Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
S та E на діаграмі залізо-цементит (рис. 9.2). Максимальна кількість вуглецю, що розчиняється в аустеніті (точка Е) зменшується, що приводить до зсуву лінії SE ліворуч, тому ледебуриту структурі легованих сталей з’являється при менших, ніж 2,14%, концентраціях вуглецю. Наприклад, у сталі з 4 %W ледебурит спостерігається при наявності приблизно 1% вуглецю. Рисунок 9.2 – Вплив легувальних елементів на положення точок S та Е За їх впливом на температури поліморфних перетворень легувальні елементи поділяють на аустенітостабілізатори (нікель, марганець, мідь, азот) та феритостабілізатори (більшість легувальних елементів: хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан, алюміній, кремній та інші). Елементи першої групи знижують температури точок А та підвищують температури точок А, тобто розширюють зону. Якщо кількість легувальних елементів перевищує концентрацію, що відповідає вмісту точки b (рис. 9.3, б, то кристалічна гратка аустеніту ГЦК стає стійкою при кімнатних температурах. Такі сталі звуться аустенітними. При уведенні феритостабілізаторів навпаки, температури точок А 3 підвищуються, а А - понижуються, тобто область стійкого існування аустеніту зменшується, тому зона є замкнутою (риса. Однофазні сплави з ОЦК-граткою, стійкі при будь-якій температурі до лінії солідус, звуться феритними. Хром замикає зону при 13% (точка с, кремній - 2,0%, ванадій – 1,3%. а б а – феритостабілізатори; б – аустенітостабілізатори Рисунок 9.3 - Схема діаграм стану залізо-легувальний елемент 9.1.2 Маркуваннялегованихсталей Марка легованої сталі складається з поєднання літер та цифр, що позначають її хімічний склад. Згідно з ГОСТ 4543-71 літери позначають: А (на початку марки) – автоматна, А (всередині марки) – азот, А (наприкінці) - високоякісна, Б – ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, Л (наприкінці) – ливарна сталь, М – молібден, Н – нікель, П – фосфор, Р (на початку) – швидкорізальна, Р ( наприкінці) – бор, С – кремній, Т – титан, Ф – ванадій, X – хром, Ц – цирконій, Ч - рідкісноземельні метали, Ш (на початку) – вальницева сталь, Ш (наприкінці) – сталь електрошлакового перетоплення, Ю - алюміній. Цифра, що стоїть після літери, вказує приблизну кількість відповідного легувального елемента у процентах. Якщо цифра відсутня, то концентрація легувального елемента складає приблизно 1% або вказана його присутність (може бути в сотих або тисячних частках процента. Цифра на початку марки легованої сталі вказує на середню концентрацію вуглецю: дві чи три цифри в конструкційних сталях - його концентрацію в сотих частках процента, одна цифра в інструментальних сталях - у десятих частках процента. Якщо кількість вуглецю 1...2%, то цифра на початку марки не ставиться. Наприклад, марка конструкційної сталі 12ХНЗА означає, що сталь містить С (0,09...0,16% С, приблизно 1% хрому (0,6...0,9%), 3% нікелю (2,75...3,13%) та є високоякісною. Елементи не позначається, якщо в сталі вони присутні як технологічна або випадкова домішка. У складі інструментальної сталі ХВСГ - С (0,95...1,05%), Cr (0,6...1,1%), Si (0,65...1,0%), Mn (0,6...0,9%). Якщо інструментальна сталь має у своєму складі 0,5...0,6 Сто її марку слід записати як 5ХНВ. Нестандартні сталі позначаються буквами ЭИ завод “Електросталь”, И - дослідницька), ДИ (завод “Дніпроспецсталь”, И – дослідницька) та порядковим номером. 