Сапалы құрылымдық көміртекті болаттар

Сапалы құрылымдық болаттарды машина құрылысында әртүрлі бөлшектерді дайындау үшін қолданады. Қарапайым сапалы көміртекті болаттарға қарағанда бұл болаттарға құрамына (көміртек мөлшері шектеулі, күкірт пен фосфордың аз мөлшері - әрқайсысынан 0,04%) , металл емес қосылымдар мөлшеріне, макроқұрылымы және микроқұрылымына қатысты қатаң талаптар қойылады.

Сапалы көміртекті болаттар цифрлармен белгіленеді 08, 10, 15 .... 45 және т.б., олар пайыздың жүздік үлесінде көміртектің орташа мөлшерін көрсетеді.Кейбір сапалы көміртекті құрылымдық болаттардың химиялық құрамы 2.2 кестесінде (2 қосымша) берілген.

Беріктігі шамалы, созылымдылығы жоғары және пісірімділігі жақсы 08, 10, 15, 20 маркалы болаттарды дайындалуы пісірумен, штамптаумен және басқа да технологиялық операциялармен байланысты аз жүктелген бөлшектерді дайындау үшін қолданады.бұл болаттарды сондай – ақ өзек беріктігі тұтыну қасиеттеріне әсер етпейтін шағын меншікті жүктемеде тозуға дейін жұмыс істейтін цементтелетін ұсақ бұйымдар үшін қолданылады (втулкалар, валикетр, шпилькалар). Цементтеуден, суда шынықтырудан және төмен жасытудан кейін болаттың беті өте қатты болады НВ 578 – 627 (мартенсит құрылымы), ал өзегі қатаймайды,, өйткені онда феррит + перлит құрылымы сақтлады.

Төмен көміртекті сапалы болаттың цементтелетін маркаларының әртүрлі күйдегі микроқұрылымы 2.4 – 2.9 суреттерінде (2 қосымша) көрсетілген.

25, 30, 35, 40, 45, 50 маркалы болаттардың беріктік пен аққыштық шегі жоғары, бірақ олар жақсы кесіледі. Бұл болаттарды жақсартылған (орташа көміртекті) болаттар деп аталады, өйткені оларды жиі жақсартады – термиялық өңдеуден өткізеді, жоғары температурада шынықтырып жасытады.Жақсартылған болаттардың беріктігі, созылымдылығы, шыдамдылық шегі жоғары, сынғыштық сезімталдығы төмен болуы тиіс, олар жақсы қыздырылуы тиіс.

25 болат жұмыста жоғары кернеулерге ұшырайтын ұсақбөлшектерге, ал 30 және 35 болаттары жұмыс кезінде орташа кернеулерге ұшырайтын бөлшектерге қолданылады. Беріктігі жоғарылатылған бөлшектер үшін 40 және 45 болаттарын, беріктігі жоғары бөлшектер үшін 50,60 болаттарын қолданады.50,60 болаттардан сондай – ақ ше\стернелер, бандаждар, таспалы серіппелер, серіппе сақиналары, илектеу валоктары дайындалады.

40, 45, 50 болаттарын машина құрылысында ұсақ бөлшектерді дайындауға қолданылады.Құйма күйіндегі және термиялық өңдеудің әртүрлі түрінен кейінгі орташа көміртекті сапалы болаттардың жиі қолданылатын маркаларының микроқұрылымы 2.10 – 2.21 суретінде (2 қосымша) көрсетілген.

Тегістікті бұзбай қысыммен өңдеу кезінде өзінің пішінін (формасын) өзгерту қабілетін сипаттайтын штамптау қасиетісуық штампталған бөлшектерге арналған металл жарамдылығының негізгі көрсеткіші болып табылады.

Штамптау қасиеті металдың сапасы мен физикалық күйіне, атап айтсақ, химикалық құрамына, механикалық қасиеттеріне (беріктік, созылымдылық, анизотропия), құрылымына, металдың тозуға бейімділігіне, микрогеометрия және листті прокаттың бет сапасына, сыртқы және ішкі ақауларына байланысты.

Бұрын терең кермелеу (вытяжка) материалы ретінде 08кп болаты қолданылған.Бірақ бұл болаттың деформациялық тозуға бейімділігі жоғары. Деформациялық тозуды болдырмау және артық көміртек пен азотты байланыстыру үшін болатқа карбид және нитрид түзетін элементтер: алюминий, ванадий, титан, цирконий т.б. қосымдаренгізеді.

