Азотирование стали

Еще более высокую твердость поверхности можно обеспечить при азотировании. При этом высокая твердость достигается не за счет мартенсита, получаемого при последующей закалке, а за счет образования в поверхностном слое нитридов. Причем нитриды железа не обеспечивают достаточно высокой твердости, наиболее высокую твердость азотированному слою придают нитриды некоторых легирующих элементов, таких как хром, молибден, ванадий, алюминий и некоторые другие. При совместном легировании стали хромом, молибденом и алюминием твердость поверхностного слоя может достигать 12000н/мм².

Вязкую и достаточно прочную сердцевину получают при предварительной термической обработке - термическом улучшении. Температура азотирования – 500 -550ºС, что ниже, чем температура высокого отпуска, поэтому при азотировании структура сердцевины не изменяется. Относительно высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Кроме того структура сорбита отпуска, получаемая после предварительной термической обработки обеспечивает достаточно хорошую обрабатываемость резанием при механической обработки детали.

Для азотирования поэтому применяют улучшаемые стали, легированные нитридообразующими элементами, например 38Х2МЮА. К преимуществам азотирования следует отнести также высокую коррозионную стойкость и сохранение высокой твердости поверхности при нагреве до температур 400 - 500ºС. В цементованных же сталях при нагреве до таких температур происходят процессы отпуска и твердость снижается.

Технология изготовления азотированных деталей состоит из следующих операций:

- предварительная термическая обработка (закалка с высоким отпуском) заготовки;

- проведение механической обработки детали;

- защита участков не подлежащих азотированию оловом (электролитическим методом) или жидким стеклом;

- азотирование.

Глубина азотированного слоя обычно не превышает 0.3 – 0.5 мм, длительность процесса при этом - 24 – 60 часов.

Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является большая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления наиболее ответственных деталей и инструмента, например мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

Тема №9: ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированными называют стали, в состав которых специально вводят легирующие элементы для изменения структуры и свойств. Элементы, содержание которых ограничивают как примеси, тоже могут быть легирующими (кремния специально вводят в количестве более 0,4%, а - марганца более 0,8%). Количество легирующих элементов может колебаться от тысячных долей % до десятков %. При содержании легирующих элементов менее 0,1% иногда говорят о микролегировании.

Легирующие элементы оказывают влияние на формирование всех фаз и структурных составляющих сталей и их свойства, на все процессы, происходящие при термической обработке сталей.

Атомы легирующих элементов в сталях могут находиться в следующем виде:

· входить в состав твердых растворов (легированные феррит и аустенит);

· входить в состав неметаллических включений (нитриды, сульфиды, оксиды);

· входить в состав карбидных фаз (легированный цементит и специальные карбиды);

· находиться в виде самостоятельной фазы (свинец или селен при практически полной нерастворимости в твердом состоянии в железе);

· входить в состав интерметаллических соединений (FeCr, Fe₂Mo, W₇Co₆ и др).

9.1 Влияние легирующих элементов на свойства фаз в сталях

Легирующие элементы, находящиеся в твердых растворах, оказывают заметное влияние на механические свойства этих фаз. Так, практически все элементы, растворяющиеся в феррите, упрочняют его. Наиболее существенно повышают прочность феррита кремний и марганец, но при этом заметно снижают пластичность, особенно кремний. Из остальных элементов наибольшее упрочняющее влияние у никеля, причем практически без снижения пластичности. Уникальность никеля, как легирующего элемента еще и в том, что он практически единственный из легирующих элементов снижает порог хладноломкости (температуру хрупко-вязкого перехода). Следует отметить, что наиболее эффективным средством, повышающим вязкость материалов, является измельчение зерна за счет термической обработки и других средств технологического воздействия.

Влияние легирующих элементов на аустенит аналогично, кроме того следует указать, что легированный аустенит, особенно марганцовистый, хорошо упрочняется под действием пластической деформации (наклепывается).

