Магнитные свойства конструкционных сталей

Обновлено: 15.05.2024

Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких материа­лов, в значительной степени определяются областью их применения. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насы­щения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в перемен­ных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электри­ческое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечни­ков, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Как было показано в гл. 14.2.5, значения коэрцитивной силы Нс и магнитной проницаемости μ металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (она должна быть однофазной), меньше внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше Нс и боль­ше μ. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно кислорода, углерода, серы, фосфора), которые образуют нераствори­мые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды, фосфиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное со­держание внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в ва­кууме или иной инертной среде, а полученные из них магнитные из­делия подвергают отжигу, который производят обычно при темпера­туре 900— 1200°С в вакууме или в среде сухого водорода.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материа­лов определяется в значительной степени величиной их удельного электрического сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая зву­ковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 10 ─7 Ом•м; их называют низко­частотными.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, крем­нистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В области радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением ρ = 10—10 10 Ом•м..

К высокочастотным магнитомягким материалам относятся: маг-нитодиэлектрики и ферриты. При ультразвуковых частотах еще мож­но использовать тонколистовые (А = 25—30 мкм) и рулонные холод­нокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм).

Термин «железо» соответствует названию химического элемен­та, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое железо.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе уг­лерода С ≤ 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Осо­бенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом боль­шинства современных магнитных материалов. Его достоинства — высокие показатели индукции насыщения (Bs = 2,18 Тл), пластично­сти, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопротивление (ρ ≈ 1•10 ─7 Ом•м) и, как следствие, большие потери на вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изде­лиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферро­магнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концен­трации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения Нс и μ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства (табл. 15.1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа под­вергают специальной термической обработке — отжигу, проводи­мому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в актив­ной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном ам­миаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается количе­ство дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается сум­марная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структур­ных превращений; в результате со временем увеличивается коэрци­тивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элемента­ми (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100—150 ч.

Деформация и внутренние напряжения, возникающие при меха­нической обработке, значительно ухудшают магнитные свойства. Например, деформация на 0,5—1% вызывает возрастание Нс на 15—20% и снижение μ_м на 25—30%. Внутренние напряжения снима­ют отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше уг­лерода и других вредных примесей, чем конструкционные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами. Маг­нитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в табл. 15.1.

Технически чистое железо содержит углерода С ≤ 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называ­ют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.

Карбонильное железо содержит углерода С ≤ 0,005%. Его получа­ют путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчи­вую на воздухе (Ткип = 103°С). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа Fe2₂O₃ , который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсутствие воздуха пары Fe(CO)₅ при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5— 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде. Карбонильное железо применяют в качестве маг­нитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из табл. 15.1 видно, что с уменьшением содержания примеси и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнит­ных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием. .

Билет №26, 29, 30, 31

Магнитные свойства аустенитных нержавеющих сталей

Все сплавы, обладающие магнетизмом, можно разделить на 2 вида:

Твердые стали соответствуют ГОСТ 6862-71 и из них производят постоянные магниты. Для этого используют высокоуглеродистые вещества, легированные хромом или хромом и кобальтом.

Сплавы на основе железа также можно использовать для производства магнитов постоянного поля. Примером может стать материал альнико, где 54% составляет железо.

Магнитомягкие — так по-другому называют электротехнические стали. Они должны соответствовать ГОСТ 21427-75. Такие магнитные стали применяют для работы в переменных полях, там, где происходит намагничивание без перерыва. Магнитотвердые материалы владеют существенной остаточной индукцией, высокой коэрцитивной силой. Малая магнитная проницаемость становится дополнительным свойством сплава.

Из материала изготавливают сердечники катушек электромагнитов и трансформаторов. Для этого подходят кремнистые и низкоуглеродные сплавы.

Магнитную сталь маркируют четырехзначным числом. Первое число определяет структуру и вид прокатки. Второе — содержание кремния. Третье число определяет тепловые потери, четвертое — код нормируемого параметра.

Для работы в переменных полях можно использовать магнитную сталь на основе железа или никеля. Примером такого материала является альсифер.

