Технология конструкционных материалов

мелкодисперсные упрочняющиечастицы интерметаллидныхфаз (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др.), когерентно связанные с матрицей. В ре­ зультате такого механизма упрочнения сплавы обладают высокой прочностью и малой чувствительностью к надрезам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур — от криогенных до 450...500 °С. Они обладают высокой технологичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо свариваются, до старения легко деформи­ руются и обрабатываются резанием. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей в авиации, ракет­ ной технике, судостроении и как пружиннь^й материал в приборо­ строении.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пру­ жин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и текучести (а0 2 > 800 МПа) и сопротивлением усталости при достаточной пластичности (5 = 5%, \|/ = 20...25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легированы одним или несколькими эле­ ментами: 1,5...2,8 % кремния; 0,6...1,2 % марганца; 0,2...1,2 % хро­ ма; 0,1...0,25 % ванадия; 0,8...1,2 % вольфрама; 1,4...1,7 % никеля. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и зака­ ливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

Наиболее широко в промышленности применяются кремнистые стали типа 55С2, 60С2А, 70СЗА, из которых изготавливают пружи­ ны вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и др. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхности за­ готовок при горячей обработке, что снижает предел выносливости. Поэтому для высоконагруженных рессор и пружин применяют ста­ ли марок 60С2ХА, 50ХФА, 60СГА, 60С2Н2А с прокаливаемостью до 50...80 мм. Дополнительное легирование кремнистых сталей хро­ мом, марганцем, ванадием, никелем увеличивает их прокаливае­ мость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве.

Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троо­ ститилидеформационномуупрочнению после патентирования. Патентирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65...0,9 % углерода, и заключа­

ется в ее высокотемпературной аустенизации для получения однород­ ного аустенита и последующего пропускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450...550 °С.

Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности деталей, ра­ ботающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землеройных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывет усталостное выкрашивание на рабочих поверхно­ стях и излом деталей. Такой механизм изнашивания особенно актуа­ лен для подшипников, элементы которых изготавливают из шарико­ подшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % углерода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шарикоподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических включений.

Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зернистого перлита. За­ калку осуществляют с температур 820...860 °С в масле, отпуск — при 150...170 °С с выдержкой в течение 2...3 ч. Время между закалкой и отпуском не должно превышать 3 ч для уменьшения количества оста­ точного аустенита в закаленной стали. После окончательной термиче­ ской обработки твердость стали составляет 62...65 HRC3, структура — мартенсит с включениями мелких карбидов и остаточный аустенит (8... 15 %). Для стабилизации размеров деталей их обрабатывают холо­ дом при температурах -70...80 °С.

Детали машин, работающие в условиях абразивного изнашивания

ибольших ударных нагрузок, такие как корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничныхтракто­ ров, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали мар­ ки ПОИЛ (сталь Гадфильда), которая содержит 1... 1,4 % углерода

и12...14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, по­ этому изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (буква Л в марке стали). Сталь 11013Л подвергают закалке с 1100 °С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую твердость (220...250 НВ) и высокую вязкость. Высокая изно­

состойкость стали обеспечивается наклепом аустенитаГв поверхност­ ном слое в процессе работы в условиях ударного воздействия. В ре­ зультате твердость поверхности повышается до 600 НВ, а сердцевина остается вязкой.

5.4.2.Инструментальные стали

Кинструментальным сталям относятся легированные стали повышен­ ной прокаливаемости и специальные легированные стали — штамповые и быстрорежущие.

Легированные инструментальные стали в сЬответствии с особен­ ностями их химического состава условно можно отнести к трем груп­ пам. Первую группуобразуют стали X, 9ХС и ХВСГФ. Присадки хрома

вколичестве 1...1,5 % обеспечивают повышение прокаливаемости сталей. Кремний (до 1,6 %) дополнительно улучшает прокаливае­ мость и повышает отпускоустойчивость. Вбольшей степени условиям рационального легирования отвечает сталь ХВСГФ, дополнительно легированная вольфрамом, ванадием и марганцем. Она обладает

наилучшим комплексом свойств среди легированных инструмен­ тальных сталей (о„ = 2500...2700 МПа, сохраняет твердость 60 HRC3 до 250...260 °С).