Өндірісте тозбайтын 08Юмаркалы алюминиймен легірленген болат кеңінен қолданылады. Көміртек, азот , оттегі, кремний, марганец, фосфор және күкірт болаттың беріктік, созылымдық және технологиялық қасиеттерін анықтайтынтерең кермелеу (вытяжка) үшін маңызды қоспалар болып табылады.

Терең кермелеуүшін аз көміртекті құрылымдық болаттың қасиеттері мен құрылымына әсер ететін химиялық элементтер арасынан өзінің әсер тиімділігі бойынша ең маңыздысы - көміртек. Болатта көміртек мөлшерінің 0,02 – ден 0,07 % - ға дейін көбеюі салыстырмалы ұзаруды 5-7 % - ға, анизотропия коэффициентін 2,2 – ден 1,3 – ке дейін қысқартады, ағымдық және беріктік шегін 20 -50 МПа – ға көбейтеді.

Көміртек мөлшері көбейген сайын тозу индексі артады. Болаттағы көміртек күйі кермелеуқасиеттерге әсерін тигізеді.Штамптау қасиетіне құрылымдық еркін цементиттердің қосындылары зиянды әсерін тигізеді.Шоғырланған жерде олар штамптау кезінде металдың үзілуіне соқтырады.

Азот пен оттегі де тозуға бейімділігін арттырады, зиянды әсерін тигізеді. Металл емес қосындылар (нитридтер,оксидтер) түзіп бұл элементтер созылымдылығын және кермелеуқасиеттерін төмендетеді.

Болатта көміртекті 0,04 % - ға және азотты 0,008% - ға дейін төмендету арқылы жұқа листті болаттың сапасы және деформациялануы артады, бұл вакуум пештерінде болатты балқыту немесе ылғалды сутек атмосферасында пештерде листтерді жұмсартумен қамтамасыз етіледі.

Төмен көміртекті болат қасиеттеріне марганец маңызды әсерін тигізеді. Марганец болат беріктігін арттырады, бірақ оны күкіртті байланыстыру үшін енгізеді. Марганец мөлшері 0,2 % болғанда оның мөлшерін 0,1 % - ға арттырса беріктікті 5 МПа – ға көтереді.Марганец мөлшері 0,2 % - дан артық болғанда беріктік шегі жұмсарту кезінде 670 – 750 ° С – ға көтеріледі және 750 ° С температурада максимумға жетеді. Азоттың бөлінуін тежеп марганец тозу кинетикасына әсерін тигізеді, бірақ ол көміртектің бөліну кинетикасына әсерін тигізбейді.

Болаттағы марганецтің қосымы болаттың тозуына кедергі етеді несесе оны қатты тежейді. Марганецтің төмен мөлшері бүйір шеттерінде жарылымдардың пайда болуына байланысты ыстық илем күйін нашарлатады. Қышқылтылған алюминийден үзіліссіз жұмсарту арқылы терең кермелеу үшін өндірістік жолақты марганецтің күкіртке қатаң арақатынасы кезінде алу мүмкін болды. Mn/S қатаң реттелген арақатынасы Жапонияда, кейін АҚШ – та патенттелген болатта қарастырылған. Марганец мөлшерінің күкірт мөлшеріне арақатынасыкүкірт мөлшері 0,02 % - дан аспаған жағдайда 10- ды құрау керек.

Фосфор мен күкірт заянды қоспалар болғандықтан олардың мөлшері минимумға келтіріледі. Фосфор беріктікті арттырады, созылымдылықты және металдың кермелену қасиетін төмендетеді.

Ірі қосылымдар түріндегі күкірт қосылыстары болаттың терең кермелену қасиетін төмендетеді. Сондықтан фосфор мөлшері 0,02 – 0,03 % - бен, күкірттің мөлшері 0,025 – 0,035 % - бен шектеледі. Болатта никельдің болуы анизотропия көрсеткішін 1,1 қамтамасыз етеді илектеу (прокаттау) текстурасын сақтайды. Созылған микротүйіршіктер және ұсақ оқшауланған цементит глобульдері түрінде ферриттің қолайлы құрылымын суықтай илектелген жұқа листті 08Ю болатта қалпақты пештерде жұмсартқаннан кейін алу үшін марганец мөлшерін 0,20 – 0,28% шамасында шектеу керек, болатта мыс пен никель мөлшеріәрқайсысынан 0,06 % - дан аспау керек.