Все легирующие элементы можно разделить на две большие группы – графитизирующие и карбидообразующие. Атомы графитизирующих элементов (Ni, Si) находятся в твердом растворе, а атомы карбидообразующих элементов входят в состав карбидных фаз. При этом могут образовываться либо легированный цементит (М₃С), либо специальные карбиды (на основе хрома М₇С₃ или М₂₃С₆ или на основе Mo, W, V, Nb, Zr, Ti типа МС, М₂С, М₆С). Все карбидообразующие элементы имеют общую особенность в строении электронных оболочек атомов – недостроенный d-подуровень, причем чем сильнее он недозаполнен, тем более склонен элемент к образованию карбидных фаз. Следует отметить, что твердость специальных карбидов может быть в несколько раз выше, чем у цементита (8400 н/мм² у цементита и 29000 н/мм² у карбида титана).

9.1.1 Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Практически все легирующие элементы, растворяясь в железе, влияют на температуры полиморфных превращений – критические точки А₃ (точка G диаграммы состояния) и А₄ (точка N). При этом изменяется вид диаграммы состояния, характер процессов при термической обработке, а значит структура и свойства сталей (рис. 9.1).

Одна группа элементов повышает точку А₄ и понижает точку А₃, расширяя тем самым аустенитную область (рис 9.1,а). Наиболее характерными элементами этой группы являются Ni и Mn. При определенном количестве этих добавок сталь может иметь устойчивую аустенитную структуру и при комнатной температуре (стали аустенитного класса).

Другая группа элементов действует в противоположную сторону – снижает точку А₄ и повышает точку А₃, расширяя таким образом ферритную область (рис 9.1, б). Наиболее характерные элементы этой группы – Cr, Si, Mо, W. Легирование этими элементами может привести к тому, что в сталях при нагревах и охлаждениях не будет происходить фазовых превращений, и во всем температурном интервале устойчивой фазой будет являться феррит (стали ферритного класса).

Следует обратить внимание на то, что взаимодействие элементов разных групп неаддитивно, например хром в комплексе с никелем не сужает, а расширяет аустенитную область.

9.1.2 Влияние легирующих элементов на устойчивость

переохлажденного аустенита

Все легирующие элементы, кроме кобальта увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, при этом на диаграммах распада аустенита линии начала и окончания превращений смещаются вправо (рис 9.2).

А₁ А₁

А А

М_н М_н

0 А®М 0 А®М

а б

Рисунок 9.2 – Схемы диаграмм изотермического распада аустенита для углеродистой (а) и легированной (б) сталей

Если легирующие элементы являются карбидообразующими происходит еще и обособление областей перлитного и бейнитного превращений. Связано это в основном с затруднениями в перераспределении компонентов при диффузионном распаде аустенита. В результате этого снижается критическая скорость закалки и повышается прокаливаемость сталей. За счет этого можно получать более высокие прочностные свойства в больших сечениях, уменьшать размеры деталей и материалоемкость изделий.

Следует также отметить, что легирующие элементы (особенно карбидообразующие) задерживают и смещают в сторону более высоких температур процессы, происходящие при отпуске (распад мартенсита и аустенита, выделение и коагуляцию карбидов). Это приводит к повышению теплостойкости (сохранение прочностных свойств при повышенных температурах), что является чрезвычайно важным для большинства инструментов и некоторых деталей машин.

9.2 Маркировка легированных сталей

В ряде стран, в том числе и у нас, принята буквенно-цифровая маркировка. Каждый легирующий элемент обозначается соответствующей буквой (табл. 9.1), затем следует цифра - количество легирующего элемента в %.

Таблица 9.1 – Условные обозначения основных легирующих элементов

Первое число показывает количество углерода в конструкционных сталях в сотых долях %, а в инструментальных сталях – в десятых долях. Использование буквы «А» специфично, – если она ставится в начале, это обозначает автоматную сталь с повышенной обрабатываемостью резанием, если в середине – наличие повышенного содержания азота, если в конце – высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора. Например, конструкционная сталь 20ХН3А содержит около 0.2% углерода, 1% хрома, до 3% никеля, высококачественная (среднелегированная, хромоникелевая). Инструментальная сталь 6ХВ2С содержит около 0.6% углерода, до 2% вольфрама, около 1% кремния (хромовольфрамокремнистая, среднелегированная).

Если за буквой цифра отсутствует, значит содержание наиболее распространенных легирующих элементов (Cr, Mn, Si, Ni) – около 1%, а большинства остальных – значительно меньшее, например Mo, W, V - 0.2-0.3%, Ti, Nb - до 0.1%. Естественно, имеются исключения. Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой Ш. ШХ15СГ – шарикоподшипниковая сталь с 1.5% хрома, до 1% кремния и марганца.