Ко второйгруппе относятся стали 9Г2Ф, 9ХВГи ХВГ, отличающиеся повышенным содержанием марганца при нормальном (на уровне при­ меси) содержании кремния. Марганец, вызывая при закалке резкое снижение температурного интервала мартенситного превращения в стали, способствует сохранению повышенного количества остаточ­ ного аустенита в ее структуре. Как следствие, уменьшается уровень термических напряжений и деформаций при закалке инструмента. По этой причине стали получили название малодеформирующихся.

Втретьюгруппувходятстали В2Ф и ХВ4Ф, легированные вольфра­ мом и отличающиеся повышенной твердостью. У стали ХВ4Ф благо­ даря образованию в структуре наряду с цементитом карбидов М6С твердость после термической обработки достигает 68...70 HRC3. Тер­ мическая обработка инструмента, изготовленного из легированных сталей, заключается в отжиге, закалке и низком отпуске. Для вольф­ рамосодержащих сталей вместо отжига проводят высокий отпуск.

Из легированных сталей изготавливают крупногабаритный ин­ струмент, температура которого в процессе работы не превышает 150...200 °С. Номенклатура инструмента — круглые плашки, крупные

протяжки и зенкеры, обрабатывающие мягкие материалы, крупные вытяжные штампы, прошивные пуансоны и т. п. Сталь X используют главным образом для измерительного инструмента.

Штамповые стали подразделяются на две группы — стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Инструмент для деформацииметалла в холодном состоянии должен иметь высокуютвердость (> 58 HRC3). Для такого инструмента обычно используют стали со структурой низкоотпущенного мартенсита, со­ держащие около 1 % углерода. Штампы небольших размеров и про­ стой конфигурации с относительно легкими условиями работы из­ готавливают из углеродистых инструментальных сталей (штампы диаметром до 30 мм для высадки и вытяжки, деформирующие с не­ большой скоростью, чеканочные с глубокой гравюрой для обработки мягких цветных металлов и т. п.). Для аналогичных штампов, отли­ чающихся более сложной конфигурацией и более тяжелыми условия­ ми работы, применяют легированные инструментальные стали.

Для штампов холодного деформирования, работающих в условиях высокихдинамическихнагрузок, ирпсшьзуются специальные инстру­ ментальные стали повышенной ударной вязкости (6ХЗМФС, 6ХС, 6ХВ2С и 7X3). Отличительный признак химического состава этих сталей — пониженное содержание углерода, что и является залогом их повышенной вязкости.

Особую группу холодноиггамповых сталей образуют стали ледебуритного класса, отличающиеся повышенным содержанием хрома (Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ). Высокохромистые стали обладают повышенной прокаливаемостью (до 250 мм) и износостойкостью (за счет присутствия в структуре стали большого количества особо твер­ дых карбидов Сг32С3). Они используютсядля тяжелонагруженного холодноштампового инструмента, работающего с повышенной скоро­ стью. После закалки с температур 950... 1010 °С инструмент отпуска­ ют на твердость 60...63 HRC3 при 150...160 °С, а на 57...58 HRC3—при 260...275 °С.

Стали для штампов горячего деформирования, или, как их еще на­ зывают, молотовые, должны обладать повышенной ударной вязко­ стью в крупных сечениях (более 0,4 МДж/м2на образцах с надрезом). Для выполнения этого важнейшего условия содержание карбидооб­ разующих элементов в стали ограничивается в ущерб таким свойст­ вам, как износостойкость и теплостойкость (стали сохраняют твер­ дость 45 НИСэдо 350...450 °С). Высокая прокаливаемость достигается

за счет легирования хромом, никелем, марганцем. Представителями молотовых горячештамповых сталей являются 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 4ХМФС.

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

Быстрорежущие стали являются основным'материалом для боль­ шинства режущих инструментов. Важнейшим свойством быстрорежу­ щих сталей является теплостойкость, которая сочетается с высокой твер­ достью (до 70 HRC3), износостойкостью и повышенным сопротивле­ нием пластической деформации. Под теплостойкостью понимают способность стали при нагреве рабочей части инструмента в процессе эксплуатации сохранять структуру и свойства, необходимые для де­ формирования или резания обрабатываемого материала. Теплостой­ кость создается специальной системой легировация стали и закалкой с очень высоких 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 молибдена

встали не превышает 5 %). Для большинства современных рацио­ нально 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, ко­ бальтом и некоторыми другими элементами. Ранее говорилось, что быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова «рапид» — быст­ рый). Цифры после буквы Р указывают на содержание вольфрама

впроцентах. Другие легирующие элементы обозначаются соответст­ вующими буквами, а их содержание в процентах — цифрами. Исклю­ чение представляет хром, который в количестве около 4 % находится практически во всех быстрорежущих сталях, однако в обозначении марки стали не указывается.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В их структуре помимо вторичных карбидов присутствуют первичные карбиды эвтектического происхождения М6С, МС, М23С6.

