятся легирующие элементы, среди которых основными являются Cr, Ni , Мп, Si, к дополни­тельным относятся Ti, V, Mo, W, Со, В и другие.

Ф а з о в о е с о с т о я н и е легированных сталей обусловлива­ется взаимодействием железа и углерода с легирующими элементами и включает новые фазы: твердые растворы легирующих элементов, легированный цементит, собственные карбиды, а также интерметаллиды – проме­жуточные фазы.

Твердые растворы в железе создают все легирующие элементы, замещая в кристаллической решетке атомы железа. При этом с увеличением концен­трации элементов изме­няют свое положение точки А₃ и А₄ полиморфных превращений железа так, что на диаграмме состояния "железо - легиру­ющий элемент" линии точек А₃ и А₄ образуют определенные области ус­тойчивого существования твердых растворов на основе Fe_α и Fe_γ (рис.28). В зависимости от преобладания образующейся той или другой фазовой области легиру­ющие элементы разделяют на две основных группы.

Первая группа включает Ni и Мn , которые понижают температуру точ­ки A₃ и повышают температуру точки А₄, расширяя область устойчивого существования твердых растворов на основе Fe_γ– аустенита (рис.28, а). В случае, если концентрация легирующего элемента превышает величину х, то возникает его неограниченная растворимость в Fe_γ, и затвердевший сплав при любой температуре является аустенитным.

Вторая группа элементов содержит Сr, Mo,W, V, Si, Ti, которые способ­ны понизить температуру точки А₄ и повысить температуру точки А₃, чем обусловливается устойчивое существование твердых растворов на основе Fе_α – феррита (рис. 28, б). При увеличении концентрации элемента сверх значения у его растворимость в Fe_α может стать неограниченной, и спла­вы приобретают ферритное фазовое состояние.

Карбидные фазы создаются в легированных сталях карбидообразующими элементами в отличие от графитизирующих элементов, способствующих об­разованию свободного графита за счет его выделения из твердого раст­вора либо при распаде карбида. К графитизирующим элементам относятся Si, Ni, Al , которые содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в железе. Карбидообразующие элементы можно расположить в ряд по возрастающей степени их химического сродства с углеродом и устой­чивости карбидных фаз: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Та, Zr, Ti.

 

Рис. 28. Влияние легирующих элементов на температуры полиморфных превращений железа: а – расширение области устойчивого существова­ния фазы на основе Fe_γ;
б – расширение области устойчивого существо­вания фазы на основе Fe_α

 

В зависимости от вида элемента и его количества в структуре сталей могут возникать два основных вида карбидов: сложные карбиды более сла­бых карбидообразующих элементов и простые карбиды сильных карбидообразующих элементов.

Сложные карбиды образуются на основе цементита и создают легиро­ванный цементит со сложной кристаллической решеткой типа Fe₃Cr₃C, Fe₃Mn₃C, Fe₃Mo₃C, Fe₃W₃C, если количество легирующих элементов не­велико. При повышенном содержании элементов возникают их собственные карбиды Mn₃C, Cr₇C₃, хорошо раст­воримые в аустените при нагреве так же, как легированный цементит.

Простые карбиды создаются при наличии сильных карбидообразующих элементов, приобретают решетку типа ГЦК и не растворяются в аустените при нагреве, являясь фазами внедрения: Мо₂С, W₂C, NbС, VC, ZrC, TiC.

Интерметаллиды представляют промежуточные фазы – соединения леги­рующих элементов с железом либо друг с другом. Они возникают при высо­кой концентрации элементов в стали, превышающей предел их растворимо­сти в Fe_α либо в Fe_γ, при этом образуются соединения типа Fe₇W₆, Fe₃Ti, FeCr, FeV.

С т р у к т у р н ы й с о с т а в легированных сталей в равновес­ном состоянии позволяет разделить их на несколько основных классов: доэвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, аустенитные, ферритные. При этом наличие легирующих элементов уменьшает эвтектоидную концен­трацию углерода по сравнению с величиной 0,8 %, которая в углеродис­тых сталях служила границей между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями. Предельная растворимость углерода в аустените также снижает­ся от значения 2,14 %, отделяющего в углеродистых сталях область об­разования ледебуритной эвтектики.

Доэвтектоидные стали состоят из эвтектоида (перлита) и избыточного легированного феррита. В структуре заэвтектоидных сталей присутствуют эвтектоид и вторичные карбиды, выделившиеся из легированного аустенита при охлаждении.

Ледебуритные стали содержат больше углерода, чем заэвтектоидные, и поэтому вместе с эвтектоидом и вторичными карбидами в их структуре при кристаллизации возникают первичные карбиды и ледебуритная эвтектика. Из-за этого ледебуритные стали называют также карбидными, по структуре они соответствуют белым чугунам, но вследствие более низкого содержания углерода и карбидов в таких сталях отсутствует хрупкость, и они обла­дают ковкостью.

Аустенитные стали отличаются высоким содержанием Ni и Мn, – леги­рующих элементов, расширяющих область устойчивости твердых растворов на основе Fе_γ. Указанные фазы, включающие растворы легирующих элемен­тов, сохраняются при изменении температуры сталей.

Ферритные стали имеют низкую концентрацию углерода и большое коли­чество элементов, создающих стабильные твердые растворы на основе Fe_α – Cr, Mo, W и др. Вместе с некоторым количеством карбидов такой фазовый состав сталей при всех температурах остается устойчивым.

М а р к и р о в к а легированных сталей включает цифры и буквы, при этом двузначная цифра, стоящая в начале марки, указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Последующей буквой харак­теризуется определенный легирующий элемент: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий. Цифра, нахо­дящаяся после буквы, обозначает среднее содержание данного элемента в целых процентах, если цифра отсутствует, то количество элемента сос­тавляет 1,0...1,5 %. Например, сталь 30ХГС имеет 0,30 % С, около 1% Cr, Mn, Si.

Такие элементы, как Ti, V, Nb, B, Zr, N могут вводится в сталь в количе­стве сотых и тысячных долей процента, существенно изменяя свойства стали, что представляет микролегирование.

Качественные легированные стали составляют основную массу выпуска­емых марок, содержание в них вредных примесей S и Р не превышает 0,035 % .

Высококачественные легированные стали содержат примеси в количестве до 0,025 %, в конце их марок предусматривается буква "А". Если буква "А" находится в середине марки, то это говорит о легировании стали азотом в количестве 0,015...0,025 %.

Особовысококачественные легированные стали имеют еще меньше приме­сей, выпускаются в ограниченных объемах методом электрошлакового пе­реплава и отличаются простановкой буквы "Ш" в конце марки.

Согласно назначению выпускаемые легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

К о н с т р у к ц и о н н ы е стали можно классифицировать по функциональным особенностям на несколько основных видов: приборостро­ительные (машиностроительные) общего назначения, высокопрочные мартенситно-стареющие, пружинно-рессорные, подшипниковые.

Приборостроительные (машиностроительные) стали общего назначения делятся по применяемой к ним термической обработке на цементуемые и улучшаемые.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали содержат 0,15...0,25 % С, а также легирующие элементы Cr, V, Mn, Тi, Мо и применяются для изготовления деталей, более нагруженных, чем изготовляемые из углеродистых сталей 10, 15, 20. Такие детали подвергают поверхностному упрочнению путем их цементации – насыщению углеродом с поверхности и последующей закал­ке с низким отпуском, чем обеспечивается высокая твердость поверхностных слоев деталей, достигающая 58...62 HRC, а также прочность и вязкость сердцевины при значениях σ_в до1500 МПа, KCU до 0,7 МДж/м², Эти стали применяются для изготовления небольших и слож­ных по форме, умереннонагруженных деталей типа пальцев, валиков, кулач­ков, эксцентриков, шестерен, испытывающих действие сил трения, цикли­ческих изгибающих, а также ударных нагрузок.

