Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3 %, которые должны обладать:
- закаливаемостью на 29-43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);
- прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;
- наследственно-мелкозернистостью;
- хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.
Различают два вида цементации: твердую и газовую.
Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:
- составом стали;
- толщиной и структурой цементированного слоя (рис.6.1);
- наличием дефектов в слое;
- твердостью поверхностных слоев и сердцевины.
Рис. 6.1. Толщина и структура цементированного слоя
На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1мм; температура цементации выше Ас3 (930-950 оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8-10 ч, в газовом - 1 мм образуется за 6 - 7 ч.
Твердый карбюризатор - древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО3 и Na2СО3) в количестве% от веса угля.
Газовый карбюризатор - природный газ и жидкие углеводороды.
Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше Ас1 на 30 оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).
Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше Ас1 + 30 оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).
После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160-180 оС).
Глубина цементированного слоя составляет 0,5 - 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 - 1,2 % ( рис. 12.1).
За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4 % (рис.6.1).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6..2. Режимы термической обработки цементированных деталей
При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60-64 HRC (900HV), для легированной 58-61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20-35HRC.
6.2. Азотирование стали
Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH3 → 3H + N).
Азотированию при температуре оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск).
К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю).
Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования – 0,01 мм/ч и менее.
Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.
Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.
7. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Термомеханическая обработка стали (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии ("аусформинг") с закалкой.
Различают два способа ТМО - это высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) (рис.7.1).
Рис. 7.1. Схема термомеханической обработки стали: а – ВТМО; б – НТМО (заштрихованная зона – интервал температур рекристаллизации)
ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-200 оС. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200-500 МПа, т. е. 10-20 %. Характеристики пластичности и вязкости повышаются в 1,5-2 раза.
Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зерна; в результате прочность повышается. В то же время субграницы ведут себя как полупроникаемые барьеры. Они допускают прорыв дислокаций, их передачу из мест скоплений в соседние субзерна. Это вызывает пластическую релаксацию локальных напряжений и служит причиной повышенных пластичности и вязкости.
Наибольшее упрочнение (σв ≤ 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО. Она требует мощных деформирующих средств и пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.
ВМТО обеспечивает меньшее упрочнение (σв ≤ 2400 МПа ), но более высокие пластичность и вязкость. Она уменьшает также чувствительность к трещине, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление усталости и затрудняет разупрочнение при отпуске, что связано с устойчивостью ячеистых дислокационных структур мартенсита. Особенно эффективна ВТМО для чистого вакуумированного металла. Кроме того, ВТМО более технологична и для неё пригодны любые конструкционные стали.
Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения. Оно состоит в том, что свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки. Это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты (поковки, прутки, листы и т. п.), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.
8. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
Легирование - целенаправленное изменение состава материала путем введения легирующих элементов для изменения структуры и получения требуемых свойств.
8.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях
Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций, т. е. сдвигают точки А3 и А4 по температурной шкале (рис.14.1). Элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения.
Рис. 8.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа: а – Ni, Mn (аустенитные); б – Mn; в – V, Si, Al, Cr, W, Mo (ферритные); г – B, Zn, Nb
Легирующие элементы оказывают большое влияние на положение точек S (0,8 % С) и E (2,14 % С) диаграммы «железо-цементит» (рис. 8.1):
Ni, Co, W, Cr, Mn снижают, а V, Ti, Nb повышают.
Легирующие элементы в стали могут быть в твердом растворе, карбидной фазе или в виде интерметаллических соединений и влияют на свойства феррита и аустенита по мере увеличения их содержания в сталях (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита
При высоком содержании легирующих элементов часто образуются интерметаллические соединения: Fe7Mo6, Fe2Mo6, Fe2W, Fe7W6; силициды: FeSi, Fe3Si, Fe5Si3 (η - фаза), Fe Cr (σ - фаза).
По отношению к углероду легирующие элементы делятся на три группы:
- графитизирующие - Si, Ni, Си, Al ;
- нейтральные - Со ;
- карбидообразующие (по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз располагаются в следующем порядке: Fe → Mn → Cr → Mo → W→ Nb → V → Zn → Ti).
При малом содержании Mn, Сr, W, Mo карбидообразующие растворяются в цементите и образуют легированный карбид типа (FeMn)3С; (FeCr)3С. Более сильные карбидообразующие - Ti, Zn, V, Nb - образуют специальные карбиды (TiС, NbС, ZnС, VС).
