3.2.6 Высокопрочные стали

Высокопрочными называются стали, имеющие предел прочности s_в > 1550 МПа и обладающие необходимой вязкостью для эксплуатации в условиях динамических нагрузок.

Легирующие элементы задерживают процессы разупрочнения при отпуске и, если сталь содержит повышенное количество хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, то её твердость не снижается до температур отпуска 500…550^оС. В, частности, сталь 30Х5МСФА после термической обработки имеет предел прочности s_в = 1800 МПа, s_0,2 = 1600 МПа, КСU = 50 Дж/см².

Для получения прочности до 1800-2200 МПа используются мартенситно-стареющие стали с содержанием углерода менее 0,03%, в которых при закалке образуется практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске 500°С выделяются интерметаллидные фазы Ni₃М, которые упрочняют сталь. Такими сталями являются Н18К8МЗ, 03Н18К9М5Т, Н18К12М5Т. Механические свойства таких характеризуются следующими значениями: s_в = 1800 МПа, d = 15%; y = 55%. Необходимо отметить, что непосредственно после закалки мартенситно-стареющие стали обладают невысокой прочностью и очень высокой пластичностью, что позволяет осуществлять деформацию, обработку резанием и другие технологические операции.

Разработаны также высокопрочные стали, известные как «трип-стали», в которых после закалки с 1000…1100^оС образуется аустенитная структура, поскольку точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0°С. После закалки осуществляется деформация (60-80%, при 400-500°С), в процессе которой, в связи обеднением аустенита углеродом и легирующими элементами, происходит повышение точки М_D. В процессе эксплуатации в результате пластической деформации аустенитное состояние превращается в высокопрочное мартенситное. В трип-сталях содержание углерода на порядок выше, чем в мартенситно-стареющих сталях (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1). Механические свойства трип-сталей: s_в = 1500…1700 МПа; s_0,2 = 1400…1550 МПа; d = 50…60%. Характерным для этих сталей является высокое значение вязкости разрушения К_1С и предела выносливости s_-1, однако наблюдается анизотропия свойств деформированного металла. При одинаковой прочности трип-стали пластичнее мартенситно-стареющих, но их широкому внедрению препятствует необходимость использования мощного оборудования для деформации.

3.2.7 Износостойкие стали и сплавы

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление процессу изнашивания, под которым подразумевается постепенное разрушение поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др. Различают абразивный, окислительный, адгезионный, усталостный и другие виды изнашивания.

Высокая твердость поверхности – необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостных видах изнашивания наиболее износостойкими являются стали с высокой исходной твердостью поверхности, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Цементуемые низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, упрочненные азотированием или поверхностной закалкой, а также белые чугуны обеспечивают необходимую работоспособность узлов трения, в которых материал должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне.

В условиях ударного износа в абразивной струе (например, работа основных рабочих узлов мельниц для измельчения песка) наиболее износостойкими материалами являются твердые сплавы, структура которых состоит из карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 с мартенситной матрицей и карбидами.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). Для наплавки используются прутки из этих сплавов, которые расплавляются кислородно-ацетиленовым пламенем или электрической дугой и в жидком состоянии наносят на поверхность детали. Широкое распространение получили сплавы «сормайт» (1,7…3% С, 15…30% Сr, 2…5% Ni, 2…3% Si) с твердостью до 50 НRС и «сталинит» (» 10% С, » 20% Сr, » 15% Мn, » 3% Si) с твердостью до 65 НRС.

Для работы в условиях износа, который сопровождается большими ударными нагрузками, широко используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), содержащая 0,9…1,4% С, 11,5…15,0% Mn, 0,5…1,0% Si.

Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем или ковкой. После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (FeMn)₃C. При нагревании карбиды растворяются в аустените и после закалки в воде с 1100^оС сталь имеет аустенитную структуру и низкую твердость 200..250 НВ.

В условиях только абразивного износа такая сталь оказывается неизносостойкой, но при воздействии на деталь больших ударных нагрузок, которые вызывают в материале напряжения выше предела текучести, проходит интенсивный наклеп стали 110Г13Л и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь приобретает высокую твердость до 600 HВ. Сталь 110Г13Л широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, железнодорожных крестовин, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и др.