Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ Химико-термическая обработка сочетает тепловое воздействие с химическим, и вызывает изменение структуры и состава в поверхностных слоях изделия. Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии. Процессы химико-термической обработки включают диффузионное обогащение поверхностных слоев изделий неметаллами или металлами из внешней активной среды, которая может быть твердой, газовой или жидкой. По характеру изменения химического состава обрабатываемого изделия все разновидности химико-термической обработки можно разделить на две основные группы: диффузионное насыщение неметаллами и диффузионное насыщение металлами. При диффузионном насыщении поверхностных слоев изделия тем или иным элементом можно выделить три одновременно идущих процесса: 1. образование химического элемента в активированном, атомарном состоянии в результате различных химических реакций; 2. адсорбция диффундирующих элементов поверхностью изделия; 3. диффузия адсорбированных атомов от поверхности к сердцевине изделия. Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекают значительно быстрее третьей – диффузионной стадии, когда формируется структура и свойства диффузионной зоны. Именно третья стадия и определяет скорость процесса химико-термической обработки. В свою очередь скорость диффузии определяется температурой: чем она выше, тем быстрее идут диффузионные процессы. 100 6.1. Диффузионное насыщение неметаллами Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом наиболее широко используется в промышленности. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуя с железом твердые растворы внедрения, и сравнительно быстро диффундируют вглубь изделия. Цементация стали При цементации происходит насыщение углеродом с целью придания поверхностным слоям детали высокой твердости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины, а также для повышения предела выносливости. Цементации подвергаются изделия с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (шестерни, втулки и т.п.). Насыщение может проводится в твердой или в газовой средах (карбюризаторах ). При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в герметически закрываемые металлические ящики и пересыпают смесью толченого древесного угля с 20…25% Na 2 CO 3 или BaCo 3 , добавки которых интенсифицируют образованием атомарного углерода. При газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол), подаваемые каплями в герметичное пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Газовую цементацию используют в крупносерийном и массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе - в мелкосерийном производстве. Цементацию проводят при температурах 920…950 С на глубину 0,5…2,0мм, причем это длительный процесс. Так при цементации в твердом карбюризаторе глубина слоя 0,1мм достигается за 1час выдержки, а при газовой цементации продолжительность выдержки сокращается в 2,5…3 раза. 101 Концентрация углерода в поверхностном слое изделия после цементации достигает 0,8…1,0%. В случае медленного охлаждения после цементации структура изделия состоит из перлита и цементита вторичного на поверхности, более глубокие слои имеют структуру перлита, далее перлит с небольшим количеством феррита и, наконец, сердцевина состоит из феррита и перлита. После цементации проводят неполную закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с мелкими включениями карбидов и твердость HRC60…62, а сердцевина состоит из закалочных структур перлитного класса и феррита (180-200 НВ). Так как удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, в нем возникают значительные сжимающие напряжения (400-500 МПа), что и повышает предел выносливости. Цианирование и нитроцементирование Насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях называется цианированием, а в газовой среде – нитроцементацией. В последнем случае в рабочую камеру печи одновременно подаются цементирующий газ и аммиак. Основное назначение цианирования и нитроцементации – повысить твердость, износостойкость и предел выносливости стальных изделий. Цианированию и нитроцементации обычно подвергают стали с 0,2…0,45%С, а также инструмент из быстрорежущих сталей. При цианировании изделий из конструкционных сталей их нагревают выше Ас 3 , поэтому в зависимости от содержания углерода в стали, температура цианирования может изменяться от 820 до 960 С. Быстрорежущие стали цианируют при температуре 560…570 С. В зависимости от температурного режима различают среднетемпературное, высокотемпературное и низкотемпературное цианирование. 102 Среднетемпературному цианированию (820…860 С) подвергают улучшаемые стали, содержащие 0,35…0,45%С. После среднетемпературного цианирования в слое содержится 0,6…0,7%С и 0,5…0,8% N. По достижению глубины слоя 0,15…0,35 мм изделие закаливают с подстуживанием из цианистой ванны и проводят низкотемпературный отпуск (180…200 С). Твердость поверхности термообработанных деталей составляет HRC 65…67. Высокотемпературное цианирование (930…960 С) применяют для цементуемых сталей взамен цементации на глубину от 1 до 1,5 мм. В этом случае поверхностный слой насыщается углеродом до 0,8…1% и азотом до 0,2…0,3%. По достижению заданной глубины слоя изделие охлаждают на воздухе, а затем нагревают до температур Ас 1 + 30…50) С, закаливают и подвергают низкому отпуску. Твердость поверхности и после термообработки HRC 58…62. Недостатком цианирования является большая ядовитость цианистых солей и высокая стоимость процесса. Нитроцементацию сталей проводят (для получения слоя