Лахтин_Матеориаловедение

В тех случаях, когда требуется сталь с повышенным сопротивлением пластической деформации, применяют сталь 6Х6ВЗМФС (см. табл. 29). Сталь подвергают закалке с высоких температур для возможно более полного растворения карбидов хрома М7С3 и М23С6. Сталь чувствительна к росту зерна аустенита. Отпуск проводят при 520—540 °С. После отпуска в структуре нет остаточного аустенита, что обеспечивает более высокое сопротивление пластической деформации при хорошей вязкости. Сталь обладает высокой износостойкостью, особенно при работе с динамическими нагрузками, и не склонна к карбидной неоднородности.

Для вытяжных штампов небольшого размера (диаметр пуансона до 25 мм) применяют стали У10, У11 и У12, а для штампов большого размера — X, ХВСГ, обладающие лучшей прокали-ваемостью.

Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

4. СТАЛИ ДЛЯ ШТАМПОВ ГОРЯЧЕГОДЕФОРМИРОВАНИЯ

Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя (разрушаются) вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, т. е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин, Кроме того, стали должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода теплоты, передаваемой обрабатываемой заготовкой.

Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь для их изготовления должна обладать высокой прокаливаемостью. Это обеспечивает высокие механические свойства по всему сечению штампа. Важно, чтобы сталь не была склонна к обратимой отпускной хрупкости, так как быстрым охлаждением крупных штампов ее устранить нельзя.

Состав и термическая обработка наиболее часто применяемых штамповых сталей приведены в табл. 30. Крупные ковочные штампы, а также инструмент ковочных машин и прессов, нагревающихся при t ≤ 500÷550 °С при умеренных нагрузках, изготовляют из полутеплостойких сталей 5ХНМ и 5ХГМ (вместо никеля в них содержится 1,2—1,6 % Мn), обладающих повышенной вязкостью (см. табл. 30), упрочняемых в результате мартенсит-ного превращения.

Присутствие в стали 5ХНМ молибдена повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой

361

отпускной хрупкости. Сталь 5ХНМ, обладая высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, прокаливается полностью в блоках размером 400x x300x300

мм и более. Штампы закаливают в масле. Отпуск крупных штампов проводят при 550— 580°С (35—38 HRC), а

мелких при 500—540 °С (40— 45 HRC). Структура стали после отпуска — троосто-сорбит.

Механические свойства стали 5ХНМ при температуре 500 °С: σΒ

= 900 МПа, σ0,2 = 650 МПа, δ = 20÷22 % и ψ = 70 %.

Сталь умеренной теплостойкости 4ХЗВМФ (см. табл. 30) с основным карбидом М23С6 вследствие низкого содержания Мо и W сохраняет высокие механические свойства (σΒ

= = 900÷1000 МПа, и 45 HRC) только при нагреве до 500—525 °С. Сталь применяют вместо стали 5ХНМ (5ХГМ) для изготовления штампов небольших размеров.

Средненагруженный инструмент, работающий с разогревом поверхности до 600 °С, а также инструмент с большой поверхностью, работающий при температуре 400—500 °С, изготовляют из сталей 4Х5В2ФС и 4Х5МФ1С. Эти стали упрочняются за счет мартенситного превращения и дисперсионного упрочнения при отпуске за счет выделения специальных карбидов.

363

Фазовый состав этих сталей в отожженном состоянии — легированный феррит (α) и карбиды типа М23С6 и М6С. Стали теплостойки, малочувствительны к резкой смене температур, обладают повышенной окалиностойкостью, устойчивы к корродирующему действию жидкого алюминия и обладают высокой прочностью при хорошей вязкости. Стали повышенной теплостойкости (ЗХ2В8Ф и 5ХЗВЗМФС) используют для штампов, претерпевающих при деформировании разогрев поверхности до 600—700 °С. Из них изготовляют инструмент, например прошивные пуансоны, выталкиватели для глубоких отверстий, матрицы пресс-форм для отливок под давлением медных сплавов и т. д. Фазовый состав этих сталей в отожженном состоянии — легированный феррит и карбидМ23С6 иМ6С.

Превращения в сталях 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф и 5ХЗВЗМФС, протекающие при термической обработке, во многом сходны с превращениями в быстрорежущей стали. Эти стали при закалке нагреваются до высоких температур для растворения возможно большего количества карбидов и получения закалки высоколегированного мелкозернистого мартенсита. Так как при температуре закалки карбиды полностью не растворяются, стали сохраняют мелкое зерно. При отпуске твердость дополнительно повышается вследствие дисперсионного упрочнения мартенсита, но одновременно снижаются пластичность и вязкость. Для получения достаточной вязкости отпуск проводят при повышенных температурах на твердость 45—50 HRC, что способствует образованию структуры — троостит.