Хромистые стали I5X, 20Х используют для получения изделий при их науглероживании на глубину до 1,5 мм и закалке с охлаждением в масле. Получающиеся показатели твердости поверхности и вязкости сердцевины соответствуют среднему уровню, глубина закалки (прокаливаемость) при этом невелика. Хромованадиевые стали 15ХФ, 20ХФ приобретают более мелкозернистую структуру и улучшенную прочность, хромобористые стали I5XP, 20ХР отличаются увеличенной прокаливаемостью.

Хромомарганцевые стали 18ХГТ, 25ХГМ характеризуются повышенной твердостью и прочностью. Микродобавки Ti (до 0,1 %) и Мо (до 0,3 %) при этом увеличивают мелкозернистость и вязкость сердцевины, поэто­му их применяют для более нагруженных, ответственных деталей.

Хромоникелевые стали I2XH3A, 20Х2Н4А имеют увеличенную стоимость из-за введения Ni и отличаются высокими значениями прочности, вязко­сти и прокаливаемости. Это позволяет применять их для изготовления де­талей среднего и крупного размера, сложной формы, ответственного назна­чения, испытывающих значительные циклические и ударные нагрузки.

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали имеют 0,3...0,5 % С, их ис­пользуют при изготовлении разнообразных деталей, предназначенных для работы в условиях статических, циклических и ударных нагрузок, а так­же при пониженных температурах. Для этого изделия из таких сталей про­ходят закалку с высоким отпуском, что называется «улучшением» и создает структуру, обладающую высокой прочностью, упругостью, ударной вязкос­тью, низким порогом хладноломкости при значениях σ_в до 1200 МПа, KCU до 0,9 МДж/м², t_н до – 140°С.

Хромистые стали З0Х, 40Х, 50Х являются недорогими и служат для из­готовления средненагруженных деталей небольших размеров. Хромованадиевая сталь 40ХФА имеет повышенную ударную вязкость, хромобористая сталь 40ХР обладает увеличенной прокаливаемостью, она применяется для изде­лий среднего размера.

Хромомарганцевые, хромомарганцевотитановые, хромомарганцевобористые стали 40ХГ, 30ХГТ, 40ХГР характеризуются повышенной прокаливаемостью, прочностью, вязкостью, что позволяет применять их для изделий увеличенного размера.

Хромокремнемарганцевые стали (хромансилы) 30ХГС, 35ХГСА имеют не­большую стоимость, высокую прочность, вязкость и свариваемость. Их широко применяют для ответственных деталей, при изготовлении сварных конструкций.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН с повышенной стоимостью из-за присутствия никеля, благодаря ему обладают высокой прокаливаемо­стью, прочностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости. Они слу­жат для изготовления деталей сложной формы, испытывающих действие ви­брационных и динамических нагрузок, в устройствах криогенной техники.

Высокопрочные мартенситно-стареющие стали отличаются от других клас­сов сталей сочетанием наибольшего значения прочности, высокой пластич­ности, вязкости, упругости, выносливости, хладноломкости, коррозион­ной стойкости. Это обеспечивает такую надежность работы деталей, кото­рая не достигается при использовании сталей других классов. Кроме того, мартенситно-стареющие стали обладают комплексом высоких технологичес­ких свойств: хорошо штампуются, свариваются, обрабатываются резанием.

Эти стали представляют безуглеродистые сплавы железа с никелем, некоторые и с кобальтом, легированные Мо, Тi Al, Сr и другими элементами. При нагреве до температур 800...860°С в таких сплавах образуется твер­дый раствор Ni в Fe_γ с повышением его устойчивости и растворимости в нем легирующих элементов. После охлаждения (закалки) на воздухе про­исходит полиморфное превращение Fe_γ в Fe_α с образованием пересыщенного твердого раствора из-за уменьшения растворимости никеля и легирующих элементов (железо-никелевый мартенсит). Затем производится старение при температурах 480...520°С в течение нескольких часов, что вызывает выделение из мартенсита упрочняющих интерметаллидных фаз типа Ni₃Ti, NiAl, Fe₂Mo, Ni₃Мо.

Наибольшее применение получила сталь H18K9M5T, имеющая после закал­ки и старения показатели прочности σ_в = 2100 МПа, упругости σ_0,002 =1370 МПа, пластичности δ = 12 %, ударной вязкости KCU = 0,6 МДж/м². Сталь сохраняет работоспособность в широком интервале температур от –196°С до
+ 400°С. Высокой коррозионной и коррозионномеханической стойкостью в агрессивных средах обладает сталь 03Х12Н10Д2ТБ, сохраняя при этом свои упругие свойства.

Эффективное использование дорогие мартенситно-стареющие стали полу­чили при изготовлении ответственных пружин и других упругих элементов, нагруженных деталей криогенной техники, ракетно-космического, атомного, медицинского приборостроения и машиностроения.

Пружинно-рессорные стали общего назначения применяются для изготов­ления силовых, жестких упругих элементов, которые должны иметь мини­мальную упругую деформацию . Это обеспечивается высоким модулем упругости сталей, которые должны также обладать высокими зна­чениями предела упругости и предела выносливости, пластичностью, ре­лаксационной стойкостью. Релаксация напряжений представляет самопро­извольное снижение их значений при постоянной степени деформации вслед­ствие дислокационного перехода части упругой деформации в пластическую. Из-за этого упругий элемент после снятия нагрузки получает изменение размеров и формы с потерей своих упругих и других служебных свойств.

Указанные свойства сталей могут сформироваться при содержании в них углерода более 0,5 %, в результате применения к изделиям закалки и среднего отпуска для получения троостита – измельченной ферритно-цементитной структуры. Троостит характеризуется высокими упругими свойствами, достаточной прочностью и пластичностью, стабильностью дис­локационного состояния. В качестве основных легирующих элементов эти стали имеют Si и Мn , дополнительно могут вводится Сr, V, Ni , чем до­стигается повышение прокаливаемости, предела выносливости, релаксаци­онной стойкости.

Кремнистые стали 55С2, 60C2, 70С3А имеют средний уровень предела выносливости, их используют наиболее часто для изготовления пружин и рессор c толщиной металла до 18 мм, испытывающих умеренные циклические нагрузки. При введении марганца выносливость возрастает, но снижает­ся вязкость, поэтому кремнемарганцевая сталь 60СГА применяется для упругих элементов толщиной до 14 мм.

Стали 50ХФА, 50ХГА, 50ХГФА отличаются увеличенной прочностью и вязкостью, наличием теплостойкости, что позволяет использовать их для пружинных элементов среднего размера, ответственного назначения.

Крупные высоконагруженные пружины и рессоры изготовляются из кремненикелевой стали 60С2Н3А с повышенной прокаливаемостью за счет добавки никеля.

Предел выносливости пружинно-рессорных сталей снижается при нали­чии поверхностных дефектов – концентраторов напряжений: царапин, вмя­тин, забоин. Поэтому для снижения чувствительности готовых изделий к концентраторам напряжений их подвергают поверхностному упрочнению гидроабразивной или дробеструйной обработкой.

Несиловые упругие элементы приборов должны иметь высокую чувстви­тельность – допускать значительные упругие деформации при малых уси­лиях, что является возможным при небольших значениях модуля упругости материала. Пружинно-рессорные стали общего назначения не соответствуют указанному требованию, поэтому для чувствительных упругих элементов приборов применяются специальные стали и сплавы цветных металлов.

Подшипниковые стали предназначены для изготовления шариков, роли­ков, колец подшипников качения, которые в работе при небольших динамичес­ких нагрузках испытывают значительные циклические контактные напряже­ния сжатия так, что в поверхностных слоях деталей подшипников возни­кают усталостные трещины и последующее выкрашивание частиц металла (питтинг). В этих условиях необходимая контактная выносливость может быть обеспечена за счет высокой твердости поверхности и прочности сердцевины деталей. Это достигается применением высокоуглеродистых сталей, их закалкой и низким отпуском. Для увеличения прокаливаемости и преде­ла выносливости стали легируются хромом, кремнием, марганцем. Стали содержат около 1% С, их марки имеют на первом месте букву "Ш", что означает шарикоподшипниковую сталь, следующая цифра указывает содер­жание Сr в десятых долях процента.

