Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Основы металловедения и термообработки

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.28 Mб
Скачать

Повышая прочность стали (ств до 2400 МПа), ВТМО умень­ шает ее чувствительность к наличию трещин (К|с возрастает на 20-50 %), снижает порог хладноломкости, повышает сопротивле­ ниеусталости и задерживает разупрочнение стали при отпуске.

Для ВТМО пригодны все конструкционные стали. Предель­ ноеупрочнение стали достигается при деформации 20-40 %.

При НТМО деформация проводится в области температур наибольшей устойчивости аустенита (400-600 °С), когда рекри­ сталлизация наклепанного аустенита не происходит. Однако ско­ рость охлаждения после деформации должна обеспечить получе­ ние мартенситной, а не бейнитной структуры. НТМО дает боль­ шее упрочнение (ств до 2800 МПа), чем ВТМО, но проведение ее технологически более сложно, так как требуются большие обжа­ тия (£ 50 %), а аустенит при 400-600 °С уже не столь пластичен.

НТМО применяют для изделий небольшого сечения и про­ стой формы (лист, лента, прутки). Кроме того, НТМО может про­ водиться только на легированных сталях с большой устойчиво­ стью переохлажденного аустенита.

Дополнительное упрочнение стали способом деформационно­ го старения мартенсита осуществляется холодной деформацией низкоотпущенного мартенсита (5-15 %) с последующим старени­ ем (200 °С, 2 ч). Этот способ дает значительное повышение преде­ ла текучести («Год возрастает на 25 %) даже при малых степенях деформации. Наиболее высокая прочность стали (ав » 3000 МПа) полученадеформационным старением мартенсита после ВТМО.

Одно из наиболее эффективных направлений повышения комплекса механических свойств высокопрочных сталей - это по­ вышение степени их очистки от примесей (S, P, N, 0 2, Н2) и неме­ таллических включений (оксиды, сульфиды, селикаты и т.п.), дос­ тигаемое, например, вакуумнодуговым переплавом (ВДП) или электрошлаковым переплавом (ЭШП). Так, сталь 40ХГСНМФ прочностью а в = 2000 МПа после ВДП повышает пластичность (ц/) с 15 до 25 %, а предел усталости (сг_0 с 620 до 900 МПа.

8.7. Мартенситностареющие стали

Особый класс высокопрочных сталей - мартенситностарею­ щие стали - превосходят по конструкционной прочности и техно­ логичности среднеуглеродистые стали. Их основа - безуглеродистые (< 0,03 % С) сплавы железа с никелем (8-25 % Ni), легирован­ ные Со, Mo, Ti, Al, Сг и другими элементами (примеры основных типов сталей приведены в табл. 12). Углерод в них является вред­ ной примесью, резко снижающей пластичность и вязкость.

Т а б л и ц а 12

Состав, механические свойства высокопрочных мартенситностареющих сталей

Сталь

Состав

ао^

<*в

5

 

кси КС

К1С

 

 

 

 

 

т

 

 

 

МПа

 

%

МДж/м2

М Пам,д

03Н18К9М5Т

18Ni; 9Со; 5Мо;

1900

2100

8

50

0,5

0,20 75-85

0,9Ti

03Н12К15М10

12Ni; 15Со; ЮМо 2400

2500

6

30

0,30

-

-

03Х11Н10М2Т

ИСг; 10Ni; 2Мо;

1550

1600

8

50

5

0,21

90-105

 

0,9Ti; 0,2А1

 

 

 

 

 

 

 

Примечание: 1. содержание углерода й 0,03 %, но обычно стремятся иметь С < 0,01 % за счет использования чистой шихты и вакуумноиндукционной выплавки; 2. нержавеющая мартснситностарсющая сталь 03X11Н10М2Т имеет аустенитно-мартенситную структуру.

Высокая прочность этих сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситным превращением при охлаждении аустенита ((у -> а)-превращение) и последующим старением мартенсита. Небольшой вклад в упрочнение вносит легирование a -твердого раствора.