Штамповые стали нередко подвергают азотированию, борированию и реже хромированию.

5. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой.

В СССР изготовляют твердые сплавы трех групп (ГОСТ 3882—74): 1) вольфрамовые (ВКЗ, ВК6, ВК8, ВКЮ);

2)титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12);

3)титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б,

ТТ20К9)1.

1В марках первые буквы обозначают группу, к которой относится сплав (ВК — вольфрамовая, Τ — титановольфрамовая, ТТ — титанотанталовольфра-мовая); цифры в вольфрамовой группе — количество кобальта; первые цифры в титановольфрамовой группе — количество карбида титана, а вторые цифры — количество кобальта; первые цифры в сплавах титанотанталовольфрамовой группы — количество карбидов титана и тантала, а вторые цифры — количество кобальта. Если в марке стоит буква «Μ» (ΒΚ6-Μ), сплавы изготовлены из мелких порошков, если буква «В» (ВК4-В) — из крупнозернистого карбида вольфрама. Если в марке присутствуют буквы «ОМ» — сплавы изготовлены из особо мелких порошков, а «ВК» — из особо крупного карбида вольфрама.

364

Структура вольфрамовых сплавов представляет собой частицы карбида вольфрама WC, связанные кобальтом. Титановольфрамовые сплавы состоят из карбидов WC и TiC, связанных кобальтом. При высоком содержании карбида титана (Т30К4) структура состоит только из карбида титана и кобальта, так как вольфрам и углерод растворяются в карбиде титана.

Чем меньше в сплаве ВК кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше износостойкость, но ниже прочность и сопротивление ударам. Сплавы ВКЗ, и особенно ВКЗ-М, обладающие наиболее высокой износостойкостью (твердость 89,5—90 HRB и σизг = 1100 МПа), допускают высокую скорость резания при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

Сплавы ВК4, ВК6, ВК6-М с твердостью 88—90 HRB и σизг = 1400÷1350 МПа рекомендуются для чернового точения,

фрезерования, рассверливания, зенкерования при обработке чугуна, жаропрочных сплавов, цветных металлов и неметаллических материалов. Сплавы ВК8 и ВК10 обладают меньшей износостойкостью, но более высокой эксплуатационной прочностью (σизг = 1600÷1650 МПа).

Сплав ВК8 применяют для чернового точения и других видов черновой обработки (резания чугуна, жаропрочных сплавов и цветных металлов), а также для волочения и калибровки труб, прутков и проволоки. Сплавы ВК10, ВК15 предназначаются для изготовления быстроизнашивающихся деталей. Эти сплавы характеризуются высокой эксплуатационной прочностью, но сравнительно низкой износостойкостью.

Наивысшей для титановольфрамовых сплавов износостойкостью и допустимой скоростью резания при пониженной эксплуатационной прочности (σизг = 950 МПа) обладает сплав Т30К4. У сплавов Т15К6, Т5К10 эксплуатационная прочность выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже. Титано-вольфрамовые сплавы применяют для чистового (Т30К4) и чернового (Т15К6, Т5К10) точения, фрезерования и строгания стали. Твердость сплавов 92— 87 HRA.

Сплав ТТ10К8-Б при умеренной износостойкости обладает высоким сопротивлением удару и хорошей эксплуатационной прочностью (σизг = 1300 МПа). Титанотанталовольфрамовые сплавы применяют при черновой и чистовой обработке труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сплавов и сталей (87—90 HRC).

Разработаны твердые сплавы, не содержащие дефицитного вольфрама. Безвольфрамовые, твердые сплавы выпускают на основе TiC + Ni + Mo (сплав ΤΗ-201) и на основе карбонитрида титана Ti (NC) + Ni + Mo (KHT-16). Никель и молибден обра-

1 Цифра указывает суммарное содержание Ni и Мо.

365

зуют связывающую матрицу, применяются при получистовом и чистовом точении и фрезеровании сталей и цветных металлов. Режущие части инструментов из твердых сплавов чаще изготовляют в виде многогранных неперетачиваемых пластин (МНП), которые крепят к корпусу или державке механическим методом. Выпускаются также пластины, которые можно припаивать к державке инструмента. На рабочие поверхности МНП сплавов ВК6, ТТ7К12, ТТ10К8-Б нередко наносят тонкие износостойкие карбидные (TiC) и нитридные (TiN) покрытия, повышающие срок службы инструмента в 3—4 раза.

