книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

ляет металлическую основу. Чугун имеет более высокие механические свойства: способность гасить вибрации, хорошо обрабатываться резанием, износостойкость, литейные свойства и др. Как прави-

σв ≥ 800 МПа, содержание S ≤ 0,01 %).

Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, ферри- то-перлитную и перлитную основу. Сорбитообразный перлит придает чугунам наибольшую прочность.

Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов, корпуса турбин, коленчатые валы, поршни, кронштейны) и другие ответственные детали.

3.1.4. Ковкий чугун

Если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то цементит распадется и графит приобретет хлопьевидную форму. Это обеспечивает чугуну с твердостью 163 НВ (1630 МПа) некоторую пластичность при растяжении (δ до 12 %). Поэтому такие чугуны называются ковкими, хотя ковать их невозможно. Степень графитизации зависит от длительности отжига.

Твердость ферритного чугуна – 163 НВ (1630 МПа), перлитного – 240…269 НВ (2400…2690 МПа). Наибольшую прочность имеют чугуны с перлитной (сорбитной) структурой. Влияние хлопьевидного графита на механические свойства чугунов примерно такое же, как шаровидного.

Из ферритных ковких чугунов изготавливают изделия, работающие при высоких статистических и динамических нагрузках, и менее ответственные детали (головки, хомуты, гайки, фланцы муфт). Из перлитного ковкого чугуна делают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, втулки, тормозные колодки.

Из высокопрочного магниевого чугуна отливают детали большого сечения, из ковкого – главным образом, тонкостенные.

21

4.Стали и сплавы с особыми свойствами

Ксталям и сплавам с особыми свойствами относятся: коррозион-

но-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и теплоустойчивые стали

исплавы.

4.1. Нержавеющие стали и сплавы

Разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхность внешней агрессивной среды называется коррозией.

Коррозия, как правило, сопровождается образованием на поверхности металла продуктов коррозионного разрушения. Так, например, на поверхности железных сплавов в результате коррозии образуется ржавчина, имеющая бурый цвет.

Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, называют не-

ржавеющей. Стали и сплавы, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессив-

ных сред, называют кислотостойкими. Коррозионно-стойкие (не-

ржавеющие) стали обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей и др.).

Углеродистые и низколегированные стали неустойчивы против коррозии. Для повышения антикоррозионных свойств в сталь добавляют хром (12…27 %), а в некоторых случаях и никель (2,8…11 %). Наибольшую коррозионную стойкость сталь приобретает после соответствующей термической обработки.

4.2. Хромистые нержавеющие стали

Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих сталей объясняется образованием на поверхности защитной плотной пассивной пленки окисла Cr2O3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12 % (ат.).

22

Стали 08Х13 и 12Х13 обладают повышенной пластичностью и их используют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам (турбинных лопаток, арматуры, крекинг-установок, предметов домашнего обихода и т.д.).

Из сталей 30Х13 и 40Х13 после термической обработки делают измерительный и медицинский инструменты, пружины и другие коррозионностойкие детали, от которых требуется высокая твердость или прочность.

Стали, содержащие 17 и 25…28 % Cr, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления аппаратуры, работающей в таких агрессивных средах, как дымящаяся азотная кислота, фосфорная кислота, делают коррозионно-стойкую аппаратуру для химической и пищевой промышленности. Из стали 12Х17 изготавливают теплообменники для горячих нитрозных газов, трубопроводы и баки для кислот и т.д.

Для изготовления шарикоподшипников, работающих в агрессивных средах, используют сталь 95Х18 (0,9…1,0 % С, 17…19 % Cr).

4.3. Хромоникелевые нержавеющие стали

Никель относится к числу металлов, легко приобретающих пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше, чем у хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля в 2/8 моля коррозионная стойкость повышается еще больше.

Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитномартенситного и аустенитно-ферритного классов.

Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионные свойства нержавеющих сталей. Хромоникелевые нержавеющие стали, имеющие аустенитную структуру, (04Х18Н10, 12Х18Н9Т и т.д.), обладают более высокой коррозионной стойкостью, лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими

23

сталями, в частности, лучше свариваются. Они сохраняют прочность при более высоких температурах и в то же время не теряют пластичности при низких. Но так же, как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, также является хром, поэтому его содержание должно быть > 13 %. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей.

Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относится каустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь12Х18Н10Т−наиболее дешевая ипоэтому чаще употребляемая.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050…1100 °С в воде. При этом получают σв ≈500…600 МПа (50…60 кгс/мм2) и δ= 35…45 %. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.

Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость. Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа N3(Ti, Al), упрочняют аустенит.

Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса)

имеют большую склонность к коррозии по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности: σв = 1200…1300 МПа (120…130 кгс/мм2). К сталям переходного класса относятся стали

09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5М3.

После термической обработки стали переходного класса имеют наибольшую прочность. Такие стали используют для создания легких конструкций, обладающих высоким сопротивлением коррозионному разрушению.

Аустенитно-ферритные стали предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии никеля. К этому классу относятся стали 12Х21Н5Т и 08Х22Н6Т. Аустенитноферритные стали при комнатных температурах имеют прочность

24

и твердость выше, чем стали типа 18-8, но пластичность и ударная вязкость у них ниже. Эти стали не обладают стабильностью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз.

4.4. Жаропрочные стали и сплавы

При длительной работе под нагрузкой, не превышающей предела текучести, и нагреве до температур около 0,4…0,5 °С или более от абсолютной температуры плавления Тпл металл испытывает медленную пластическую деформацию. Такая деформация называется пол-

зучестью или крипом.

При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате рекристаллизации. Если второй процесс преобладает, то в металле начинает развиваться диффузионное разупрочнение − отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов является предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре.

Срок службы, на который рассчитана машина или механизм, определяет выбор критерия жаропрочности и материала для их изготовления.

Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей.

Мартенситные стали. Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно работающих при

25

температурах 600…620 °С. Стали более значительно легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаропрочность этих сталей достигается при закалке от 1000…1050 °С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или тростит.

Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов − хромокремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны более мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей.

Аустенитные стали. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающих при температурах 600…700 °С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся ста-

ли 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

Более высокие рабочие температуры (до 1000…1100 °С и более) выдерживают так называемые суперсплавы, выплавленные на основе элементов VIII группы периодической системы − никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Для работы при еще более высоких температурах применяют тугоплавкие металлы и керамические материалы.

4.5.Жаропрочные сплавы на основе никеля

итугоплавких металлов

Детали и установки, работающие при температурах выше 700 °С, изготавливают из сплавов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов.

26

Сплавы на никелевой основе (содержащие более 55 % Ni) по жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали. Их рабочие температуры составляют 800…1000 °С. Примерно такими же, аиногда и несколько более высокими свойствами обладают сплавы на кобальтовой основе. Никелевые, а также кобальтовые сплавы обладают нетольковысокойжаропрочностью, ноивысокой жаростойкостью.

Никелевые сплавы используют в деформированном и литом состояниях. Преимущественно их применяют в деформированном виде. По структуре эти сплавы разделяют на гомогенные (нихромы, инконели) и гетерогенные (нимоники). Общим для всех сплавов на никелевой основе является минимальное содержание углерода

(0,06…0,12 %).

Эти сплавы применяют для изготовления сопловых и рабочих лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Нихромы. Это сплавы, основой которых является никель, а основным легирующим элементом − хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Поэтому их применяют для нагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники. В состав этих сплавов кроме хрома добавляют титан, алюминий, молибден, вольфрам и т.д. При термической обработке они образуют с никелем (кобальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы типа (Ni, Co, Cr)3 Ti, (Ni, Co, Cr )3 Al, упрочняя нимоники.

Кобальтовые сплавы. Применяют редко ввиду большой дефицитности кобальта, хотя они по свойствам лучше никелевых. Кобальтовые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошим сопротивлением истиранию. Из кобальтовых сплавов детали изготавливают прецизионными методами литья. Его применяют для лопаток соплового аппаратареактивных двигателей.

Жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов. К туго-

плавким металлам относятся вольфрам, рений, тантал, молибден, ниобий. Сплавы на основе этих металлов обладают максимальной жаропрочностью − до 2500 °С.

27

Молибден и его сплавы. Сплавы на основе молибдена применяют более часто по сравнению с другими тугоплавкими сплавами. В качестве легирующих добавок для повышения температуры рекристаллизации в них вводят титан, цирконий, ниобий. Получены опытные сплавы с добавлением рения до 30…50 %.

