Вакуумная металлургия

до 350 час. для подшипников, изготовленных из стали, выплавленной в вакууме. Большое значение имеет более резкий наклон кривой вероятности срока службы для подшипников из стали, выплавлен­ ной в вакууме.

Представляет интерес также преждевременное разрушение подшип­ ников за срок службы, меньший чем 10 час. Случаи подобного разрушения редки для подшипников из стали, выплавленной на в здухе, и фактически исключаются для подшипников из стали, выплавленной в вакууме. Кобб определил срок службы подшипников из выплавленной в вакууме инстру­ ментальной стали, испытанных при повышенной температуре 200°. Указы­ вается, что срок службы этих подшипников такой же, как у подшипников из стали 52 100, выплавленной в вакууме и испытанной при 55°.

Эти результаты представляют интерес как для промышленности, выпускающей подшипники, так и для потребителей. Однако разные теоретические объяснения улучшения механических свойств подшипников не всегда согласуются между собой. Некоторые исследователи [3—6] приписывали улучшение свойств металлов, выплавленных в вакууме, низ­ кому содержанию неметаллических включений.

Кьеррман [7] при сравнении стали 52 100, выплавленной дуплекспроцессом и содержащей 0,007% N2, со сталью 52100, содержащей 0,01 %N2, отметил заметное увеличение сопротивления усталости при пониженном содержании азота. Таким образом, по-видимому, нужна эксперименталь­ ная проверка того, какое из двух предположений может быть приме­ нено к выплавленной в вакууме подшипниковой стали. Опытные дан­ ные свидетельствуют о том, что крупные включения вызывают преж­ девременное разрушение металла. Однако низкое содержание газа, в особенности азота, является фактором, благоприятствующим продле­ нию срока службы подшипников.

РАЗРЫВНЫЕ СВОЙСТВА

Известно, что результаты испытаний образцов, вырезанных из бруска (или поковки) вдоль или поперек направления механической обработки будут сильно отличаться после термообработки, проведен­ ной для увеличения твердости.

Пределы прочности и текучести в обоих направлениях отличаются не сильно. Однако относительное удлинение и сужение в поперечном направлении имеют значительно меньшие значения. Эти два свойства являются основной характеристикой вязкости. При аналогичных испыта­ ниях сплава, выплавленного в вакууме, разница в значении вязкости в продольном и поперечном направлениях очень небольшая. Действительно., пластичность в поперечном направлении для сплава, выплавленного в вакууме, равна или больше пластичности в продольном направлении для сплава, выплавленного на воздухе. Это показано в табл. 3 и 4. На фиг. 5 представлена зависимость поперечного сужения от предела прочности на растяжение. В табл. 3 приведены данные для прошедшей термообра­ ботку стали 4340, выплавленной на воздухе и в вакууме; предел проч­ ности этой стали составлял 203 кг/мм2.

Пределы прочности в обоих направлениях отличаются очень незначи­ тельно, однако вязкость в поперечном направлении различается очень сильно. Сталь 4340, выплавленная в вакууме, дает увеличение отно­ сительного удлинения в поперечном направлении по сравнению с вы­ плавленной на воздухе с 5 до 10,5%, в то время как сужение воз­ растает с 17 до 40%. Увеличение вязкости также наблюдалось и в про­ дольном направлении, хотя и в меньшей степени.

Таблица 3

Механические свойства стали 4340, выплавленной на воздухе и в вакууме

Все образцы были подвергнуты термообработке: нормализация с 880°, 2 часа гомогенизация при 840°, 2 часа закалка в масло и отпуск при 175°.

Таблица 4

Сравнение механических свойств сплава TJHS-260, выплавленного на воздухе и в вакууме1*

Все образцы подвергались гомогенизации при 930° в течение 1 часа, закалке в масло и отпуску при 290е в течение 2 час.

х> Анализ сплава: 0,35% С; 1,25% Мп; 1,85% Si; 1,25% Сг; 0,20% V и 0,35% Мо.

Результаты, полученные для выплавленной в вакууме стали 4340, справедливы и для других материалов на основе железа. В табл. 4 приведе­ ны данные для выплавленного на воздухе и в вакууме сплава UHS-260, который подвергался термообработке на предел прочности 180 кг/ммй. Этот сплав обладает наиболее высокой прочностью по сравнению со спла­ вами, выпускаемыми фирмой «Крусибл стил компанш (США). Приве­ денные данные показывают, что вакуумная плавка увеличивает относи­ тельное удлинение в поперечном направлении приблизительно до 210%, а сужение примерно на 300%. Однако увеличение вязкости в продоль­ ном направлении также незначительно.

На фиг. 6 представлена зависимость предела прочности при разрыве надрезанного образца от предела прочности образца без надреза. Эти данные, показывающие относительную нечувствительность к надрезу образца из выплавленного в вакууме сплава 4340 при всех пределах проч­ ности, по сравнению с данными работы [8] для образца из выплавленного на воздухе этого же сплава являются важным доказательством улучше­ ния его вязкости. Ковкость металла характеризуется также ударной вязкостью. Риз и Гопкинс [9] установили вредное влияние кислорода на ударную вязкость. Их данные показывают, что температура перехода из состояния хрупкости в состояние пластичности для чистого железа

Фиг . 7. Изменение температуры перехода из хрупкого состояния сплавов № 14 и 15.

