книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Как видно из таблицы, наиболее перспективными являются молибденовые сплавы, легированные титаном и цирконием, ко­

В Советском Союзе разработаны и находят применение мо­ либденовые сплавы BMl и МВ2.

Зависимость механических свойств молибдена и молибдено­

вых сплавов BMl и ВМ2 от температуры показана на фиг. 81.

Как видно из графика, сплав ВМ2 обладает более высокими

механическими свойствами, чем сплав BMl.

Температура испытания,υ C

Фиг. 81. Механические свойства молибдена и молибденовых сплавов

Сплав BMl готовится в виде листов толщиной до 0,1 мм и

трубок малых и средних диаметров толщиной стенки до 0,1 мм.

Сплав марки ВМ2 предназначается для изготовления прутков и

штамповок.

ПО

Из листов сплава BMl могут готовиться детали сложной

конфигурации путем вытяжки, гибки, отбортовки и выдавлива­

ния. Сплав сваривается аргоно-дуговой сваркой, может быть применена также сварка в атмосфере водорода и электронным

пучком в вакууме. В направленном металле повышается содер­ жание газов, что приводит к увеличению хрупкости сварного

шва.

Механические свойства молибденового сплава ВМ2 при раз­

ных температурах приведены в табл. 23.

Таблиц а 23

Механические свойства молибденового сплава ВМ2 при различных температурах

Из приведенных данных видно, что молибденовые сплавы

в интервале температур 500—1500° обладают высокими механи­

ческими свойствами.

Длительная прочность сплава ВМ2 при разных температу­

рах приведена на фиг. 82.

Сплав BMl кратковременно может работать при температу­

ре 1500°, а сплав ВМ2 при этой же температуре может работать до 100 час,, выдерживая напряжение до 10 kz mm2.

Существенным недостатком молибдена является его низкая сопротивляемость окислению при высоких температурах. Начи­

ная с температуры 450°, молибден заметно окисляется, а с 700°

он начинает быстро окисляться, что связано с интенсивным испа­

рением трехокиси молибдена MoO3. Скорость испарения окислов

странных литературных данных следует, что более жаростойки­ ми являются молибденовые сплавы, содержащие никеля более

15%, или хрома — более 20%, или кремния — более 10%. Но

жаростойкость этих сплавов недостаточная, скорость их окисле­ ния при температуре 982° в 100 раз меньше скорости окисления молибдена, но в 20 раз превосходит скорость окисления, обычно

допускаемую для жаростойких материалов; кроме того эти спла­

вы очень хрупкие.

Ul

Из покрытий наиболее перспективным является метод сили­ цирования, в результате которого образуется поверхностный слой из силицидов толщиной 0,03—0,04 мм, который при темпе­

ратуре 1000—1200° полностью защищает молибден от окисле­ ния, а при 1700° — гарантирует работу детали в течение 30 час. Положительные результаты также дает процесс плакирования

молибдена никелем или никелевым жаропрочным сплавом. Улуч­

шить жаростойкость молибденовых деталей можно также путем

напыления на их поверхность сплава на основе кремния или ни­

келя и бора.

Фиг. 82. Длительная прочность сплава ВМ2

Молибденовые сплавы могут применяться для изготовления

сопел ракетных двигателей и других деталей, работающих

кратковременно (0,5—1,0 час.) при температурах до 1800—1900°.

При длительной эксплуатации (до 30 час.) существующие мето­

ды защиты обеспечивают работу деталей до температуры 1700°.

4. Вольфрам и его сплавы

Вольфрам — металл серого цвета, один из наиболее туго­ плавких металлов. Более тугоплавкими являются углерод и кар­

биды циркония, гафния, ниобия и тантала.

Наиболее ценным качеством вольфрама, так же как и молиб­ дена, является его способность сохранять высокие механические

свойства при высоких температурах.

112

Большое влияние на механические свойства вольфрама ока­

зывает наличие примесей в металле. Они вызывают хрупкость и

повышают электросопротивление. Если вольфрам получать ме-

дотом зонной очистки при плавке электронным лучом, то пла­

стичность вольфрама повышается настолько, что 3-миллиметро-

используется для изготовления термопар, позволяющих измерять температуру в диапазоне 1200—2000°.