Вольфрам и его сплавы. Вольфрам − наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях

(150…200 кгс/мм2), Е = 400 000 МПа (400 000 кгс/мм2)); в электро-

технике и электронике (нити накала, эмиттеры, нагреватели в вакуумных приборах и т.п.). Из вольфрама изготавливают эрозионные вставки в критические сечения сопел ракетных двигателей и т.д. Сплавы вольфрама сохраняют пластичность до −196 °С.

Наибольшее повышение жаропрочности вольфрамовые сплавы приобретают при добавлении 1…2 % ThO2 (за счет увеличения температуры рекристаллизации на 400…500 °С, т.е. до 2000…2200 °С).

Сплав вольфрама с 5…10 % Re и 1…2 % ThО2 имеет

σ1800в DC 150 МПа (15 кгс/мм2).

4.6. Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость − это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Если деталь или изделие работают в окислительной газовой среде при температурах выше 500…550 °С без больших нагрузок, то иногда достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей, ящики для цементации и т.д.).

Процесс окисления − это сложный процесс. Здесь наблюдаются и чисто химическое взаимодействие металла с кислородом, и диффузия атомов кислорода и металла через слой окислов. Поэтому строение окисной пленки имеет большое значение для жаростойкости ме-

28

таллов. Чем плотнее и прочнее окисная пленка, тем меньше через нее скорость диффузии, тем выше жаростойкость сплава.

Основной способ повышения жаростойкости − легирование хромом, алюминием или кремнием, образующими на поверхности изделия плотные окислы Cr2O3, Al2O3 и SiО2, затрудняющие процессы диффузии.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550…900 °С. Жаростойкие стали содержат алюминий, хром и кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Сюда относят сталь 40Х9С2, используемую для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих при температуре до 850 °С; сталь 08Х17Т − в деталях, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 °С); сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 °С) − для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров и т.п.

Жаростойкие сплавы на никелевой основе представляют собой малоуглеродистые Ni−Cr, Ni−Cr−Fe или Ni−Cr−W−Fe твердые растворы, легированные Si, Al, Ti. Эти сплавы, имея в основном структуру гомогенных твердых растворов, отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением (1,05…1,40 Ом мм2/м); их температура плавления составляет 1370…1420 °С, предел прочности на растяжение− 700…1000 МПа, относительное удлинение− 20…40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них проволоку, лист, ленту. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, а также изделий, эксплуатируемых при высоких температурах и небольших механических нагрузках. В промышленности нашли применение нихромы типа Х10Н90, Х20Н80, Х40Н60, Х50Н50 и нихромы с дополнительным легированием− Х20Н75БЕЮ, Х25Н60В15Т. Наибольшей жаростойкостью вокислительных средах обладают нихромыХ20Н80, Х30Н70.

29

Для агрессивных сред (продукты сгорания топлива, содержащие соединения серы и др.) используют нихромы Х50Н50 и Х40Н60.

Недостатком этих сплавов является их хрупкость, что не позволяет использовать их в качестве материалов для деталей, работающих в напряженном состоянии и при динамических нагрузках.

4.7.Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

Ктугоплавким металлам относятся металлы с температурой плавления более 1800 °С. Наибольшее распространение в промышленности получили элементы ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам и рений.

Уникальные физико-механические свойства этих металлов, прежде всего высокие температуры плавления и жаропрочность сплавов тугоплавких металлов, позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, работающих в сложных экстремальных условиях: авиационной, ракетно-космической, атомной технике, приборо-

1000…1500 °С как в кратковременном режиме, так и в условиях относительно длительной эксплуатации.

Однако тугоплавкие металлы склонны к хрупкому разрушению, так как им присуща высокая температура хладноломкости. Примеси внедрения, такие как C, N, H, O, еще более повышают ее. Наиболее чистые металлы, получаемые зонной очисткой, имеют порог хрупкости в области минусовых температур и хорошую пластичность при комнатной температуре. Так, если для металлокерамического молибдена температура перехода в хрупкое состояние +200 °С, то для молибдена, полученногозоннойплавкойввакууме, порогхрупкости−196 °С.

Тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью. При температуре свыше 400…600 °С их нужно защищать от окисления, иначе свойства тугоплавких металлов и сплавов резко ухудшаются. Для этих целей применяют металлические, интерметаллические икерамические покрытия. Для молибдена и вольфрама в качестве защитных наиболее

30