Быстрорежущие инструментальные стали имеют в маркировке первую букву Р (от rapid steel) – число после нее обозначает содержание основного легирующего элемента – вольфрама, кроме того все эти стали имеют в своем составе около 4% хрома и до 2 % ванадия которые в маркировке не показывают. Для высоколегированных сложных сталей иногда используют условные обозначения, присвоенные при исследованиях и разработке, например ЭИ481 – исследуемая сталь производства завода «Электросталь» (Подмосковье), по химическому составу соответствует маркировке 37Х12Н8Г8МФБ.

9.3 Классификация легированных сталей

Единой классификации не существует из-за множества признаков, по которым эту классификацию можно производить. Основными такими признаками являются следующие.

Наличие определенных легирующих элементов, т.е. химический состав например 40Х – сталь хромистая, 12ХН3А – хромоникелевая, 3Х3М3Ф – хромомолибденванадиевая и т.д.

Степень легирования или количество легирующих элементов – если в стали легирующих элементов менее 2, 5 %, то сталь считается низколегированной (18ХГТ, 40ХН, 9ХФ), если более 10% - высоколегированной (Х12МФ, Х18Н10Т, 110Г13Л), иначе – среднелегированной (20Х2Н4А, 34ХН3М).

Структура. Для классификации сталей по структурному признаку следует оговорить, в каком состоянии (т.е. после какой термообработки) необходимо смотреть структуру сталей. Обычно это делают в равновесном состоянии (в соответствии с диаграммами фазовых равновесий, т.е. после очень медленного охлаждения), либо в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе из аустенитной области) – классификация Гийе (рис. 9.3).

В равновесном состоянии стали могут быть доэвтектоидными (перлит +избыточный феррит), эвтектоидными (перлит), заэвтектоидными (перлит + избыточный цементит) для низко и среднелегированных сталей; средне и высоколегированные стали могут быть также ледебуритного (с эвтектическими карбидами), аустенитного и ферритного классов (см. рис 9.1).

А₁ А₁

А А

П

Б

М_н М_н

0 А®М 0 А®М

а б

А₁ А₁

А А

М_н А

0 А®М М 0

М_н

В г

Рисунок 9.3 – Схематическое представление структурных классов сталей (классификация по Гийе)

После охлаждения на воздухе, за счет различной устойчивости переохлажденного аустенита, стали могут быть перлитного (рис 9.3,а), бейнитного (рис 9.3,б), мартенситного (рис. 9.3,в) и аустенитного (рис. 9.3,г) классов. Следует обратить внимание на то, что сталь аустенитного класса в классификации по равновесному состоянию характеризуется наличием равновесного аустенита, а в случае классификации по Гийе – наличием переохлажденного аустенита, который при деформации может превратиться в мартенсит со значительным упрочнением стали.

По назначению выделяют три большие группы сталей – конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее распространенными являются первые две группы. Конструкционные стали могут быть строительными и машиностроительными. Машиностроительные стали, в свою очередь, разделяют на цементуемые, улучшаемые, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие и др.

Инструментальные стали делят на 3 группы – для режущего, деформирующего и мерительного инструментов.

Далее приводятся краткие характеристики различных групп сталей по назначению.

9.4 Конструкционные стали

Наиболее часто конструкционные стали легируют такими элементами, как хром, марганец, кремний, никель. Для изготовления деталей и строительных конструкций наиболее ответственного назначения используют стали дополнительно легированные и другими элементами. Как было указано выше, конструкционные стали разделяют на строительные и машиностроительные.

9.4.1 Низколегированные строительные стали

Основным способом соединения деталей строительных конструкций является сварка, поэтому основным требованием к технологическим свойствам подобных сталей является хорошая свариваемость. Свариваемость сталей тем выше, чем меньше содержание углерода, поэтому в большинстве строительных сталей оно редко превышает 0.17%

Кроме того строительные стали потребляют обычно в очень больших количествах и их стоимость не должна быть слишком высокой. Поэтому основными легирующими элементами являются не очень дефицитные и дорогие кремний, марганец, хром. С другой стороны ограничение количества углерода приводит к снижению содержания перлита в этих сталях и понижению прочности, что необходимо компенсировать другими мерами воздействия на структуру. Этого достигают легированием в небольших количествах такими элементами, как ванадий, ниобий, азот, получая дополнительное упрочнение за счет измельчения структуры и образования мельчайших частиц карбонитридов.