Закалка мартенситностареющих сталей дает малопрочной пла­ стичный мартенсит, так как он, в отличие от мартенсита обычных сталей, не является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в a -фазе. Его прочность (ств « 1100 МПа) обусловлена лишь фазовым наклепом при мартенситном (у —> а)-превращении

152

по бездиффузионному сдвиговому механизму. Окончательное упрочнение стали (ств » 2000 МПа) достигается старением при 480-500 °С (3-4 ч), когда в мартенситной структуре мелкозер­ нистые фазы типа Ni3Ti, Fe2Mo, NiAl, Ni3Mo и др.

Маргенситностареющие стали обеспечивают высокую конст­ рукционную прочность изделий в широком диапазоне температур от криогенных до 450 °С, так как они малочувствительны к кон­ центраторам напряжений и имеют высокое сопротивление хруп­ кому разрушению (низкая температура порога хладноломкости). Несмотря на высокую стоимость, эти стали применяют для наибо­ лее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судо­ строении. Пружины из этих сталей применяют в приборостроении.

Маргенситностареющие стали весьма технологичны. Они обладают неограниченной прокапиваемостью, хорошо сварива­ ются, до старения легко деформируются и обрабатываются ре­ занием. Поскольку при упрочняющей термообработке (старе­ нии) детали из этих сталей практически не изменяют размеров и не дают коробления, а окисление поверхности незначительно, то часто окончательная механическая обработка деталей в тер­ моупрочненном состоянии не проводится.

8.8. Метастабильные аустенитные стали

(трипстали)

Это новый класс сталей повышенной пластичности. Высокая легированность сталей (марки типа 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г2С2) настолько повышает устойчивость аустенита (температура М„ ниже 0 °С), что после закалки с 1000-1100 °С сохраняется ау­ стенитная структура, обладающая высокой вязкостью, но низ­ ким пределом текучести (aûi2). Для упрочнения стали подверга­ ют значительной пластической деформации при температуре 400-600 °С, лежащей ниже температуры рекристаллизации. При этом наклеп сопровождается выделением дисперсных кар­ бидных частиц, что дает дополнительное упрочнение. В резуль-

тате предел текучести стали повышается до 1800 МПа, но со­ храняется высокая пластичность (8 > 20 %) и трещиностойкость (К1С^170М П а-мш).

Высокие значения 5 и К|С стали объясняются тем, что по­ сле теплой деформации аустенит становится менее устойчивым и при последующем нагружении деформация деталей или об­ разцов вызывает образование мартенсита в локальном деформи­ руемом микрообъеме (например, в вершине трещин). В резуль­ тате прочность стали в этом месте резко возрастает и деформа­ ция распространяется на соседние участки.

Применение метастабильных аустенитных сталей ограничено, так как для проведения процессов деформационно-термического упрочнения реальных деталей или заготовок необходимо иметь мощные деформирующие средства. Из этих сталей получают бро­ невой лист, проволоку тросов, профильные заготовки и др.

Сравнительная оценка высокопрочных сталей различных классов по прочности и соответствующей ей пластичности и трещиностойкости (рис. 89 и 90) показывает, что наибольшей прочно­ стью обладают среднеуглеродистые стали после ТМО, наибольшей пластичностью и вязкостью разрушения при сравнимых значениях прочности - метастабильные аустенитные стали.

Рис. 89. Соотношение между пределом текучести и пластичностью высокопрочных сталей: 1 - среднеуглеродистых, упрочненных ТМО; 2 - мартенситно-стареющих; 3 - среднеуглеродистых легированных без ТМО; 4 - метастабильных аустенитных

Рис. 90. Вязкость разрушения высокопрочных сталей: I - метастабильных аустенитных;

2 - мартенситно-стареющих; 3 - хромоникелевых

сплавы стали

Рис. 91. Достигнутые уровни прочности стали и сплавов: А - после закалки и отпуска (старения); В - после ТМО

Представляет интерес сравнение стали с другими конст­ рукционными сплавами по достигнутому уровню прочности (ов) и удельной прочности (а^) (рис. 91). Следует отметить, что по удельной прочности высокопрочные стали уступают совре­ менным композиционным материалам.