Карбиды в легированных сталях можно разделить на две группы: карбиды типа (М - металл) - М3С2, М7,С3 , M23C6 и M6C (M4C), которые легко растворяются в аустените при нагреве и карбиды типа MC (TiС, NbС, ZnC), W2C и Мо2C, являющиеся фазами внедрения и которые в реальных условиях не растворяются в аустените.
Все карбиды обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Чем дисперснее карбиды, тем выше прочность и твердость.
8.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита
Некарбидообразующие элементы, кроме Со, замедляют кинетику распада аустенита (рис.8.3,а).
Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но качественные изменения в кинетику изотермического превращения аустенита (рис.8.3,б).
Рис. 8.3. Диаграммы изотермического распада аустенита:
а – углеродистая (1) и легированная некарбидообразующими элементами (2);б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими элементами (2)
Наиболее важной способностью легирующих элементов является замедление скорости распада аустенита в районе перлитного превращения (смещение линии вправо). Это снижает критическую скорость закалки и способствует глубокой прокаливаемости.
Сильно увеличивается прокаливаемость стали при легировании Cr, Ni, Mo, Mn, и особенно она увеличивается при совместном легировании несколькими элементами (Cr + Ni + Mo).
Эффективно влияют на прокаливаемость малое количество бора (оптимально 0,,006 %). При большом содержании бора образуются бориды и прокаливаемость уменьшается.
8.3 Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
Легирующие элементы, меняя температурный интервал Мн и Мк (рис.14.4), уменьшают или увеличивают количество остаточного аустенита.
Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту; исключение составляют марганец (Мn) и бор (В).
Рис. 8.4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита в стали с 1,0 % С (б)
Легирующие элементы замедляют распад мартенсита при отпуске (весьма существенно Сг, Mо, Si, Ti) и повышают температуры фазовых превращений, тем самым повышая красностойкость стали.
8.4. Классификация легированных сталей
Классификация легированных сталей производится по следующим признакам:
- по равновесной структуре;
- по структуре после охлаждения на воздухе;
- по составу;
- по назначению.
По равновесной структуре легированные стали делятся на:
- доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит;
- эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;
- заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный вторичный карбид;
- ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделяющиеся из жидкой фазы.
Пример: При содержании 5 % Сr сталь с 0,6 % С является заэвтектоидной, а с 1,5 % С - ледебуритной.
По структуре после охлаждения на воздухе (рис.8.5) выделяют три основных класса легированных сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.
Рис. 8.5. Диаграмма изотермического распада аустенита сталей:
а - перлитного класса (0,1 - 1,5 % С), содержащих менее 5 - 7 % легирующих элементов; б - мартенситного класса (0,3 - 0,6 % С), содержащих% легирующих элементов; в - аустенитного класса (0,1 - 0,5 % С), содержащих более 15 % легирующих элементов
По составу стали делятся на:
- никелевые;
- хромистые;
- кремнистые;
- хромоникельмолибденовые.
По назначению легированные стали делятся на:
- конструкционные (цементуемые, улучшаемые), строительные низколегированные;
- инструментальные: для режущего инструмента (быстрорежущие); для штампового инструмента; для мерительного инструмента;
- стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, теплостойкие, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными свойствами.
8.5. Принципы комплексного легирования
Всё чаще в промышленности разрабатываются и применяются новые комплексно легированные стали и сплавы. Такой подход позволяет сократить расход дорогостоящих легирующих элементов (например, вольфрам) не снижая, а, как правило, повышая многие свойства сталей и сплавов.
Комплексное легирование проводится для того, чтобы:
- повысить устойчивость аустенита к переохлаждению и распаду, так как легирующие элементы снижают критическую скорость закалки;
- увеличить прокаливаемость;
- уменьшить склонность стали к pocту аустенитного зерна;
- увеличить степень дисперсности карбидных фаз после закалки и отпуска;
- упрочнить феррит;
- повысить температуру рекристаллизации;
- уменьшить склонность стали к отпускной хрупкости;
- улучшить обрабатываемость сплава;
- уменьшить склонность стали к деформации (короблению) при термической обработке (так как используются "мягкие" охлаждающие среды);
- увеличить запас вязкости и сопротивление хладноломкости;
- увеличить эксплуатационную надежность детали;
- улучшить свариваемость.