глубиной 0,25…1 мм) при 850…870 С в течение 2…10 час. После нитроцементации изделия подвергают закалке либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800…825 С, либо после повторного нагрева, и затем проводят низкотемпературный (180-200 С) отпуск. Твердость поверхности после термической обработки HRC 60…62. Нитроцементации, как и газовой цементации, подвергают детали сложной конфигурации, однако этот процесс имеет ряд преимуществ – более низкая температура нагрева, что уменьшает вероятность возникновения деформаций и коробления изделий, повышенные характеристики износостойкости и коррозионной стойкости. Структура цианированного и нитроцементированного слоев состоит из азотистого мартенсита и следов остаточного аустенита. При 103 высокотемпературном режиме на поверхности иногда образуется хрупкий карбонитридный слой глубиной 0,02…0,03 мм. Низкотемпературное цианирование и нитроцементацию (560…570 С) применяют для инструментов из быстрорежущих сталей, как окончательный режим технологического процесса, и проводят на глубину 0,02…0,04 мм для повышения стойкости режущего инструмента. Азотирование Азотирование – поверхностное насыщение азотом с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносливости, а также коррозионной стойкости стальных изделий. Азотирование проводят в аммиаке при температурах 500…600 С, при этом аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота. Процесс азотирования длительный и обычно составляет от 25 до 90 час. Длительность процесса зависит от заданной глубины слоя и температуры. Обычно глубина слоя составляет 0,2…0,6 мм, при этом, чем выше температура азотирования, тем ниже твердость в связи с коагуляцией нитридов. Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака. Твердость азотированного слоя достигает HV 1000…1200 в зависимости от наличия легирующих элементов в стали. Образование азотированного слоя сопровождается увеличением удельного объема, поэтому возникают остаточные сжимающие напряжения порядка 600…800 МПа, которые значительно повышают предел выносливости сталей. Структура азотированного слоя состоит из двух зон: на поверхности образуется тонкий (0,01…0,03 мм) слой, богатый азотом ( - фаза), затем азотистый эвтектоид – смесь азотистого феррита, карбонитридов и нитридов, а сердцевина изделия имеет структуру, полученную после улучшения и представляет собой сорбит отпуска (НВ 280…300). Азотирование проводят для улучшаемых легированных сталей, и является окончательной химико-термической обработкой. Для обеспечения прочности 104 и вязкости сердцевины перед азотированием проводят полную закалку и высокий отпуск (улучшение). 6.2. Диффузионное насыщение металлами Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия, защищающие металл при высоких температурах от окисления или воздействия окружающей среды. Поверхностное насыщение стали металлами можно проводить в порошкообразных средах, погружением в расплавленный металл (если диффундирующий элемент имеет невысокую температуру плавления), или насыщением из газовой фазы. В зависимости от типа диффундирующего элемента различают процессы алитирования, хромирования, силицирования, борирования. Алитирование Алитированием называют насыщение поверхности стали алюминием. Традиционным является алитирование в порошкообразных смесях. Детали упаковывают в ящик, заполненный рабочей смесью (табл. 6.1), нагревают до 900…1050 С и выдерживают в течение 3…12 час. Довольно часто применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием, в который добавлено 6…8% Fe. Железо добавляют для того, чтобы исключить растворение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс ведут при 700…800 С в течение 45…90 мин. Таблица 6.1. Составы порошковых смесей для алитирования, хромирования и силицирования Процесс химико-термической обработки Состав смеси, % Алитирование 49…49,5 Al; 49…49,5 Al 2 O 3 ; 1..2 NH 4 Cl; 99,5 FeAl; 0,5 NH 4 Cl Хромирование 50 FeCr; 43 Al 2 O 3 ; 7NH 4 Cl 60 FeCr; 38,8 каолин; 1,2 NH 4 Cl Силицирование 40 Si; 59 Al 2 O 3 ; 1 NH 4 Cl 105 75 FeSi; 20 шамот; 5NH 4 Cl В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 800…850 С), за счет образования при эксплуатации детали на ее поверхности плотной пленки Al 2 O 3 , которая и предохраняет основной металл от окисления. Глубина алитированного слоя составляет 0,2…1,0 мм. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах. Хромирование Хромирование – насыщение поверхности изделий хромом, также часто проводят в порошковых смесях при 1000…1050 С на глубину 0,15…0,20 мм. Слой представляет собой карбид (Cr, Fe) 7 C 3 , под которым располагается переходная зона. Твердость карбидного слоя на стали достигает HV 1200...1300. Кроме хромирования в порошковых смесях применяют газовое и вакуумное хромирование. При хромировании в вакууме изделия засыпают порошком хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную камеру. При температуре 1000-1050 С хром испаряется и диффундирует в сталь. В ряде случаев применяют глубокое хромирование (глубина 1,5…8,0 мм) в вакууме при 1400…1450 С, а возникший при этом перегрев устраняется в процессе повторного нагрева. Хромирование используют для деталей паросилового оборудования клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах. Силицирование Силицирование – насыщение поверхности кремнием, придает сталям высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах, и несколько увеличивает устойчивость против износа. 