Магнитная сталь что это такое

Повышение технических характеристик изделий, имеющих в своем составе детали из электротехнических сталей и прецизионных магнитомягких сплавов, опирается на современные средства моделирования их работы. С достаточной точностью это возможно проводить в среде моделирования Elcut 6.3 Профессиональный, который позволяет выполнять расчеты электрических машин, работающих в постоянных и переменных магнитных полях. Моделирование работы поляризованного электромагнита (ЭМП) с пассивным удержанием штока основано на аналитических данных, полученных при решении осесимметричной задачи магнитостатики в среде Elcut 6.3 Профессиональный, что позволяет установить влияние материала вставок якоря из прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ ГОСТ 10160-75 и 49КФ ГОСТ 10160-75 и электротехнической стали 10880 ГОСТ 11036-75 на изменение тяговых усилий и энергопотребление ЭМП.

Ферриты

Для сокращения электрических потерь используют повышение удельного сопротивления. Магнитная сталь играет важную роль в современном производстве. Большим сопротивлением обладают магнитные материалы — ферриты.

Ферриты получают из оксидов методом порошковой металлургии. Такие материалы обладают свойствами ферромагнетика и диэлектрика, что позволяет их использовать там, где применяются высокие и сверхвысокие частоты.

Себестоимость ферритных сердечников ниже, чем остальных, благодаря автоматизации производства. Сплавы можно подразделить на 4 группы:

• спеченные;
• деформируемые;
• литые;
• прессмагниты.

Конструкционная сталь характеристики, свойства

Конструкционная легированная марганцовистая сталь 45Гиспользуется для изготовления деталей — карданные/ коленчатые валы, анкерные болты, шестеренные/ шлицевые валы, зубчатые колеса, диски трения, тормозные рычаги, оси, шатуны, другие изделия.

Сталь 45Г – отечественные аналоги

Материал 45Г – характеристики

Марка	Классификация	Вид поставки	ГОСТ	Зарубежные аналоги
45Г	Сталь конструкционная легированная	Сортовой прокат	4543–71	есть

Марка 45Г – технологические особенности

Режим	Охлаждающая среда	t, 0С
Закалка	масло	850
Отпуск	воздух	600

Вид полуфабриката	t, 0С
Слиток	1190–820

Свариваемость	Способы сварки	Рекомендации
Трудно свариваемая	РДС, АДС	Подогрев + термообработка

Флокеночувствительность

Исходные данные	Обрабатываемость резанием Ku
Состояние	HB, МПа	sB, МПа	твердый сплав	быстрорежущая сталь
нормализованное	174–207	620	0,95	0,7

Сталь 45Г – химический состав

Массовая доля элементов не более, %:

Кремний	Марганец	Медь	Никель	Сера	Углерод	Фосфор	Хром
0,17–0,37	0,7–1	0,3	0,3	0,035	0,42–0,5	0,035	0,3

Материал 45Г – механические свойства

Сортамент	ГОСТ	Размеры – толщина, диаметр	Режим термообработки	t	KCU	y	d5	sT	sв
мм	0С	кДж/м2	%	%	МПа	МПа
Пруток	4543–71	25	Закалка (масло)	850	490	40	15	370	620
Отпуск (воздух)	600

В зависимости от сечения заготовки

Сечение	y	d5	s0,2	sв	KCU
%	%	МПа	МПа	Дж/см2
Закалка (вода) 8400С. Отпуск (воздух) 5700С
30	55	18	550	800	78
50	55	18	490	760	68
120	50	16	450	740	59
200	45	16	430	740	59
240	45	16	430	740	59

Твердость, Мпа

Сортамент	ГОСТ	Термообработка	HB 10-1
Прокат	4543–71	Отжиг	229

Температура критических точек, 0С

Критические точки	Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
Температура	715	735	635	710

Предел выносливости, МПа

Марка 45Г – точные и ближайшие зарубежные аналоги

Англия	Болгария	Германия	Италия	Китай	Польша	США	Франция	Япония
BS	BDS	DIN, WNr	UNI	GB	PN	—	AFNOR	JIS

Сталь 45Г – область применения

Материал марки 45Г используют в машиностроении для изготовления деталей повышенной прочности.