8.9. Рессорно-пружинные стали

Основным требованием, предъявляемым к рессорно­ пружинным сталям, является высокий предел упругости (теку­ чести, ат), высокий предел выносливости (CT_I ) и сохранение уп­ ругих свойств в течение длительного времени. В пружинах

ирессорах используются только упругие свойства стали и, так как пластическая деформация не допускается, свойства пла­ стичности и вязкости стали менее существенны.

Высокие упругие свойства обеспечиваются при содержании 0,5—0,7 % углерода и трооститной структуре, получаемой закал­ кой и средним отпуском при 350-450 °С. Стали для пружин

ирессор обычно легируют кремнием и марганцем, иногда в соче­ тании с другими элементами: 65, 70, 65Г, 60С2А, 70СЗА, 60СГ, 40ХФА, 50ХФА, 65С2ВА, 60С2ХФА и др. Легирование имеет целью обеспечить прокаливаемость и упрочнить феррит (осо­

бенно эффективен Si). Наличие в стали ванадия (~ 0,15 %) дела­ ет ее мелкозернистой, что заметно повышает предел текучести.

После термообработки углеродистые стали имеют значения

а 0,2 = 800-1000 и ав =

1000-1200 МПа, а легированные -

сг0д = 1100—1600 и Ов =

1300-1800 МПа при одинаковой пла­

стичности (5 = 5-8 % и у = 25-35 %).

Весьма важная для работоспособности рессор и пружин ха­ рактеристика «предел выносливости» может быть значительно повышена дробеструйной обработкой, дающей поверхностный

наклеп. Остаточные сжимающие напряжения в поверхностных слоях повышают предел выносливости в 1,5-2 раза.

Наилучшие механические свойства пружинной проволоки достигаются холодной протяжкой предварительно патентированной проволоки из углеродистой стали. Патентирование за­ ключается в изотермической закалке с 800-900 °С в ваннах с температурой среды до 500-600 °С. Получаемая при патентировании структура мелкозернистого сорбита и троостита после холодной протяжки проволоки через фильтры дает очень высо­ кую прочность (ав = 3000-4500 МПа) и упругость при доста­ точном запасе пластичности.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых ста­ лей работают при температуре не более 200 °С. При нагреве до 300 °С используют пружины из стали 50ХФА, при температурах до 500 °С - из стали ЗХ2В8Ф, до 600 °С - из стали Р18.

Для работы в агрессивных средах пружины изготовляют из коррозионно-стойких сталей типа 40X13,95X18 и др.

Имеющие весьма высокий предел текучести мартенситностареющие стали применяют для пружин, работающих в крио­ генных условиях.

8.10. Износостойкие стали

Высокая твердость поверхности - необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнаши­ вания, особенно при абразивном, усталостном, окислительном.

Такие изделия массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса, обнаруживают износ вследствие ус­ талостного выкрашивания на рабочих поверхностях из-за цик­ лических контактных напряжений сжатия. Высокая контактная выносливость может быть обеспечена высокой прочностью (твердостью) поверхности. Высокая твердость необходима так­

же для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании.

Подшипники качения работают, как правило, без ударных нагрузок, что позволяет изготовлять их из сравнительно хруп­ ких высокоуглеродистых сталей, дающих высокую твердость после закалки и низкого отпуска.

Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные стали ШХ4, ШХ15, содер­ жащие 1 % С, хром (0,4; 1,5; 2,0 %), также содержащие кремний (до 0,85 %) и марганец (до 1,7 %) (для прокаливаемости больших сечений) стали ШХ15ГС и ШХ20ГС. Сталь электрошлакового пе­ реплава (например, ШХ15-111) применяют для подшипников высо­ коточных приборов. Эти стали подвергают закалке с 820-850 °С, последующей обработке холодом при -70 °С и низкому отпуску при 150-170 °С. Структура мартенсита с включениями мелких кар­ бидовдает высокую твердость HRC 60-64.

Детали крупногабаритных подшипников диаметром 0,5-2 м изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их цемен­ тации на большую глубину (3-6 мм) и последующей термообра­ ботке для получения высокой твердости цементованного слоя.

Подшипники, используемые для работы в агрессивных сре­ дах, изготовляют из нержавеющей стали 95X18.