Для неответственных конструкций (ограждения, стойки и др.) используют и углеродистые стали обыкновенного качества Ст2, Ст3 с пределом текучести до 240 Н/мм². Более ответственные конструкции (балки, фермы, колонны, листы, для обшивки судов, трубы газопроводов большого диаметра) изготавливают из низколегированных сталей, таких как 09Г2С, 10ХСНД, 14Г2САФ, 17Г2АФБ и др. Дополнительное легирование медью увеличивает коррозионную стойкость сталей в атмосферных условиях и в воде, в том числе и морской. Введение никеля позволяет обеспечить работоспособность конструкций без хрупкого разрушения при температурах до –60°С.

9.4.2 Машиностроительные стали

Эти стали используют для изготовления различных деталей машин –валов, осей, зубчатых колес, шестерен, рессор, пружин и т.д. Определить назначение этих сталей довольно просто по содержанию в них углерода.

9.4.2.1 Цементуемые стали

Содержание углерода обычно 0.12 – 0.25 %. Эти условия позволяют обеспечить достаточно высокую вязкость сердцевины и хорошую сопротивляемость динамическим нагрузкам при высокой твердости поверхности после цементации, закалки и низкого отпуска.

Для малоответственных деталей с практически не упрочняемой сердцевиной могут использовать и углеродистые стали 15, 20. Слабо упрочняемую сердцевину имеют хромистые стали 15Х, 20Х. Этап группа сталей имеет склонность к перегреву и после цементации их структура характеризуется крупным зерном, а после непосредственной закалки с использованием цементационного нагрева – повышенной хрупкостью поверхностного слоя, поэтому для них рекомендуют производить после цементации закалку с отдельного нагрева, что увеличивает энергозатраты (рис.8.).

Для ответственных деталей сечением до 50 – 70 мм гораздо эффективнее использовать наследственномелкозернистые стали с добавками титана типа 18ХГТ, 25ХГТ (титан образует труднорастворимые карбидные и карбонитридные включения, сдерживающие рост зерна аустенита при нагреве). Это позволяет проводить закалку таких деталей с использованием нагрева под цементацию после подстуживания на 100 – 150 °С (рис 8. __)

Детали, работающие в условиях значительных динамических нагрузок и имеющие большое сечение, рекомендуют изготавливать из сталей повышенной прокаливаемости, которые имеют в составе никель, например 12ХН3А, 20Х2Н4А. Дополнительное легирование таких сталей вольфрамом или молибденом еще более увеличивает прокаливаемость и прочность в больших сечениях (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА). Однако для сталей такого типа закалку после цементации делают обязательно с дополнительного нагрева и с промежуточным высоким отпуском (рис 8.__).

9.4.2.2 Улучшаемые стали

Содержание углерода обычно – 0.3 – 0.5%. Используют для изготовления деталей, которые работают в условиях динамических нагрузок (валы, оси и др.). В таких условиях необходимо сочетание достаточно высоких прочностных свойств, пластичности и вязкости. Обеспечить это возможно закалкой с высоким отпуском, т.е. термическим улучшением, отсюда и название данной группы сталей. Важнейшей характеристикой этих сталей является прокаливаемость, от которой зависит прочность после термической обработки в различных сечениях. Критический диаметр различных улучшаемых сталей приведен в табл. 9.2.

Таблица 9.2 – Прокаливаемость различных улучшаемых сталей

Хром входит в состав почти всех улучшаемых сталей, однако есть и марганцовистые стали, например 40Г2. Для повышения прочности и прокаливаемости дополнительно могут ввести кремний – 38ХС, 35ХГСА (вязкость не очень высока), или никель, часто в сочетании с молибденом – 40ХН2МА, 38Х2Н2МА, молибден, кроме того, снижает склонность сталей к отпускной хрупкости. Дополнительное легирование ванадием и азотом повышает прочность и вязкость сталей за счет образования карбонитридных фаз – 30Х3МФ, 30ХН3МФА.

К этой же группе относятся и стали для азотирования, вязкость сердцевины которых обеспечивается именно предварительным улучшением Легированы такие стали элементами, образующими наиболее твердые нитриды, например хромом, ванадием, молибденом алюминием – 38Х2МЮА, 40ХФА, 38Х2ВФЮА.