Условные обозначения

HRCэ	HB	KCU	y	d5	sT	sв
МПа	кДж / м2	%	%	МПа	МПа
Твердость по Роквеллу	Твердость по Бринеллю	Ударная вязкость	Относительное сужение	Относительное удлинение при разрыве	Предел текучести	Предел кратковременной прочности

Ku	s0,2	t-1	s-1
Коэффициент относительной обрабатываемости	Условный предел текучести с 0,2% допуском при нагружении на значение пластической деформации	Предел выносливости при кручении (симметричный цикл)	Предел выносливости при сжатии-растяжении (симметричный цикл)

N	число циклов деформаций/ напряжений, выдержанных объектом под нагрузкой до появления усталостного разрушения/ трещины

Без ограничений	Ограниченная	Трудно свариваемая
Подогрев	нет	до 100–1200С	200–3000С
Термообработка	нет	есть	отжиг

Купить конструкционную легированную сталь 45Г в Санкт-Петербурге Вы можете по телефону +. Специалисты оформят заказ, сориентируют по сортаменту, ценам, условиям доставки.

Сплавы

Магнитная сталь для постоянного магнита должна обладать достаточным объемом углерода, который находится в твердом растворе. Такие сплавы называются деформируемыми. Самыми простыми и дешевыми считаются высокоуглеродистые материалы. Добавка кобальта увеличивает магнитные свойства стали.

К литым относятся сплавы на основе Fe—Ni—A1. Более 80% магнитов изготовляется из такого материала. Самые качественные сплавы этой группы обладают очень мощным магнетизмом. Они отличаются от углеродистой и хромистой магнитной стали.

Маленькие магниты производят методом спекания. Для этого потребуется никель, алюминий и железо высокой чистоты. Они славятся повышенной твердостью. Таким методом создают магниты из магнитотвердых ферритов. Наибольшую популярность получили бариевые ферриты из-за высоких магнитных свойств и приемлемой цены.

Магнитящиеся нержавеющие стали и коррозионностойкость

Бывают ли магнитящиеся нержавеющие стали и как это влияет на коррозионностойкость

На вопрос о том, магнитится ли нержавеющая сталь, однозначного ответа не существует, поскольку магнитные свойства сплавов определяются свойствами их структурных составляющих.

Классификация материалов по их магнитным свойствам

Тела, помещённые в магнитное поле, намагничиваются. Интенсивность намагничивания (J) прямо пропорциональна увеличению напряжённости поля (H):

J= ϰH, где ϰ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью.

Если ϰ>0, то такие материалы называют парамагнетиками, а если ϰ

Некоторые металлы – Fe, Co, Ni, Cd – обладают чрезвычайно большой положительной восприимчивостью (около 105), они называются ферромагнетиками. Ферромагнетики интенсивно намагничиваются даже в слабых магнитных полях.

Нержавеющие стали промышленного назначения могут содержать в своей структуре феррит, мартенсит, аустенит или комбинации этих структур в разных соотношениях. Именно фазовыми составляющими и их соотношением определяется – магнитится нержавейка или нет.

Магнитная нержавеющая сталь: структурный состав и марки

Существуют две фазовые составляющие стали с сильными магнитными характеристиками:

• Мартенсит, с точки зрения магнитных свойств, является чистым ферромагнетиком.
• Феррит может иметь две модификации. При температурах, которые находятся ниже точки Кюри, он, как и мартенсит, ферромагнетик. Высокотемпературный дельта-феррит – парамагнетик.

Таким образом, коррозионностойкие стали, структура которых состоит из мартенсита, – это магнитная нержавейка. Эти сплавы реагируют на магнит, как обычная углеродистая сталь. А ферритные или феррито-мартенситные стали могут иметь различные свойства, зависящие от соотношения фазовых составляющих, но, чаще всего, и они ферромагнитны.

К данной категории относятся хромистые и некоторые хромникелевые стали. Они разделяются на следующие подгруппы:

• Мартенситные стали твёрдые, упрочняются закалкой и отпуском, как обычные углеродистые стали. Применяются они в основном для производства столовых приборов, режущего инструмента и в общем машиностроении.

Стали 20Х13, 30Х13, 40Х13 мартенситного класса производятся преимущественно в термически обработанном шлифованном или полированном состоянии

Хромоникелевая сталь мартенситного класса 20Х17Н2 обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем 13%-ые хромистые стали. Эта сталь отличается высокой технологичностью – хорошо поддаётся штамповке, горячей и холодной, обрабатывается резанием, может свариваться всеми видами сварки.

