Материаловедение и технология конструкционных материалов

150 Раздел I. Материаловедение

ной вязкостью в крупных сечениях (более 0,4 МДж/м2 на образцах с надрезом). Для выполнения этого важнейшего условия содер­ жание карбидообразующих элементов в стали ограничивается в ущерб таким свойствам, как износостойкость и теплостой­ кость (стали сохраняют твердость 45 HRC3 до 350...450 °С). Высо­ кая прокаливаемость достигается за счет легирования хромом, никелем, марганцем. К молотовым горячештамповым сталям относятся 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 4ХМФС.

Прессовый инструмент, штампы горизонтально-ковочных машин, а также матрицы пресс-форм литья под давлением изго­ тавливают из более легированных сталей, теплостойкость кото­ рых для твердости 45 HRC3 составляет 590...630 °С. Наиболее широко используются стали ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС, 5ХЗВЗМФС. Горячештамповый инструмент после закалки подвергают высо­ кому отпуску на твердость 38...46 HRC3 (молотовые штампы) и 45...50 HRC, (прессовый инструмент).

Быстрорежущие стали являются основным материалом для большинства режущих инструментов. Важнейшим свойст­ вом быстрорежущих сталей является теплостойкость, которая сочетается с высокой твердостью (до 70 HRCJ, износостойко­ стью и повышенным сопротивлением пластической деформации. Под теплостойкостью понимают способность стали при нагреве рабочей части инструмента в процессе эксплуатации сохранять структуру и свойства, необходимые для деформирования или резания обрабатываемого материала. Теплостойкость создается специальной системой легирования стали и закалкой с очень вы­ соких температур (для высоковольфрамовой стали до 1300 °С). Основными легирующими элементами являются вольфрам и его химический аналог молибден, который может замещать вольф­ рам в соотношении W : Мо = 1 : 1,4...1,5 (если содержание молиб­ дена в стали не превышает 5 %). Для большинства современных рационально легированных быстрорежущих сталей суммарное содержание вольфрама и молибдена принято в пределах 12 % [W + (1,4...1,5)Мо = 12]. Быстрорежущие стали легируют также хромом, ванадием, кобальтом и некоторыми другими элемента­ ми. Ранее говорилось, что быстрорежущие стали маркируют бу­ квой Р (от слова «рапид» — быстрый). Цифры после буквы Р указывают на содержание вольфрама в процентах. Другие леги­ рующие элементы обозначаются соответствующими буквами,

а их содержание в процентах — цифрами. Исключение представ­ ляет хром, который в количестве около 4 % находится практи­ чески во всех быстрорежущих сталях, однако в обозначении марки стали не указывается.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В их структуре помимо вторичных карбидов присутст­

вуют первичные карбиды эвтектического происхождения М6С,

мс, м23с6.

Помимо теплостойкости другим важнейшим свойством быст­ рорежущей стали является вторичная твердость, получаемая при отпуске. Отпуск на вторичную твердость сопровождается эффектом дисперсионного твердения, т.е. выделением при от­ пуске мелкодисперсных фаз-упрочнителей с карбидной природой. В результате твердость стали после отпуска возрастает. Для по­ лучения при закалке высоколегированного твердого раствора за счет более полного растворения тугоплавких карбидов быст­ рорежущей стали температура аустенизации должна быть высо­ кой — До 1300 °С для сталей с высоким содержанием вольфра­ ма. После закалки сталь сразу же подвергают многократному (обычно трехкратному) отпуску при 560 °С по 1 ч. Многократным отпуск делают для более полного и эффективного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Структура быстрорежущей стали после полной термической обработки представлена мартенситом отпуска, первичными и вто­ ричными карбидами. Рабочая твердость быстрорежущих сталей находится в пределах 62...68 HRC3 в зависимости от их системы легирования.

По главному показателю — теплостойкости — быстрорежу­ щие стали делят на три группы: умеренной, повышенной и по­ ниженной теплостойкости.

К сталям умеренной теплостойкости относятся Р18, Р12, Р6М5, Р8МЗ, которые сохраняют твердость 60 HRC3 до 615...620 °С. Эти стали предназначены для изготовления большинства режу­ щих инструментов, обрабатывающих стали и чугуны с твердостью 250...280 НВ.

Стали повышенной теплостойкости отличаются повышенным содержанием углерода или ванадия, а также дополнительно ле­ гированы кобальтом (Р6М5, Р8МЗ, Р12ФЗ, Р6М5К5, Р9М4К8Ф) и обладают теплостойкостью 640...650 °С. Они используются

для обработки сталей аустенитного класса либо обычных конст­ рукционных материалов, но с повышенными скоростями резания.