9.4.2.3 Рессорно-пружинные стали

Содержание углерода – 0.5 – 0.7%. Это позволяет после закалки и среднего отпуска получить структуру троостита отпуска и наиболее высокие упругие свойства. Легирование необходимо в основном для повышения прокаливаемости, поскольку в упругих элементах конструкций (пружины, рессоры) структура должна быть одинаковой по всему сечению. Поэтому для пружин малого сечения можно использовать углеродистые стали, например 70, а для более крупных – стали легированные в основном кремнием и марганцем, иногда – хромом (60С2А, 60Г2, 50ХФА и др.). Не допускается появление обезуглероженного слоя и поверхностных дефектов. Дополнительное упрочнение можно создать путем поверхностного наклепа, например дробеструйной обработкой.

9.4.2.4 Шарикоподшипниковые стали

Это практически единственные конструкционные стали с заэвтектоидной структурой. Фактически по структуре и свойствам эти стали соответствуют инструментальным из-за специфики условий работы подшипников – высокие контактные нагрузки и интенсивный износ поверхности. Типичные представители – ШХ15 (1,5% хрома), ШХ15СГ – для шариков до 30 мм. При изготовлении роликов большего диаметра используют сталь ШХ20СГ, а подшипники, работающие в агрессивных средах изготавливают из стали 95Х18. Термическая обработка состоит из закалки от температур 840 – 860 °С и отпуска при температурах ниже 200 °С. Твердость после этого не должна быть менее 62 HRC.

9.4.2.5 Износостойкие стали

Это стали, которые обладают повышенным сопротивлением износу в специфических условиях, например при ударно-абразивном воздействии, при высоких давлениях, в условиях кавитационной эрозии. Наиболее характерной сталью этого класса является сталь Гадфильда – 110Г13Л. Высокое содержание марганца делает эту сталь аустенитной, а марганцовистый аустенит обладает очень высокой склонностью к наклепу. Основное достоинство этой стали (Schwedische Gardinen) в том, что высокая износостойкость при больших давлениях или ударно-абразивном износе сочетается с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Для этого изделия из этой стали закаливают от температур 1050 – 1100 °С в воде. При этом фиксируется аустенитная структура и предотвращается выделение карбидов. Используют эту сталь для таких изделий, как зубья ковшей экскаваторов, работающих по скальному грунту (по песчаному износостойкость будет низкой из-за отсутствия наклепа), траки гусеничных машин, бронеплиты дробилок и др. Изготавливают такие детали обычно литьем (реже ковкой) без последующей механической обработки из-за очень плохой обрабатываемостью резанием.

Для работы в подобных условиях и при кавитационном воздействии (гребные винты, лопасти турбин гидроэлектростанций) разработаны стали, в том числе хромомарганцевые с метастабильным аустенитом. Такой аустенит под влиянием внешних нагрузок и пластической деформации превращается в мартенсит, упрочняя таким образом сталь в процессе эксплуатации. Примеры таких сталей – 30Х10Г10, 60Х5Г10Л.

9.4.2.6 Коррозионностойкие стали

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов по причине химического и электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Коррозионная стойкость- способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды и определяется по различным показателям. Коррозионностойкие стали обычно используют в условиях электрохимической коррозии. Основным легирующим элементом в таких сталях является хром, причем он резко повышает сопротивление коррозии, если его количество в твердом растворе превышает 12%.

Наиболее распространенными сталями этого класса являются хромистые и хромоникелевые с дополнительным легированием другими элементами.

Хромистые стали. Существует большая группа сталей с 13% хрома, которые в зависимости от содержания углерода различаются структурой и механическими свойствами. Например, 08Х13 – сталь ферритного класса обладающая повышенной пластичностью, 12Х13 и 20Х13 – стали феррито-мартенситного класса, прочность которых увеличивается с повышением содержания углерода и соответственно мартенсита, а пластичность уменьшается. Эти стали используют при изготовлении различных сооружений химической и пищевой промышленности в зависимости от необходимых механических свойств. Стали 30Х13 и 40Х13 – мартенситного класса применяются для изготовления деталей с высокой твердостью, например седел клапанов гидросистем, некоторых инструментов, например хирургических скальпелей, кухонных ножей (все известные фирмы используют именно эти стали). При необходимости высокой пластичности используют стали ферритного класса с повышенным содержанием хрома (12Х17, 15Х25Т).