Бұл қоспалардың жоғары мөлшері подкатты суытқан кезде листтің механикалық қасиеттерін нашарлататын перлит колониясының мөлшері көп дисперсті құрылымды қалыптастырады. Штамптау кезінде кремний листтің қаттылығын арттырады, сондықтан листтарда терең кермелеу үшін кремний мөлшері 0,01 % - дан аспау керек.

Алюминий мен титанның тұрақтандырғыш қоспалары маңызды роль атқарады.Олар болаттың тозуға бейімділігін төмендетіп көміртек пен азотты байланыстырады. Беттік белсенді элемент болғандықтан алюминий ферритті түйіршіктер шегінде беттік тартымды азайтады; суықтай илектелген жолақтарды қайта кристалдап жұмсарту кезінде «құймақ пішінді» феррит түйіршіктерінің пайда болуына ықпал етеді, болаттың терең кермелеу қабілетін арттырады. Алюминий болатты аз мөлшерде мықты етеді.

Біртекті ұсақ түйіршікті болат жақсы штампталады.Өте ірі түйіршіктері бар болатты штамптау кезінде «апельсин қабығы» деп аталатын бүдірлі бет пайда болады. Түйіршікті майдалау үшін болатқа алюминий енгізіледі. Болатта алюминий азотпен қосылып алюминий нитридын түзеді. Олар белгілі жағдайларда дисперсті бөлшектер түрінде бөлініп феррит түйіршіктерін майдалауға мүмкіндік береді.

Болатта алюминийдің 0,02 % мөлшері болаттың тозуға қарсы орнықтылығын қамтамасыз етеді. Тыныш болатта ерітілген алюминийдің 0,03 – 0,04 % Al _раст мөлшері оптималды мөлшер болып табылады. Жоғары пластикалық қасиеттері бар 08 Ю суық илектелген болатты алу үшін химиялық элементтер мөлшері төмендегідей болуы тиіс.

Қысқа шолудан элементтер арасындағы өзара әрекеттерінің күрделі сипаты мен олардың құрылымға, илектеу кезінде болат қасиеттеріне және жылдамдық жұмсарту процесіндегі әсері айқын болды.

Көміртек пен азоттың жоғары мөлшері тозуға бейімділігін қатты арттырады. Титан мен алюминийді енгізу болатты тұрақтандырады, бірақ болаттың беріктігі мен өзіндік құнын арттырады. Марганец те беріктікті арттырады, бірақ ол күкіртті байланыстыру үшін енгізіледі. Өз кезегінде карбид – пен нитрид түзуші элементтерді матрицаны тұрақтандыру үшін енгізу қажеттілігі ыстықтай илектеу және жұмсарту кезінде қайта кристалдану процесін, құрылымдарды қалыптастыруды қиындатады, кермелеу қасиеттерін төмендетеді. Ұсақ дисперсті бөлшектер илектеу және жұмсарту кезінде ақаулардың шоғырлану және тұрақтану орындары болып табылады, бұл болатты қосымша берік етеді. Барлық екінші қайтара фазалардың пайда болу және бөліну процестері жеке элементтердің жалпы құрамы мен мөлшерлі арақатынасына байланысты әртүрлі температура – уақыт интервалдарында жүреді және ыстықтай илектеу режимдеріне, суыту режимдеріне, орау температурасына әсерін тигізеді. Бұл жұмсарту кезінде қажет құрылымды алуды қиындытады және химиялық құрамына байланысты илектеу мен орау режимдеріне саралау әдісін талап етеді.

Қалпақты жұмсарту кезінде үлкен ұзақтыққа байланысты біршама проблемалар шешіледі, өйткені құрылымның қалыптасуы тепе – тең кинетика бойынша жүреді. Жылдамдық қыздыру жағдайында элементтердің өзара әрекеті,екінші қайтара фазалардың бөлінуі мен еруі одан сайын күрделенеді. Бұл көміртектің, азоттың, марганецтің, күкірттің және фосфордың мөлшерін шектеуді және олардың өзара қатынасының сәйкес реттеуін талап етеді.