106 Силицирование проводят в порошкообразных смесях или в газовой среде (SiCl 4 ) при 950…1000 С для получения слоя глубиной 0,3…1,0 мм, который обладает повышенной пористостью. Несмотря на невысокую твердость (HV 200…300), силицированный слой (после предварительной пропитки маслом при 170…200 С) обладает высокой износостойкостью. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической и нефтяной промышленности: валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и другие. Борирование Насыщение поверхностного слоя бором, придает изделиям очень высокую твердость (HV 1800…2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование стальных изделий выполняют при электролизе расплавленных солей, содержащих бор (Na 2 B 2 O 7 ), при этом изделие является катодом. Температура процесса 930…950 С, выдержка 2…6 час, глубина слоя составляет 0,1…0,20 мм. Также часто применяют газовое борирование в среде диборана (B 2 H 2 ) или треххлористого бора (BCl 3 ) в смеси с водородом при 850…900 С. На поверхности образуется борид железа (FeB), а ниже – борид Fe 2 B и - твердый раствор. Борированию подвергают детали, применяемые в нефтяной промышленности для повышения устойчивости против абразивного износа. 6.3. Ионная обработка сплавов и циркуляционный метод химико-термической обработки Химико-термическая обработка в порошковых смесях, в расплавах солей и в газовых смесях имеет следующие недостатки: 107 o нарушается экология окружающей среды за счет выделения избыточных газов из контейнеров при нагреве до температур диффузионного насыщения; o работы с расплавленными ядовитыми солями опасны; o образование остатков продуктов сжигания. Поэтому в настоящее время наиболее перспективными методами химико- термической обработки являются диффузионное насыщение различными элементами циркуляционным способом и ионная обработка различных изделий. При циркуляционном методе в замкнутом рабочем пространстве установки диффундирующие элементы переносятся при систематическом восстановлении газа - переносчика в результате обратимых химических реакций. Циркуляционный метод позволяет получать качественные диффузионные многокомпонентные слои в химически чистой газовой смеси, без выхода газов в окружающую атмосферу. Сущность ионной химико-термической обработки заключается в том, что в разреженной газовой среде между катодом (изделием) и анодом (стенкой вакуумной камеры) возбуждается тлеющий разряд, при этом вследствие ионизации рабочего газа, содержащего легирующие элементы (азот, бор), непрерывно образуются новые носители положительно заряженных частиц, которые и диффундируют вглубь изделия. Таким образом, ионная химико-термическая обработка и циркуляционный способ диффузионного насыщения являются хорошо управляемыми, экологически чистыми технологическими процессами, которые можно применять для деталей, изготовленных из любых сталей, чугунов и многих сплавов. Контрольные вопросы 1. Что такое химико–термическая обработка сплавов? 2. В чем сущность цементации стали? 108 3. Что такое цианирование? 4. В чем сущность нитроцементации стали? 5. В чем сущность азотирования стали? 6. Что такое алитирование? 7. В чем сущность хромирования стали? 109 ГЛАВА 7. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению. По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистые (до 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3…0,7%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,7%С). Легирование стали в зависимости от введенных основных легирующих элементов могут быть хромистыми, кобальтовыми, марганцовистыми, хромоникелевыми и другими. В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов различают малолегированные (менее 5%), среднелегированные (5…10%) и высоколегированные (более 10%) стали. По качеству, оцениваемому суммарным содержанием примесей (серы и фосфора), стали подразделяют на стали обычного качества (до 0,05%S и 0,04%Р), качественные (менее 0,04%S и 0,035%Р), высококачественные (менее 0,025S и 0,025Р) и особо высококачественные (менее 0,015S и 0,025%Р). По степени раскисления различают стали спокойные, которые раскисляли марганцем, кремнием, алюминием; кипящие – только марганцем и полуспокойные (последние занимают промежуточное положение между двумя первыми). Структурный класс сталей определяют после отжига и нормализации. После отжига стали могут быть доэвтектоидными (феррит+перлит), эвтектоидными (перлит), заэвтектоидными (перлит и цементит), а также при введении больших количеств марганца, никеля, хрома, кремния, вольфрама и других образуются стали аустенитного или ферритного классов соответственно. Углеродистые стали могут быть первых трех классов, а легированные стали – всех классов. 110 После нормализации структура сталей в зависимости от устойчивости переохлажденного аустенита могут быть перлитного ( рис. 7.1, а), мартенситного ( рис. 7.1, б) и аустенитного ( рис. 7.1, в) классов. К перлитному классу относятся углеродистые и низколегированные стали, а к мартенситному и аустенитному классам – средне- и высоколегированные стали. Рис. 7.1. Схемы изотермического распада аустенита сталей (а) перлитного, (б) мартенситного и (в) аустенитного классов. Деление по прочности ( в ) позволяет условно выделить стали нормальной прочности ( в 1000 МПа), повышенной прочности ( в 1500МПа) и высокопрочные ( в 1500 МПа). По назначению стали подразделяют на конструкционные (менее 0,7% углерода) и инструментальные ( 0,7% углерода). В свою очередь в зависимости от конкретного применения различают конструкционные стали общего и специального назначений, стали с особыми физическими или химическими свойствами, инструментальные стали для режущих и измерительных инструментов, жаростойкие и жаропрочные стали и многие другие. 