Помимо теплостойкости другим важнейшим свойством быстроре­ жущей стали является вторичная твердость, получаемая при отпуске. Отпуск на вторичную твердость сопровождается эффектом дисперси­ онного твердения, т. е. выделением при отпуске мелкодисперсных фаз-упрочнителей с карбидной природой. Врезультате твердость ста­ ли после отпуска возрастает. Для получения при закалке высоколеги­ рованного твердого раствора за счет более полного растворения туго­ плавких карбидов быстрорежущей стали температура аустенизации должна быть высокой — до 1300 °С для сталей с высоким содержани­ ем вольфрама. После закалки сталь сразу же подвергают многократ­ ному (обычно трехкратному) отпуску при 560 °С по 1 ч. Многократ­ ным отпуск делают для более полного и эффективного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

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

По главному показателю — Теплостойкости — быстрорежущие стали делят на три группы: умеренной, повышенной и пониженной теплостойкости.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р6М5, Р8МЗ, которые сохраняют твердость 60 HRC3до 615...620 °С. Эти стали предназначе­ ны для изготовления большинства режущих инструментов, обраба­ тывающих стали и чугуны с твердостью 250...280 НВ.

Стали второй группы отличаются повышенным содержанием уг­ лерода или ванадия, а также дополнительно легированы кобальтом (Р6М5, Р8МЗ, Р12ФЗ, Р6М5К5, Р9М4К8Ф) и обладают теплостой­ костью 640...650 °С. Они используются для обработки сталей аустенитного класса либо обычных конструкционных материалов, но с повышенными скоростями резания.

Третью группу образуют экономнолегированные и безвольфрамовые быстрорежущие стали: РЗМЗФ2, Р2М8, Р0М8. Пивной особенно­ стью этих сталей является малое количество и специфический состав карбидной фазы, что делает сталь малочувствительной к масштабному фактору (т. е. прочность и вязкость меняются незначительно при уве­ личении диаметра проката до 80...100 мм) и допускает использование сравнительно низкихтемператур закалки (1100... 1150 °С). Поэтому эти стали рекомендуются для изготовления крупногабаритного инстру­

мента, работающего с невысокими скоростями и подвергающегося при эксплуатации значительным динамическим нагрузкам.

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

5.4.3. Сталиспециальногоназначения

Коррозионно-стойкие (нержавеющие)стали относятся к специальным сталям и идут на изготовление деталей, работающих под воздействи­ ем агрессивных сред. Эти стали при эксплуатации должны обладать не только определенными механическими свойствами, но и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее часто в такихслучаях использу­ ются хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые нержавеющие стали содержат 0,1...0,45 % углерода и не менее 13 %хрома. Они сопротивляются коррозии при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и реч­ ной воде, азотной и многих органических кислотах. В морской воде они подвержены коррозионному растрескиванию.

Структураи свойствахромистыхсталей зависят от количества хро­ ма и углерода. Стали 12X13 и 20X13 доэвтектоидные и в отожженном состоянии их структура состоит из хромистого феррита и перлита. После закалки с температуры 1000...1100 °С в масле и отпуска при 700...750 °С структура стали состоит из феррита и карбидов хрома. Твердость стали 200...250 НВ. Эти стали хорошо свариваются, штам­ пуются и идутна изготовлениелопаток гидравлическихтурбин, емко­ стей, арматуры.

Сталь 30X13 эвтектоидная и имеет перлитную структуру, 40X13 — заэвтектоидная, в структуре которой дополнительно образуется леги­ рованный цементит и карбиды хрома. После закалки с 1000...1050 °С в масле и отпуска при 180...200 °С структура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50...60 HRC3) и достаточной кор­ розионной стойкостью. Эти стали используются для изготовления шестерен, пружин, хирургического инструмента и т. д.