• Ферритные стали типа 08Х13 мягче мартенситных из-за меньшего содержания углерода. Одна из самых потребляемых сталей ферритного класса – магнитный коррозионностойкий сплав AISI 430, который является улучшенным аналогом марки 08Х17. Эта сталь применяется для изготовления технологического оборудования пищевых производств, используемого при мойке и сортировке пищевого сырья, измельчения, разделения, сортировки, расфасовки, транспортировки продукции.
• Ферритно-мартенситные стали (12Х13) имеют в структуре мартенсит и структурно-свободный феррит.

Немагнитная нержавеющая сталь

К немагнитным сплавам относятся хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали следующих групп:

• Аустенитные стали по объёму производства занимают ведущее место. Широко распространена нержавейка немагнитная аустенитного класса – сталь AISI 304 (аналог – 08Х18Н10). Этот материал применяется в производстве оборудования для пищевой промышленности, изготовления тары для кваса и пива, испарителей, столовых приборов – кастрюль, сковород, мисок, раковин для кухни, в медицине – для игл, судового и холодильного оборудования, сантехнического оборудования, резервуаров для жидкостей различного состава и назначения и сухих веществ. Стали 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т (используется в метизах А2), 10Х17Н13М2Т (используется в метизах для использования в агрессивных средах, кислотостойких и соленых, А4) имеют прекрасную технологичность и высокую коррозионную стойкость даже в парах химических производств и океанских водах.
• Аустенитно-ферритным сталям характерно высокое содержание хрома и пониженное содержание никеля. Дополнительными легирующими элементами являются молибден, медь, титан или ниобий. Эти стали (08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т) имеют некоторые преимущества перед аустенитными сталями – более высокую прочность при сохранении требуемой пластичности, большую стойкость к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию.

К группе немагнитных материалов относятся также коррозионностойкие аустенитно-мартенситные и аустенитно-карбидные стали.

Способ определения, является ли немагнитная сталь коррозионностойкой

Как показывает изложенная выше информация, однозначного ответа на вопрос – нержавейка магнитится или нет – не существует.

Если сталь магнитится, можно ли узнать, является ли она коррозионностойкой? Для ответа на этот вопрос необходимо зачистить небольшой участок детали (проволоки, трубы, пластины) до блеска.

На зачищенную поверхность наносят и растирают две-три капли концентрированного раствора медного купороса. Если сталь покрылась слоем красной меди – сплав не является коррозионностойким.

Если никаких изменений на поверхности материала не произошло, то перед вами нержавеющая сталь.

Проверить в домашних условиях, относится ли сталь к группе пищевых сплавов, невозможно.

Магнитные свойства нержавеющей стали никак не влияют на эксплуатационные характеристики, в частности, на коррозионную стойкость материала.

Нержавеющие стали с хорошими магнитными свойствами

Магнитные свойства нержавеющей стали во многом зависят от структуры материала. Больше всего они проявляются в нижеприведенных случаях:

1. Мартенсит характеризуется хорошими магнитными свойствами, является ферримагнетиком в чистом виде. Встречается подобная нержавейка крайне редко, так как чистый химический состав выдержать довольно сложно. Как и обычные углеродистые варианты исполнения, рассматриваемый может улучшаться при помощи закалки или отпуска. Подобный металл получил широкое распространение не только в промышленности, но и в быту. Наибольшее распространение получили следующие марки: 20Х13 и 40Х13. Они могут подвергаться механическому воздействию, шлифованию или полированию, а также различной термообработке. К особенностям химического состава можно отнести повышенную концентрацию хрома и углерода. 20Х17Н2 – еще одна нержавейка, которая характеризуется высокой концентрацией хрома. За счет этого структура становится более устойчивой к воздействию влаги и некоторых агрессивным средствам. Несмотря на большое количество легирующих элементов, спав поддается сварке и может подвергаться горячей или холодной штамповке.
2. Феррит в зависимости от степени нагрева может применять две формы: ферромагнетика и парамагнетика. В химическом составе подобных материалов меньше углерода, за счет чего они становятся более мягкими и лучше поддаются обработке. В эту группу входит нержавейка 08Х13, которая активно применяется в пищевой промышленности. Кроме этого, в данную группу входят AISI 430, который применяется на пищевых производственных предприятиях.
3. Мартенситно-ферритные сплавы характеризуются весьма привлекательными эксплуатационными качествами. Подобной структурой обладает сплав 12Х13. Как и предыдущие металлы, рассматриваемый может подвергаться механической и термохимической обработке.