7.1. Углеродистые стали обыкновенного качества Это наиболее дешевые стали, которые преимущественно используются для изготовления различных строительных металлоконструкций. 111 Стали обычного качества поставляют горячекатаными в виде проката. Марки сталей, их химический состав и степень раскисления регламентирует ГОСТ 380-94. Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6). Степень раскисления указывают добавлением к марке букв «сп», «пс» или «кп», что соответствует спокойным, полуспокойным или кипящим сталям соответственно. В табл. 7.1 приведены механические свойства спокойных и полуспокойных сталей обычного качества (ГОСТ 535 – 88). Таблица 7.1. Механические свойства углеродистых сталей. Марка стали в , МПа 0,2, МПа не менее , % не менее Ст 0 310 20 Ст 1 320-420 31 Ст 2 340-440 29 Ст 3 380-490 255 26 Ст 4 410-530 265 24 Ст 5 490-630 295 20 Ст 6 590 315 15 7.2. Углеродистые качественные и высококачественные стали Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обычного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. По назначению они могут быть конструкционными и инструментальными. Конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 08, 10, 15, 25, 30…60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Так сталь 08 содержит 0,08% углерода, а сталь 60 – 0,6% углерода. В высококачественных конструкционных сталях после марки ставят букву «А», например: Сталь 25А, Сталь 50А и т.д. В зависимости от содержания углерода конструкционные стали подразделяют на четыре подгруппы: 112 1. Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10. Их применяют для холодной штамповки различных изделий (шайбы, прокладки, кожухи и другие детали, изготовляемых холодной деформации). 2. Цементуемые стали 15, 20, 25. Из них изготовляют детали с высокой твердостью и износостойкостью поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины (кулачки, толкатели, шестерни и т.п.). Поверхностный слой после химико-термической обработки упрочняют неполной закалкой в воде и низким отпуском. 3. Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, по сравнению с низкоуглеродистыми. Их применяют после полной закалки и высокого отпуска (улучшение), при этом достигается высокие показатели ударной вязкости, пластичности и малая чувствительность к концентраторам напряжений. Улучшаемые стали применяют для изготовления шатунов, коленчатых валов, зубчатых колес, маховиков, осей и других деталей, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости. 4. Рессорно-пружинные – стали 50, 55, 60, 65, 70, после закалки и среднего отпуска (420…520 С) приобретают структуру троостита отпуска и имеют высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает некоторое повышение пластичности и вязкости разрушения, что важно для снижения чувствительности и концентрации напряжений и увеличения предела выносливости. В табл. 7.2. приведены некоторые свойства конструкционных углеродистых качественных сталей. Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественными (У7, У8, У9, У10…). Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, а число указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали поставляют после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (НВ187…217). Стали 113 хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять высокопроизводительные методы изготовления из них инструментов. Рис. 7.2. – Кривая ползучести: 1 – неустановившаяся стадия; 2 - установившаяся стадия; 3 – стадия разрушения. Режущие инструменты (метчики, сверла, напильники, пилы и др.) изготовляют из заэвтектоидных сталей У10-У13 после неполной закалки и низкого отпуска (150…180 С), что обеспечивает высокую твердость (62…64 HRC ) и износостойкость рабочих граней. При нагреве свыше 200 С твердость сильно снижается, поэтому инструмент из этих сталей пригоден для обработки при небольших скоростях резания. Также из этих сталей изготовляют измерительные инструменты (калибры простой формы) и штампы холодной высадки и вытяжки. Таблица 7.2 Свойства углеродистых качественных сталей в нормализованном состоянии (ГОСТ 1050-88). Марка стали С, % в, МПа 0,2 , МПа , % , в % НВ КСU, Мдж/м 2 08 0,05- 012 330 200 33 60 131 10 0,07- 0,14 340 210 31 55 143 15 0,12- 0,19 380 230 27 55 149 20 0,17- 0,24 420 250 25 55 163 114 25 0,22-0,3 460 280 23 50 170 0,9 30 0,27- 0,35 500 300 21 50 179 0,8 35 0,32-0,4 540 320 20 45 207 0,7 40 0,37- 0,45 580 340 19 45 217 0,6 45 0,42-0,5 610 360 16 40 229 0,5 50 0,47- 0,55 640 380 14 40 241 0,4 55 0,52-0,6 660 390 13 35 255 60 0,57- 0,65 690 410 12 35 255 Стали У7-У9, обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для инструментов, подвергающихся ударам: деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а также пуансонов, матриц и др. После полной закалки их отпускают на структуру троостита при 275…325 С (48…55 HRC ) или при 400…450 С (38-45 HRC ). 7.3. Легированные стали Легированные стали производят и поставляют качественными, высококачественными и особовысококачественными. Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан Т, цирконий – Ц, ванадий – Ф, ниобий –Б, медь – Д, алюминий - Ю, кобальт – К, бор – Р. Число, стоящее после буквы, указывает среднее содержание в процентах легирующего элемента в стали. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1%. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце буквы: «Ш» - электрошлаковый переплав; «ВД» - вакуумно-дуговой переплав; «ВИ» - вакуумно-индукционная выплавка. Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях. Например: конструкционная сталь 115 12Х18Н9Т содержит 0,12%С, 18%Cr, 9%Ni и менее 1%Ti; конструкционная сталь 38ХМЮА содержит 0,38%С, 1%Cr, 1%Mo, менее 1%Al – высококачественная; особовысококачественная сталь 30ХГС-Ш содержит 0,30%С и по одному проценту хрома, марганца и кремния. Число перед маркой инструментальных сталей показывает содержание углерода в десятых долях. Если же концентрация углерода примерно 1%, то цифры не ставятся, например: Сталь ХВГ содержит по 1% углерода, хрома, вольфрама и марганца; Сталь 9ХС – 0,9%С, 1%Cr, 1%Si. Некоторые стали содержат дополнительную букву после слова сталь, обозначающую ее группу или тип, например: ШХ15 – шарикоподшипниковая сталь (1%С, 1,5%Cr); P6M5 - быстрорежущая сталь (1%С, 6%W, 5% Mo); AC14ХГН – автоматная сталь (14%Si, 1%Cr, 1%Mn, 1%Ni). Низколегированные конструкционные стали Низколегированные конструкционные стали содержат до 5% легирующих компонентов, которые определяют измельчение перлитной составляющей и растворяются в феррите. Для улучшения свариваемости содержание углерода в этих сталях не превышает 0,25%. o Цементуемые конструкционные стали, легированные Cr; Cr и V; Cr и Ni; Cr и Mg; Cr, Mg и Ni) содержат до 0,25% углерода, обладают после цементации (или нитроцементации) и последующей закалки и низкого отпуска высокой твердостью (60…64 HRC ) и износостойкостью поверхностного слоя при сохранении вязкой и прочной сердцевины. Из этих сталей изготовляют кулачковые муфты, кулачки, зубчатые колеса, поршневые пальцы, втулки, коленчатые и распределительные валы. o Улучшаемые стали (0,30…0,45% углерода) легируют Cr; Cr и Mn; Cr, Si и Mn; Cr, Ni; Cr и Mo. Эти стали применяются после полной закалки и высокого отпуска. Они имеют высокие показатели предела текучести и вязкости, обеспечиваемые сквозной прокаливаемостью и мелкозернистой 116 структурой. Из этих сталей изготавливают коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны, гильзы цилиндров и т.п. Ряд улучшаемых сталей, например сталь 38ХМЮА, после закалки и высокого отпуска подвергают азотированию для обеспечения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя. o Рессорно-пружинные стали, легируют Si; Si и Mn; Cr и Si; Cr и Mn; Ni, и Si и они имеют высокие пределы упругости и выносливости, что позволяет использовать их в качестве материала для изготовления пружин и рессор. o Автоматные стали (сталь А12…АС14ХГН и другие), имеют повышенное содержание серы (0,08…0,3%), фосфора (до 0,05%) и марганца (до 1,5%). Включения сульфидов марганца (MnS) и фосфора приводят к образованию хрупкой стружки взамен так называемой «сливной» в виде непрерывной ленты, что позволяет проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и качество поверхности обрабатываемой детали. Эти стали используют для изготовления болтов, гаек, шпилек, винтов, втулок. В табл. 7.3 приведены механические свойства некоторых низколегированных сталей. Таблица 7.3. Механические свойства конструкционных низколегированных сталей. Марки стали в , МПа 0,2, МПа , % KCU, МДж/м 2 Примечание Низколегиро ванные 14Г2 470 340 21 0,7 при+20 С Без те рм оо бр аб от ки 0,35 при-40 С 10ХГС 530 400 10 0,80 при-40 С 0,50 при-70 С Цементуемые 20Х 800 650 11 Для деталей 35мм 117 25ХГН 1200 1100 10 0,8 сечением до: 80мм Улучшаемые Улучшаемые 30Х 900 700 12 0,7 После улучшения После улучшения 30ХГСА 1000 850 10 0,5 40ХН2МА 1100 950 12 0,8 Рессорно- пружинные 60С2 1300 1200 25 После закалки и среднего отпуска 50ХГ 1300 1100 35 Автоматные А12 420 34 Без термообработки АС45Г 610 360 После нормализации АС14ХГН 1120 850 0,8 После закалки и отпуска Низколегированные инструментальные стали Легирующие элементы (до 5%) вводят в эти стали для увеличения закаливаемости, прокаливаемости, уменьшения вероятности возникновения деформаций и опасности растрескивания. Основным легирующим элементом является хром. Также добавляют марганец (1…2%) для обеспечения минимальных изменений размеров инструментов при закалке, кремний (1…5%), который повышает сопротивление отпуску, и вольфрам (1…5%), увеличивающий износостойкость ( табл. 7.4). Таблица 7.4. Химический состав (ГОСТ5950-73) и режимы термической обработки некоторых низколегированных инструментальных сталей. Марка стали Содержание элементов, % Температура, С C Si Cr W V Прочие закал ки отпус ка ХВ4 1,25- 0,4-0,7 3,5-4,3 0,15- 800- 100- 118 1,45 0,30 820 140 9ХС 0,85- 0,95 1,2-1,6 0,9-1,2 840- 860 140- 180 ХВГ 0,9- 1,05 0,9-1,2 1,2-1,6 0,8- 1,1Mn 830- 850 140- 170 ХВСГ 0,95- 1,05 0,65-1 0,6-1,1 0,5-0,8 0,05- 0,15 0,6- 0,9Mn 840- 860 140- 160 По структуре низколегированные инструментальные стали относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке и низкому отпуску, что обеспечивает им высокую твердость (62…69 HRC ) и износостойкость. Однако теплостойкость этих сталей сравнима с теплостойкостью углеродистых, поэтому их применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания до температур 200…260 С. Для температурных инструментов применяют низколегированные стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, обрабатываемые на высокую твердость (60…64 HRC ). Для предотвращения объемных изменений за счет распада мартенсита, превращений остаточного аустенита или релаксации остаточных напряжений, инструменты высокой точности подвергают закалке и обработке холодом при -50…-80 С с последующим низким отпуском (120…140 С) в течение 24…48 час. Подшипниковые стали выпускаются по ГОСТ801-78 и применяются для изготовления подшипников качения, храповых механизмов, пальцев различных машин. Наиболее частой причиной отказа подшипников являются излом, разрушение тел качения (шариков, роликов) и рабочих поверхностей колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипников. Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0,95…1,05%С, 1,3…1,65%Cr), а для больших сечений – хромомарганцевокремнистую сталь ШХ15СГ (0,95…1,05%С, 1,2…1,5Cr, 0,4…0,65Si, ,3…1,65% Mn). После закалки в масло и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с дисперсными равномерно распределенными карбидами (Fe, Cr) 7 C 3 , что определяет высокую 119 износостойкость и твердость 62…65 HRC . Для подшипников, которые должны иметь высокую стабильность размеров, перед отпуском применяют обработку холодом. Для изготовления деталей подшипников, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют стали 20Х2Р4А и 18ХГТ. После газовой цементации на толщину 1,2…3,5мм, высокого отпуска (для уменьшения количества остаточного аустенита), закалки и отпуска при 160..170 С детали подшипников из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58…62 HRC и в сердцевине 61…65 HRC . Детали подшипника из стали 18ХГТ после газовой цементации на глубину 0,9…1,8мм, закалки и низкого отпуска имеют твердость поверхности 61…65 HRC Высоколегированные конструкционные стали К ним относят большую группу высокопрочных мартенситно-стареющих, коррозионностойких и жаростойких, а также жаропрочных и других сталей специального назначения (криогенные, магнитные, стали с высоким удельным сопротивлением и другие). Мартенситно-стареющие высокопрочные стали содержат менее 0,03% углерода, но значительные количества легирующих элементов (8…20%Ni; 8…9%Co; 2…5%Mo; менее 1%Ti или Al). Высокая прочность мартенситно- стареющих сталей обусловлена образованием твердого раствора легирующих элементов в железе, мартенситному превращению, сопровождающемуся фазовым наклепом и старению мартенсита, когда из него выделяются избыточные фазы Fe 3 Mo, Ni 3 Mo, Ni 3 Ni, NiAl(Fe,Co) 2 Mo и другие. Высокие показатели сопротивления хрупкому разрушению объясняется пластичностью и вязкостью безуглеродистого мартенсита. Стали закаливают на воздухе от 820…850 С, затем проводят старение при 480…520 С. К этим сталям относят сталь Н18К9М5Т, а также менее легированные стали Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ. Механические свойства этих сталей после старения ( в=1500-2100МПа; 02=1400- 120 2000МПа; =8-12%; KCU=0,4…0,6 МДж/м252; HRC) сильно зависят от степени легирования. К коррозионно-стойким (нержавеющим) относят стали, устойчивые в электрохимической, химической, межкристаллитной и другим видам коррозии. Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным материалом. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии устанавливается в зависимости от рабочей среды. В зависимости от получаемой структуры эти стали могут быть мартенситного, мартенситно-ферритного, ферритного, аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов ( табл. 7.5). Таблица 7.5. Химический состав и механические свойства некоторых коррозионно- стойких сталей Марка стали Содержание основных элементов % Механические свойства C Cr Ni Другие элементы, % в , МПа 0,2 , МПа , % , % Стали мартенситного класса 20Х13 0,16…0,25 12-14 850 650 15 50 40Х13 0,36…0,45 12-14 1150 900 12 30 Стали ферритного класса 15Х25Т 0,15 24-27 5С;0,9Ti 540 360 40 70 015Х17М2Б 0,015 16,5…18,5 2Мо,0,5Nb 450 280 30 60 Стали мартенситно-ферритного класса 12Х13 0,10…0,15 12-14 750 500 20 65 Стали аустенитного класса 12Х18Н9Т 0,12 17-19 8-10 0,7Ti 520 360 30 75 10Х17Н13М3Т 0,10 16-18 12-14 3Мо 0,7Ti 580 280 40 60 Сталь аустенитно-ферритного класса 08Х21Н6М2Т 0,08 20-22 5,5…6,5 2Мо,0,4Ti 750 450 50 55 121 Сталь аустенитно-мартенситного класса 09Х15Н8Ю 0,09 14-16 7-9 0,7…1,3Al 1250 1000 20 50 Для образования на поверхности сталей плотной защитной оксидной пленки типа (Cr, Fe) 2 О 3 , содержание хрома в твердом растворе должно быть не менее 12…14%. Углерод и азот способствуют охрупчиванию сталей и являются причиной возникновения межкристаллитной (интеркристаллитной коррозии), которая связана с образованием карбидов хрома по границам зерен и обеднением твердого раствора хромом приграничных участков ( 12% Cr). Для предотвращения межкристаллитной коррозии в ряде случаев стали легируют более активными по отношению к углероду элементами (титан, цирконий, ниобий), которые связывают углерод, образуя самостоятельные карбиды. Жаростойкие (окалиностойкие) стали должны противостоять воздействию среды при высоких температурах. Для повышения жаростойкости в сталь вводят хром, алюминий или кремний, которые, находясь в твердом растворе, образуют на поверхности стали защитные пленки оксидов типа (Cr,Fe) 2 O 3 , (Al, Fe) 2 O 3 или (Si,Fe) 2 O 3 . Так, при содержании в стали 5…8% хрома, жаростойкость повышается до 700…750 С, увеличение содержания хрома до 15…17% обеспечивает жаростойкость до 950…1000 С. Легирование сталей с 25% хрома алюминием в количестве 5% повышает жаростойкость до 1300 С. Для деталей различных высокотемпературных установок, печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25 и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7А, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие еще и жаропрочностью. Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению под действием приложенных сил при высоких (более 0,3 Т пл ) температурах. Критериями жаропрочности являются пределы ползучести и длительной прочности. 122 При ползучести происходит медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести ( рис. 7.2). Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при данной температуре, например 0,5/1000 700 =100МПа, т.е. под действием напряжения 100МПа при температуре 700 С через 1000 часов в материале появляется пластическая деформация 0,5%. Пределом длительной прочности ( ) называется напряжение, которое приводит к разрушению материала при заданной температуре за определенное время, например: 500 1100 =10 МПа, т.е. через 500 часов при напряжении 10 МПа и температуре 1100 С произойдет разрушение материала. Перлитные, аустенитные и мартенситные жаропрочные стали используют при 450…700 С ( табл. 7.6). Таблица 7.6. Свойства жаропрочных сталей. Марка стали Класс стали Содержание легирующих элементов, % Температура С Жаропрочность Наибо- льшая рабочая начала интенсивного окисления , МПа Температу ра испытания, С 12Х1МФ Перлитный 0,12С;1,1Cr; 0,3Mo;0,2V 585 600 140 560 25Х2М1Ф 0,25С;2,3Cr; 1Mo;0,4V 550 600 200 550 15X5M Мартенсит ный 0,15C;5,2Cr; 0,5Mo 600 650 100 540 40X10C2M 0,4C;10Cr; 2,2Si;0,8Mo 650 850 100 550 123 12X18H10T Аустенит ный 0,12C;14Cr; 10Ni;0,5Ti 600 850 100 660 45X14H14B2M 0,45C;14Cr; 14Ni;2,4W; 0,3Mo 650 850 130 650 Перлитные жаропрочные стали для паросиловых установок должны иметь допустимую деформацию не более 1% за 10 5 час. Это низкоуглеродистые стали, оптимальной термической обработкой являются нормализация после 1000 С и последующий отпуск при 650…750 С в течение 2…3 час. Упрочнение достигается за счет растворения молибдена в твердом растворе и образования карбидов ванадия или хрома типа МеС. Различают две группы мартенситных сталей: стали с содержанием 10…12 хрома, добавками Mo, V, Nb, W и низким (0,10…0,15%) содержанием углерода и стали с повышенным содержанием углерода (до 0,4%), хромом (5…10%) и кремнием (2…3%) – сильхромы. Мартенситные стали первой группы ( табл . 7.6) предназначены для изделий, работающих при 450…600 С в атмосфере пара, топочных газов. Критерием жаропрочности этих сталей является предел ползучести с допустимой деформацией 1% за 105 час. Типовым режимом термической обработки этих сталей является закалка или нормализация с 950…1100 С и отпуск при 600…740 С. Полученная структура (смесь легированного феррита и мелких карбидов) – обеспечивает высокую жаропрочность. Из мартенситных сталей изготовляют диски, лопатки, бандажи и крепежные детали паровых турбин. Стали второй группы (сильхромы) обладают высокой жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Типовой режим термической обработки - закалка 1050…1100 С и отпуск при 720…780 С. 124 Сильхромы используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 600…650 С, при более высоких рабочих температурах применяют аустенитные стали. Аустенитные стали ( табл. 7.6) по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и применяются при температурах выше 600…650 С. Для получения устойчивой аустенитной структуры их легируют хромом, никелем или марганцем, а для образования карбидных или промежуточных интерметиллидных) фаз вводят молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам. Содержание углерода в этих сталях составляет обычно 0,1…0,4%. В зависимости от полученной структуры различают однофазные аустенитные стали, стали с карбидным упрочнением и стали с интерметиллидным упрочнением. Однофазные стали, например, сталь 12Х18Н10Т применяют в теплоэнергетике после закалки от 1020…1100 С и последующего наклепа. Аустенитные стали с карбидным упрочнением комплексно легируют W, Mo, Ti, Nb, V, а также бором. Для сохранении аустенитной структуры содержание никеля повышают до 14%. Оптимальная жаропрочность достигается после закалки от 1100…1150 С и старения аустенита при 700…800 С для образования карбидов. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением ( табл. 7.6) легируют Cr, Mo, W, а образование интерметаллидов типа Ni 3 Al происходит в результате закалки на аустенит и последующего старения. Криогенные стали широко применяются при температурах ниже точки кипения кислорода (-183 С) в ракетной, космической областях и в быту. Эти стали должны обладать достаточной прочностью при нормальных температурах в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали, а также стали аустенитного класса, не склонные к хладноломкости. Из сталей ОН6А (до 0,1%С; 6…7%Ni) и ОН9А (менее 0,1%С; 8,5…9,5%Ni) изготовляют резервуары для хранения и транспортирования сжиженных газов при температурах выше – 196С. Стали 125 после двойной нормализации (при 900о и 790 ) и отпуска при 560 С имеют 0,2=400…450 МПа при 20 С и 680…820МПа при -196 С, при этом сопротивление удару при -196 С составляет KCU=1,0…1,3 МДж/м2. Аустенитные криогенные стали в зависимости от типа легирующих добавок могут быть хромоникелевыми, сложнолегированными повышенной прочности и хромомарганговистыми. Хромоникелевые аустенитные стали (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т) применяются для изготовления крупногабаритных газораспределительных установок большой мощности для получения сжиженных газов, а также для транспортных емкостей и хранилищ сжиженных газов. Стали хорошо свариваются и обладают высокой вязкостью при низких температурах ( 0,2=600МПа; KCU=1,0 МДж/м2). Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности (07Х21Г7Н5,03Х20Н16Г6) при температуре -253 С имеют 0,2=1150-1350МПа; KCU=1,0…1,3МПа и применяются для штампосварных изделий и толстостенных крупногабаритных емкостей. Аустенитные хромомарганцевые стали используют после закалки в воде от 1000…1050 С при рабочих температурах от 20 до -196 С (сталь 03Х13Г19) и до -253 С (сталь 10Х14Г14Н4Т) для изготовления сварных конструкций. Магнитные стали делят на магнитно-твердые, магнитно-мягкие и парамагнитные. Магнитно-твердые стали с 1%С, легированные хромом порядка 3% (ЕХЗ), а также хромом и кобальтом (ЕХ5К5, ЕХ9К15М2) применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь) применяют для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, приборов и т.д. Электротехническая сталь должна содержать минимальное количество углерода и примесей, иметь однородную структуру без следов наклепа. 126 Парамагнитные (немагнитные) стали применяются в электротехнике, приборостроении и специальных областях техники. К ним относят парамагнитные стали аустенитного класса (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 50Г18Х4, 40Г14Н9Ф2 и др.). 7.4. Высоколегированные инструментальные стали Высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л (1,1%С; 13%Mn; литейная) применяется для изготовления деталей, устойчивых к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок, но без абразивного износа (траки гусениц танков и тракторов, детали камнедробилок, черпаки экскаваторов, крестовики железнодорожных путей и другие). Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклепу). Из-за наклепа сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали в основном получают литьем. В литом состоянии структура стали состоит из аустенита и карбидов марганца, которые легко растворяются в аустените при нагреве до 1100 С. После закалки в воде с этой температуры сталь 110Г13Л имеет однофазную структуру аустенита с высокой пластичностью ( =40…50%) и низкой твердостью (НВ 180…200), но способна к наклепу при ударных нагрузках. В процессе деформации под действием ударных нагрузок в поверхностном слое стали количество дефектов повышается, и твердость ее возрастает до НВ600. Быстрорежущие стали – относятся к классу высоколегированных сталей, предназначенных для изготовления инструментов с высокой теплостойкостью (580…640 С). Высокая теплостойкость этих сталей обеспечивается введением большого количества вольфрама вместе с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом, ванадием. Быстрорежущие стали обозначаются буквой «Р» - rapid, после которой стоит число, указывающее процентное содержание вольфрама (ГОСТ19265-73). 127 Содержание ванадия (до 2%) и хрома (около 4%) в марке не указывается. Стали, дополнительно легированные молибденом, кобальтом или с повышенным содержанием ванадия, содержат в маркировке буквы (М, К, Ф) и цифры, показывающие процент введенных элементов. По эксплуатационным свойствам все быстрорежущие стали делятся на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже 58 … 620 HRC С. Стали повышенной производительности дополнительно легируют хромом и значительным количеством ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2). Эти стали сохраняют твердость болеет 64 HRC при нагреве до 630…640 С, но при этом показатели прочности и пластичности у них ниже, чем у сталей нормальной производительности. Все быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В литом состоянии структура их состоит из ледебуритной эвтектики, аустенита остаточного и продуктов его распада. Для дробления ледебурита слитки быстрорежущей стали подвергают ковке при 1200…900 С, при этом устраняется карбидная неоднородность. Затем проводят изотермический отжиг при температурах 860…880 С. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита и карбидов. В сталях с вольфрамом (Р9, Р12, Р18) это сложные карбиды вольфрама переменного состава (Fe 3 W 3 C), в котором растворена часть ванадия и хрома. В остальных сталях кроме этого карбида присутствует карбид VC и небольшое количество карбида (Fe,Cr) 23 С 6 . Высокие эксплуатационные свойства инструменты из быстрорежущей стали приобретают после закалки и трехкратного отпуска ( рис. 7.3). Низкая теплопроводность этих сталей приводит к необходимости медленного, ступенчатого нагрева под температуру закалки в соляных ваннах, которые уменьшают вероятность окисления и обезуглероживания. Высокая 128 температура нагрева под закалку необходима для предельного насыщения аустенита легирующими элементами с целью получения после закалки высоколегированного мартенсита. Чем более легированным будет мартенсит, тем больше при отпуске выделится специальных высокодисперсных карбидов и тем выше окажутся показатели твердости и теплостойкости инструментов. Карбиды, не растворившиеся в аустените при нагреве, располагаются по границам зерен и тормозят их рост при нагреве, обеспечивая наследственную мелкозернистость быстрорежущих сталей. Рис. 7.3. Схемы термической обработки быстрорежущей стали (а) без обработки холодом и (б) с обработкой холодом: А ост – аустенит остаточный. По структуре после закалки быстрорежущие стали относятся к мартенситному классу. Для небольших деталей охлаждение проводят на воздухе, крупные – в масле. Для деталей сложной формы применяют ступенчатую закалку с выдержкой при 500…550 С. После закалки в структуре быстрорежущей стали содержится порядка 30…40% аустенита остаточного, что снижает их твердость и теплостойкость. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют трех кратный отпуск ( рис. 7.3, а) или обработку холодом с последующим однократным отпуском рис. 7.3, б. 129 Контрольные вопросы 1. Как маркируются углеродистые стали обычного качества? 2. Как маркируются углеродистые качественные стали? 3. Как маркируются низколегированные стали? 4. Какие показатели после термообработки имеют улучшаемые стали? 5. Чем обусловлена высокая прочность мартенситно-стареющих сталей? 6. К какому классу относятся быстрорежущие стали? |