Хромоникелевыенержавеющиестали 04Х18Н10,08Х18Н10,12Х18Н10Т содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и отно­ сятся к сталям аустенитного класса, в структуре которых иногда при­ сутствуют карбиды хрома. Они используются в тех же средах, что и

хромистые, но могут работать и при повышенных температурах. Эти стали технологичны, хорошо обрабатываются давлением и сваркой.

Структура сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля, а также вида термической обработки, которой они подвергнуты. Тер­ мическая обработка этих сталей заключается в нагреве и выдержке при 1100...1150 °С с целью более полного растворения карбидов в ау­ стените и закалке в воде для предотвращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитной коррозии из-за малого содержания углерода и дополнительного легирования тита­ ном, поэтому их называют стабилизированными. Они используются в авиа-, судо- и машиностроении.

Жаростойкие и жаропрочные стали относятся к специальным ста­ лям, которые предназначены для изготовления деталей, стойких к хи­ мическомуразрушению поверхности при высокихтемпературах (выше 550 °С). Жаростойкостью называется способность материала сопро­ тивляться химическому действию окружающей среды при высокой температуре.

При эксплуатации в среде Нагретого воздуха и в продуктах сгора­ ния топлива происходит окисление стали, на поверхности металла образуется рыхлый оксид железа FeO. На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной пленки: если она пористая, окис­ ление происходит интенсивно, если пло+ная — окисление замедляет­ ся или даже совершенно прекращается. Хром, кремний и алюминий являются теми элементами, которые образуют плотные оксиды.

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

Жаропрочностью называется способность материала сопротивлять­ ся пластическим деформациям и разрушению при высоких темпера­ турах. Оценивается жаропрочность испытанием материала на растя­ жение при высоких температурах. Так как напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях повышенных температур, сильно за­ висит от продолжительности приложения нагрузки, при тестирова­ нии материала учитывается время действия нагрузки. По сопротив­ лению пластической деформации определяется предел ползучести, а по сопротивлению разрушения — предел длительной прочности.

действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С

вматериале появится пластическаядеформация 1 %; предел длитель­ ной прочностио = 130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержитдействие напряжения 130 МПа в течение 10 000 ч.

На повышение жаропрочности влияют:

□высокая температура плавления основного металла, наличие

вструктуре сплава твердого раствора и мелкодисперсных частиц уп­ рочняющей фазы;

□пластическая деформация, вызывающая наклеп;

□высокая температура рекристаллизаций;

□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 перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, используемые при температурах 450...700 °С.

Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08...0,15 % углерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом до 1000 °С и ртпуска при температуре 650...750 °С в течение 2...3 ч стали имеют структуру пла­ стинчатого перлита. Эти стали предназначены для длительной экс­ плуатации при температуре 450...580 °С и используются главным об­ разом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них являет­ ся предел ползучести с допустимой Деформацией 1 %за 104или 105ч.

Мартенситные жаропрочные стали содержат 0,10...15 % углерода,

10...12 % хрома и легированы молибденом, ванадием, ниобием, вольф­ рамом (20Х12ВНМФ, 15X11МФ, 11X11Н2В2МФ). Стали, содержа­ щие до 0,55 % углерода, 5...15 % хрома и 1Д..З % кремния, получили название сильхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40Х10С2М. Жаропрочные свойствасильхромов возрастают по мере увеличения степени легированности сплава.

Стали мартенситного класса после закалки или нормализации с температур 950... 1100 °С (для растворения карбидов) и отпуска при 600...740 °С имеют структурулегированного феррита и мелких карби­ дов. Эти стали глубоко прокаливаются и предназначены для длитель­ ной эксплуатации при температуре до 600 °С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, рото^ ры), а также трубы и крепежные детали.

Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 °С и отпускают 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 изготавливают из сталей аустенитного класса.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 15Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР) содержатоколо 0,1 %углерода и легированы хромом И никелем. Со­ держание хрома и никеля выбирают такое, чтобы получить устойчи­ вый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Такие эле­ менты, как молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам и др., вводят в стальдля повышения жаропрочности, так как они образуют карбидные и интерметаллидные фазы-упрочнители. В результате за­ калки с 1050... 1200 °С получают высоколегированный твердый рас­ твор. В процессе старения при 600...800 °Спроисходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температуре 500...700 °С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т. д.).