Наибольший эффект покрытие дает при точении стали и чугуна твердостью 230—240 НВ. При тяжелых условиях обработки эффективность пластин с износостойкими покрытиями снижается. Для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов и закаленной стали (≥55 HRC) применяют режущий инструмент, оснащенный пластинами из синтетических поликристаллических сверхтвердых материалов на основе нитрида бора — композитов. В исходный нитрид бора вводят различные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные мельчайшие кристаллиты (поликристаллы). К группе сверхтвердых материалов относятся композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 10 (гексанит-Р), а также поликристаллический нитрид бора.

Нитрид бора обладает очень высокой твердостью и теплостойкостью. Скорость резания при обработке закаленной стали 70— 150 м/мин. Применение нитрида бора позволяет повысить производительность труда при точении и фрезеровании с получением высокого качества поверхности.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы достоинства и недостатки углеродистых сталей для режущего инструмента?

2.Каковы преимущества легированных сталей для режущего инструмента перед углеродистыми сталями?

3.Какие Вы знаете быстрорежущие стали?

4.Почему быстрорежущие стали для закалки нагреваются до высоких температур, а после закалки дается многократный отпуск?

5.Каким требованиям должна отвечать сталь для штампов деформирования в холодном состоянии? Какая сталь наиболее часто применяется?

6.Укажите стали для штампов горячего деформирования (молотовых штампов, пресс-форм, прессового инструмента).

7.Выберите сталь для сверл при обработке металлов с твердостью 260— 280 НВ, фрез для резания с высокой скоростью и плашек для нарезания твердых металлов.

8.Какие Вы знаете твердые сплавы? Где их рекомендуется применять?

9.Какие Вы знаете безвольфрамовые твердые сплавы?

10.Какие Вы знаете поликристаллические сверхтвердые материалы на основе нитрида бора — композиты?

366

Г Л А В А XVII. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

В этой главе рассмотрены стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств.

Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства.

1. МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Различают три группы магнитных сталей и сплавов: магнитно-твердые, магнитно-мягкие и парамагнитные.

Магнитно-твердые стали и сплавы. Эти стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Hс. Магнитная энергия пропорциональна произведению ВrНc или точнее произведению ВrНcmах. Поскольку Вr ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Нс.

Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно — мартенсит с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1 % С, легированные хромом (3 %) ЕХЗ, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (ГОСТ 6862—71). Легирующие элементы повышают, главным образом, коэрцитивную и магнитную энергию, а также улучшают температурную и механическую стабильность постоянного магнита. Хромистые и кобальтовые стали сравнительно легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией. Коэрцитивная сила легированных сталей составляет 4,8—12 кА/м и остаточная индукция 0,8— 1,0 Тл. Наиболее высокие магнитные свойства имеют стали ЕХ5К5

иЕХ9К15М2 после нормализации, высокого отпуска, закалки

инизкого отпуска (при 100°С).

Впромышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико (табл. 31). Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем. После литья проводят только шлифование.

Высокие магнитные свойства сплавы получают после нагрева до 1250—1280 °С и последующего охлаждения (закалки) с определенной (критической) для каждого сплава скоростью охлаж-

367

дения; после закалки следует отпуск при 580—600 °С. При охлаждении от температуры закалки высокотемпературная фаза α распадается на две фазы α1 и α2, которые имеют одинаковую кристаллическую ОЦК решетку с незначительным различием в периодах. Фаза α1 — твердый раствор на базе железа, ферромагнита; α2 — парамагнитная фаза на базе соединения NiAl. После указанной термической обработки α1-фаза распределена в виде пластинок (игл) однодоменных размеров в α1- фазе. Отпуск усиливает обособление фаз, что увеличивает коэрцитивную силу. Большие внутренние напряжения, возникающие в процессе α-распада высокотемпературной фазы, анизотропия формы частиц образующей фазы, а также однодоменность этих частиц определяют высококоэрцитивное состояние сплавов. Дальнейшее повышение магнитной энергии достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллографической текстур.

Для создания магнитной текстуры сплавы типа алнико подвергают термомагнитной обработке: нагреву до 1300 °С и охлаждению со скоростью 0,5—5 °С/с (в зависимости от состава сплава) в магнитном поле, приложенном вдоль направления наиболее важного для магнита данной конфигурации. Затем магнит отпускают при 625 °С. При обработке в магнитном поле α-фаза выде-

368

ляется в виде частиц, ориентированных вдоль поля параллельно направлению [100].

После такой обработки магнитные свойства сплавов становятся анизотропными, их магнитные характеристики (Вr, Нс, BHcmax) сильно возрастают в направлении приложенного магнитного поля (магнитная текстура). Термомагнитной обработке подвергают сплавы, содержащие свыше 18 % Со. Кристаллическая текстура образуется в случае направленной кристаллизации отливки магнита, при этом возникают столбчатые кристаллы, растущие в направлении [100]. Это сильно повышает магнитные свойства, поскольку они зависят от кристаллографической ориентации ферромагнитных фаз.