Третью группу образуют экономнолегированные и безвольфрамовые быстрорежущие стали пониженной теплостойкости: РЗМЗФ2, Р2М8, Р0М8. Главной особенностью этих сталей явля­ ется малое количество и специфический состав карбидной фазы, что делает сталь малочувствительной к масштабному фактору (т.е. прочность и вязкость меняются незначительно при увели­ чении диаметра проката до 80. ..100 мм) и допускает использова­ ние сравнительно низких температур закалки (1100...1150 °С). Поэтому эти стали рекомендуются для изготовления крупнога­ баритного инструмента, работающего с невысокими скоростями и подвергающегося при эксплуатации значительным динамиче­ ским нагрузкам.

Быстрорежущие стали, отличающиеся повышенным содер­ жанием углерода, ванадия, кобальта (например, Р7М2ФЗ-МП, Р9М4К8-МП), используют для обработки труднообрабатываемых материалов.

6.4.3. Стали специального назначения

Коррозионно-ст ойкие (нерж авеющие) ст али относятся к специальным сталям и идут на изготовление деталей, работаю­ щих под воздействием агрессивных сред. Эти стали при эксплуа­ тации должны обладать не только определенными механически­ ми свойствами, но и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее часто в таких случаях используются хромистые и хромоникеле­ вые стали.

Хромистые нержавеющие стали содержат 0,1...0,45 % угле­ рода и не менее 13 % хрома. Они сопротивляются коррозии при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водо­ проводной и речной воде, азотной и многих органических кисло­ тах. В морской воде они подвержены коррозионному растрески­ ванию.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Стали 12X13 и 20X13 доэвтектоидные и в отож­ женном состоянии их структура состоит из хромистого феррита и перлита. После закалки с температуры 1000...1100 °С в масле

иотпуска при 700...750 °С структура стали состоит из феррита

икарбидов хрома. Твердость стали 200...250 НВ. Эти стали хо­

рошо свариваются, штампуются и идут на изготовление лопа­ ток гидравлических турбин, емкостей, арматуры.

Сталь 30X13 эвтектоидная и имеет перлитную структуру, 40X13 — заэвтектоидная, в структуре которой дополнительно образуется легированный цементит и карбиды хрома. После закалкис 1000...1050 °Св масле и отпуска при 180... 200 °С струк­ тура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50...60 HRC3) и достаточной коррозионной стойкостью. Эти стали используются для изготовления шестерен, пружин, хирургиче­ ского инструмента и т.д.

Хромоникелевые нержавеющие стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к сталям аустенитного класса, в структуре которых иногда присутствуют карбиды хрома. Они используются

втех же средах, что и хромистые, но могут работать и при повы­ шенных температурах. Эти стали технологичны, хорошо обра­ батываются давлением и сваркой;

Структура сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля, а также вида термической обработки, которой они подвергнуты. Термическая обработка этих сталей заключается

внагреве и выдержке при 1100...1150 °С с целью более полного растворения карбидов в аустените и закалке в воде для предот­ вращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитной коррозии из-за малого содержания угле­ рода и дополнительного легирования титаном, поэтому их на­ зывают стабилизированными. Они используются в авиа-, судо- и машиностроении.

Жаростойкие и жаропрочные стали относятся к специаль­ ным сталям, которые предназначены для изготовления деталей, стойких к химическому разрушению поверхности при высоких температурах (выше 550 °С). Жаростойкостью называется спо­ собность материала сопротивляться химическому действию ок­ ружающей среды при высокой температуре.

При эксплуатации в среде нагретого воздуха и в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали, на поверхности металла образуется рыхлый оксид железа FeO. На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной пленки: если она пористая, окисление происходит интенсивно, если плотная, окисление замедляется или даже совершенно прекращается.

Хром, кремний и алюминий являются теми элементами, кото­ рые образуют плотные оксиды.

Для уменьшения интенсивности окисления сталей при повы­ шении рабочих температур необходимо увеличивать степень их легированности. Сталь 15X5 жаростойка до температур 700 °С; 12X17 — до 900 °С; 15X28 — до 1110...1150 °С. Структура ста­ ли на жаростойкость не влияет.

Жаропрочностью называется способность материала сопро­ тивляться пластическим деформациям и разрушению при вы­ соких температурах. Оценивается жаропрочность испытанием материала на растяжение при высоких температурах. Так как напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях по­ вышенных температур, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки, при тестировании материала учитывает­ ся время действия нагрузки. По сопротивлению пластической деформации определяется предел ползучести, а по сопротивле­ нию разрушения — предел длительной прочности. Например, предел ползучести о fД^0ооо = 100 МПа означает, что под действи­ ем напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С

вматериале появится пластическая деформация 1 %; предел длительной прочности а “ ооо = 130 МПа означает, что при темпе­ ратуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа

втечение 10 000 ч.

На повышение жаропрочности влияют:

□высокая температура плавления основного металла, нали­ чие в структуре сплава твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы;

□пластическая деформация, вызывающая наклеп;

□высокая температура рекристаллизации;

□термическая и термомеханическая обработка;

□введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, цезий, ниобий, цирконий в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.

Основными жаропрочными материалами являются перлит­ ные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, исполь­ зуемые при температурах 450...700 °С.

Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08...0,15 % уг­ лерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом До 1000 °С и отпуска при температуре 650...750 °С в течение 2...3 ч стали

имеют структуру пластинчатого перлита. Эти стали предназна­ чены для длительной эксплуатации при температуре 450...580 °С и используются главным образом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допусти­ мой деформацией 1 % за 104 или 105 ч.

Мартенситные жаропрочные стали содержат 0,10...15 % углерода, 10...12 % хрома и легированы молибденом, ванадием, ниобием, вольфрамом (20Х12ВНМФ, 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ). Стали, содержащие до 0,55 % углерода, 5...15 % хрома и 1.5...3 % кремния, получили название силъхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40Х10С2М. Жаропрочные свойства сильхромов воз­ растают по мере увеличения степени легированности сплава.

Стали мартенситного класса после закалки или нормализа­ ции с температур 950...1100 °С (для растворения карбидов) и от­ пуска при 600. ..740 °С имеют структуру легированного феррита и мелких карбидов. Эти стали глубоко прокаливаются и пред­ назначены для длительной эксплуатации при температуре до 600 °С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы), а также трубы и кре­ пежные детали.

Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 °С и отпус­ кают при 720...780 °С. Применяют сильхромы для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей моторов с рабочими температурами в интервале 600...900 °С. При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготав­ ливают из сталей аустенитного класса.

А у с т е н и т н ы е ст а ли (1 2 Х 1 8 Н 9 Т , 15Х 14Н 14В 2М , 10Х11Н20ТЗР) содержат около 0,1 % углерода и легированы хромом и никелем. Содержание хрома и никеля выбирают такое, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Такие элементы, как молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам и Др., вводят в сталь для повышения жаро­ прочности, так как они образуют карбидные и интерметаллидные фазы-упрочнители. В результате закалки с 1050...1200 °С получают высоколегированный твердый раствор. В процессе старения при 600...800 °С происходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применя­ ются для изготовления деталей, работающих при температуре 500...700 °С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т.д.).

7 ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

7.1.Обшее понятие о цветных металлах

Традиционно к цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и его сплавов, которые составляют группу черных металлов.

Цветные металлы и сплавы на их основе, несмотря на более высокую стоимость по сравнению со сплавами на основе железа, нашли широкое применение в различных отраслях машино­ строения. Это объясняется их уникальными физическими и хими­ ческими свойствами, а в ряде случаев высокой удельной прочно­ стью, что является определяющим фактором для таких областей, как авиа- и ракетостроение.

Для сравнения в табл. 7.1 приведены прочностные характе­ ристики представителей ряда цветных сплавов, бериллия и стали 03Х18К9М5Т.

Как следует из таблицы, удельная прочность сплавов на осно­ ве цветных металлов соизмерима, а иногда и выше, чем у высоко­ легированной стали. Если учесть высокую тепло- и электропро­ водность, хорошую коррозионную стойкость и технологичность большинства сплавов на основе меди, алюминия, титана и маг­ ния, можно легко объяснить их широкое распространение в тех­ нике.

7.2. Алюминий и его сплавы

А л ю м и н и й имеет гранецентрированную кубическую решетку, которая не претерпевает полиморфных превращений при нагреве. Температура плавления алюминия 660 °С. Этот металл имеет низкие плотность (2,7 г/см3) и прочность (ав = 100 МПа), высокие электро- и теплопроводность, пластичность (5 = 30 %) и корро­ зионную стойкость. Высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности плотной пленки оксида А 1 20 3 . Легирование медью, магнием, цинком, кремнием и реже лантаном, ниобием, никелем резко улучшает его меха­ нические и технологические свойства.

Алюминиевые сплавы широко применяются в пищевой про­ мышленности, автостроении, электротехнике, строительных конструкциях и криогенной технике, но их основная область применения — самолетостроение.

Высокочистый алюминий марок А995, А99, А97, А95, содер­ жащий 0,005...0,15 % примесей, используется в лабораторных целях и для приготовления особо чистых сплавов. Алюминий технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5 и АО с приме­ сями 0Д5...1 % применяют для получения технических сплавов. Постоянными примесями алюминия является железо и крем­ ний, с ростом содержания которых снижается пластичность, но растет твердость и прочность.

Сплавы на алюминиевой основе характеризуются хорошей технологичностью. Они хорошо обрабатываются резанием, легко свариваются, хорошо куются, многие из них обладают высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью (кроме спла­ вов А 1 —Си). А л ю м и н и й образует со многими легирующими эле­ ментами твердые растворы с ограниченной растворимостью, что позволяет применять для таких сплавов термическую обработку, состоящую из закалки на перенасыщенный раствор и последую­ щего старения.

На рис. 7.1 приведена диаграмма, характерная для системы алюминий — легирующий элемент. Точка К соответствует пре­ дельной растворимости легирующего элемента. Сплавы, распо­ ложенные левее точки К, имеют при нагреве однофазный твер­ дый а-раствор, который определяет их высокую пластичность. Эти сплавы относятся к деформируемым и делятся на деформи-