9.1.3 Класифікаціялегованихсталей Леговані сталі розрізняють за хімічним складом, структурою, якістю та призначенням. Захімічнимскладомвзалежностівідконцентраціївуглецю сталіподіляютьна: маловуглецеві ( < 0,3 С, середньовуглецеві (0,3...0,7 Ста багатовуглецеві (СВ залежності від легувальних елементів, що уведені до складу сталей, їх поділяють на хромисті, хромонікелеві, хромовольфрамомолібденові сталі тощо. Взалежностівідсумарноговмістулегувальнихелементів поділяють: малолеговані ( ≤ 5 % легувальних елементів), середньолеговані (5...10 % легувальних елементів) та багатолеговані сталі ( > 10 % легувальних елементів). Заякістю в залежності від присутності шкідливих домішок (сірки та фосфору) сталі поділяють на якісні, високоякісні та особливо високоякісні. Заструктуроюсталікласифікують у рівноважному відпаленому (охолодження з піччю) та нормалізованому (охолодження на повітрі) стані зразків невеликого розміру. Сталіувідпаленомустаніможутьматиструктурутаких класів: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні, ледебуритні, феритні, аустенітні: 96 − доевтектоїдні, що мають у структурі перлит та ферит, наприклад, Х, 40ХНМА, Г, Х − евтектоїдні - зі структурою перлит, наприклад, 60СГ, 70С2А; − заевтектоїдні- зі структурою перлит та вторинні карбіди, наприклад, ХВГ, 70СЗА, Х. Сталі цих класів, як правило, малолеговані (конструкційні) містять менше 6% легувальних елементів, інструментальні - 1...4%, але при малій кількості вуглецю можуть бути і багатоколегованими. Структуру слід визначати з урахуванням впливу легувальних елементів на положення точки S (див. рис. 9.2). Наприклад 3 % хрома зсувають точку S до С, і тому сталь Х за структурою у відпаленому стані є заевтектоїдною. Ледебуритний (карбідний) клас зі структурою перлит, ледебурит ( суміш перлиту та первинних карбідів) та вторинні карбіди. Ці сталі містять більше ніж 0,5...2,0 С, при сумі легувальних елементів більше ніж 8%. Належність сталі до цього класу визначають з урахуванням впливу легувальних елементів на положення точки Е (див. рис. 9.2). Зі зсувом точки Е вліво частина рідини стопу при температурі евтектичного перетворення кристалізується в грубу евтектику – ледебурит. До цього класу відносяться сталі Х (біля С, Р6М5 (приблизно 0,9 С. Сталіферитногокласу (08ХІ8Т1, 15Х25Т) утворюються при уведені феритостабілізаторів хром, вольфрам, кремній, ванадій, молібден тощо), що розширюють зону (див. риса, та малій кількості вуглецю ( ≤ 0,15%). Аустенітна зона замикається при концентрації легувальних елементів, більшій ніж точка с (див. рис. За) та залежить від діаграми стану залізо-легувальний елемент. Так, при кількості хрому більше 13% маловуглецеві сталі ( ≤ 0,1 С) стають феритними. Феритні сталі не зазнають перетворень при нагріванні, тому не змінюють свою структуру. Усталяхаустенітногокласу (04ХІ8Н10, 12Х18Н9, І5ХІ7АГІ4) є велика кількість (більша за концентрацію точки b, див. рис. 9.3, б) аустенітостабілізаторів (нікель, марганець, азот, мідь), що розширюють зону. Вуглець також є аустенітостабілізатором, але його кількість у корозійностійких сталях обмежується 0,15%, бо він знижує корозійну стійкість. У жароміцні сталі аустенітного класу з карбідним зміцненням уводять 0,40...0,45% С. Аустенітні сталі також не мають структурних перетворень при нагріванні та охолодженні. При певній кількості легувальних елементів можлива часткова фазова перекристалізація ( α αα α γγγγ ) з утворенням структури проміжних класів: напівферитноготанапіваустенітного. За структурою в нормалізованому стані сталі поділяють на такі основні класи: перлитний, мартенситний, аустенітний та феритний. Сталі перлитного класу мають невелику стійкість переохолодженого аустеніту (риса, тому за умов охолодження на повітрі набувають структуру перлиту, сорбіту чи трооститу. Здебільшого це вуглецеві та малолеговані сталі ( Σ ЛЕ ≤ 5%). Сталі мартенситного класу мають високу стійкість переохолодженого аустеніту (рис. 9.4, б, при охолодженні на повітрі до температур мартенситного перетворення вони загартовуються на мартенсит. До цього класу належать середньо- та багатолеговані сталі ( Σ ЛЕ ≥ 8%). а – перлитний; б – мартенситний; в - аустенітний Рисунок 9.4 - Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту у сталях різних класів Структурні класи аустенітних та феритних сталей після охолодження на повітрі збігаються з класифікацією у відпаленому стані. Розглянута класифікація за структурою в нормалізованому стані має умовний характер, бо сталь одного і того ж хімічного складу може мати різну структуру в залежності від умов охолодження та розмірів виробів. Знання класифікаційних ознак дозволяє вірно визначити структуру, властивості сталі у вихідному стані та вибирати режими термічної обробки для отримання необхідних фізико-механічних та технологічних властивостей. За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями. 9.1.4 Конструкційнілегованісталі Конструкційні сталі використовуються для виготовлення деталей машин та елементів металевих конструкцій. При виборі сталі для виробів необхідно враховувати вимоги до міцності, пластичності, прогартовуванності, циклічної міцності, ударної в’язкості, опору зношуванню тощо. Переваги легованих сталей порівняно із вуглецевими виявляються після відповідної термічної обробки. Масова частка вуглецю в конструкційних сталях не перевищує 0,7% і позначається двома цифрами на початку марки (12ХНЗА, 40ХН, С. Основні легувальні елементи конструкційних сталей – кремній, марганець, хром (до 2% кожного, нікель (до 4,5%). Такі елементи як вольфрам, молібден, ванадій, титан, ніобій та деякі інші використовують у невеликих концентраціях (наприклад, 0,09...0,13% Ті; 0,2...0,3 %Мо; 0,001...0,005 В) разом із вказаними елементами для поліпшення властивостей сталі. Сума легувальних елементів у конструкційних сталях здебільше не перевищує 6 %. Конструкційні сталі для машинобудування поділяють на групи: Стал і , щ о цементу ют ь , н і т ро цементу ют ь з кількістю 0,10...0,25 С (наприклад, Х, 25ХГТ, ХНА, 18Х2Н4МА та інші). Їх функціональне призначення - деталі, що працюють в умовах тертя (зубчасті колеса, кулачки тощо). Після цементації, нітроцементації, гартування та низькотемпературного відпускання забезпечується висока твердість поверхні (HRC 58...63) та зносостійкість у поєднанні з достатньою міцністю та в’язкістю серцевини (HRC 20...43, KCU > 70Дж/см 2 ). За структурою у стані рівноваги ці сталі належать до доевтектоїдних сталей і після термічної обробки набувають структуру мартенситу з карбідами у поверхневому шарі та маловуглецевого мартенситу чи бейніту у серцевині. Структурний клас у нормалізованому стані залежить від вмісту легувальних елементів. Наприклад, сталь Х – перлитного класу, 18Х2Н4МА – мартенситного. 99 Вміст легувальних елементів в цементовних сталях визначає рівень механічних та експлуатаційних властивостей, а також розмір деталей, які із них виготовляють. Пол і п шу ван і стал і містять 0,3...0,5 С (40ХН, З8ХМЮА, 50ХНМ, З0ХГС) і набувають високих механічних властивостей після поліпшення - гартування та високотемпературного відпускання для отримання структури сорбіт відпускання (HRC 25...35). Така термічна обробка забезпечує підвищену границю плинності у комбінації з доброю пластичністю та в’язкістю, високим опором розвитку тріщин. Крім того, помітно знижується температура порогу холодноламкості. Ця група сталей використовується для різноманітних деталей машин, що працюють в умовах не тільки статичних, але й циклічних та ударних навантажень (вали, шатуни та інше). Дуже важливою характеристикою при виборі цих сталей є прогартовуваність. Ре сорно- пружин н і стал і містять 0,5...0,7 С. Високі значення границі пружності, витривалості та релаксаційної стійкості досягаються їх гартуванням та середньотемпературним відпусканням при Сна структуру троостит відпускання (HRC 40...50). Ресорно- пружинні сталі належать до перлитного класу та мають у своєму складі такі основні легувальні елементи, як кремній (1...3%), марганець (1%), а в сталях відповідального