В коррозионном отношении вольфрам является мало стойким

металлом. Уже заметное окисление вольфрама на воздухе начи­

нается при температуре 400—500°. Пары воды окисляют воль­ фрам при температуре 600—700°. При нормальной температу­

ре вольфрам устойчив против действия соляной, серной, азотной

и плавиковой кислот, а также царской водки. При нагревании

до 80—100° вольфрам слегка взаимодействует с соляной и сер­

ной кислотами, сильнее разъедается азотной кислотой и царской

водкой. В смеси азотной и плавиковой кислот вольфрам быстро

растворяется.

В растворах щелочей при нормальной температуре вольфрам

устойчив, при нагревании щелочей происходит некоторое разъе­

дание. Интенсивное окисление вольфрама расплавленными ще­ лочами происходит при доступе воздуха или в присутствии окис­ лителей.

Основным преимуществом вольфрамовых сплавов является

их высокая жаропрочность, износоустойчивость и тугоплавкость.

Из данных, описанных в иностранной литературе, для повы­ шения жаропрочности вольфрама его легируют ниобием, тита­ ном, цирконием, рением и другими элементами, а также спекают

его с карбидом тантала и двуокисью тория.

Прочность вольфрама и ряда его сплавов при разных темпе­ ратурах приведена в табл. 24. Из таблицы видно, что наиболее жаропрочными вольфрамовыми сплавами являются сплавы, со­

держащие в качестве легирующих добавок ниобий, цирконий и

мость окислегіию при высоких температурах. Поэтому вольфра­ мовые сплавы для эксплуатации при высоких температурах надо

защищать от окисления специальными покрытиями. Из покры­

114

тий наиболее перспективными являются: силицирование, покры­

тие Al2O3 и ZrO2, а также тугоплавкие эмали.

Вольфрамовые сплавы в настоящее время находят все боль­

шее применение. Их применяют в высоковакуумной технике, в газовых турбинах, ракетных и реактивных двигателях, в атом­ но-энергетических установках, а также в качестве высокожаро­ прочных конструкционных сплавов.

Сплавы на основе вольфрама могут быть использованы в ле­

тательных аппаратах до температур порядка 2000—2500oC.

XlL ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Основным свойством стали, идущей для изготовления режу­ щего инструмента, является продолжительность сохранения ре­ жущей кромки. Чтобы режущая кромка инструмента при реза­ нии не изнашивалась, она должна обладать высокой твердостью,

не менее 60 единиц по HiRC.

Чтобы твердость режущей кромки инструмента при больших

скоростях резания не снижалась, сталь должна быть красно­

стойкой. Под красностойкостью обычно понимают способность

инструмента сохранять высокую твердость и режущие свойства при повышенных температурах резания. Красностойкость ин-,

струментальных сталей достигается легированием. Инструмен­

тальные стали обладают красностойкостью до 550—600°, спе­

циальные твердые сплавы — до 900—1000°.

Инструментальные стали можно разделить на три группы:

углеродистые, легированные и быстрорежущие. Углеродистые

инструментальные стали были рассмотрены в начале этой главы, ниже рассмотрим легированные инструментальные и быстроре­

жущие стали.

v 1. Легированные инструментальные стали

Основным легирующим элементом инструментальных сталей

является хром. Если необходимо, чтобы инструмент при закалке

не изменял своих размеров, его изготавливают из хромокремни­ стых хромомарганцовистых сталей. Кремний увеличивает вяз­ кость закаленной стали и повышает ее красностойкость. Марга­ нец, увеличивая количество остаточного аустенита, повышает

склонность стали к перегреву. Стали, легированные хромом и

кремнием или хромом и марганцем, обладают большей прокали-

ваемостью, чем хромистые стали.

В инструментальные стали вводят также вольфрам и вана­ дий. Они повышают сопротивление стали износу и уменьшают

чувствительность к перегреву. Углерод в количестве 0,8—!,3%.

обеспечивает высокую твердость инструментальных сталей. Состав некоторых легированных инструментальных сталей

приведен в табл.25.

плашек и роликов, волочильных досок, штампов холодной и горя­

чей штамповки. Наибольшая тверодсть стали, равная 64—65 еди­ ницам по HRС, получается при закалке с температуры 1050—1075°.