Хромоникелевые стали аустенитного класса. Наиболее известной является сталь 18 – 10 в зарубежной классификации, которая у нас имеет маркировку Х18Н10Т. Ранее было отмечено, что хром в присутствии никеля расширяет аустенитную область и обеспечивает устойчивую аустенитную структуру для подобных сталей. Роль титана в таких сталях очень важна. Он выступает стабилизатором структуры и препятствует развитию межкристаллитной коррозии. Дело в том, что имеющийся в сталях углерод образует с хромом карбиды по границам аустенитных зерен, обедняет хромом приграничные участки и резко снижает их коррозионную стойкость. Титан, как более карбидообразующий элемент, связывает углерод, препятствует обеднению хромом приграничных участков и развитию межкристаллитной коррозии.

9.5 Инструментальные стали

Инструментальные стали – это большая группа углеродистых и легированных сталей, которые после термической приобретают высокую твердость, прочность, износостойкость, необходимые для обработки материалов резанием, или давлением.

Основными свойствами, которые имеют значение для всех видов инструмента, являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Достаточно серьезное значение могут иметь такие вроде бы второстепенные свойства, как теплопроводность, разгаростойкость, окалиностойкость, устойчивость против схватывания (адгезии) и др.

По структурному признаку большинство инструментальных сталей являются заэвтектоидными или ледебуритными. После закалки такие стали имеют структуру, состоящую из твердого мартенсита и еще более твердых вторичных или эвтектических карбидов. Отпускают их, что бы сохранить мартенситную основу и дополнительно выделившиеся из твердого раствора дисперсные карбиды, сохраняя твердость от 58 – 60 до 60 – 65 HRC и выше. Обычно это стали для режущего инструмента или для холодной пластической деформации.

Меньшая группа доэвтектоидных инструментальных сталей, которые приобретают после закалки мартенситную структуру без избыточных карбидов. Отпуск делают с целью получения трооститной структуры с большей вязкостью, но меньшей (45 – 55 HRC) твердостью. Эти стали, как правило, используют для изготовления инструмента для горячей пластической деформации.

Используют также мартенситностареющие стали, которые после закалки имеют в структуре низкоуглеродистый мартенсит относительно низкой твердости, но упрочняются при отпуске за счет выделения дисперсных интерметаллических соединений.

По сохранению механических свойств после нагрева, инструментальные стали делят на 3 группы: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

Нетеплостойкие стали приобретают высокую твердость, прочность, износостойкость за счет мартенситного превращения при закалке. Однако эти свойства сохраняются лишь при температуре нагрева до 200 – 250°С. По химическому составу это углеродистые, либо низколегированные стали, по структуре – эвтектоидные или заэвтектоидные.

Полутеплостойкие стали, как правило, с высоким содержанием хрома (3 – 18%) и углерода (более 1 – 1, 5 %), главным образом ледебуритные. У большинства из них повышено содержание ванадия. Высокие прочностные свойства и износостойкость эти стали приобретают также в результате мартенситного превращения, но свойства эти сохраняются до более высоких температур (400 – 500°С).

Теплостойкие стали – легированные вольфрамом, молибденом, хромом и ванадием, сохраняющие твердость и прочность при нагревах рабочей поверхности до температур 600°С и выше. Следует отметить, что увеличение теплостойкости с 610 до 640°С повышает срок службы инструмента в 2 – 3 раза, а до 700°С – в 10 – 15 раз.

Инструментальные стали по назначению обычно разделяют на стали для режущего, деформирующего и мерительного инструмента.

9.5.1 Стали для режущего инструмента

Это могут быть и углеродистые стали У8, У10А, У13А и т.д. После закалки и низкого отпуска (на HRC 57 – 63) их используют для изготовления напильников, ручных метчиков.

Легированные стали неглубокой прокаливаемости, но повышенной вязкости, 9ХФ, 7ХФ, В2Ф применяют, например, для изготовления ручных и машинных пил. Эти стали за счет легирования карбидообразующим ванадием, обеспечивающим мелкозернистость, являются сталями повышенной вязкости.