Легированные стали без термической обработки не применяются.
8.6. Технологические особенности термической обработки легированной стали
Легирование, изменяя скорости и температуры фазовых превращений, а также тепловые характеристики (теплопроводность) стали, существенно влияет на режим термической обработки.
Нагрев под закалку необходимо проводить медленно, так как легирование уменьшает теплопроводность стали. Время выдержки увеличивается для завершения фазовых превращений и выравнивания состава. Температура нагрева под закалку легированной стали выше, чем у нелегированной углеродистой при одинаковом содержании углерода.
Охлаждение легированных сталей после нагрева и выдержки проводится со значительно меньшей скоростью (масло, воздух), чем нелегированных углеродистых.
Так кaк легирующие элементы снижают Мн и увеличивают количество остаточного аустенита, для более полного превращения аустенита в мартенсит дополнительно проводят обработку стали холодом, либо проводят два или три отпуска. Такая обработка повышает твердость после отпуска за счёт распада остаточного аустенита на мартенсит отпуска.
8.7. Особенности отпуска легированной стали
Легирующие элементы оказывают количественное и качественное влияние на фазовые превращения при отпуске.
Количественное влияние заключается в изменении скоростей и температурных интервалов фазовых пpeвращений при отпуске.
I превращение в стали (П→ А) сопровождается выделением углерода из мартенсита ( с/а → 1). В углеродистых сталях тетрагональность решетки стали исчезает при 300 °С. С введением Сг, V, Ti, W, Mo, Si эта температура поднимается до 450 – 500 оС и повышается красностойкосгь стали.
При II - ом превращении в стали (А → Ф + Ц) легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, тем самым увеличивая кoличество остаточного аустенита (до 30 %), который при отпуске превращается в мартенсит отпуска при более высокой температуре, чем у не легированных сталей. Вольфрам (W) и хром (Cr) повышают температуру коагуляции до 450 оС, молибден (Mo) - до 550 °С. Карбидообразующие элементы замедляют процесс коагуляции.
Качественное влияние легирующих элементов при отпуске легированных сталей заключается в появлении новых эффектов при отпуске закаленных сталей: карбидного превращения и вторичной твердости.
После III –го превращения (А → М), которое идет при более высокой температуре (450-500 оС), некарбидообразующие элементы (Co, Ni, Si) диффундируют из цементита в перлит (Ц→ П), карбидообразующие (Cr, Mn, W, Mo) из феррита в цементит (Ф → Ц).
В момент предельного насыщения цементита легирующим элементом происходит карбидное превращение; легированный цементит превращается в специальный карбид (Fe Ме)3С, (Cr Fe)23C6.
Явление вторичной твердости заключается в повышении твердости после отпуска в интервале достаточно высоких температур °С. Это явление связано с превращением остаточного аустенита в мартенсит и образованием высоко дисперсных спецкарбидов, которые заклинивают плоскости скольжения и повышают твердость.
9. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам.
Выбор стали для изготовления деталей определяется:
- условиями работы;
- величиной и характером напряжений, возникающих в процессе эксплуатации;
- размерами и формой детали.
Выбранная сталь должна удовлетворять эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям.
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение, так как должны обеспечить работоспособность, надежность и конструктивную прочность материала.
Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации.
Конструктивная прочность определяется четырьмя основными критериями: жесткостью, прочностью, сопротивлением хрупкому разрушению, надежностью.
Жесткость конструкции - структурно не чувствительная характеристика, зависящая только от природы материала (межатомных связей). Показателем жесткости является модуль продольной упругости (Е) (модуль жесткости). Обычно в совокупности с Е учитывают плотность (γ ) материала и используют критерий удельной жесткости (Е / γ) , что очень важно в самолетостроении.
Прочность - способность конструкции сопротивляться деформациям и разрушениям. Характеристики прочности определяют в результате статического испытания на растяжение (σв ; σ0,2). Эти характеристики зависят от структуры стали и термической обработки. Прочность изменяется в широких пределах от 100 до 3500 МПа. Как и в случае жесткости, обычно учитывают плотность материала и оперируют понятиями удельной прочности:
σв / γ ; σ0,2 / γ.
По этим показателям высшие значения имеют титановые сплавы.