призначення, крім того - хром (1%), ванадій І, нікель ( ≤ 1,7%). До окремої групи належать з нос ост і й к і вал ь ниц е в і стал і . В марці на початку стоїть літера Ш ШХ6, ШХ15СГ, при цьому кількість хрому вказується у десятих частках процента. Сталі за своїм хімічним складом відповідають інструментальним сталям, аза умовами експлуатації є конструкційними. Основні вимоги до них висока твердість, опір зношуванню, контактна витривалість, стабільність структури та розмірів. Сталі містять 0.9...1,1% С, 0,4...1,5%Сг, а також кремній та марганець. Вони відносяться до заевтектоїдних сталей перлитного класу, підлягають неповному гартуванню від 820...850 Ста низькотемпературному відпусканню при С для отримання структури мартенситу з карбідами при мінімальній кількості залишкового аустеніту А ЗАЛ ( ≤ 5%). Забезпечується твердість HRC60...64. 100 9.1.5 Інструментальнілегованісталі Інструментальні сталі застосовуються для виготовлення різальних, вимірювальних інструментів та штампів для холодного або гарячого деформування. Інструмент під час експлуатації зазнає впливу підвищених температур, зношування, високого тиску. Тому інструментальні сталі повинні мати високу твердість, зносостійкість, стабільність розмірів, теплостійкість, знижену критичну швидкість гартування. У марках інструментальних сталей вміст вуглецю вказується однією цифрою в десятих частках процента (5ХНМ, 9ХС). Цифра відсутня, коли вміст вуглецю не менше, ніж 1% (ХВГ, ХВСГ). Стал і для р і зал ь них і нс тру мент і в . За рівнем теплостійкості сталі для різальних інструментів поділяють на дві групи: − малолеговані (сумарна кількість легувальних елементів до 5%), нетеплостійкі: ХВГ, ХВСГ, 9ХС та інші. Основні легувальні елементи: хром, кремній, марганець, вольфрам, ванадій. Теплостійкість до С − багатолеговані (до 25% легувальних елементів) швидкорізальні сталі з теплостійкістю до С РІ8, Р6М5, Р9К5Ф2 та інші. Для забезпечення теплостійкості вводять вольфрам, молібден, що утворюють спеціальні карбіди (МС, МС, МС, які повільно коагулюють. Карбіди сприяють підвищенню різальних властивостей та опору зношуванню. У зв’язку з цим інструментальні сталі містять не менше ніж 0,7% вуглецю. За структурою малолеговані сталі належать до заевтектоїдних сталей перлитного класу. Їх піддають неповному гартуванню від температури вище точки А та низькотемпературному відпусканню на структуру мартенсит та надлишкові карбіди, що забезпечує твердість HRC 62...65 та високу зносостійкість. Через низьку теплостійкість вони мають експлуатаційні властивості практично на рівні із вуглецевими сталями (для інструментів, що працюють при невеликих швидкостях різання і розігріваються не вище С, однак на відміну від останніх їх можна використовувати для виготовлення інструментів більших розмірів та складної форми. Ш вид ко р і зал ь н і стал і позначаються літерою Р, цифра після якої вказує на вміст основного легувального елементу - вольфраму (Р, Р6М5, Р, Р, Р10К5ФЗ тощо). Вони відносяться у рівноважному стані до ледебуритного (карбідного) класу. У структурі литої сталі, що 101 складається з евтектики та перлиту, можна виділити три типи карбідів: первинні (карбіди ледебуриту, вторинні (що виділяються з аустеніту при охолодженні) та евтектоїдні. Грубі первинні карбіди негативно впливають на працездатність інструменту та збільшують крихкість сталі. Тому інструменти зі швидкорізальних сталей лише інколи виготовляються литвом, як правило, із заготовок, що отримують гарячою пластичною деформацією зливків невеликої маси. Під час пластичної деформації евтектичні карбіди (К І ) подрібнюються. Швидкорізальні сталі - червоностійкі, тобто здатні зберігати мартенситну структуру, високу твердість та зносостійкість при нагріванні до температур червоного жару (С. Ці властивості досягаються після термічної