В подшипниковых сталях допускается минимальная доля неметаллических примесей и степень карбидной неоднородности, которые могут играть роль поверхностных концентраторов напряжений, снижать предел выносливости и ускорять питтинг.

Сталь ШХ15 служит для изготовления небольших деталей подшипников с размером поперечного сечения до 20 мм, стали ШХ15СГ и ШХ20СГ с по­вышенной прокаливаемостью позволяют изготовлять более крупные детали. После термической обработки поверхностная твердость деталей подшипни­ков достигает 66 НRС.

Высокоточные подшипники требуют полирования деталей и изготовляют­ся из особовысококачественной стали ШХ15-Ш, обладающей наименьшим со­держанием примесей и высокой однородностью структуры.

И н с т р у м е н т а л ь н ы е легированные стали предназначены для изготовления режущего инструмента, мерительного инструмента и штампового инструмента. Данные изделия при работе испытывают действие сил трения, высоких температур, контактных давлений, сжимающих, изгибающих и ударных нагрузок. Поэтому такие стали и сплавы должны обладать высо­кими показателями твердости, теплостойкости, износостойкости и прочно­сти, для чего в сталях обычно предусматривается высокое содержание углерода и наличие Cr, W, Si, Mn, Mo, V, Co, что позволяет за счет закал­ки и отпуска придать инструменту указанные свойства.

Твердость сталей при этом может достигать величины 69 НRС, тепло­стойкость определяется содержанием легирующих элементов в стали и карбидов в ее структуре. В зависимости от химического состава и структуры стали могут иметь малую теплостойкость величиной до 260°С, быть полутеплостойки­ми, выдерживая нагрев до 500°С, а также иметь высокую теплостойкость, достигающую 650°C.

Стали и сплавы для режущего инструмента должны отличаться высокой режущей способностью, которая обусловливается твердостью и теплостой­костью. Это связано с тем, что контактные напряжения в объеме режущей кромки могут достигать 5000 МПа, температура – 1200°C.

Малотеплостойкие легированные стали содержат около 1 % углерода, обозначаемого первой цифрой марки в десятых долях процента, а также до 1 % каждого из легирующих элементов Сr, V, Si,W, Mn либо количество элемента может соответствовать цифре в целых процентах, расположенной после обозначающей данный элемент буквы. Стали ХВ4, 11ХФ, 13X имеют небольшую прокаливаемость и применяются для изготовления небольших инструментов, используемых при малых скоростях резания до 8 м/мин. Стали 9ХС, ХВГ обладают повышенной прокаливаемостью, из них получают более крупный инструмент, позволяющий применять скорости резания до 12 м/мин.

Высокотеплостойкие стали называют быстрорежущими, так как изготов­ленный из них инструмент обеспечивает возможность применения высокой скорости обработки резанием и большую производительность. Содержание углерода в них составляет около 1 %, первая буква "Р" в марке обозначает, что сталь быстрорежущая, следующая цифра указывает содержание вольфрама, остальные буквы и цифры – наличие других легирующих элементов в целых процентах. Высокие режущие свойства сталей достигаются за счет повышенного количества сильных карбидообразующих элементов. При высоко­температурном нагреве под закалку они создают легированный аустенит, который после охлаждения в масле превращается в легированный мартенсит. Выполняемый затем двух-, трехкратный высокий отпуск обусловливает вы­деление из мартенсита дисперсных упрочняющих карбидов, чем обеспечи­ваются высокие значения твердости и теплостойкости.

Стали P18, Р9, Р6М5, содержащие не более 2 % V, обладают нормальной теплостойкостью и применяются для всех видов инструмента при обработ­ке углеродистых и легированных сталей со скоростью резания до 25 м/мин. Стали Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р9К5, Р6М5К5 с увеличенным количеством V и добав­ками Со отличаются повышенной теплостойкостью и обеспечивают высокую производительность. Они используются для изготовления инструмента при обработке высокопрочных сталей и труднообрабатываемых сплавов со скоростями резания до 50 м/мин.

Низколегированные и безвольфрамовые стали Р2М5, 11М5Ф имеют меньшую стоимость и применяются для высокопроизводительной обработки неупроч­ненных сталей, чугунов, цветных сплавов.

Быстрорежущие порошковые стали получают методом порошковой металлур­гии с применением металлических порошков, изготовленных распылением. Это придает карбидной фазе повышенную дисперсность, увеличивает износостойкость инструмента и стабилизирует его прочностные характеристи­ки.

Твердые инструментальные сплавы состоят из порошковой смеси твердых частиц карбидов, иногда нитридов тугоплавких металлов W, Ti, Та, связан­ных металлическим кобальтом, иногда никелем и молибденом. Из таких сплавов изготовляют многогранные режущие пластинки с последующим осна­щением ими различного режущего инструмента. Пластинки получают методом порошковой металлургии путем смешивания указанных порошковых материа­лов, засыпки смеси в пресс-форму соответствующей конфигурации, прессо­вания и спекания прессовки. Из-за такой технологии получаемые матери­алы называют металлокерамикой.

Изготовленные пластинки обладают очень высокой твердостью до значе­ния HRA 90 и теплостойкостью до 1000°С, что позволяет применять их для высокоскоростной обработки со скоростью резания до 200 м/мин либо для силового резания. С повышением доли карбидов в твердых сплавах воз­растает их износостойкость, при увеличении доли кобальта улучшается их эксплуатационная прочность.

Вольфрамовые (однокарбидные) твердые сплавы содержат карбиды воль­фрама WC и кобальт, маркируемые буквами "ВК", с последующей цифрой, указывающей количество кобальта в целых процентах, оставшаяся доля соответствует содержанию карбида WC. Буква "М" в конце марки означа­ет использование мелких порошков, буквы "ОМ" - особо мелких порошков, буква "В" - крупнозернистого порошка WC, буквы "ВК" - весьма крупно­зернистого порошка WC. Сплавы предназначены для обработки хрупких материалов типа чугунов, цветных сплавов, керамики, полимеров. При этом сплавы ВКЗ, ВКЗ-М используются для чистовой обработки, сплавы ВК4, ВК6, ВК8 – для черновой обработки, BK10, BK15 – для волочильного инструмента, ВК20, ВК25 – для ответственных деталей, работающих в условия действия больших сил трения и динамических нагрузок.

Титановольфрамокобальтовые (двухкарбидные) сплавы имеют карбиды титана TiC, вольфрама WC и кобальт. Первая буква "Т" и цифра в марке сплава указывают содержание карбида титана TiC, буква "К" с цифрой – содержание кобальта, остальное – карбид WC. Сплавы обладают повышен­ной режущей стойкостью и меньшей прочностью, они служат для обработки углеродистых и легированных сталей. Сплавы T5K10 применяются для чер­новой обработки, T14K8 – для черновой и чистовой обработки, ТЗ0К4 – для чистовой обработки.

Титанотанталовольфрамокобальтовые (трехкарбидные) сплавы содержат карбиды титана TiC и тантала ТаС, обозначаемые буквами"ТТ" и цифрой их общего количества в процентах, наличие кобальта указывается буквой "К" и цифрой, оставшаяся доля соответствует количеству карбида воль­фрама WC . Этот состав обеспечивает повышенную прочность при достаточ­ной износостойкости так, что сплав TT7K12 применяется для черновой об­работки крупных заготовок, сплавы ТТ10К8-Б и ТТ20К9 – для черновой и получистовой обработки с повышенными тепловыми и механическими нагруз­ками.

