книги / Основы металловедения и термообработки
..pdfПовышая 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