Төмен көміртекті суықтай илектелген автолистті болаттың прокаты ГОСТ 9045 – 93 талаптарына сәйкес беріледі.08Ю болаттың химиялық құрамы 2.4 кестесінде берілген. (2 қосымша).

Төмен көміртекті құрылымдық болатты терең кермелеу үшін өндіру технологиясы төмендегі операцияларды қамтиды:

- конвертерлерде болатты балқыту;

- слябтарға үзіліссіз құю,

- сетодикалық пештерде слябтарды қыздыру және 2000 тұғырда 2,0 – 4,0 мм қалыңдыққа илектеу (прокатка) .

5-тақырып. Легірленген болаттар

Төмен легірленген болаттар өздерінің химиялық құрамы бойынша төмен легірленген құрылымдық болаттарға ұқсас, бірақ олар тұтынушыда термиялық өңдеуге арналмаған.

Төмен легірленген болаттар жақсы пісіріледі және көміртекті болаттарға қарағанда жоғары беріктікке ие. Қасиеттерін жақсарту үшін төмен легірленген болаттарды термиялық өңделген күйінде (мөлшерлеу немесе жақсартудан кейін) жібереді. Бұл болаттардың артықшылығы сол суықта сынғыштық шегі төмен. (суықта сынғыштық немесе сынғыштықтың жоғары температура шегі – металдың тұтқырлы жағдайынан сынғыштыққа өтуі және керісінше). Өте төмен температурада да – 40 ° С олардың соққы тұтқырлығы өте жоғары болады.Мұндай соққы тұтқырлығы В тобының қарапайым сапалы көміртекті болатта – 20 ° С температурада болады. Қарапайым термиялық өңдеумен қатар төмен легірленген болатты прокатканың жылу және күштік режимін реттеу арқылы ықшамдауға болады. Жауапты пісірілген құрылымдар, кеме құрылысы және төменгі температураларда жұмыс істейтін үлкен диаметрлі газ мұнай құбырлары үшін қолданылатын төмен легірленген болаттар ыстықтай илектелген күйде реттелген прокаткадан кейін жіберіледі.

Құрылымдық болаттардың негізгі легірлеуші элементтер: 1,8 % мөлшерде хром, никель – 1,0 – дан 4,5 % - ға дейін және марганец – 0,8 – ден

1,8 % - ға дейін.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор және басқа да легірлеуші элементтерді жеке қосымдар ретінде қолданбайды, оларды қорытпаға хроммен, никельмен және марганецпен қасиеттерді қосымша жақсарту үшін енгізеді.Құрылымдық болаттарда молибденнің 0,15 - 0,45 % - ы, вольфрамның – 0,5 – 1,2 % - ы,ванадийдің – 0,1 – 0,3 % - ы,титанның – 0,06 – 0,12 % - ы, бордың – 0,002 – 0,005% - ы бар.

Көміртектің 0,12 - 0,45 % - ын құрайтын құрылымдық болаттардың көбі перлит класына жатады. Легірленген құрылымдық болаттардың химилық құрамы 2.5 кестесінде келтірілген (2 қосымша).

Термиялық өңдеуден кейін легірленген құрылымдық болаттар ең жақсы механикалық қасиеттерге ие болады. Бұны легірлеу элементтерінің диффузиялық процестерді тежейтіндігімен және болатта жасыту мен шынығу кезінде өтетін фазалық айналуларға үлкен әсерін тигізетіндігімен түсіндіруге болады.

Қажет қаттылықты алу үшін легірленген болаттарды көміртекті болаттарға қарағанда жоғары температурада жасытады (қайтарады).Бұл шынығу кернеуін толық жоюға мүмкіндік беріп қана қоймай болатта беріктік пен тұтқырлықтың жақсы үйлесуіне мүмкіндік береді. Сондай-ақ легірленген болаттардың механикалық қасиеттерінің ұсақ қимадағы көміртекті болаттардың механикалық қасиеттерінен айырмашылығы шамалы.

Легірленген болаттардың ірі қимадағы механикалық қасиеттері көміртекті болаттардың механикалық қасиеттерінен жоғары. Легірлеуші элементтер аққыштық шегін , салыстырмалы жіңішкеруінжәне соққы тұтқырлығын КСU арттырады. Легірленген шынығудың болаттар жылдамдығы ең төмен, демек қыздырылуы жоғары.