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются меньшей стоимостью, в качестве структурной основы они содержат карбиды титана TiC либо карбонитриды титана Ti(NC), связующими металлами служат Ni и Мo. Карбид­ные сплавы ТН-20, ТН-30, ТН-50 и карбонитридный сплав KHT-16 имеют об­щее процентное количество Ni и Мо, соответствующее цифрам в приведен­ных марках. При получистовой и чистовой обработке резанием они обеспе­чивают производительность, соответствующую применению инструмента из вольфрамосодержащих твердых сплавов.

Минералокерамические материалы состоят из оксидов алюминия, окси­дов, карбидов, нитридов тугоплавких металлов и содержат также некото­рые добавки. Это придает им высокую теплостойкость, достигающую 1200^оС, и твердость до 30000 НV, но создает малую прочность и ударную вязкость. Такие свойства обусловили использование инструмента с пластинками из минералокерамики для чистовой и получистовой обработки сталей, чугунов без вибрационных и ударных нагрузок со скоростью резания до 600 м/мин.

Оксидная керамика BO-I3, ЦМ-332, ВШ-75 содержит в качестве основы оксид алюминия; оксидно-карбидная керамика включает марки ВОК-60, В-3; к оксидно-нитридной керамике относятся марки кортинит ОНТ-20 и силинит-Р.

Сверхтвердые материалы по своей твердости и износостойкости превос­ходят твердые сплавы так, что их твердость достигает 120000 НV. Это создает возможность высокоскоростной обработки различных вязких, а также твердых материалов со скоростями резания до 900 м/мин. По вели­чине твердости и своей природе сверхтвердые материалы разделяются на алмазы, нитрид бора, композиционные материалы.

Алмазы обладают наибольшей твердостью из всех известных природных материалов, и для лезвийного инструмента используются природные и искусственные алмазы. Природные алмазы марки А в виде монокристалла и синтетические алмазы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) в поликристаллической фор­ме закрепляются на рабочей части инструмента и служат для сверхтонкого точения цветных металлов, сплавов и неметаллов. Для обработки сталей и чугунов применение алмазов ограничено большим химическим сродством алмаза и железа, что вызывает адгезионное схватывание между ними и за­трудняет нормальный процесс резания.

Нитрид бора в виде режущих пластинок из смеси его кубической (КНБ) и вюрцитной (ВНБ) модификаций с поликристаллической структурой (ПТНБ) по твердости приближается к алмазу и является основой режущих матери­алов марок Р20/25Д, 11-5МК, 11-ЗМКТ. Они могут применяться для высоко­производительной обработки сталей, чугунов, цветных сплавов, неметал­лических материалов как при непрерывном, так и при прерывистом резании.

Композиционные материалы создаются на основе модификаций нитрида бора с высокими показателями структурной дисперсности, твердости и износостойкости. Они используются для высокоскоростной, сверхтонкой обработки резанием закаленных сталей и чугунов, цветных металлов, твер­дых сплавов, неметаллических материалов. При этом композиты на основе КНБ, включающие марки эльбор-Р, 01, 05, наиболее эффективны при обра­ботке непрерывным резанием, а композиты на основе ВНБ, представляющие марки гексанит-Р, 10, 10Д, обладают большей износостойкостью в условиях прерывистого резания.

Стали для мерительного инструмента должны иметь высокую твердость, прочность и износостойкость, обеспечивать постоянство размеров и формы инструмента, обладать хорошей шлифуемостью. Указанные качества создаются за счет введения в сталь повышенного количества углерода, нали­чия хрома и добавок Mn,W,Si . Изготовленный инструмент подвергается закалке с нагревом до наименьших возможных температур и охлаждением в масле, чтобы сократить долю остаточного аустенита в структуре и исключить термические, а также структурные деформации. С течением времени в закаленных сталях самопроизвольно происходят частичный распад мар­тенсита и превращение остаточного аустенита, что вызывает изменение объема и линейных размеров изделий, недопустимое для измерительных инструментов. Поэтому сразу после закалки инструмент подвергают об­работке холодом и длительному низкому отпуску, что обеспечивает завер­шение указанных фазовых превращений.

Высокоточный мерительный инструмент типа гладких калибров и калиберных колец изготовляется из заэвтектоидных низколегированных сталей X, ХГ, ХВГ, 9ХС, 12Х1. Плоские инструменты такие, как линейки, скобы, шаблоны изготовляются из конструкционных листовых доэвтектоидных ста­лей – углеродистых 15, 20 либо легированных 15X, 20Х, 12XH3A с после­дующей цементацией или из заэвтектоидных углеродистых сталей 50, 55 с применением индукционной закалки. Это создает закалочные структуры и возможность объемных изменений только в поверхностном слое инструмен­тов, что слабо отражается на их размерах.

Инструмент крупного размера, сложной формы для уменьшения опасно­сти его деформации со снижением точности изготовляется из азотируемой стали 38XMЮA с последующим термическим улучшением и азотированием.

Стали для штампового инструмента разделяются, в основном, по терми­ческим условиям обработки давлением на стали для инструмента холодно­го деформирования и стали для инструмента горячего деформирования.

Штамповый инструмент холодного деформирования испытывает большие нагрузки трения, контактного давления знакопеременного и ударного ха­рактера, а также воздействие значительных температур на его рабочие поверх­ности при высоких скоростях деформирования. Поэтому стали для такого инструмента должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, проч­ностью, выносливостью, ударной вязкостью, теплостойкостью.

Умереннонагруженные матрицы, пуансоны, ножи, прессовый и волочиль­ный инструмент изготовляют из инструментальных углеродистых сталей У10, У11, У12, а также низколегированных сталей X, ХВСГ и быстрорежу­щих сталей. Небольшой инструмент с повышенной прочностью и износостой­костью изготовляется из стали Х6ВФ, обладающей однородностью карбидных включений. Более крупный инструмент для накатки и штамповки дела­ется из высокохромистых сталей Х12Ф1 и X12M, имеющих большую твердость и прокаливаемость. Для ударного инструмента применяет стали 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 7ХГ2ВМ с пониженным содержанием углерода, уменьшением твердо­сти и увеличением вязкости.

Штамповый инструмент горячего деформирования подвергается периоди­ческому совместному воздействию высоких температур, ударных нагрузок, сил трения, контактного давления. Это требует от сталей высокой жаро­прочности, жаростойкости, а также разгаростойкости, т.е. сохранения высоких механических свойств и химической стойкости при резкой смене темпера­тур. Такие качества формируются в сталях за счет среднего уровня про­центного содержания углерода, введения добавок Cr,Ni, Mn, Мо, а также сильных карбидообразующих W и V .

Для умереннонагруженных крупных штампов, работающих при температу­рах до 550°С, применяют полутеплостойкие стали 5ХНМ, 5X1НBC, для сред­них штампов – 5ХГМ, для мелких – 4Х3ВМФ. При более высоких рабочих температурах 600°С и 700°С в штамповой стали необходимо повысить ко­личество W для увеличения доли образующихся теплостойких карбидов WС. Эти требования обеспечиваются высокотеплостойкими сталями 4Х2В5МФ и 3Х2В8Ф, из которых изготовляют тяжелонагруженные штампы и прессформы.

С п е ц и а л ь н ы е легированные стали отличаются от конструк­ционных сталей общего назначения тем, что могут применяться для дета­лей, подверженных интенсивному воздействию факторов окружающей среды. По этому признаку специальные стали разделяются на коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, износостойкие, стали и сплавы с особыми фи­зико-механическими свойствами.