Стали повышенной прокаливаемости (кремний и марганец, находящиеся в твердом растворе, повышают устойчивость переохлажденного аустенита) 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВГС применяют для крупного режущего инструмента при малых скоростях резания (протяжки, развертки). Например, для деревообрабатывающего режущего инструмента могут быть использованы стали 9Х5ВФ, 8Х4В2М2Ф2 (полутеплостойкие с неплохой теплопроводностью). Недостатком всех этих сталей является низкая теплостойкость, что не дает возможности использовать их для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях с разогревом рабочих кромок.

Быстрорежущие стали. Предназначены для изготовления инструмента, рабочая поверхность которого разогревается до 600 – 700 °С

Основные легирующие элементы, обеспечивающие высокую теплостойкость – это карбидообразующие W, Mo, Cr, V. При этом образуются карбиды на основе Fe, W и Mo типа М₆С, карбиды ванадия VC, хрома Cr₂₃C₆.

Основными легирующими элементами, обеспечивающими высокую теплостойкость, являются вольфрам и молибден. Первоначально использовали стали вольфрамовые, без молибдена, однако экономические соображения заставили искать замену вольфраму, хотя бы частичную. Исследования показали, что такую замену вольфрама молибденом можно производить в пропорции W: Mo = 1.5: 1. Именно эти элементы, а также ванадий затрудняют распад мартенсита при нагреве закаленной стали. Однако для этого необходимо нагревать стали под закалку до очень высоких температур – 1200 – 1270°С. Ванадий образует в сталях наиболее твердые карбиды, а карбиды хрома, растворяясь практически полностью при высокотемпературном нагреве под закалку, резко повышают устойчивость переохлажденного аустенита этих сталей и их прокаливаемость.

Различают быстрорежущие стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости.

Стали умеренной теплостойкости (600 – 620°С)– на основе W и W + Mo. Наиболее распространенные – Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М3. Широко используют для изготовления резцов, сверел, фрез, долбяков, протяжек, зенкеров и т. д.

Стали повышенной теплостойкости (620 – 645°С) – обычно повышение теплостойкости достигают за счет повышения содержания углерода, дополнительного легирования азотом, повышения содержания ванадия или дополнительного легирования кобальтом. На примере базовой стали Р6М5 это стали 10Р6М5, Р6АМ5, Р6М5Ф3, Р6М5К5.

Стали высокой теплостойкости – с интерметаллидным упрочнением. Для них характерно образование интерметаллического соединения Co₇W₆ и низкое содержание углерода, до 0.1 – 0.25%. Это такие стали, как В11М7К23 (ЭП831), В14МК25, 3В20К20Х4Ф.

Термическая обработка инструмента из быстрорежущих сталей включает в себя смягчающий отжиг заготовок (проката или поковок) перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку готового инструмента – закалку от высоких температур и многократный отпуск (рис. 9.4).

Цель смягчающего отжига – понижение твердости и подготовка структуры стали к закалке, Цель окончательной термообработки – получение высокой теплостойкости, износостойкости, твердости и прочности инструмента.

Закалку инструмента из быстрорежущих сталей обычно проводят со скоростным, но ступенчатым нагревом в соляных ваннах и охлаждением по режиму ступенчатой закалки. Это связано в основном с пониженной теплопроводностью таких сталей. После закалки структура стали состоит из нерастворившихся эвтектических карбидов, мартенсита и остаточного аустенита в количестве более 30%.

Рисунок 9.4 – Режим предварительной и окончательной термической обработки быстрорежущих сталей

Отпуск проводят двух- или трехкратный при температуре около 560°С. Во время часовой выдержки при указанной температуре происходит отпуск мартенсита, выделение из остаточного аустенита мелкодисперсных карбидов, снижение его устойчивости, а при охлаждении – образование дополнительных порций мартенсита.

9.5.2 Стали для деформирующего инструмента (штамповые стали)

Эти стали также делят на две группы – для холодного и для горячего деформирования. Условия работы и требования к таким сталям заметно отличаются

Для холодного деформирования наиболее важным является повышенное и высокое сопротивление пластической деформации, износостойкость, удовлетворительная вязкость. Нагрев рабочей поверхности незначителен, поэтму теплостойкость не обязательна. В зависимости от условий деформации выбирают многочисленные и разные по составу и свойствам стали, преимущественно нетеплостойкие, с повышенной твердостью и вязкостью. Так, например, для мелких высадочных штампов при малых давлениях могут использовать и углеродистые стали У10, У11, при повышенных и высоких давлениях – стали типа 6ХВ2С, 6Х3ФС, 6Х6В3МФС. Для изготовления пуансонов и штампов, работающих при умеренных давлениях используют, например, широко распространенные стали с 12% хрома – Х12М, Х12Ф (ледебуритного класса), при высоких давлениях - стали более вязкие, например 8Х4В2С2МФ, при особо тяжелых условиях – быстрорежущие стали типа Р6М5.