Для изготовления магнитов применяют и порошковые сплавы Fe—Ni—ΑΙ

MMKl l (Hc = 24 KA/M, BT = 0,6 Тл), MMK7 (Нс = 44 кА/м, Br = 0,95 Тл) и

ММКП (Нс =118 кА/м, Вг = 0,7 Тл). Эти сплавы проходят такую же термическую обработку, как и литые сплавы. Сплавы не обладают хрупкостью.

Некоторое применение нашли деформируемые сплавы 52КФА, 52КФБ и 52КФ13 (51—53% Со, 11—13% V, остальное — Fe), изготовляемые в виде проволоки диаметром 0,5—3,0 мм, полос и лент толщиной 0,2—1,3 мм. После закалки и холодной деформации сплавы подвергают отпуску при 600—620 °С. Свойства сплавов после такой обработки: 58—62 HRC, Нс ~ 28 кА/м и Вr ~ 0,85 Тл (в зависимости от полуфабриката). Сплавы Fe—Ni—ΑΙ—Nb, содержащие

8,4—9,8% Αl, 3,7—4,2% Nb и 20—25% Ni (остальное Fe), в виде горячекатаных листов используют для изготовления малогабаритных магнитов. В промышленности используют сплавы на основе системы Fe—Со—Сг, достаточно хорошо деформируемые при прокатке. Свойства сплавов типа К23Х31С1 после термической обработки Нс ~ 52,8 кА/м и Вr = 1,15 Тл.

Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь).

Магнитно-мягкие стали применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т. д.

Общие требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам, — высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, а для деталей магнитопроводов, работающих в переменных магнитных полях,—малые потери при перемагничивании и потери на вихревые токи.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный материал должен быть чистым от примесей и включений, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Магнитная проницаемость возрастает, если зерно феррита крупнее. Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Hс. Поэтому материал должен быть полностью рекристаллизован для устранения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

1 ММК — магнит металлокерамический, цифры — порядковый номер.

359

В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05—0,005 % С; 0,8—4,8 Si). Кремний, образуя с α-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3—4 %. Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.

Электротехническую сталь изготовляют в виде рулонов, листов и резаной ленты.

Листовую электротехническую сталь чаще подвергают обезуглероживающему (черновому) отжигу при 720—800 °С (выдержка 25 ч), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100—1200 °С в течение 25—30 ч. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4 % Н2 и 96 % N2, для снятия напряжений и рулонной кривизны.

Электротехническую сталь маркируют цифрами (ГОСТ 21427—75). Первая цифра определяет структуру и вид прокатки: горячекатаная изотропная (1), холоднокатаная изотропная (2) и холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой в направлении [100] (3). Вторая цифра указывает содержание в стали кремния: 0 — до 0 , 4 % ; 1 — 0,4—0,8 %; 2 — 0,8 — 1,8 %; 3 — 1,8—2,8 %; 4 — 2,8—3,8 %; 5 — 3,8—4,8 %. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери. Четвертая цифра — код числового значения нормируемого

параметра. Чем цифра больше, тем меньше удельные потери

Р1,5/501·

Горячекатаная изотропная сталь марок 1212, 1311, 1411, 1511, 1514 имеет высокие удельные потери. С увеличением в стали кремния потери на вихревые токи и перемагничивание уменьшаются. Удельные потери при магнитной

индукции 1,5 Тл и частоте тока 50 Гц (Р1,5/50) для листов толщиной 0,5 мм для стали 1212 составляют 7,2 Вт/кг, для стали 1514 эти потери не превышают 2,7 Вт/кг.

Холоднокатаную изотропную тонколистовую электротехническую сталь выпускают марок: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. Удельные потери у этих сталей ниже, чем у горячекатаных. В зависимости

от содержания кремния удельные потери (Р15/50) для толщины листа 0,5 мм лежат в пределах 3,8 (сталь 2011) — 1,3 (сталь'2412) Вт/кг.

Чем тоньше лист, тем меньше удельные потери. Магнитная индукция при напряжении магнитного поля 2500 А/м составляет для низкокремнистых сталей 1,6 Тл и для сталей с 4% Si — 1,5 Тл.

Холоднокатаная анизотропная (текстурированная) листовая сталь содержит 2,8—3,8% Si (марки 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406). Эта сталь относится к ферритному классу сталей, не испытывающих γ α-npeвращения.

1 Удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50.

370