уменьшается с 90 до —10° при снижении содержания кислорода с 0,01 до 0,001%. Подобные результаты были получены и для других материалов. На фиг. 7 показано изменение температуры перехода из хрупкого состоя­ ния в пластичное для сплавов № 14 и 15. Температура перехода после выплавки в вакууме приблизительно составляет —50° по сравнению с температурой в 125° для сплава, выплавленного на воздухе. Ударная вязкость при комнатной температуре для различных сплавов, выплавлен­ ных в вакууме и на воздухе, представлена в'табл. 5.

Таблица 5

Сравнение ударной вязкости сплавов, выплавленных в вакууме и на воздухе

С — образцы Шарли с V-образным надрезом; I — образец Изода с V-об-

разным надрезом.

Цифры в скобках относятся к поперечному направлению.

Мур [1] обнаружил явное улучшение ударной вязкости для всех выплавленных в вакууме сплавов, а' также для тех выплавленных на воздухе сталей, температура перехода которых из хрупкого состояния в вязкое ниже комнатной.

СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ

Рядом исследований была обнаружена точечная коррозих, локализо­ ванная у крупных неметаллических включений. В связи с этим надо полагать, что выплавленные в вакууме наржавеющие стали будут иметь

60

50

«о ko в*

1 30

I 20

о

Ю%Сг-10%Ш 2S%Cr-25%Ni 167<.Cr-77%Ni-zy.Ti

Фиг . 8. Улучшение сопротивления коррозии металлов, выплавленных в вакууме.

лучшее сопротивление коррозии. В настоящее время пока нет оконча­ тельных данных, характеризующих лучшее сопротивление коррозии у выплавленных в вакууме нержавеющих сталей, Таушек [11] сообщил об улучшении сопротивления коррозии низколегированной стали, пред­ назначенной для клапанов (см. фиг. 8). Однако в высоколегированных сталях не обнаружено улучшения сопротивления коррозии в металле, выплавленном в вакууме. Сварные конструкции из нержавеющей стали, выплавленной в вакууме, имеют улучшенные данные сопротивления кор­ розии. Выплавленные в вакууме нержавеющие стали содержат менее 0,01% углерода, что гораздо ниже, чем в сталях, выплавленных на воздухе; при таком содержании углерода образование карбидов незначительно.

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Испытания на длительную прочность обычно проводят с жаропрочны­ ми материалами, однако исследование этого свойства имеет существенное значение и для других сплавов на основе железа, особенно для аустенит­ ных нержавеющих сталей. В работе Монкмэна и Гранта [12] показано влияние углерода и азота на длительную прочность аустенитной нержа­ веющей стали. Эти данные, полученные в результате испытания образца при напряжении 10,5 кг/мм2 и 700°, показывают умень" ение времени до разрыва с 1000 час. при содержании С + N = 0,005% до 20 час. при содер­ жании С + N = 0,08%.

В табл. 6 представлены данные о длительной прочности при 700° хромоникелевых нержавеющих сталей [13], выплавленных на воздухе и в вакууме. Следует заметить, что для этой стали, выплавленной на воздухе, время до разрыва образца составляет 23 часа, а для такой же стали,

Предел усталости равен 66,5 кг/мм2 для сплава, выплавленного на воздухе, и 84,0 кг/мм2 для сплава, выплавленного в вакууме, т. е. происхо­ дит увеличение на 25%. Однако твердость сплава 6150, выплавленного в обычных условиях, следовало бы поддерживать в пределах Нцс = 45—48 для получения определенной вязкости рессор, предохраняющей их от разрушения в результате хрупкости. Согласно этим данным, твердость сплава 6150, выплавленного в вакууме, может быть доведена до HRC= = 50—53 и выше, причем вязкость сплава будет такой же, как и в случае выплавки его в обычных условиях.

Поскольку предел усталости прямо пропорционален пределу проч­ ности при растяжении, надо полагать, что предел усталости сплава, выплавленного в вакууме, будет превышать 105 кг/лш2.

В заключение следует отметить, что сплавы на железной основе, выплавленные в вакууме, несомненно, представляют интерес для промы­ шленности. Их характеристики в общем оправдывают более высокую их стоимость. Тем не менее дальнейшее развитие вакуумной техники необ­ ходимо совершенствовать для более полного использования преимуществ сплавов, выплавляемых в вакууме.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.М о о г е I. Н., “Vacuum Induction Melting”, paper presented at CVT Vacuum Symposium, 1956.

2. M о о г e I. H., Iron Age (April 2, 1953).

3.A k s о у A. M., “Effect of Vacuum Melting on Low Alloy Steels”, a paper presen­ ted at National Passenger Car Body and Materials Meeting, March 6, 1957.

4.R a n s o m I. T., Trane. ASM, 45 (1953).