Коррозионностойкие стали обладают высокой устойчивостью к действию электрохимической коррозии, которая протекает во влажной атмосфере, в растворах солей, кислот, щелочей и сопровождается появлением коррози­онного электрического тока между неоднородными микроучастками поверх­ности. По химическому составу, структуре и свойствам эти стали делятся на хромистые, имеющие ферритную основу структуры, и хромоникелевые, структурной основой которых является аустенит. Высокая коррозионная сталей обусловлена наличием в них не менее 12 % Сr, создающего леги­рованный твердый раствор углерода в железе и плотную защитную поверх­ностную пленку на основе оксидов Сr. Легирование твердого раствора хро­мом сдвигает электродный потенциал раствора в положительную сторону, повышая его термодинамическую устойчивость, а поверхностная пленка препятствует проникновению к металлу деполяризующих молекул О₂ и ио­нов Н^•, придавая ему пассивность.

Хромистая сталь 12Х13 после закалки и высокого отпуска приобретает ферритно-мартенситную магнитную структуру, сталь 20Х13 – мартенситную структуру с повышенными показателями механических свойств и коррозионной стойкости во влажной атмосфере, слабых растворах солей и кислот. Их применя­ют для изготовления методами штамповки и сварки деталей типа клапанов, пружин, шестерен, трубопроводов, емкостей. Стали 30Х13, 40Х13 после закалки и низкого отпуска обладают мартенситной структурой с высокой твердостью. Они применяются для изготовления режущего, мерительного, хирургического инструмента, подшипников, испытывающих коррозионное воздействие. Ферритные стали с увеличенным содержанием хрома 12Х17, I5X25T, 15Х28 не упрочняются термообработкой, но имеют повышенную кор­розионную стойкость. Из них изготовляют детали аппаратуры, работающие в среднеагрессивных средах при безударных нагрузках.

Для сварных изделий, подверженных действию механических напряжений и коррозии, применяется сталь с очень низкой концентрацией углерода и высокой коррозионной стойкостью – суперферрит 015Х10М2Б.

Хромоникелевые стали 04X18H10, 12X18H9 после закалки имеют однород­ную аустенитную немагнитную структуру с высокой пластичностью, хоро­шей прочностью, коррозионной стойкостью в азотной кислоте и растворах солей. Для снижения склонности к межкристаллитной коррозии выпускаются стали с добавкой Ti, например, 12X18H10T, уменьшенной стоимостью обла­дают экономнолегированные никелем марганцевая сталь 10Х14Г14Н4Т, а также содержащая азот сталь 10X14AT15. Применяются такие аустенитные стали для изготовления вакуумных камер, оболочек, трубопроводов, ем­костей, медицинских имплантатов и других деталей аппаратуры и приборов, испытывающих более сильное агрессивное воздействие окружающей среды.

Сталь с повышенным содержанием хрома 08Х22Н6Т обладает аустенитно-ферритной структурой, отличается повышенной прочностью и коррозионной стойкостью в различных кислотах. В стали 09Х15Н9Ю за счет закалки, обра­ботки холодом и старения образуется аустенитно-мартенситная структура с включениями интерметаллида Ni₃Al, что придает стали высокую прочность и уменьшенную пластичность.

Жаростойкие стали характеризуются высоким сопротивлением действию химической коррозии, развивающейся в сухих газах и жидких неэлектролитах с образованием на поверхности растущего слоя оксидов либо других соединений. Скорость таких химических реакций усиливается с повышением температуры и интенсивности перемешивания газа, с ростом содержания в нем воды и серосодержащих газов. Для придания жаростойкости в стали вводятся Сr, а также Al и Si, что создает на поверхности плотные, прочные пленки сложных оксидов, защищающие сталь от дальнейшего окисления.

Стали 10Х13СЮ, 12Х17, 15X25T выдерживают температуру до 1000°С и имеют ферритную структуру, не позволяющую применять к ним термическое упрочнение. Поэтому из них изготовляют малонагруженные детали перегре­вателей, печей, турбин и других установок, использующих высокие температуры. Стали 20X23Н3, 36X18H25C2 со стабильной аустенитной структу­рой после закалки сохраняют стойкость до температуры 1200°С и выдержи­вают более высокие нагрузки.

Жаропрочные стали и сплавы обладают способностью в течение опреде­ленного длительного времени сопротивляться деформации и разрушению под действием механических сил при высоких температурах. Влияние этих факторов может вызвать медленную пластическую деформацию металла при напряжениях ниже предела текучести σ_0,2, что называется ползучестью. Напряжение, соответствующее разрушению в указанных условиях, характеризует длительную прочность. Для достижения жаропрочности сталей необхо­дима структура твердого раствора с равномерным распределением в нем карбидных и интерметаллидных включений. С этой целью сталь легируется хромом, никелем, карбидообразующими и другими элементами типа Mo, V, W, Nb, Si, B, Ti, Al, подвергается закалке и отпуску.

Стали 12Х1МФ, 12Х2МФСР характеризуются перлитной структурой и сох­раняют прочностные качества при температурах до 580°С. С увеличением содержания хрома сталь 15Х11МФ, сильхромы 40Х9С2, 40Х10С2М приобретают мартенситную структуру, их жаропрочность повышается до 600°С. При зна­чительном количестве Cr, Ni, Mn, других элементов структура становит­ся аустенитной, и сталь 10X18H12Т получает жаропрочность 650°С, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС с карбидным упрочнением – 700°С, сталь 10Х11Н23ТЗМР с интерметаллидным упрочнением – 750°С.

Сплавы ХН35ВТЮ, ХН38ВТ имеют железоникелевую основу с растворенны­ми в ней легирующими элементами, что придает им жаропрочность 750°С благодаря интерметаллидным и карбидным включениям после закалки и ста­рения.

Никелевые сплавы обладают жаропрочностью до 850°С за счет наличия Cr, Ti, Al, а также введения Мо, W, Со. После закалки и старения твердого раствора Cr, Мо, W в никеле происходит образование интерметаллидов Ni₃(Ti, Al), карбидов и нитридов Ti . Это создает высокую жаропрочность сплавов ХН77ТЮР, ХН65ВМТЮ, имеющих название "нимоник".

Данные виды сталей и сплавов широко используются для деталей элек­тронной техники, нагревательных устройств, двигателей внутреннего сго­рания, паровых и газовых турбин.

Сплавы ниобия с Mo, Zr, Ti марок ВН-2, ВН-3, ВН-4 обладают жаропрочностью до 1100°С, сплавы тантала – до 1200°С. Вольфрамовый сплав BB-1 с Мо имеет жаропрочность 1700°С, сплав ВВ-2 с Nb – 1800°С. Сплавы мо­либдена BM-1, ВМ-2, ВМ-3 с Ti, Zr, W могут работать при температурах до 2500°С. Названные виды высокожаропрочных сплавов применяются для изделий электроной, химической, атомной, ракетной техники.

Криогенные стали предназначены для изготовления деталей, работаю­щих при действии температур ниже – 183°С, представляющей точку кипе­ния кислорода. В этих условиях происходит возрастание прочности ста­лей и сплавов с заметным уменьшением их пластичности, переходом в хрупкое состояние и опасностью хрупкого разрушения при напряжениях значительно ниже предела текучести σ_0,2. Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается порогом хладноломкости – температурой t₅₀ , при которой ударное испытание образца создает его излом с площадью поверх­ности, на 50 % соответствующей хрупкому строению. Для увеличения по­рога хладноломкости сталей следует снижать концентрацию углерода, из­мельчать структуру модификацией или термическим улучшением, вводить элементы, обеспечивающие устойчивость аустенита: Ni, Mn, N.

По величине порога хладноломкости стали можно условно разделить на две группы: хладостойкие с величиной t₅₀ ≥ – 60°С для условий ес­тественного холода и криогенные, у которых величина t₅₀ < – 183°С в соответствии c действием искусственного холода.

Хладостойкие стали включают конструкционные малоуглеродистые стали обыкновенного качества и качественные, прошедшие модификацию и микро­легирование титаном, ванадием, ниобием. Это позволяет применять их для изготовления различных изделий, испытывающих действие температур до – 60°С, в том числе емкостей, работающих под давлением.

