Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

дить в состав карбида Me6C, а также образует интерметаллидные соединения типа (Co, Fe)7(W, Mo)6. В результате легирования теплостойкость деталей увеличивается примерно на 50 °C. Но применение кобальта делает сталь более дорогой.

Традиционный способ производства быстрорежущих сталей − разливка в слитки и дальнейшее изготовление сортового металла. В настоящее время также активно применяют методы порошковой металлургии, что позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики инструмента.

В результате применения порошковой металлургии удается существенно снизить карбидную неоднородность и анизотропию свойств, а также добиться мелкозернистой структуры материала. Это приводит к увеличению теплостойкости и улучшению технологической обработки (шлифуемости) быстрорежущих порошковых сталей. С 80-х годов прошлого столетия в нашей стране производят стали следующих марок: Р6М5Ф3-МП, Р6М5-МП, Р12М3К8Ф2-МП и т.д. Буква «Р» в маркировке обозначает, что данная сталь является быстрорежущей, последующая цифра – массовая доля вольфрама. Последующие обозначения «М», «Ф», «К» − молибден, ванадий и кобальт и их примерное содержание в массовых процентах в сплаве. Химический состав стали марки Р12М3К8Ф2-МП (ГОСТ 28393−89) приведен в табл. 22.20.

Технологическая схема получения быстрорежущих порошковых сталей следующая. На первом этапе из исходной шихты (отходы быстрорежущей стали и ферросплавов) в индукционной печи производится выплавка. Затем расплавленный металл, имеющий температуру 1570−1600 °С, диспергируется (распыляется) в струе газа или воды под высоким давлением, имеющей скорость 0,1−1,0 м/c. Охлаждение металла происходит со скоростью до 100000 °C/с.

Таблица 22.20

Химический состав и содержание легирующих элементов в стали Р12М3К8Ф2-МП (мас. %)

581

В зависимости от скорости охлаждения свойства частиц порошка (размер частиц 600−800 мкм) значительно отличаются − существенно уменьшается размер зерна (от d 103 мкм при скорости охлаждения 10 К/с до d 0,1 мкм при 104 К/с), увеличивается твердость (на 30 %) и в 100 раз возрастает плотность дислокаций. Также при высокой скорости охлаждения возможно аномально высокое (в 2 раза) пересыщение твердого раствора основными легирующими элементами − Mo, W, Ti. Порошок подвергают холодному и горячему прессованию при Т 1150 °С в атмосфере аргона, и полученный материал приобретает свойства, необходимые для быстрорежущих сталей (табл. 22.21).

Назначение порошковой быстрорежущей стали Р6М5Ф3-П − фасонные резцы, сверла, метчики, протяжки и др.

22.3.2. Твердые сплавы

Твердые сплавы представляют собой порошковые композиционные материалы, упрочняющими фазами в которых являются карбиды тугоплавких металлов типа WC, TiC, TaC, а в качестве матрицы – металлы, например кобальт. По технологии производства композитов производят спекание порошков при температуре 1250−1550 °C без последующей термической обработки. При спекании металл матрицы, например кобальт, растворяет часть карбидов и плавится, в результате чего получается плотный материал (пористость менее 2 %), структура которого на 80−95 % состоит из карбидных частиц. Твердые сплавы по сравнению с быстрорежущими сталями имеют более высокую теплостойкость (выше

582

800−1000 °C), твердость и износостойкость. Эти сплавы очень чувствительны к действию ударных нагрузок. Основное применение твердых сплавов − инструмент для обработки материалов резанием, горный инструмент, быстроизнашиваемые детали машин и т.д. Выделяют следующие виды твердых сплавов.

Вольфрамовые твердые сплавы системы WC–Co обозначаются как ВК3, ВК4 и др. В маркировке сплава буква «В» обозначает карбид вольфрама (WC), а цифра, следующая за буквой «К», соответствует массовому процентному содержанию кобальта. Так, сплав ВК10 состоит из 90 % WC и 10 % Со и имеет следующие механические характеристики: предел прочности при изгибе σв = 1650 МПа, твердость HRA 87.

Титан-вольфрамовые твердые сплавы системы TiC–WC–Co

помимо карбида вольфрама и кобальта содержат также карбид титана. Типичная маркировка − Т5К12, Т30К4 и т.д. При спекании карбид титана растворяет до 70 % WC и образуется сложный твердый раствор (Ti, W)C, обладающий более высокой твердостью, чем карбид WC. Так, сплав Т30К4 состоит из 66 % WC, 30 % TiС, 4 % Co и имеет σв = 950 МПа, твердость HRA 92.

Титанотанталовольфрамовую группу твердых сплавов образу-

ют системы TiC–TaC–WC–Co. Маркировка их − ТТ7К12, ТТ8К6 и т.д. Цифра в марке после букв «ТТ» обозначает суммарное содержание (в процентах) карбидов TiC + TaC. От предыдущих групп эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрации и выкрашиванию. Например, сплав ТТ8К6 имеет σв = 1250 МПа при твердости HRA 90,5.