Модуль упругости Е и предел текучести σ0,2 являются расчетными характеристиками, определяющими допустимую нагрузку.
Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (в часах). Главный показатель надежности - запас вязкости материала.
Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность.
Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможность дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от условий эксплуатации и определяется:
- сопротивлением износу при трении;
- состоянием поверхности;
- коррозионной стойкостью материала.
9.1. Классификация конструкционных сталей
Конструкционные стали по условиям работы делятся на автоматные, улучшаемые, высокопрочные, цементуемые, азотируемые, пружинно-рессорные, шарикоподшипниковые.
- автоматные стали отличаются высокой обрабатываемостью резанием при изготовлении деталей на станках-автоматах в массовом производстве (винты, болты, гайки).
Для улучшения обрабатываемости в углеродистых сталях допускается повышенное количество серы и фосфора (0,08-0,3 % S и 0,06 % Р). Марки автоматной стали – А11, А12, A30, А35 (А - автоматная, цифры - сотые доли процентов углерода). Для улучшения обрабатываемости, повышения стойкости инструмента, повышения скорости резания легированных сталей дополнительно вводят Pb, Са, Se (селен), Те (теллур).
Марки сталей: AC38Г2, АС20ХГНМ (с добавками свинца 0,15- 0,3 %), АЦ30,АЦ20ХН3 (с добавками Са 0,,008 %), АС40ХЕ (с добавкой Se).
- улучшаемые легированные стали содержат углерода 0,3-0,5 % и не более 5 % легирующих элементов. Улучшение сталей достигается закалкой и высоким отпуском. Из этих сталей изготовляют ответственные детали машин и механизмов, работающие в условиях циклических и ударных нагрузок, концентрации напряжений, при низких температурах.
Улучшаемые стали должны иметь:
- высокий предел текучести (σ0,2);
- высокую пластичность с малой чувствительностью к надрезу;
- глубокую прокаливаемость;
- мелкое зерно;
- отсутствие развития отпускной хрупкости.
По прокаливаемости улучшаемые стали делятся на 4 группы:
Глубина закаленного слоя, мм Марка стали
25-35 30X, 40X, 40ХМНА, 40ХФА;
5ХГТР, З0ХГС, 35ХГСА;
7ХН3А, 40XH2MA, 30ХГСНА;
более 100 36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА, 18Х2Н4МА.
- высокопрочные стали . К ним относятся среднеуглеродистые, комплекснолегированные стали с пределом прочности (σв) более 1Мпа:
- полученные при помощи закалки и низкого отпуска;
- термомеханической обработки;
- мартенситостареющие стали.
Si, Mo, W, V снижают разупрочнение при отпуске и измельчают зерно; Сr, Мn обеспечивают глубокую прокаливаемость; Ni снижает чувствительность к надрезам.
Марки высокопрочных сталей 30ХГСНА, 40XГCН3BА, 30X2ГН2BM применяются в самолетостроении в силовых сварных конструкциях, деталях фюзеляжа, шасси.
Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) дополнительно обеспечивают следующие свойства:
- более высокую пластичность и вязкость;
- снижают порог хладноломкости;
- снижают чувствительность к отпускной хрупкости;
- повышают усталостную прочность;
- повышают устойчивость к разупрочнению при отпуске;
- цементуемые легированные стали. эти стали содержат малое количество углерода (0,1-0,25 %). Легирование (Сr, Ni, Mо, V, Mn, Ti) укрепляет сердцевину, карбидообразущие увеличивают степень науглероживания поверхностного слоя, измельчают зерно, повышают твердость, износостойкость и контактную выносливость.
Обработка стали проводится в следующей последовательности: цементация + закалка + низкий отпуск. При этом твердость поверхности составляетHRC, а сердцевины -HRC.
Марки цементуемых сталей: 15Х, 20X, 15ХФ. Из них изготавливают мелкие валики, шестерни, зубчатые колеса.
Стали марок 12ХН3А, 20ХН3А, 12X2H4A, 20Х2H4A применяют для изготовления крупных деталей (до 100 мм) ответственного назначения.
Стали марок 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА имеют высокий комплекс механических эксплуатационных свойств и применяются для изготовления зубчатых колес судовых редукторов, валов.
Стали марок 18ХГТ, 30XГT, 25ХГМ используют для изготовления зубчатых колес самолетов, автомобилей, шатунов, шпилек;
- азотируемые легированные стали. Азотирование проводится после улучшения.