Криогенные никелевые низкоуглеродистые стали 0Н16A и 0Н9А, а также высокопрочные мартенситно-стареющие, например, 03X9K14H6M3T после термического улучшения приобретают мелкозернистую структуру на основе железо-никелевого мартенсита с высокой хладостойкостью. Из них полу­чают изделия, охлаждаемые до температуры – 196°С и относящиеся к ави­ационной, ракетной, космической технике. Аустенитные стали 12X18H10T и более прочные сложнолегированные стали 07Х21Г7АН5, 10Х14Г14Н4Т с порогом хладноломкости до – 253°С применяются при исследованиях в об­ласти физики низких температур, для деталей холодильной техники, ис­пользующей сжиженные газы.

Износостойкие стали обладают высоким сопротивлением силам трения в условиях действия больших контактных давлений и ударных нагрузок. Это достигается созданием аустенитной структуры, способной к упрочне­нию за счет деформационного наклепа в процессе эксплуатации деталей с ударными и кавитационными нагрузками типа рабочих элементов дроби­лок, мельниц, насосов, смесителей. Сталь 110Г13Л с плохой обрабатыва­емостью резанием предусматривает получение деталей литьем (буква Л), для тяжелых условий абразивно-ударного изнашивания. Стали 30Х10Г10 и 0Х14АГ12 при воздействии кавитационных микроударов упрочняются за счет деформационного частичного мартенситного превращения.

Стали и сплавы с особыми физико-механическими свойствами отлича­ются проявлением заданных качеств в специальных условиях и включают материалы с особыми магнитными, электрическими, тепловыми, упругими характеристиками.

Магнитные стали и сплавы создают определенное взаимодействие с внешними магнитными полями, их разделяют на магнитотвердые, магнитомягкие и парамагнитные.

Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магни­тов, применяемых в электрических машинах постоянного тока, шаговых электродвигателях, приборах автоматики, аппаратуре магнитной записи и воспроизведения импульсных, а также гармонических сигналов, для элементов с внешней и внутренней памятью. Рабочие функции таких маг­нитов требуют от их материалов максимальной удельной магнитной энергии W, обусловленной значениями остаточной магнитной индукции B_r и коэр­цитивной силы H_c: W=B_rH_c. Наибольшую роль при этом играет коэрци­тивная сила, т.к. величина индукции ограничена магнитным насыщением материала. Поэтому к магнитотвердым материалам относят ферромагнети­ки с величиной коэрцитивной силы не менее 4кА/м, основными из кото­рых являются Fe, Co, Ni.

Большая коэрцитивная сила обусловливается наличием в сплаве либо одной ферромагнитной фазы с однодоменной неравноосной формой кристал­лов, либо присутствием многофазной структуры с различной степенью магнитности основы и имеющихся включений. При этом ферромагнитная ос­нова должна быть в неравновесном состоянии, а включения – мелкодисперсными. Указанными фазовыми и структурными характеристиками обла­дают несколько основных видов магнитотвердых материалов: магнитотвердые легированные стали, литые магнитотвердые сплавы, деформируемые магнитотвердые сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, сплавы на основе благородных и редкоземельных металлов.

Магнитотвердые легированные стали маркируются буквой Е, имеют 1% С, а также содержат Сr, W, Со, Мо. Стали ЕХЗ, ЕВ6, ЕХ5К5, EX9K15M2, имеют невысокую стоимость, хорошо обрабатываются давлением и реза­нием. После нормализации и закалки с низким отпуском магниты из этих сталей приобретают структуру мартенсита с неферромагнитными включениями цементита, чем создаются магнитные свойства среднего уровня.

Литые магнитотвердые сплавы на основе Fе , содержащие Аl , Ni, Со ши­роко применяют для изготовления сильных магнитов различного назначе­ния. Сплавы ЮНД4, ЮНД8 (ални), а также ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК35Т5АА (алнико) подвергают закалке с высоким отпуском, чем создается струк­тура твердого раствора на основе Fе с включениями частиц на базе интерметаллидаNiAl. Для дополнительного увеличения магнитной энергии используется термомагнитная обработка, а также направленная кристаллизация расплава при застывании отливки, образующие магнитную текстуру.

Деформируемые магнитотвердые сплавы применяются для изготовления небольших магнитов различного назначения в виде прутков, лент, прово­локи методами обработки давлением. Состав этих сплавов представляет несколько основных систем элементов: Fe–Со–Мо (комоль), Fe–V–Co (вако), Fе–Сr–Со (хромко), Fe–Сr–W (хромво), ални, алнико, Сu–Ni–Со (кунико), Cu–Ni–Fe (кунифе), Fe–Ni–Сr (нихром). Необходимые магнитные свойства сплавов формируются за счет закалки, отпуска, старения, термомагнитной обработки.

Сплавы типа 12K12M, 12K16M обладают высокой термостабильностью магнитного потока, поэтому используются для эталонных магнитов. Из спла­вов 52К10Ф, 52К13Ф изготовляют миниатюрные магниты, из сплавов 28XK10, 30ХК25 – магниты крупного размера, для средних магнитов применяют сплавы 5Х10B, 5X16B. Сплавы типа 20НЮ, 25НЮ служат для массового из­готовления мелких магнитов, сплавы ЮНДК15, ЮНДК24 деформируются в го­рячем состоянии и используются для ответственных магнитов измеритель­ных приборов.

Сплавы на основе меди кунико-I, кунико-II, кунифе-I, кунифе-II хоро­шо деформируются в холодном состоянии и применяются для крупных магни­тов, но имеют пониженные магнитные свойства.

Сплав нихром ЭИ-708ВИ применяют в виде проволоки, используемой для магнитов в устройствах записи и воспроизведения гармонических сигна­лов.

Порошковые магнитотвердые материалы используются для изготовления магнитов методом порошковой металлургии: смешиванием порошков, их прессованием и спеканием. Это позволяет получать магниты сложной фор­мы и различных размеров, более прочные, чем литые, с высокими магнит­ными свойствами. Таким методом изготовляют магниты металлокерамические MMK-1, ММК-2 (ални), ММК-3, ММК-8 (алнико). Из порошковых материалов получают также магнитотвердые ферриты, относящиеся к ферримагнетикам с антипараллельными магнитными моментами атомов и нескомпенсиро­ванным результирующим магнитным моментом каждого из доменов. Ферриты отличаются малой плотностью, более высокой коэрцитивной силой, а так­же повышенной прочностью при действии вибрационных нагрузок. Они из­готовляются на основе оксидов бария, стронция, кобальта в виде гексаферритов ВаО·6Fe₂О₃, SrO·6Fе₂O₃, Со·6Fе₂О₃ и широко применяются в ра­диотехнических, электронных устройствах контроля, управления и регули­рования. Маркировка ферритов предусматривает первые цифры, указывающие максимальную магнитную энергию 2W_max, следующую букву в соответствии с наличием оксида бария, стронция, кобальта либо редкоземельной добав­ки, вторую букву со значениями А – анизотропный, И – изотропный, послед­нее число, обозначающее величину коэрцитивной силы по намагничиванию. К таким видам магнитотвердых ферритов относятся 4БИ145, 15БАЗ00, 21CA320, 11KA135, 28PA180.

Магнитные композиционные материалы изготовляются из смеси порошков ферро- или ферримагнетика со связующим. Магнитопластичные материалы (магнитопласты) характеризуются высокой прочностью и пластичностью. Они изготовляются из порошковых магнитотвердых сплавов и ферритов с добавлением феноло-формальдегидной или эпоксидной смолы, к ним отно­сятся марки Ални 15-24, Алнико 9-20-15. Магнитоэластичные материалы (магнитоэласты) получают смешиванием порошкового бариевого феррита с каучуком при последующем формовании и вулканизации полос, прутков, шнуров марок ИРП2242, ИРП2056, Пластиформ 1H, Пластиформ 1. Магнитные композиты применяются для изготовления деталей типа подвижных магни­тов, магнитных уплотнителей и герметизаторов, линз, фиксаторов, сепа­раторов.