обробки - гартування та відпускання, що мають низку особливостей (рис. 9.5). Рисунок 9.5 - Графік термічної обробки сталі Р6М5 Висока температура гартування С для сталі Р6М5 (на Свище А) необхідна для розчинення карбідів вольфраму, молібдену та отримання багатолегованих аустеніту (при нагріванні) та мартенситу (після гартування). Через підвищену кількість легувальних елементів сталь має низьку теплопровідність. Тому під час нагрівання використовується подвійне підігрівання (при 450 та С) з метою запобігання утворенню термічних тріщин та деформації виробів. Після гартування в олії твердість сталі 60...62 HRC, а структура складається з мартенситу, карбідів та 25...30% залишкового аустеніту. Відпускання проводиться тричі по 1 годині при 560 С. Під час витримки спостерігаються процеси відпускання мартенситу, виділення високодисперсних спеціальних карбідів вольфраму, молібдену, ванадію з пересичених α αα α - та γγγγ -твердих розчинів, при охолодженні після витримки збіднений залишковий аустеніт перетворюється у мартенсит. 102 Після відпускання твердість сталі досягає 64...65 HRC, а кількість залишкового аустеніту не перевищує 5%. Висока твердість сталі після відпускання зумовлена збереженням високолегованої мартенситної структури, дисперсійним зміцненням спеціальними карбідами та перетворенням залишкового аустеніту у мартенсит. Для усунення карбідної неоднорідності, підвищення кількості вуглецю та стійкості інструменту зі швидкорізальних сталей у промисловості виготовляють заготовки методом порошкової металургії, а при термічній обробці інструментів використовують оксидування, азотування, ціанування, нанесення покриттів, наприклад, із нітриду тітану TiN. Стал і для в им і р ю вал ь них і нс тру мент і в . Основні вимоги для них - високі зносостійкість, стабільність розмірів та форми протягом тривалого часу експлуатації. Найбільш поширеними є заевтектоїдні низьколеговані сталі з кількістю приблизно 1% вуглецю (X, ХГ, ХВГ, 9ХС), що піддають обробці на високу твердість (HRC 60...64). Для зменшення кількості залишкового аустеніту гартування проводять з більш низької температури, а відпускання - при С протягом 12...24 годин. Інструмент високої точності піддають обробці холодом перед відпусканням. Штампов і стал і поділяють на сталі для деформації металу у холодному та гарячому стані. Сталі першої групи повинні мати високу міцність, твердість і тому містять 0,7...1,5% Ста легувальних елементів (9ХС, ХМ та інші). Високолеговані сталі ХМ, Х12Ф1 близькі до швидкорізальних (у відпаленому стані - ледебуритний клас, у нормалізованому - мартенситний клас). Висока зносостійкість забезпечується великою кількістю карбідів Cr 7 C 3 та MC після гартування. Їх термічну обробку виконують на первинну чи вторинну твердість. У першому випадку температура гартування складає С, а наступне відпускання 150...160 С дозволяє досягти твердості 61...64 HRC. Гартування на вторинну твердість проводиться від високих температур (С, що веде до значного насичення аустеніту хромом унаслідок розчинення карбідів та значному зниженню температури Мп. Після гартування зберігається 60...80% залишкового аустеніту в структурі, тому твердість низька - HRC 42...54. Після 103 багаторазового відпускання при 500-580 С твердість зростає до HRC60...62 унаслідок перетворення А → → → → М. Сталі для штампів гарячої деформації використовують за температури Св умовах ударного навантаження, тому повинні мати високі показники теплостійкості та в’язкості. Цим вимогам відповідають сталі зі зменшеним вмістом вуглецю (0,3...0,5%): 5ХНМ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8 тощо. Після гартування ці сталі піддають відпусканню при 500...680 Сна структуру троостит чи троостосорбіт (HRC 35...45) у залежності від розмірів штампу, марки сталі та умов експлуатації. |