Сталь 20Х13 Сталь 40Х13
Приведенная выше информация указывает на то, что наиболее ярко выраженные магнитные свойства у мартенситной структуры.

При выборе сплава следует учитывать, что не все нержавейки характеризуются устойчивостью к механическим повреждениям. Даже незначительное воздействие может привести к повреждению поверхностного слоя. Несмотря на то, что хромистая пленка способна восстанавливаться при контакте с кислородом, были выпущены новые сплавы, характеризующиеся повышенной механической устойчивостью.

Как определить пищевую нержавейку

Для хранения пищевых продуктов хорошо подходит нержавеющая сталь. Она безопасна, экологична, устойчива к воздействию многих химических веществ, долговечна, эстетична, легка в обслуживании.

Из нержавейки изготавливают противни для духовок, кухонные плиты, холодильники и многую другую бытовую технику. Сфера применения пищевой нержавеющей стали постоянно расширяется.

Можно ли определить, пищевая нержавейка используется или изделие, которое не подходит для хранения пищевых продуктов?

Если взять государственный стандарт, то нигде конкретно не указано, какая нержавеющая сталь должна применяться в изготовлении изделий для пищевой промышленности. Но к материалам, которые используются в пищевой промышленности, приготовлении, хранении и транспортировке продукции должны применяться более высокие требования. Обычная нержавейка не всегда может выдержать различные воздействия, поэтому специалисты разработали специальные стали, который отвечают всем необходимым требованиям.

Насколько сплав магнитится или не магнитится зависит от количества никеля, содержащегося в нем. Стандартная норма-10 %, если уменьшить до 9%, то сплав начнет магнититься. Самые лучшие нержавейки состоят из чистого аустенита. Иногда для удешевления стали в сплав добавляют вместо никеля марганец, свойства стали при этом остаются на том же уровне.

Стали и сплавы с магнитными и электрическими свойствами

Стали и сплавы с магнитными свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н_с и остаточной индукции В_r. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.

Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.

У стали У12 после закалки в воде Н_с = 4800 А/м, В_r = 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной ин­дукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.

Легирование металла вызывает повышение магнитной твердо­сти (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твердом растворе второй фазы, с повышением дис­кретности второй фазы, при возникновении напряжений в крис­таллической решетке, при из­мельчении зерна.

В настоящее время для из­готовления постоянных маг­нитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими эле­ментами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой Е обозначает­ся магнитная сталь.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, за­калки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100°С в течение 10-24 ч).

Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придает им повышенную твердость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С. При отжиге происходит образование карбидов, что ухуд­шает магнитные свойства («магнитная порча»). Поэтому перед за­калкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.

Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно про­водить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом не­сколько снижаются магнитные свойства.

Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как ус­траняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.

Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечива­ет стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).

Магниты из этого сплава получают литьем, так как сплав не под­дается деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем. Нагретый до 1300°С сплав помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до температуры ниже 500°С, дальнейшее ох­лаждение проводят на воздухе. После такой обработки сплав облада­ет анизотропией магнитных свойств.

Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направ­лении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закал­ке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свой­ства: Я = 40 000 А/м, В_г = 1,2 Тл.

Последнее время находят применение сплавы на основе кобаль­та (52% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.

Магнитомягкие сплавы и стали имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Их применя­ют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работаю­щих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы дол­жны иметь однородную (гомогенную) структуру, крупное зерно.

Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницае­мость и повышает коэрцитивную силу. Поэтому магнитомягкие сплавы для снятия напряжений и искажений структуры подверга­ют рекристаллизационному отжигу.

Широкое применение получило чистое железо, в котором со­держание углерода и всех примесей строго ограничено. Железо при­меняют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашла электротех­ническая сталь — сплав железа с кремнием (0,05—0,005% С, 1,0— 1,8% Si). Легирование кремнием повышает электросопротивление стали и тем самым уменьшает потери на вихревые токи, повыша­ет магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и по­тери на гистерезис, способствует росту зерна, улучшает магнит­ные свойства за счет графитизирующего действия.