Безвольфрамовые твердые сплавы имеют в своем составе карби-

ды титана или тантала. В качестве связующего используется сплав Ni–20% Mo. Маркировка данных сплавов − ТН20, КНТ16 и др. Так, сплав ТН20 состоит из 80 % TiC и 20 % сплава Ni–20% Mo и имеет предел прочности при изгибе σв = 1100 МПа и твердость HRA 90.

22.3.3. Сверхтвердые материалы

Материалы на основе алмазных порошков. Твердость алмаза

(HV 100000) в 6 раз превосходит твердость карбида WC (HV 17000)

583

и в 8 раз твердость быстрорежущей стали (HV 13000). В зависимости от технологии получения эти материалы можно разделить на поликристаллические алмазы, получаемые в результате фазового перехода графита в алмаз (марки АСПК, АСБ), и поликристаллы, получаемые в результате спекания алмазных зерен (СВБН, карбонит).

Поликристаллические алмазы по сравнению с монокристаллами отличаются меньшей хрупкостью и стоимостью. Алмаз теплостоек лишь до 800 °С (при более высоких температурах он графитизируется), однако относительно невысокая теплостойкость компенсируется высокой теплопроводностью алмаза, снижающей разогрев режущей кромки инструментов при высоких скоростях обработки материалов. Физико-механические свойства некоторых марок алмазных сверхтвердых материалов приведены в табл. 22.22.

Таблица 22.22

Физико-механические свойства сверхтвердых алмазных материалов

Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора − это компо-

зиционные материалы на основе поликристаллического нитрида бора. В зависимости от технологии получения их выпускают под названиями: эльбор, эльбор-Р, ПНТБ, боразон, киборит, ниборит и др. Они обладают меньшей прочностью по сравнению с алмазными порошковыми материалами, но являются более теплостойкими. Эти сверхтвердые материалы получают в результате спекания частиц кубического нитрида бора, образующихся в результате сложных полиморфных превращений (табл. 22.23).

584

Таблица 22.23

Физико-механические свойства сверхтвердых материалов на основе нитрида бора

Минералокерамики − сверхтвердые материалы с химической связью. Их подразделяют на несколько групп, отличающихся химическим составом, способом изготовления и областями применения.

Оксидная (белая) керамика состоит из оксида алюминия Al2O3 и 3−15 % добавок (MgO, ZrO2 и др.). Оксид алюминия обладает повышенной стойкостью к нагреву, а добавки обеспечивают мелкозернистую структуру, что увеличивает износостойкость и прочность при изгибе. Пластины из керамики изготавливают холодным прессованием и последующим спеканием. Оксидно-карбидная керамика состоит из оксида алюминия Al2O3 (до 60 %) с добавками карбидов титана или кремния (от 5 до 40 %). Иногда используются

идобавки карбидов других тугоплавких металлов. Карбиды титана

икремния придают повышенную прочность режущим кромкам инструмента, делают их более стойкими к износу, механическим и тепловым ударам, что позволяет использовать данный материал для обработки чугунов и закаленных сталей.

Безоксидная (нитридная) керамика изготавливается на основе

нитрида кремния Si3N4 с добавками оксидов циркония, алюминия, иттрия и др. По сравнению с оксидной керамикой этот материал менее чувствителен к тепловым ударам и обладает большей прочностью на сжатие.

Метод получения сверхтвердых керамических материалов включает в себя холодное прессование с последующим спеканием, а также горячее и горячее изостатическое прессование (когда предварительно спрессованные заготовки подвергаются всестороннему обжатию в формах, заполненных инертным газом под высоким давлением), что позволяет получить мелкозернистую структуру и улучшенные физико-механические свойства (табл. 22.24).

585

Существуют и другие перспективные методики упрочнения материала: нанесение различных покрытий (TiN, MoN и других твердых соединений), ионная имплантация, лазерная и электроннолучевая обработка поверхности и режущих кромок, а также широко используется традиционная химико-термическая обработка (азотирование, цианирование и др.).

Сверхтвердые материалы широко применяются для оснащения (вставками) лезвий инструментов (резцы, сверла, торцовые фрезы) для чистовой размерной обработки при высоких скоростях резания

(100−200 м/мин и более).

Основное применение оксидной керамики − резание деталей из легированных и серых чугунов, а также чистовая обработка незакаленных сталей.

22.4. Материалы с высокими значениями модуля упругости

22.4.1. Характеристики упругости твердого тела

Материалы с высокими упругими свойствами находят применение в машино- и приборостроении. В машиностроении − для изготовления рессор, амортизаторов, пружин различного назначения; в

586

приборостроении − для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т. п.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их эксплуатации состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные материалы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении − релаксационной стойкостью.

Критерием выбора материала для пружинных конструктивных элементов является максимальное отношение предела упругости (предела пропорциональности) к модулю нормальной упругости,

т.е: σу2/Е → max.

При деформировании реальных твердых тел диаграмму растяжения схематически можно представить в виде, представленном на рис. 22.10.