Сплавы на основе благородных металлов отличаются повышенной коэр­цитивной силой и стабильностью магнитных свойств. Магниты из них из­готовляют литьем или из порошковой смеси компонентов системы Ag–Mn–Al (сильманаль), Pt–Co (платинакс ПлК78). Редкоземельные металлы (РЗМ) Sm, Pr в соединении с Со используют для получения материалов типа КС37, КСП37 с очень большой коэрцитивной силой. Это позволяет приме­нять их так же, как и сплавы благородных металлов для изготовления миниатюрных магнитов точных приборов,

Магнитомягкие материалы предназначены для магнитопроводов электри­ческих машин постоянного и переменного тока, трансформаторов и других устройств, использующих сильный ток, а также для слаботочных приборов автоматики, радиотехники, проводной связи, вычислительной техники. В таких изделиях магнитопроводы подвергаются перемагничиванию с различ­ной частотой действием внешнего магнитного поля и поэтому должны обла­дать малой коэрцитивной силой величиной менее 4 кА/м, высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией магнитного насыщения, повышенным удельным электросопротивлением. Наименьшую коэрцитивную силу и боль­шую магнитную проницаемость имеют материалы с однородной, крупнозернистой структурой чистого металла либо твердого раствора без примесей, включений и внутренних напряжений. В наилучшей степени таким требова­ниям удовлетворяют следующие виды магнитомягких материалов: техничес­ки чистое железо, листовая и сортовая электротехническая нелегированная сталь, электротехническая кремнистая сталь, прецизионные сплавы, магнитомягкие ферриты. В области сильного тока применяют техническое железо и электротехническую сталь, для слабых токов используют сплавы и ферриты.

Техническое железо содержит не более 0,05 % С и столько же других примесей. Оно имеет высокую индукцию насыщения, но малое удельное электросопротивление, из-за чего в нем могут возникать повышенные потери на вихревые токи. Поэтому техническое железо применяется для изготовления магнитопроводов постоян­ного магнитного потока – полюсных наконечников электромагнитов, магнитопроводов реле, сердечников измерительных приборов и устройств с по­следующим высокотемпературным отжигом этих магнитопроводов в водороде. Железо служит также основным компонентом при получении многих магнитных материалов и выпускается промышленостью под названием технически чистого железа Армко (кипящая низкоуглеродистая электротехническая сталь), электролитического железа, карбонильного железа.

Листовая и сортовая электротехническая нелегированая сталь по сво­им свойствам и области использования приближается к техническому же­лезу. Сталь изготовляется в виде горячекатаных листов и лент, поковок и прутков, для ее маркировки применяют 5 цифр: первая – класс по структурному состоянию (1 – горячекатаная изотропная или кованая, 2 – холод­нокатаная изотропная или калиброванная), вторая – тип по содержанию кремния (0 – нелегированная, без нормирования коэффициента старения, т.е. процента увеличения коэрцитивной силы, 1– с заданным коэффици­ентом старения до 10 %), третья – группа по основной нормируемой ха­рактеристике (8 – коэрцитивная сила), четвертая и пятая – количест­венное значение основной нормируемой величины (коэрцитивной силы в целых единицах кА/м). Листовыми сталями являются марки 10895, 20880, 11832, 21832, к сортовой стали относятся марки 10880, 2089, 11880, 21864, изготовленные магнитопроводы подвергаются отжигу для снятия вну­тренних напряжений.

Электротехническая кремнистая сталь содержит от 0,4 до 4,8 % Si, который образует твердый раствор в Fe_α, чем увеличивает удельное элек­тросопротивление и снижает потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость и уменьшает коэрцитивную силу. Сталь изготовляется в виде термообработанных листов и лент для магнитопроводов электричес­ких машин, трансформаторов, дросселей, счетчиков, реле и других ус­тройств. Маркировка сталей включает 4 цифры: первая – класс по струк­турному состоянию (1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная), вторая – содержаниеSi (0 – до 0,4 %, 1 – до 0,8 %, 2 – до 1,8 %, 3 – до 2,8 %, 4 – до 3,8 %, 5 – до 4,8 %), третья – гистерезисные и тепловые потери, четвертая – код числового значения нормируемого параметра (удельных потерь, Вт/кг).

Низкокремнистые стали типа 1213, 2011, 2112, 2312 с большими удель­ными потерями и малой магнитной проницаемостью используют для приборов постоянного или переменного тока низкой частоты. Высококремнистые ста­ли типа 1411, 1521 и особенно холоднокатаные 2412, 3415 целесообразно применять, когда необходимы малые удельные потери на гистерезис и вих­ревые токи или высокая магнитная проницаемость для работы в электро­магнитных полях малого и среднего уровня напряженности.

Прецизионные сплавы на основе Fе и Ni называются пермаллоями и мо­гут содержать до 83 % Ni. Это обусловливает их высокую магнитную про­ницаемость, придавая им способность сильно намагничиваться в слабых магнитных полях. Повышенное удельное электросопротивление пермаллоев позволяет использовать их в устройствах радио- и телефонной связи в условиях невысоких частот величиной до 25 кГц. При этом малая коэрцитивная сила уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. Пермаллои обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давле­нием при изготовлении листов, лент, прутков и проволоки для магнито­проводов. Улучшение их магнитных свойств может достигаться введением Мо, Сr, V. По содержанию Ni и уровню магнитной проницаемости пермаллои делятся на низконикелевые, содержащие до 50 % Ni, и высоконикелевые с концентрацией Ni от 50 до 83 %.

Низконикелевые сплавы 45Н, 50H обладают высокими значениями маг­нитной проницаемости и индукции насыщения, сплав 50НХС отличается повышенным удельным электросопротивлением. Высоконикелевые пермаллои 79НM, 83НФ характеризуются наивысшей магнитной проницаемостью в сла­бых магнитных полях.

Сплавы системы Fe–Al–Si с высокими показателями магнитной прони­цаемости и удельного электросопротивления называются альсиферами и являются более дешевыми. Большая твердость и хрупкость ограничивают их применение изготовлением литых магнитопроводов, а также использо­ванием в виде порошков как магнитной составляющей при получении магнитодиэлектриков.

Магнитомягкие ферриты состоят из порошковой смеси двойных оксидов Zn, Mn, Ni, a тaкжe Fe – (ZnO+MnO+NiО)·Fe₂O₃ и по своим магнитным свойствам являются ферримагнетиками. Они отличаются большими значе­ниями удельного электросопротивления и индукции, что позволяет эффек­тивно применять их для магнитопроводов, работающих в магнитных полях высокой частоты. Их изготовляют методами порошковой металлургии, при этом высокая твердость и хрупкость таких изделий допускают их обра­ботку только шлифованием. В зависимости от уровня магнитных свойств различают ферриты для низких радиочастот, для высоких радиочастот и для сверхвысоких частот.

Ферриты для низких и повышенных частот имеют невысокое удельное электросопротивление и могут применяться с минимальными потерями при частотах до 200 МГц для изготовления сердечников магнитных антенн, трансформаторов, дросселей. К ним относятся марганец-цинковые и ни­кель-цинковые ферриты марок типа 1000HM, 400НН, 100ВЧ, З0ВЧ2, где первое число указывает величину относительной магнитной проницаемос­ти μ₁, первая буква – частотный диапазон (Н – низкие частоты, ВЧ – высокие частоты), вторая буква – вид оксидов (Н – никель-цинковый, М – марганцево-цинковый), последняя цифра – номер разновидности.

Ферриты для высоких частот величиной до 800 МГц отличаются более сложным составом, включающим четыре и более видов оксидов, в том чи­сле оксидLiО, оксид (ВaCo)О. Этим достигаются очень высокое удель­ное электросопротивление, стабильность магнитной проницаемости, ма­лая величина потерь, что позволяет применять такие ферриты при высоких частотах.