Электротехническую сталь для снятия наклепа после прокатки и для укрупнения зерна подвергают отжигу при 1100-1200 °С в атмосфере водорода.

При рубке листов, резке, штамповке, гибке магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств электротехни­ческой стали рекомендуется отжиг при 750—800 °С в течение 2 ч с медленным (- 50 град/ч) охлаждением до 400 °С. При этом необхо­димо исключить окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщи­ной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80% Ni) — пермаллои — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для прибо­ров, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Маг­нитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обра­ботки.

Для улучшения магнитных свойств после механической обра­ботки пермаллои подвергают отжигу при 1100—1200 "С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняют­ся остаточные напряжения и удаляются примеси углерода.

Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению маг­нитных свойств.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборост­роении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Рань­ше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает ме­ханические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в элек­троаппаратуре.

Применение марганцовистой аустенитной износоустойчивой стали (11ОГ13Л) в качестве немагнитной ограничивается ее пло­хой обрабатываемостью резанием, что обусловлено высокой склон­ностью ее к наклепу, а также нестабильностью прочностных свойств.

Широкое применение находят аустенитные коррозионно-стой­кие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т. Желательно, чтобы содержание ни­келя в них соответствовало верхнему пределу, так как в противном случае при больших степенях холодной деформации возможно ча­стичное протекание γ→α - превращения, ведущего к появлению фер­рита, обладающего ферромагнитными свойствами.

Кроме того, применяются более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен мар­ганцем.

Стали и сплавы с электрическими свойствами. Элементы электросопротивления должны иметь низкую электропроводность или вы­сокое электросопротивление. Так как образование твердых раство­ров при легировании сопровождается повышением электросопро­тивления, то все сплавы высокого сопротивления, как правило, представляют собой твердые растворы.

Различают сплавы реостатные (для изготовления реостатов) и окалиностойкие сплавы высокого электросопротивления (для нагре­вательных элементов печей и электроприборов).

Сплавы высокого электросопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь большое удельное электросопротивление;

иметь малый температурный коэффициент электросопротивле­ния (т.е. электросопротивление должно мало изменяться при изме­нении температуры);

обладать высокой окалиностойкостью, т.е. способностью проти­востоять образованию окалины при высоких температурах.

В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли спла­вы меди с никелем — константан и никелин. Константан содер­жит 40% Ni, 1—2% Мn, остальное медь; никелин — 45% Ni, ос­тальное медь.

В качестве сплавов высокого электросопротивления применяют сплавы Ni — Сг (нихромы), Fe — Ni — Cr (ферронихромы) и Fe — Cr — А1 (фехраль) и др.

На свойства сплавов высокого электросопротивления вредное влияние оказывают такие примеси, как углерод, сера, фосфор и т.д. Примеси способствуют окислению границ зерен и тем самым уменьшают окаливаемость и повышают хрупкость.

В приборостроении часто требуются сплавы с определенным ко­эффициентом линейного расширения, например таким же, как у стекла, равным нулю. Для удовлетворения этих требований в каж­дом конкретном случае изготавливают сплавы строго определен­ного состава.

Износостойкие стали. Износ деталей в процессе эксплуатации может быть вызван двумя причинами: трением деталей друг о друга и царапанием твердых частиц о поверхность деталей (абразивный износ).

При обычном трении поверхность металла наклёпывается и со­противление износу возрастает. Следовательно, износостойкость определяется способностью металла к наклепу.

В случае абразивного износа, когда твердые частицы, абразивы, вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа определяется сопротивлением металла отрыву и твердостью.

Для изготовления деталей, работающих на износ в условиях тре­ния и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцовис­тую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 1,0-1,3% С и 11,5-14,5% Мn. Сталь применяют в литом и реже в горячедеформированном состоянии. Структура литой стали состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)₃C, выделяющихся по границам зе­рен и снижающих прочность и вязкость стали. Для повышения проч­ности и вязкости сталь подвергают закалке с температуры 1050— 1100°С в воде. При такой температуре карбиды растворяются, а быс­трое охлаждение в воде полностью задерживает их выделение. После закалки сталь имеет аустенитную структуру и обладает следующими механическими свойствами: σ_в= 800-900 МПа, σ_0,2 = 310. 350 МПа, δ=15 . 25%, ψ= 20 . 30%, 180 . 220 НВ.

Высокая износостойкость стали 110Г13Л при трении с давлени­ем и ударами объясняется повышенной способностью к наклепу.

Если при эксплуатации наблюдается только абразивный износ без значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то сталь не обнаруживает повышенной износостойкости.

Основные свойства конструкционных сталей

1. По назначению: греющий, охлаждающий (хладоноситель), промежуточный теплоноситель; сушильный агент и т.д.

2. По агрегатному состоянию: однофазные (низкотемпературная плазма [пламя]; газы, неконденсирующиеся пары, их смеси; некипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси; растворы; твердые материалы) и многофазные – кипящие, испаряющиеся жидкости; конденсирующиеся пары; плавящиеся твердые вещества; пены, аэрозоли; эмульсии; суспензии и др.

3. По диапазону рабочих температур: высокотемпературные; среднетемпературные; низкотемпературные, теплоносители, применяемые при криогенных температурах.

Наиболее доступные и распространенные теплоносители – вода, водяной пар, дымовые газы, воздух. В ряде случаев более эффективными являются кремнийорганические, жидкометаллические теплоносители, минеральные масла и др.

Требования, предъявляемые к теплоносителям: высокая температура кипения; низкая температура плавления, термическая стойкость, малая вязкость, большие удельная теплоемкость и теплота парообразования, слабые коррозионная активность и токсичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, невысокая стоимость.

Различают среднюю и истинную удельную теплоемкости. Средняя удельная теплоемкость вещества – отношение количества теплоты, подведенного к единице массы вещества при определенном термодинамическом процессе, к изменению его температуры в интервале от T₁ до T₂. Истинная удельная теплоемкость вещества – количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества при определенном термодинамическом процессе для того, чтобы нагреть ее на один градус.

Удельная теплота парообразования – количество теплоты, которое необходимо подвести для испарения единицы массы вещества при заданных условиях (обычно используется теплота парообразования при н.у.).

Основы теплового расчета теплообменного оборудования

В зависимости от необходимости может выполняться поверочный или конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Конструктивный тепловой расчет выполняется при создании новой конструкции теплообменника или для осуществления выбора типоразмера аппарата из имеющейся номенклатуры.

Исходными данными расчета являются тепловая производительность аппарата или расходы теплоносителей, а также их начальные и конечные температуры. Результатом расчета является определение площади поверхности теплообмена, а также конструктивных характеристик теплообменника.

Поверочный тепловой расчет производится для оценки пригодности имеющейся конструкции теплообменного аппарата для определенных технологических условий или непроектных режимов работы.

Исходными данными являются конструктивные характеристики теплообменника: площадь поверхности нагрева, количество и размеры теплообменных поверхностей их компоновка и взаимное расположение, а, кроме того, расходы теплоносителей и их начальные температуры. Результатом расчета является определение конечных температур теплоносителей и тепловой производительности аппарата.

Литература

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. A. В. Клименко, В. М. Зорина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 632 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).

2. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др. // Под ред. А.М. Бакластова – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 328 с.

Конструкционные материалы теплотехнологии и требования, предъявляемые к ним

Сталь

Для изготовления теплотехнологического оборудования применяются следующие материалы: стали, чугуны, цветные металлы и их сплавы, различные неметаллические материалы.

Сталь – сплав железа с углеродом и другими элементами при содержании углерода не более 2,14 %.

Классификация сталей

Стали классифицируют по химическому составу, микроструктуре, назначению.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистая – сталь, свойства которой определяются содержанием в ней углерода. Легированная – сталь, свойства которой определяются содержанием в ней как углерода, так и других элементов, специально введенных в ее состав. В зависимости от содержания легирующих добавок стали подразделяются на:

1.низколегированные – суммарное содержание легирующих добавок менее 2,5 %;

2.среднелегированные – от 2,5 до 10 %;

3.высоколегированные – содержание железа более 45 %, а легирующих элементов не менее 10 %.

По микроструктуре стали делят на классы: перлитный; мартенситный; ферритный; аустенитный; мартенситно-ферритный; аустенитно-мартенситный; аустенитно-ферритный.

По назначению стали делят на:

1. конструкционные – применяются для изготовления строительных металлоконструкций, деталей машин и аппаратов для работы при нормальной или невысокой (до 450 º) температуре и в неагрессивных средах;

2. стали с особыми свойствами – предназначены для работы в каких-либо специальных условиях (при повышенных температурах, в агрессивных средах и т.д.);

3. инструментальные – применяются в основном для изготовления инструментов и иногда для изготовления некоторых деталей машин.

Конструкционные стали [ГОСТ 4543–71] делятся на качественные, высококачественные (в конце марки ставится буква А) и особовысококачественные (две буквы А).

Основные свойства конструкционных сталей

Работоспособность материала в изделии определяется комплексом его механических (прочность, пластичность и др.), физических, технологических и специальных свойств и зависит от химического состава и структурного состояния.

Прочность – свойство материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные нагрузки.

Пластичность – способность металла необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять эти изменения после снятия нагрузки.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Критерии оценки механических свойств при испытании металлов на растяжение.

1. Критерии прочности:

– предел прочности σ_в, МПа, – отношение наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца к его начальной площади поперечного сечения;

– предел текучести σ_т, МПа, – отношение наименьшей нагрузки, при которой образец деформируется без заметного ее увеличения к его начальной площади поперечного сечения.

2. Критерии пластичности:

– относительное удлинение δ, %, – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к его начальной расчетной длине;

– относительное сужение Ψ, %, – отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его начальной площади поперечного сечения.

3. Коэффициент Пуассона ν – отношение положительных значений относительной поперечной деформации к относительной продольной при одноосном нагружении образца в упругой области.

4. Модуль упругости Юнга E = σ/ε, МПа, – мера упругости материала, связанная с относительной упругой деформацией тела ε, возникающей под действием напряжения σ.

5. Ударная вязкость, Дж/см 2 (МДж/м 2 ) – оценивается работой удара, необходимой для деформации и разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца.

Твердость – способность материала противодействовать механическому проникновению в него посторонних тел.

С повышением температуры показатели прочности стали снижаются, а показатели пластичности – возрастают. С понижением температуры пластичность и особенно ударная вязкость стали снижаются.

Физические свойства стали – плотность, температура фазовых превращений, теплоемкость, теплопроводность, электрическое сопротивление, магнитные свойства и др.

Технологичность – способность стали подвергаться литью, горячей и холодной деформации, термической обработке, сварке, пайке, обработке резаньем с получением требуемых свойств изготавливаемых деталей.

Специальные свойства стали:

– жаропрочность – способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах;

– жаростойкость – способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах;

– усталостная прочность – способность материала или конструкции сопротивляться действию циклических нагрузок;

– усталость – изменение механических и физических свойств материала вследствие действия циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций;

– хладноломкость – склонность материала к появлению (или значительному возрастанию) хрупкости при понижении температуры;

– радиационная стойкость – способность материала сохранять в определенных допустимых пределах размеры, структуру и свойства при длительном воздействии радиационных излучениий;

– коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Чугун

Чугун – многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,7–4,3%. Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления отливок благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне.

Различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый чугун очень тверд и хрупок, очень плохо обрабатывается резанием. Используется практически только для получения ковких чугунов.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10 –1 (кгс/мм 2 ). У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, и они чаще всего применяются как конструкционный материал. Отливки из чугуна допускается применять при температуре стенки от –15 до +300 ºС при давлении не более 10 МПа.

Высокопрочный чугун обозначается буквами ВЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10 –1 (кгс/мм 2 ). Ориентировочно высокопрочном чугуне содержится углерода 2,7–3,6%, кремния 0,8–3,8%, меди 0,3–0,6%, никеля 0,4–0,8%. Сочетание повышенной прочности и достаточной пластичности высокопрочных чугунов позволяет изготовлять из них ответственные изделия, например, коленчатые валы, корпуса насосов и т.п.

Ковкий чугун. В марках ковкого чугуна цифры обозначают временное сопротивление, МПа·10 –1 (кгс/мм 2 ), и относительное удлинение, % (например, КЧ 30-6, КЧ 80-1,5).

Читайте также:

  
• Чем отличаются искробезопасные железнодорожные башмаки от стальных тормозных башмаков
  
• Как можно размагнитить сталь
  
• Роман глушков стальная петля
  
• Сталью и магией полная версия
  
• Сталь для дымохода твердотопливного котла