Цель азотирования: повысить износостойкость деталей, контактную выносливость, коррозионную стойкость, разгаростойкость.
Сталь марки 38ХМЮА применяется в самолетостроении для зубчатых колес, гильз цилиндров, валиков, роликов; сталь марки 38Х2Ю применяется для изготовления валиков водяных насосов, плунжеров, копиров.
- пружинно-рессорные стали. Эти стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин (цилиндрических, плоских) и рессор.
Основные требования к этим сталям:
- высокий предел упругости (сопротивление малым пластическим деформациям);
- высокий предел выносливости.
Этим условиям удовлетворяют стали с содержанием углерода 0,5 - 0,7 % и стали, легированные Si, Mn, Cr, V, W.
Упрочнение этих сталей достигается закалкой и отпуском при оС с поверхностным наклепом (обдувкой дробью). Полученная после такой обработки структура троостита обеспечивает отношение σупр / σв приблизительно 0,8 , что повышает надежность работы пружин.
Марки рессорно-пружинных сталей: 70, 65Г, 60С2, 50ХГ, 65С2ВА, 70СЗА. Легированные рессорно-пружинные стали имеют повышенную релаксационную стойкость, обеспечивают длительную работу машин и приборов.
- шарикоподшипниковые стали - заэвтектоидные стали, содержащие более 0,8 % углерода. После отжига, закалки в масло и низкого отпуска получают твердость стали 62 – 65HRC, а структуру - скрытокристаллический мартенсит с мелкими равномерно распределенными карбидами, который обеспечивает:
- равномерную твердость;
- устойчивость против истирания;
- необходимую прокаливаемость;
- достаточную вязкость.
Марки шарикоподшипниковой стали: ШХ15, ШХ15СГ, ШХ6, ШХ9. Для крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А (цементация проводится при t = 930-950 оС, выдержка 50-170 ч; затем следуют закалка и отпуск). Глубина полученного цементированного слоя составляет 5-10 мм.
- высокомарганцовистые износостойкие стали - стали аустенитного класса, которые имеют высокие сопротивление износу, высокую прочность и низкую твердость.
Марка высокомарганцовистой стали: 110Г13Л.
Высокая износостойкость стали 110Г13Л объясняется упрочнением (наклепом) аустенита при пластической деформации в процессе работы. В поверхностном слое аустенит превращается в мартенсит. По мере износа поверхностного слоя, мартенсит образуется в следующем слое. Сталь 110Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков.
- мартенсито-стареющие. Это безуглеродистые стали (С < 0,03 %), имеющие в основе Fе и Ni (8 – 25 % Ni) и легированные Co, Мo Ti, Al, Cr, Nb.
Высокая прочность таких сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превращения (γ → α) и старения мартенсита.
Ni - стабилизирует γ- твердый раствор, сильно снижая температуру (γ → α) превращения, и оно протекает по мартенситному механизму (сдвиг). Ti, Be, Al, Cu, Mo ограниченно растворяются в α - Fe. Мартенсито-стареющие стали закаливают с температуры 800 – 860 оС на воздухе. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит, который очень пластичен. Упрочнение достигается при старении с t = 450 – 500 °С, когда из мартенсита выделяются высокодисперсные вторичные фазы (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo), когерентно связанные с матрицей.
Для мартенсито-стареющих сталей характерны:
- высокий предел текучести;
- низкий порог хладноломкости;
- высокое сопротивление распространению трещин;
- малая чувствительность к надрезам;
- высокое сопротивление хрупкому разрушению;
- высокая конструктивная прочность в широком диапазоне температур от криогенных до оС;
- высокая технологичность.
Марки мартенсито-стареющих сталей: 03H18K9M5T, 03Н12К15М10, 03Х11H10M2T.
Мартенсито-стареющие стали используют для ответственных деталей в авиации, ракетной технике, приборостроении, судостроении как пружинный материал.
10. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, содержащие более 0,7-1,25 % С, обладающие высокой твердостью ( 60-65HRC), прочностью, износостойкостью и применяемые для различного инструмента.
Классификацию инструментальных сталей проводят по двум признакам: по назначению и по свойствам.
По назначению инструментальные стали делятся на режущие (быстрорежущие), ударно-штамповые, мерительные.