Для зубчатых колес важна не только контактная выносли­ вость, но и сопротивление усталости при изгибе. Сочетание твер­ дой поверхности и вязкой сердцевины достигается химико­ термической обработкой низкоуглеродистых сталей или поверх­ ностной закалкой среднеуглеродистых сталей.

Толщина цементованного слоя поверхности зубчатых колес не превышает 2 мм. После термообработки твердость поверхно­ сти составляет HRC 58-63, сердцевины - HRC 30-42.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600 мм и более (редукторы вертолетов, самолетов, судов) изготовляют из цементуемых сталей 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.

158

Для мелких и средних зубчатых колес (приборы, сельскохозяй­ ственные машины) применяют цементуемые стали 1SX, 15ХФ, 20ХР и др. В массовом производстве (авто- и тракторостроение) применяют экономно легированные стали 18ХГТ, 30ХГТ,25ХМ, 20ХНМ, 20ХГР и др. Стали подвергают нитроцементации при несколько меньшей температуре, чем цементация, и закаливают непосредственно с нитроцементационного нагрева.

Высокую твердость поверхности обеспечивает азотирова­ ние, но из-за небольшой толщины азотированного слоя (до 0,7 мм) оно целесообразно для средненагруженных зубчатых колес сложной конфигурации, шлифование которых затруднено. Дело в том, что азотирование деталей относительно низкотемпера­ турный процесс и проводится после упрочняющей термообра­ ботки (улучшения), вследствие чего не требуется припусков на последующую механическую обработку деталей. Для азотиро­ ванных колес применяют стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др. Высокую твердость азотированного слоя обусловливают дис­ персные нитриды Сг, V и особенно нитриды А1 (в стали 38Х2МЮА содержится ~ 0,9 % А1).

Поверхностной и объемной индукционной закалке с после­ дующим низким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей 50Г, 40Х, 40ХН и др., а также из сталей пониженной прокапиваемости 55ПП (0,15 % Сг, 0,20 % Мп, 0,30 % Si). При интенсивном охлаждении водой получается зака­ ленная поверхность на глубину 1-2 мм с твердостью HRC 58-62 итроостито-сорбитная сердцевина с твердостью HRC 40-30 при достаточной вязкости.

Для деталей, испытывающих абразивный износ, но без ударных нагрузок используют сплавы У25Х38, У30Х23Г2С2Т (содержание углерода 2,5 и 3,0 %), имеющие мартенситную структуру и карбиды. Сплавы с повышенным содержанием мар­ ганца У37Х7Г7С, У11Г13, У30Г34, имеющие аустенито-мартен­ ситную или аустенитную матрицу и карбиды, используются

159

в деталях, испытывающих значительные ударные нагрузки (зу­ бья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.).

Для траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей, испытывающих трение с высоким давлением и ударными нагрузками, применяют аустенитную сталь 110Г13Л (1,1 % С и 13 % Мп). Высокая износо­ стойкость этой стали обусловлена наклепом аустенита при работе. Ее твердость возрастает с НВ 2000 после закалки с 1100 °С до НВ 6000 в наклепанной поверхности. Из-за плохой обрабатываемо­ сти резанием детали из этой стали получают литьем или ковкой.

8.11. Стали с улучшенной обрабатываемостью

резанием - автоматные стали

Для улучшения технологических свойств стали, в частно­ сти для улучшения ее обрабатываемости резанием, проводят специальное легирование. Обрабатываемость стали резанием очень важна для массового производства, где широко применя­ ют автоматические линии.

Обрабатываемость резанием часто оценивается максималь­ ной скоростью резания, соответствующей допустимой степени износа режущего инструмента.

Допустимая скорость резания снижается с увеличением твердости обрабатываемой стали, поскольку увеличивается уси­ лие резания и температура разогрева инструмента, что разупрочняет его режущую кромку и снижает стойкость. Трудность обработки слишком пластичных сталей связана с нагревом ин­ струмента скользящей по нему неломающейся стружкой и на­ липанием металла (нароста) на режущей кромке. При этом сни­ жается чистота обработанной поверхности.

Для повышения обрабатываемости среднеуглеродистых сталей проводят нормализацию, формирующую благоприятную

160