7. Износостойкие стали

Продолжительность эксплуатации деталей во многом зависит от износостойкости материала. Износостойкие стали используются для деталей, работающих на износ в условиях механического, коррозион- но-механического или электроэрозионного изнашивания. Износостой­кие стали в общем случае должны обладать высокой прочностью, со­противлением усталостному разрушению, вязкостью разрушения, те­плопроводностью и способностью к образованию при трении прочных вторичных структур на поверхности. При наличии агрессивных сред, повышенных температур и действии других физических и химических факторов, снижающих прочность поверхности, сопротивление изна­шиванию сталей зависит от их коррозионной стойкости, жаростойко­сти и других свойств.

В зависимости от вида износа (абразивного или трением) изменя­ются требования к свойствам поверхности стальных изделий.

Для повышения сопротивления абразивному износу (износостой­кость в данном случае определяется твердостью и сопротивлением хрупкому разрушению) необходимо создать структуру с высокой твер­достью - мартенсит с включениями карбидов. Стойкость сталей против абразивного изнашивания возрастает с увеличением их твердости. При одинаковой твердости износостойкость стали тем выше, чем больше в ней содержится углерода и карбидообразующих элементов.

Для сопротивления изнашиванию при трении и ударных нагрузках поверхностные слои стали должны интенсивно упрочняться при внеш­нем воздействии (например, сталь Гадфильда 110Г13Л) либо иметь низкий коэффициент трения (например, за счет смазывающего эффекта структурно-свободного графита в графитизированных сталях).

Графитизированные стали (ЭИ293, ЭИ336 и др.) - стали с повы­шенным содержанием углерода (1,5... 1,75 %), легированы кремнием (0,7... 1 %), так как кремний повышает склонность стали к графитиза- ции. Кроме того, эти стали содержат 0,15...0,4 % Мп, иногда их до­полнительно легируют 0,4.. .0,7 % Си, 0,2.. .0,4 % Ti.

В литом горячекатаном состоянии структура таких сталей состоит из перлита и карбидов. Для получения графита необходим графитизи- рующий отжиг, при этом одновременно пластинчатый перлит^ пре­вращается в зернистый (что способствует лучшей обрабатываемости). Режим термической обработки:

• нагрев до 820.. .840 °С, выдержка 5 часов;

• охлаждение до 700...720 °С, выдержка 5... 15 часов (происходит частичная графитизация избыточного цементита);

• охлаждение до 600 °С с печью, далее - на воздухе.

В итоге получается структура зернистого перлита с округлыми включениями графита (о_в = 850 МПа, 5 = 6 %). Окончательная термо­обработка - закалка с отпуском.

Графитизированные стали применяют для холодных штампов, ка­либров, траков, литых коленчатых валов.

Наиболее распространенная в мире износостойкая сталь - высоко­марганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л - сталь Гадфильда (0,9...1,4 % С; 11,5...14 % Мп; 0,3...1 % Si; S < 0,05 %; Р < 0,12 %; Сг < 1 %; Ni < 1 %; Си < 0,3 %). Благодаря высокому содержанию уг­лерода и марганца сталь 110Г13Л обладает относительно устойчивым аустенитом. Основное достоинство стали - высокая износостойкость в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью.

Для обеспечения оптимального комплекса механических свойств сталь Гадфильда подвергают закалке от 1050... 1100 °С в воде. При этом фиксируется структура аустенита и предотвращается выделение карбидов. При превышении температуры закалки (до 1200... 1250 °С) в структуре стали вновь возникают карбиды (в составе фосфидной эвтектики), что снижает механические свойства и износостойкость. После закалки сталь приобретает следующие механические свойства: о_в = 800... 1000 МПа, а₀,₂ = 250...400 МПа, 5 = 35...45 %, ц/ = 40...50 %, НВ = 180...220, KCU+20 = 2...3 МДж/м².

Отличительное свойство стали 110Г13Л в том, что повышенная твердость и износостойкость поверхностных слоев изготовленных из нее деталей приобретается за счет упрочнения поверхностных слоев в процессе эксплуатации под действием ударных и истирающих нагру­зок при сохранении вязкой сердцевины и способности противостоять ударным нагрузкам не разрушаясь. Сталь используют для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного износа (зубья ковшей экскаваторов, траки гусеничных машин, железнодорожные стрелки и крестовины, бронеплиты дробилок и др.).