Стали для инструментов горячего деформирования должна прежде всего обладать достаточными механическими свойствами в нагретом состоянии, а рабочая поверхность такого инструмента может разогреваться до 600 °С и выше. Кроме того важно повышенное сопротивление деформации, износостойкость и в большинстве случаев – повышенная вязкость. Кроме того могут иметь значение такие свойства, как разгаростойкость низкий коэффициент линейного растяжения, окалиностойкость, теплопроводность. Из-за того, что повышенная вязкость в таких случаях оказывается одним из основных требований, многие подобные стали являются доэвтектоидными и при их термической обработке в определенной степени жертвуют твердостью, обрабатывая на структуру троостита, сохраняя повышенную вязкость. Примерами таких сталей являются классические стали для черновых штампов горячего деформирования 5ХНМ, 5ХГМ, 4ХСМФ.Для получения более высокой вязкости и теплостойкости используют более низкоуглеродистые и высоколегированные стали, например 3Х2В8Ф, 3Х3М3Ф и др.

9.5.3 Стали для мерительного инструмента

Для инструментов такого типа наиболее важным является сохранение размеров после упрочняющей термической обработки в течении длительного времени. Для этого необходимо воспрепятствовать механическому износу за счет высокой твердости и износостойкости и изменению размеров при фазовых превращениях в течении длительного времени (несколько лет).

Кроме того имеет значение необходимость для ряда инструментов (например мерительных плиток) получать высокую чистоту поверхности после полирования (доводки) с высотой микронеровностей менее 0.07 мкм. Для этого при твердости 62 – 64 HRC в стали не должно быть крупных карбидов и карбидной неоднородности, необходима повышенная чистота стали по неметаллическим включениям. Для тех же плиток необходима хорошая сцепляемость (притираемость). Это обеспечивают высокой чистотой поверхности и отсутствием повышенного содержания хрома, который способствует образованию на поверхности прочной пленки, ухудшающей сцепляемость.

Для получения высокой износостойкости, чистоты и сцепляемости необходима сталь с высокой твердостью и мартенситной структурой после закалки и отпуска. При этом для устранения остаточного аустенита (стали Х, 12Х1) применяют многократное охлаждение до –70° С с последующим стабилизирующим отпуском при 120 – 125°С.

9.6 Твердые сплавы

Твердые сплавы – это спеченные порошковые материалы на основе твердых тугоплавких соединений, в основном карбидов переходных металлов – WC, TiC, TaC, Ti(CN).Основой большинства твердых сплавов является карбид вольфрама. В качестве связки используют кобальт или никельс молибденом, иногда добавляют хром.

Твердые сплавы имеют более высокую теплостойкость (более 800 – 1000°С), твердость и износостойкость, чем быстрорежущие стали, однако их вязкость ниже и они чувствительны к действию ударных нагрузок. Изделия из этих сплавов изготавливают методами порошковой металлургии, смешивая порошки карбидов и связывающего металла, спрессовывая и спекая их при высокой температуре (1250 – 1500°С). Такой инструмент не подвергается термической обработке, а только затачивается. В маркировке твердых сплавов буквы обозначают: В- карбид вольфрама, Т – карбид титана, ТТ – карбиды титана и тантала, КНТ – карбонитрид титана, К – кобальт, Н – никель. Цифры после букв – содержание фаз в процентах, количество карбида вольфрама определяется по разности. Например, ВК10 – 10% кобальтовой связки и 90% карбида вольфрама, Т30К4 – 30% карбида титана, 4% кобальта и 66% карбида вольфрама.

Твердые сплавы широко используют для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, прессования, калибровки, прокатки и др. Из-за дороговизны твердосплавного инструмента из него изготавливают обычно только режущую или изнашивающуюся часть инструмента.

ТЕМА № 10: ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди.

Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет сырьевую базу. Титан, алюминий, магний можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства.

Поиск по сайту: