4.1. Теориялық бөлім

Есеп бойынша арнайы тағайындалған (подшипникті, серіппелі, тозуға төзімді) машина құрайтын болаттар арасынан болат маркасын (құйманы) және термиялық өңдеу режимін, осыған қоса коррозияға төзімді және ыссыға төзімді болаттар мен никель мен титан негізіндегі құймаларды таңдауымыз қажет.

Подшипникті конструкциялы болаттар. Подшипниктерді пайдалану ерекшеліктері болып жоғарғы локальды контактілі массалар саналады. Осыған байланысты, болаттың тазалығына қатаң талаптар қойылады, әсіресе осы талаптар металды емес қосылыстарға және карбидтік біртексіздіктерге қойылады. Жоғары статикалық жүк көтергіштікті қасиетін қалыптастыру мақсатында, подшипниктердің материалдардың ретінде эвтокоидтан кейн, хроммен легирленген болаттар (ШХ 15, ШХ20СГ, 95Х18) пайдаланылады. Жоғары жылуға төзімділік вольфрам мен молибден құймасымен (8Х4М4В2Ф1Ш) легирлеу арқылы жүзеге асырылады. Бір уақытта жылуға төзімділікті, тозуға төзімділікті және коррозияға төзімділікті қамтамасыз ету үшін, тоттанбайтын подшипниктерде шамамен 18% хром болады. Контактілі тозуға төзімділік осы болаттарда келесідей жүзеге асырылады: әртүрлі текті (әсіресе сульфидті және оксидті қосылыстар, осыған қоса сутекті, себебі шарикті-подшипникті болаттар флокендерді түзуге бейімді) металлургиялық ақауларды азайту. Рафинирленген құймалар арқылы осы болаттардың жоғары сапалылығы қамтамасыздандырылуы мүмкін (синтетикалық күйінділермен өңдеу, вакуумды-доғалық құймалар).

Рессорлы-серіппелі конструкциялы болаттар. Рессорлы-серіппелі болаттарға қойылатын негізгі талаптар – кішкене пластикалық деформацияларға жоғары кедергілік және релаксациялы беріктік көрсету. Осы сипаттамалар келесіні қамтамасыз етеді: уақыт бойынша тұрақтылық, дәлдік, серіппенің және пайдалану қасиеттерінің (айналу моменті, күштік көрсеткіштер) жұмыс жасау сенімділігі. Сым мен лента түріндегі серіппелі болаттарды салқын пластикалық деформациямен немесе мартенситпен беріктетеді. Пластикалық деформация арқылы көбінесе құрамында көміртегі мөлшері 0,65...1,2 % (70, 85, У12А)болатын көміртекті болаттарды өңдейді. Дайын серіппелерді тұрақтандырушы жумсартуға ұшыратады. Серіппелі сымды сүйрету алдында, патенттейді.

Серпімділік дәрежесін және релаксацияға кедергілікті жоғарылату мақсатында жалпы серіппелі болаттарды легирлейді: 2,5 % дейін кремниймен, 1 %дейінмарганецпен, 0,5 % дейін хроммен, молибденмен, вольфраммен немесе ванадийменжәне бормен микролегирлейді (0,003 % дейін) (65Г, 55ХГР, 70С3А).

Арнаулы тағайынды болаттар жоғары серіппелі дәрежесіне иеленіп, келесі қасиеттерді де қамти алады: жоғары коррозиялық беріктілік, жылуға төзімділік, магнитсіздігі және т.б. Келесі болаттар түрлерін пайдаланады: мартенситты коррозиялық болаттар(30Х13, 40Х13), аустенитті коррозияға төзімді болаттар (l2X18H9T, 17X18H9), мартенситті–тозатын болаттар (X12H8K5M2TЮ, Х16К4М4Т2Ю).

Серіппелі болаттардағы қалдық аустенитті минимумға келтіруі керек, себебі оның мөлшері көптеу болса (4% дейін) ол болаттың серіппелік дәрежесін және релаксацияға кедергілігін төмендетеді.

Тозуға төзімді болаттарды механикалық, коррозиялы механикалық немесе электрлік эррозиялы тозу орталарында жұмыс жасайтын бұйымдарды жасауда қолданады. Тозуға төзімді болаттар келесі қасиеттерге ие болуы керек: жоғары беріктік, бұзылыстарға кедергілік, бұзылыстардың тұтқырлығы, жылу тасымалдағыштығы, үйкеліс кезінде екіншілік құрылымдардың түзілуі. Болаттың тозуға төзімділігін және беттің беріктігін төмендететін агрессивті орталар болса, болаттар жоғары коррозиялық тұрақтылыққа, ыссыға тұрақтылыққа және т.б. қасиеттерге ие болуы қажет.

Тозу түріне байланысты (абразивті немесе үйкеліс) болаттан жасалған бұйымдар бетінің талаптары өзгереді. Абразивті тозуға кедергілік қасиетін арттыру үшін, қатты құрылымды жасау қажет – карбид қосылыстары бар мартенсит. Үйкеліс және соқтығыстар кезінде тозуға кедергілік көрсету үшін, беттік жабындар сыртқы әсерге қарсы интенсивті түрде беріктірілу қажет (мысалы, Гадфильд 110Г13Л болаты) немесе төменгі үйкеліс коэффициентін иелену қажет (мысалы, графитті болаттардағы майлау эффектісі арқылы).

Абразивті тозуға қарсы беріктік болаттың қаттылығымен жоғарылайды. Қаттылық пен абразивті тозуға қарсы беріктілік бірдей мәнде болғанда, бұл болаттың құрамында көміртегі мен карбидті түзуіші элементердің бар болуын көрсетеді.

Тозуға төзімді болаттардың оңтайлы (оптимальный) кешені – жоғары тозуға төзімділік және жақсы пластикалық қасиет пен екпінді тұтқырлықтың жиынтығы.

Коррозияға төзімді болаттар – электрохимиялық коррозияға берік болаттар. Болаттың коррозиялық беріктігін қамтамасыз ету үшін, ол хромның 13%-нан жоғары мөлшеріне иелену қажет (қатты ерітіндіде). Болатта көміртегі мөлшері көп болған сайын, коррозиялық беріктікті қамтамасыз ететін хром мөлшері соншама көп болу қажет.

Аустенит классының хромды никельді болаттар, хромды болаттардағы коррозиялық беріктігінен жоғары коррозиялық беріктігіне ие. Никель қымбат болғандықтан, оны көбінесе марганецпен ауыстырады.

Осы болаттардың құрамын жұмыс ортасына байланысты орнатады: хромды – салқындаудан өткен соң, ауада ферритті (12Х17, 15Х25Т), мартенситті ферритті (08Х13,12Х13) немесе мартенситті (30Х13, 40Х13) жабынды түзеді, хромникельді – аустенитті (10Х18Н9Т, 10Х18Н12Б), аустенитті мартенситті немесе аустенитті ферритті (08Х22Н6Т, 08Х18Г2Н2Т) жабынды түзеді.

Мартенситті және мартенситті ферритті болаттар жақсы коррозиялық беріктілікке ие және жоғарғы механикалық қасиеттерді қамтиды. Осы болаттарды шынықтырудан (950...1020°С – аустенитте карбидтер Сr С толығымен еру үшін) соң және берілген қаттылықпен шығарғаннан соң қолданады. Ферритті хромды болаттар агрессивті орталарда жоғары коррозиялық беріктікке ие, жақсы иілгіш, беріктік және ыстыққа төзімділікті қамтиды. Осы болаттардың термиялық өңдеуі өндірістің және пайдаланудың нақты жағдайларына байланысты.

Болаттың маркасын таңдаған кезде, жұмыс жағдайын есепке алу қажет, сонымен қоса, қажетті коррозиялық беріктік және қажетті механикалық қасиеттердің жиынтығы қамтамасыздандырылуы қажет.

Жылуға төзімді болаттар, 650ºС ға дейін температурада және салмақты жағдайда ұзақ уақыт бойы (100 000...200 000 сағат) жұмыс істейтін болаттар келесі түрде болады: көміртекті(Ст2, Ст3 - 0,8 МПа қысымға дейін және 120 °С температураға дейін; 12К,15К,20К- 6 МПа қысымға дейін және 400 °С температураға дейін), аз легирленген (12Х1МФ, 12Х2МФСР, 20Х3ВМФ - 585 °Стемператураға дейін және25,5 МПа қысымға дейін), хромды (15Х5, 15Х5ВФ, 12Х8ВМIБФР - 600...650°С температура аралығында); термоөңдеу – қалыпқа келтіру немесе жіберуден соң шынықтыру.

Осы болаттар 0,08...0,2 % көміртегіні қамтиды. Вольфрам, молибден, ванадий, ниобий деген легирлеуші элементтер диффузиялық процестердің жылдамдығын азайтады, құрылымды тұрақтандырады, жоғары дисперсті карбидтердің түзілуі әсерінен тұрақты термиялық беріктікті қамтамасыз етеді. Тоттануға қарсылық тудыру үшін хромның 13 % ын қосады.

Негізгі талап – пайдаланудың барлық периоды кезінде берілген беріктік ұзақтығын және кедерлігін сақтау.

Ыссыға төзімді болаттар мен құймалар. Нақты уақыт аралығында, жоғары температурада және салмақты жағдайда жұмыс жасайды да, қажетті ыссыға төзімділікті қамтиды, - бұл қосымша легирлеуден өткен, аустенитті класқа жататын хромникельді (10Х18Н12Т, 10ХI1Н20Т3Р) болаттар, хромникельмарганецты (37Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7ГФ2МС) болаттар.

Ыссыға төзімділікті арттыратын факторлар: негізгі металдың балқу температурасы жоғары болғанда; құймада қатты ерітіндінің және беріктіруші фазаның дисперсті бөлшектердің болуы кезінде; тойтармаға (наклеп) ұшырататын пластикалық деформация; рекристализацияның жоғарғы температурасы; рационалды легирлеу; термиялық және термомеханикалық өңдеу; В, Се, Nb, Zr элементтерін пайыздық үлесте енгізу.

Ыссыға төзімді болаттардың және құймалардың жіктелуі:

- болаттардың беріктіру түрі бойынша:

1) гомогенді (қатты ерітіндіні легирлеу есебімен ыссыға төзімділікті қамтамасыз ету; екіншілік фазалардың бөлінуін жою немесе кеміту арқылы пайдаланудың барлық периоды кезінде беріктікті және иілгіштікті ұзақ уақыт бойы қамтамасыз ету);

2) карбидті беріктігі бар болаттар /беріктіруші фазалар - ванадий (VС), ниобий (NbC) және хром (Ме С , Ме С ) карбидтері/

3) интерметалидті беріктігі бар болаттар (көміртегі мөлшері - 0,1 %, жоғары легирленген темірлі никельді аустенитті түзетін қасиетке ие никельдің, титанның, алюминидің мөлшерінің көбейтілген мәні (жоғары легирленген темірлі никельді болаттың тозу кезінде фазаны беріктіргіштерін - Лавес және γ түрлі фазасы - түзетін қасиетке ие); ұзақ уақыт ішіндеболат берік болу үшін, оған 3,5 % мөлшеріне дейін молибденді және вольфрамды қосады;

- металл бойынша негіздер: кобальт пен никель негізіндегі құймалар (жұмысшы температуралар - 700...1100 °С);

- өндіру әдісі бойынша: деформациялайтын және құйылатын.

Ыссыға төзімді құйма – бұл, хромоникельді негіздегі -қатты ерітінді болып келеді. Ол кобальтпен және беріктіретін элементтермен (Мо, W, Nb) комплексті түрде легирленген.

Құймаларда міндетті түрде титан, ниобий және алюминий болады (8...10% ға дейін), ол γ-беріктіруші фазасының түзілуін қамтамасыз етеді. Хром мен алюминий, Сr 0 және А1₂О оксидтеріне бай қорғаушы жабындарды түзу есебімен тоттануға қарсылықты тудыртады. 0,08...0,12% мөлшеріндегі көміртегі карбидтер мен карбонитридтерді түзеді; 0,005...0,015% В - МеВ₂ түрлі боридтер.

Жылдам балқитын қоспалардың (РЬ, Cd, Ag, Sb, S) мөлшерін шектеу никельді құймалардың ыссыға төзімділігін төмендетеді.