Однако более высокую твердость у этой стали можно получить

при закалке ее с температуры 1150° в масле с последующей об­

работкой холодом, при которой оставшийся аустенит превра­ щается в мартенсит. Отпуск стали Х12Ф1 производится при

200—220°, что снижает твердость до 62 единиц по HRC.

116

2. Быстрорежущая сталь

Основными легирующими элементами быстрорежущих ста­ лей являются хром и вольфрам. Другие элементы играют роль добавок, улучшающих свойства. Наиболее распространенной из

быстрорежущих является высоковольфрамовая сталь марки P18.

В среднем она содержит 0,75% углерода, 18% вольфрама, 4,2% хрома и 1,2'∙% ванадия.

После ковки сталь подвергается изотермическому отжигу.

Для этого ее нагревают до 860—900° и после соответствующей

выдержки охлаждают до температуры 700—7507 При этой тем­

пературе сталь выдерживают до окончания превращения аусте­

нита, которое заканчивается за 1,5—2,0 часа. Твердость после

отжига должна быть равной 20—26 единицам по HRC.

Фиг. 85. Режим термической обработки быстрорежу­ щей стали марки Р18

Термическая обработка быстрорежущей стали состоит из закалки с 1260—1280° и последующего отпуска при 560—580°. Схематически режим термической обработки быстрорежущей

стали приведен на фиг. 85. Наивыгоднейшей температурой на­

производят в масле, на воздухе или в струе воздуха.

Микроструктура стали при температуре нагрева под закал­

ку состоит из аустенита и нерастворившихся карбидов, после закалки — из мартенсита, карбидов и значительного количества

(30—40%) нераспавшегося остаточного аустенита.

Закаленная сталь обладает высокой твердостью (62—64

HRC), но красностойкость ее еще недостаточно высока, так как

в структуре содержится аустенит. Для увеличения красностой-

117

кости сталь подвергают отпуску. Отпуск при 300—400°, не вы­

зывая видимых структурных изменений, приводит к уменьшению твердости до 58—60 единиц по HRC (фиг. 86). Понижение твер­

дости в этом интервале температур отпуска связано со снятием

возникших при закалке внутренних напряжений.

Отпуск при 560—580° вызывает существенные превращения.

Во время выдержки при этой температуре из остаточного аусте­ нита происходит выделение карбидов. Остаточный аустенит

Фиг. 86. Изменение твердости стали PlS, закаленной с тем­ пературы 1280°, в зависимости от температуры отпуска

вследствие выделения карбидов обедняется и при последующем

охлаждении превращается в мартенсит. Происходит как бы вто­

ричная закалка. Эти процессы и приводят к увеличению твер­ дости (64—66 HRC) и красностойкости стали.

Режущие свойства быстрорежущей стали можно улучшить,

применяя низкотемпературное цианирование. Закаленный и от­

пущенный инструмент цианируют в жидких цианистых ваннах,

содержащих 50% NaCN и 50% KCN, при температуре 520—580°

в течение 10—15 минут. В результате цианирования на поверх­

ности образуется слой толщиной 0,03—0,06 мм, насыщенный

азотом и углеродом, что значительно повышает износостойкость

инструмента.

3. Твердые режущие сплавы

Характерной особенностью твердых сплавов является их ис­

ключительная красностойкость, доходящая до 1000°, и высокая

твердость, достигающая 90 единиц по HRC.

По способу изготовления твердые режущие сплавы делятся на литые (стеллиты) и металлокерамические, спекаемые (побе­ диты). Литые сплавы наплавляют на режущий инструмент, а ме­

таллокерамические припаивают.

118

Стеллиты содержат большое количество кобальта, вольфра­

ма и хрома. Наличие дефицитных кобальта и вольфрама делает

их дорогостоящими.

Состав основных литых твердых сплавов приведен в табл. 26.

Кобальт с вольфрамом образуют т-твердый раствор и метал­

лическое соединение CoW. Хром, соединяясь с углеродом, дает

карбиды. Микроструктура стеллита состоит из твердого раство­

ра на кобальтовой основе и эвтектики. Твердость стеллита равна

прессования и последующего спекания смеси порошков карбидов

тугоплавких металлов (вольфрама и титана) и металлического

кобальта. Карбиды размалывают на шаровых мельницах и сме­

не которого располагаются карбиды вольфрама и карбиды ти­

тана.

Состав и свойства некоторых металлокерамических твердых

119