Ферриты для сверхвысоких частот (СВЧ) более 800 МГц обеспечивают в этих условиях ферримагнитный резонанс, приобретая оптимальные маг­нитные свойства для работы в устройствах СВЧ: фазовращателях, циркуляторах, вентилях. С этой целью используют порошковые смеси МgO, NiO, применяя дополнительное их легирование Cr, Ni. Такие ферриты типа 2СЧ1, 3СЧ12, 4CЧ11 применяют для сантиметрового диапазона электромагнитных волн так, что первая цифра маркировки указывает длину используемых волн в сантиметрах, буквы обозначают сверхвысокую частоту, последнее число – разновидность. Для более длинных волн применяют ферриты, легированные РЗМ – ферриты-гранаты 10СЧ6, 30СЧ6, 40СЧ5.

Парамагнитные материалы отличаются разориентированными в простран­стве атомными магнитными моментами, которые под влиянием внешнего маг­нитного поля получают некоторую ориентацию, и материалы приобретают слабую намагниченность, практически оставаясь немагнитными. Их приме­няют, когда необходимо обеспечить минимальные потери мощности или на­именьшие искажения в электромагнитных системах приборов, аппаратов, ус­тановок, что требует от материалов также низкой магнитной проницаемо­сти и высокого удельного электросопротивления. К таким материалам от­носятся никель-марганцевые стали и чугуны, у которых структура пред­ставляет аустенит – 08XI8H9, I2X18H10T, 55Г9Н9Х3, ЧН15Д7Х2, ЧН11Г7Ш, ЧГ8ДЗ, а также сплавы меди с цинком – латуни, меди с другими элемен­тами – бронзы.

Особые электрические свойства относятся к материалам с высоким удель­ным электросопротивлением, которые называют при этом резистивными. Ве­личина их удельного электросопротивления при нормальных условиях сос­тавляет не менее 0,3 ּ 10^-6 Ом·м, и в зависимости от назначения они разделяются на четыре основных группы: для резисторов, электронагревате­лей, термоэлектродов, контактов.

Резистивныематериалы в виде проволочных резисторов либо пленочных структур широко применяются для различных реостатов, элементов измери­тельных приборов, шунтов, образцовых сопротивлений. Проволочные тех­нические резисторы изготовляют из медно-никелевых сплавов мельхиора MH19 и нейзильбера МНЦ15-20 с добавкой Zn , прецизионные резисторы с малым температурным коэффициентом электросопротивления – из константана МНМц40-1,5 и манганина МНМц3-12, содержащих добавку Mn. Для мало­габаритных резисторов применяют проволоку из никель-хромовых сплавов типа Х20Н80, Н63ГХ, высокоточные резисторы изготовляют из сплавов благород­ных металлов Au, Ag, Pt, Pd. Пленочные резистивные материалы используют в микросхемах, они наносятся в виде металлических пленок Сr, хромоникелевых сплавов, Та, пленок оксида олова, кремниесодержащих сплавов.

Электронагреватели представляют элементы промышленных печей сопро­тивления, лабораторных и бытовых приборов, плиток, паяльников, созда­ющие и выдерживающие заданную температуру. Они выпускаются в виде про­волоки, ленты, прутков, которые должны обладать жаростойкостью и жаро­прочностью, так, что при температурах до 500°С может применяться константан, при более высоких температурах используют стали, никелевые сплавы, керамические материалы.

Стали для электронагревателей содержат 0,1% С с добавкамиCr и Al, что придает им ферритную структуру и повышенную жаропрочность. К ним относятся фехраль Х15Ю5 с рабочей температурой 900°С, хромаль 0Х23Ю5, имеющий рабочую температуру 1100°С, а также сталь 0Х27Ю5Т с рабочей температурой 1200°С. Никелевый сплав нихром Х20Н80 имеет ра­бочую температуру 1100°С, ферронихром XI5H60 – 1000°С, их стоимость в сравнении со сталями повышена, но лучшая пластичность облегчает изготовление из них нагревательных элементов,

Тугоплавкие металлы Mo, Ta, W применяются для изготовления прово­лочных нагревателей печей, а также различных приборов с рабочей тем­пературой до 1400°С.

Керамические печные нагреватели позволяют создавать наиболее вы­сокую температуру и изготовляются из карбида кремния SiC – силита марок КЭН Б, КЭH А с рабочей температурой 1500°С, а также из дисилицида молибдена (MoSi₂) с рабочей температурой 1700°С.

Термоэлектродные сплавы используются для изготовления термопар – термопреобразователей для измерения температуры. Материалы такого назначения должны создавать значительную термоэлектродвижущую силу в паре с другими металлами или сплавами при изменении температуры в заданных пределах. К основным термоэлектродым материалам и парам относятся: медь Ml – медноникелевый сплав копель МНМц43-0,5 (–200... +100°С), никелевый сплав хромель НХ9,5 – копель (–200...+600°С), хромель – никелевый сплав алюмель НМцАК2-2-1 (–200...+1000°С), сплав платинородий ПP6 – платина ПР0 (0...+1300°С), вольфрам ВР5 – рений ВР20 (0...+2000°С).

Контактные материалы должны обеспечивать малое переходное сопро­тивление, поэтому к ним предъявляются требования высокой удельной электропроводимости, электродугостойкости, теплопроводности, корро­зионной стойкости. По условиям работы различают контактные материалы для неподвижных контактов, разрывных контактов, скользящих контактов.

Неподвижные контакты могут быть зажимными, соединяющими проводни­ки болтами, винтами, зажимами, и цельнометаллическими, выполненными с применением пайки или сварки. Переходное сопротивление цельнометал­лических контактов в несколько раз меньше, чем у зажимных. Наиболее важное требование к неподвижным контактам – малая, стабильная вели­чина переходного сопротивления, высокая коррозионная стойкость, ис­ключающая образование оксидных пленок с большим электросопротивлени­ем и возникновение перегрева. Поэтому неподвижные контакты изготов­ляют из меди, алюминия, цинка, стали, применяя для зажимных контактов нанесение защитных покрытии лужением, цинкованием, кадмированием, серебрением.

Разрывные контакты при работе подвергаются эрозии, коррозии, свариванию и в зависимости от величины коммутируемого тока делятся на мало-, средне- и высоконагруженные. Для необходимой стойкости малонагруженных контактов применяются благородные металлы Аu Ag, Pt, Pd и их сплавы, средненагруженные контакты изготовляются изPd, Pt, Ag, W, Ni и их сплавов, высоконагруженные – из Ag, W, Ni, Cu, C, их сплавов и металлокерамических порошковых композиций, используются также ртутные контакты.

Скользящие контакты испытывает дополнительное воздействие изнаши­вания под действием сил трения, из-за чего для них необходимо приме­нять материалы с повышенной износостойкостью. Высокими качествами обладают скользящие контакты из графита, а также из смеси порошков меди либо серебра с порошком графита. При большом числе включений и выключении скользящих контактов применяют медные сплавы – кадмиевую бронзу, бериллиевую бронзу, а также сплав меди с небольшой добавкой Сr и Ag – купалой.

Особые тепловые свойства материалов характеризуются их малым либо заданным значением ТКЛР – температурного коэффициента линейного расширения α.

Малыми значениями α обладают сплавыFе–Ni, содержащие Ni в коли­честве от 29 до 45 %. Очень малый, почти постоянный коэффициент
α = 1.5 ּ 10^-6 1/^oC в интервале температур – 60...+100°С имеет сплав инвар (״неизменный״) 36Н, применяемый для деталей высокоточных приборов. Сплав с добавлениемСо и Ti марки 35НКТ того же назначения отличается вдвое более высокой механической прочностью. Минимальным коэффициентомα = 1ּ 10^-6 1/°С обладает сплав суперинвар 32НКД, для работы при крио­генных температурах до –253°С используется сплав 39Н.