Кобальт негізіндегі құймалар никельді негіздегі құймалардың ыссыға төзімділігімен салыстырғанда кемдеу болып келеді, бірақ кобальт негізіндегі құймалар жоғары температураларда жақсы коррозиялық беріктікке, ұзақ уақыт бойы тұрақты құрылымына ие.

Отқабыршаққа төзімді(окалuностойкие) болаттар мен құймалар, газды орталарда беттердің химиялық бұзылыстарына төзімді және 550ºС-дан жоғары температураларда жұмыс жасай алады.

Ыссыға төзімділік келесідей сипатталады: ауалы ортада отқабыршақтардың түзілу уақыты (біріншіден болат бетінде қышқылдардың жұқа жабыны түзіледі, ал содан соң окалина болады). Қышқылдаудың қарқындылығына қышқылды жабынның құрамы мен құрылымы әсер етеді: егер, қышқылды жабын кеуекті болса – қышқылдау жылдам өтеді; егер қышқылды жабын тұтас болса – қышқылдау баяулайды немесе тоқтайды. Тұтас қышқылды жабынды алу мақсатында болатты хроммен, кремнимен және алюминиймен легирлейді. Болаттың құрылымы ыссыға төзімділікке әсер етпейді.

Ыссыға төзімді болаттардың және құймалардың негізгі топтары:

1. Феррит классына жататын хромды және хромды алюминилі болаттар (08Х18Т, 15Х28, 05Х27Ю5), олар орташа беріктікке және ыссыға төзімділікке, жоғары иілгіштікке және қанағатанарлық техникалық қасиеттерге ие, пайдалану кезінде жұқарады (келесілік өңдіру арқылы бұл кемшілікті жоюға болмайды). Хромның 13...28% құрайды, ыссыға төзімділікті Al (3,5...5,8 %) мен Si ді қосу арқылы жүзеге асырады. Осыған қоса, көміртегіні арнайы карбидті титанмен, ниобиймен, молибденмен, циркониймен қосады, бұл қаттыерітіндінің хромнан айырылу дәрежесін кемітеді.

2. Мартенситті класқа жататын хромкремнийлі болаттар - 0,5...0,8 % аралығында көміртегіні қамтитын сильхромдар (15Х6СЮ, 40Х9С2, 40ХI0С2М). Оларды хроммен (6...14 %) және кремниймен (1...3 %) бірге легирлеу ыссыға төзімділікті жоғарылатады; молибден ыссыға беріктігін арттарды да жумсартудағы сынғыштығын кемітеді. Шынықтырудан (1000...1050 °С дейін) немесе қалыптандырудан соң олар мартенситті құрылымға иеленеді (HRC 50...56). 700-800ºС да шығарғаннан соң, жай салқындатқанда, жумсартудың сынғыштық қасиеті дами бастайды. Осы болаттар газды коррозияға төзімді және үйкеліс пен екпінді салмақта тозуға төзімді болып келген;

3. Хромникельді аустенитті болаттар (08Х18Н9Т, 12Х18Н9) ­ферритті классының жоғары хромды болаттарымен салыстырғанда ыссыға төзімділік дәрежесінің жоғары мәніне иеленбеген, бірақ механикалық қасиеттердің жоғарғы деңгейін қамтиды, технологиялық түрде жетілдірілген және сынғыштығы төмен. Олардың ыссыға төзімділігі хромды, никельді, кремнийді қосқан кезде артады. Аустенитті ыссыға төзімді болаттардың термиялық өңделуі көбінесе 1000-1050ºС температуларда жүргізіледі;

4. Хромникельді негізінде құрылған құймалар – 800-1100ºС температураларда жұмыс жасайтын материалдар үшін пайдаланады. Осы құймалар никельдегі хромның қатты ерітіндісі болып келеді, термиялық өңдеу кезінде беріктігі шамалы жоғарылайды, жоғарғы дәрежедегі иілгіштікке, электрокедергілікке, жақсы технологиялық қасиеттерге ие. Хромның құрамындағы мөлшері 15...27 %, ыссыға төзімділігін арттыру мақсатында 3,5% мөлшерінде алюминийді қосу қажет. Ыссыға беріктігін арттыру үшін, титанды, молибденді, ниобиді, вольфрамды қосу қажет.