На данной диаграмме можно выделить характерные точки, в которых зависимость напряжение−деформация σ(ε) меняет вид, например точка А соответствует

пропорциональность между приложенной нагрузкой и относительной упругой деформацией, т.е. выполняется закон Гука

При дальнейшем увеличении напряжения упругое удлинение будет возрастать быстрее, чем напряжениевплоть до точки А .

В этой точке еще не происходит остаточная деформация и соответствующее этой точке напряжение у называется пределом упругости. При измерении упругих характеристик в технике часто используют два вида предела упругости:

условный (макроскопический), соответствующий напряжению, при котором остаточная деформация ост составляет 10–3–10–4 %;

абсолютный, соответствующий напряжению, ниже которого после снятия нагрузки не обнаруживается остаточная деформация.

Релаксационная стойкость (т.е. способность материала сопротивляться релаксации напряжений) основное свойство материалов с высокими значениями упругих характеристик. Релаксация напряжения самопроизвольное падение напряжения со временем при постоянной суммарной деформации. Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе части упругой деформации в пластическую упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форму. Например, долгое время сжатые пружины или изогнутые пластины реле при снятии нагрузки полностью не распрямляются и теряют упругие и эксплуатационные свойства.

Схематически кривые релаксации напряжений при различных температурах (Т5 Т4 Т3 Т2 Т1) представлены на рис. 22.11.

Рис. 22.11. Схематическое изображение кривых релаксации напряжений со временем при различных температурах

Условие релаксации напряжений можно описать следующим уравнением:

где εо − суммарная деформация; εу − упругая деформация; εп − пластическая деформация. В начальный момент времени вся деформация при нагружении в упругой области является упругой: εо = εу. C течением времени упругая деформация уменьшается, а пластическая растет (εп > εу). Предельный случай − когда вся деформация станет пластической: εо = εпл.

Релаксация напряжений происходит путем микропластической деформации, которая совершается в отдельных зернах и накапливается со временем. При напряжении ниже предела упругости микропластическая деформация может быть вызвана: при малых напряжениях − изгибом дислокаций или срывом отдельных из них с мест закрепления, при повышенных напряжениях − перемещением заторможенных дислокаций. В связи с этим для достижения в сплаве высокого предела упругости и релаксационной стойкости необходимо создать стабильную дислокационную структуру, в которой дислокации прочно закреплены1.

Причиной релаксации напряжений являются дислокационносдвиговые процессы, а также различного рода структурные превращения, происходящие при нагружении и связанные с недостаточной структурной стабильностью сплава. Поэтому для увеличения релаксационной стойкости материала необходимо обеспечить его структурную стабильность и увеличить предел упругости.

22.4.2. Пружинные материалы

Классификация пружинных сталей. По способу изготовления пружинные стали подразделяют на упрочняемые: пластической деформацией и стабилизирующим отжигом (старением); закалкой на твердый раствор и последующим старением. По функциональному назначению выделяют стали общего назначения, работающие при температуре до 120 °C, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления изделий, которые помимо высоких механических свойств (предел упругости, сопротивление релаксации напряжений, пластичность и т.д.) должны обладать определенными физическими свойствами: коррозионной стойкостью, немаг-

1 Физическое материаловедение. − М.: МИФИ, 2007. Т. 1. П. 2.2.

589

нитностью, теплостойкостью и т.д. Температура эксплуатации пружин из них достигает 200−400 °C и выше.

Детали из пружинных сталей общего назначения изготавливают в виде проволоки или ленты, упрочняемых холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Пластическая деформация (волочение) с последующим стабилизирующим отпуском при 150–200 °C обычно используется при обработке низкоуглеродистой и углеродистой сталей (0,65−1,2 % С). Перед волочением проволоку подвергают патентированию, т.е. превращению переохлажденного аустенита в тонкопластинчатую структуру − сорбит. Температура аустенитизации 900−1000 °C, а патентирования − 500 °C. Патентированная проволока со структурой сорбита обладает высоким запасом пластичности и упрочняется до высоких значений. При деформации структуры сорбита происходит деформация как пластинок феррита, так и цементита. Дальнейшее деформационное старение проводится при 150−200 °C, когда повышается предел упругости и происходит ограничение подвижности дислокаций вследствие их блокировки примесными атомами.

Обработке закалкой на мартенсит (от 830−850 °C) с последующим отпуском при 450–480 °C подвергаются углеродистые и легированные стали. Стали легируют карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W) до 0,5 мас.%, что приводит к задержке распада мартенсита. Пружинные стали общего назначения для повышения предела упругости и сопротивления релаксации напряжений легируют также кремнием (до 2,5 %) и марганцем (до 1,0 %).

К пружинным сталям специального назначения относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно-стареющие и аустенитные стали.

В качестве коррозионно-стойких пружинных сталей использу-

ют легированные хромом (более 12 %) мартенситные стали (30Х13, 40Х13 и др.). Термическая обработка сталей этого класса состоит из закалки (от 1000−1050 °С) и последующего отпуска при температуре 300−350 °С для сталей, используемых при комнатной температуре, а при эксплуатации сталей при более высоких температурах отпуск производится при 500−550 °С. Для повышения релак-

590