По свойствам инструментальные стали делятся на нетеплостойкие (У11, У12, 9ХС, ХВГ, рабочая температура которых 200 –300 оС), полутеплостойкие (средне - и высоколегированные стали, рабочая температура которых °С); теплостойкие (высоколегированные, быстрорежущие и твердые сплавы и металлокерамика, рабочая температура которых 500-625 оС).
Теплостойкость (красностойкость) - способность материалов сохранять служебные свойства (твердость, прочность) при нагреве до рабочих температур.
10.1. Режущие стали
В процессе работы режущий инструмент работает на износ поверхности.
К износостойким материалам предъявляются требования:
- высокая твердость и мелкозернистая равномерная структура, обеспечивающая большое сопротивление истиранию на контактных поверхностях;
- высокая горячая твердость и горячая прочность при отсутствии склонности к пластической деформации;
- достаточная вязкость при большом сопротивлении внешним силам, действующим на трибосистему;
- термодинамическая устойчивость компонентов структуры (твердых фаз);
- высокая прочность границ зерен между кристаллами твердой фазы и между твердой фазой и связкой;
- незначительная склонность к адгезии с материалом - партнером, особенно при пиковых параметрах нагружения.
Различные механизмы износа часто действуют одновременно (абразивный и диффузионный). Какой из них доминирует, тот и определяет время эффективной работы режущего инструмента (срок службы).
Режущие стали содержат углерода 0,8 –1,25 % . К ним относят:
- углеродистые стали небольшой прокаливаемости: У9,У10, У11, У12. Из этих сталей изготовляют резцы, сверла, напильники;
- легированные стали, основными легирующими элементами которых являются Сr, W, V (9ХФ, 9ХС, 9ХВГ, ХВГ, XВГС).
10.2. Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяются для .разнообразного инструмента, работающего при высоких скоростях резания в тяжелых условиях.
Качество (стойкость) инструмента зависит от:
- качества стали;
- тщательности и правильности изготовления;
- правильной термической обработки.
Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью и высокой износостойкостью (за счет V, Со, W). К ним относятся стали ледебуритного класса: PI8, Р12, Р6М5, Р6М5К5, Р10К5Ф5, Р9К10, РОФ2К8М6АТ, РОМ5Ф1, Р12М3К8Ф2-МП.
В вольфрамомолибденовых сталях вольфрам заменен молибденом в отношении Мо: W (1:1,4-1,5). Молибден придает стали большую пластичность и плотность; кобальт повышает теплостойкость; ванадий повышает износостойкость, так как карбиды ванадия самые твердые структурные составляющие.
Упрочнения (повышения стойкости) быстрорежущих сталей можно добиться особой термической обработкой (дисперсионное твердение мартенсита), цианированием поверхности (0,02-0,07мм), низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО), плазменным напылением.
10.3. Твердые peжyщие сплавы
Твердые режущие сплавы получают методом порошковой металлургии путем спекания предварительно спрессованного металлического порошка; они обладают исключительной красностойкостью и высокой твердостью. К таким сплавам относятся:
- литые сплавы - стеллиты, сормайты;
- металлокерамические сплавы - победиты.
Компонентами спекаемых твердых сплавов являются:
- кобальт (Со) как связка;
- карбиды вольфрама (WC), титана (TiС), тантала (TаС), ниобия (NbC), ванадия (VС), хрома (СrС).
Функцией кобальта является регулирование вязкости твердого сплава. Карбид вольфрама хорошо смачивается кобальтом, что влияет на схватывание с твердой фазой.
Карбид вольфрама является основой сплавов, обеспечивает прочность на изгиб и кромочную прочность в системе WC – Со.
Карбид титана значительно тверже карбида вольфрама, менее растворим и снижает вязкость сплава.
Карбид тантала замещает карбид вольфрама, повышает теплостойкость, незначительно снижает вязкость сплава по сравнению с карбидом титана.
Промышленностью выпускаются три труппы металлокерамических твердых сплавов:
- WC + Со – группа ВК (ВК6, ВК8);
- WC + ТiС + Со – группа ТК (Т15К6)
- WС + TiC + TaC + Со – группа ТТК (ТТ7К15).
10.4. Штамповые стали
Для обработки металлов давлением применяют следующие инструменты, деформирующие металл: штампы, пуансоны, ролики, валики.
Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