Легірленген болаттарды қимасы шағын күрделі пішінді бұйымдар үшін қолданады. Легірленген құрылымдық болаттарды цифрлар мен әріптермен белгілейді, мысалы, 15Х, 45ХФ,12ХН3А,20Х2Н4А,18ХГТ және т.б. Марка алдындағы екі санды цифрлар көміртектің пайыздың жүздік үлесіндегі орташа мөлшерін көрсетеді. Цифрдың оң жағындағы әріптер легірлейтін элементті көрсетеді: Г – марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Ф – ванадий, М – молибден, Ю – алюминий, Т – титан, Р – бор, Д – мыс, П – фосфор. Әріптерден кейінгі цифрлар тұтас пайызбен сәйкес легірлеуші элемент мөлшерін көрсетеді; егер легірлеуші элемент мөлшері 1,0 – 1,5 % және одан төмен болса, онда цифр қойылмайды.

Легірленген құрылымдық болаттардың негізгі массасын әрқайсысы 0,035 % күкірт пен фосформен балқытады.жоғары сапалы легірленген болаттар құрамында зиянды қосылыстар аз (күкірт пен фосфор 0,025 % - дан әрқайсысы). Машина құрылысында қолданылатын құрылымдық легірленген болаттар көміртектілер сияқты цементтейтін және жақсартатын болып бөлінеді.

Цементтейтін легірленген болаттар. Цементтейтін бұйымдар үшін көміртек мөлшері 0,10 – 0,32 % аз көміртекті легірленген болаттар қолданылады. Цементеуден, шынығудан, жасытудан кейін бұл болаттардың цементтелген қабатының қаттылығы НВ 578 – 627, ал өзегі қаттылығы НВ 293-331. Цементтелген болаттардың өзегі жоғары механикалық қасиеттерге ие, әсіресе, аққыштық шегі жоғары. Бұл болаттарды ауыр жүктелген бөлшектерге , соның ішінде беттік қабаты қатты және өзегі жеткілікті мықты бөлшектерде қолдану тиімді.

Хромды (20Х), хромникельді (12ХН2) болаттарды жоғары жүктемеде тозуға дейін жұмыс істейтін шағын және орташа көлемді бөлшектерді (втулкалар, валиктер, осьтер, жұдырықшалар, муфталар, поршеньді саусақтар және т.б.) дайындауға қолданады.

Хромникельді (12ХН3А, 20Х2Н4А), хроммарганецтитанды (18ХГТ , 25 ХГТ, 30ХГТ), хромникельмолибденді (18Х2Н4МА) болаттарды жоғары жүктемеде тозуға дейін жұмыс істейтін (тісті дөңгелектер, поршеньді саусақтар, осьтер, роликтер) орташа және үлкен көлемді детальдар үшін қолданады. Цементтейтін хроммарганецтитанды болаттарды қымбат хромникель болаттар орнына қолдануға болады.

Жақсартылатын легірленген болаттар. Құрамында 0,8 -1,1 % мөлшерде хромы бар 38Х ,40х, 45Х, 50Х маркалы хромды жақсартылған болаттар кеңінен қолданылады.

Жоғары мықтылығына байланысты бұл болаттарды коленвалдарды, тісті дөңгелектерді, осьтерді, валиктерді, рычагтарды, втулкаларды, бұрандаларды, гайкаларды дайындауға қолданады. Хромды болатқа молибден мен ванадийді әрқайсысы 0,01 – 0,2 % мөлшерде (40ХМФА) қосу арқылы механикалық қасиеттерін, әсіресе , тұтқырлығын арттырады. Бұл болат жоғары динамикалық жүктемелерде жұмыс істейтін (шатулдар, шестерналар) бұйымдар үшін қолданылады.

38Х2Н2МА, 40ХН2МА маркалы хромникельмолтбденді болатжаөсы тұтқырлық жағдайында жоғары мықтылыққа, жоғары шаршау беріктігіне ие; оны жоғары динамикалық жүктемелер жағдайында жұмыс істейтін қатты жүктелген бөлшектерді дайындауға қолданады.Жиі қолданылатын легірленген жақсартылған болаттардың термиялық өңдеудің әртүрлі түрінен кейінгі микроқұрылымы 2.31. 2.32, 2.36 – 2.45 суреттерінде (2 қосымша) берілген.

6-тақырып.Арнайы болаттар мен қорытпалар