книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

фазах происходит в результате замещения в их кристаллических решет­ ках атомов железа атомами легирующих кристаллов.

Растворяясь в феррите, все легирующие элементы повышают проч­ ность, понижают пластичность и вязкость стали. Они влияют также на аллотропические точки А3 и А4 (рис. 47), смещая их. При этом неко­ торые легирующие элементы (Mn, Ni) образуют открытую 7-область, в которой существуют от комнатной до температуры плавления сплавы с аустенитной структурой. Другие элементы (Cr, V, Mo, Ti и др.) образуют открытую a-область, в которой существуют от комнатной до темпера­ туры плавления сплавы с ферритной структурой (7-область закры­ тая). Все элементы оказывают влияние на положение точки Ах (одни

ееповышают, другие - снижают).

Образующиеся в легированных сталях карбиды делятся на две груп­

пы. Карбиды группы I имеют сложную кристаллическую решетку. При нагреве они легко растворяются в аустените -F e 3C, Mn3C, Fe3Mo3C и др. Карбиды группы II имеют простую кристаллическую решетку. Они трудно растворяются в аустените даже при высоком нагреве — Мо2С, WC, VC, TiC и другие, что приводит к получению более мелкозернистой структуры стали с повышенной пластичностью и вязкостью.

Все карбидные фазы имеют высокую температуру плавления и тверде­ ния. В чистом виде они не существуют, так как атомы железа и легиру­ ющих элементов в них легко замещают друг друга, например (Fe, Сч, Мп)3С. Элементы, не образующие карбидов (Ni, Si), а растворяющиеся в аустените, увеличивают его устойчивость, за исключением кобальта. Как можно видеть из рис. 48,а, С-кривая в этом случае располагается правее С-кривой для углеродистой стали. Поэтому легированные стали охлаж­ дают при закалке с меньшей скоростью, чем углеродистые, —в масле или на воздухе.

Карбидообразующие элементы не только замедляют распад аустенита, растворяясь в нем, но и изменяют вид С-кривой (рис. 48 Л) - На ней на­ блюдается две зоны минимальной устойчивости аустенита: в области

101

Рис. 48. Влияние легирующих элемен­ тов на диаграмму изотермического рас­ пада аустенита стали:

углеродистая сталь; 2 —легированная

сталь

W M W W A M W Мн

Время

образования перлитных и в области образования бейнитных структур. Увеличивая устойчивость аустенита, все легирующие элементы умень­

шают критическую скорость закалки VKj увеличивают прокаливаемость стали.

Большинство элементов снижают точку Мн и увеличивают количество остаточного аустенита в структуре стали. Карбидообразующие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна при нагреве стали. Большинство легирующих элементов замедляют диффузионные процес­ сы, происходящие при отпуске закаленной легированной стали и, следо­ вательно, задерживают при этом падение ее твердости.

Легированную сталь поставляют в горячекатаном и кованом состо­ янии диаметром или толщиной до 250 мм, а также в виде калиброванной стали и серебрянки. Применяют ее для тяжелонагруженных деталей машин крупных размеров (более 1 0 — 15 мм). Маркируют эту сталь, как и низколегированную, цифрами и буквенными индексами. Качество стали дополнительно указывают в марке: А - высококачественная, Ш — особовысококачественная и без обозначения —качественная.

По наличию основных легирующих элементов сталь подразделяется на группы: хромистая, хромоникелевая, хромоникелевольфрамовая и

ДРПо назначению проката сталь подразделяется на подгруппы: а —пред­

назначенная для горячей обработки давлением и холодного воло­ чения; б — предназначенная для холодной механической обработки (обточки, строжки, фрезерования и др.).

В зависимости ои вида упрочнения легированная сталь делится на цементуемую низкоуглеродистую и улучшаемую среднеуглеродистую легированную сталь.

Цементуемая легированная сталь (табл. 15), имеющая низкое содер­ жание углерода (0,1—0^25%), подобно углеродистым сталям с низким содержанием углерода подвергают химико-термической обработке в со­ четании с закалкой и низким отпуском. Это позволяет получать высо­ кую прочность и износоустойчивость поверхности стали при наличии вязкой и достаточно прочной сердцевины (20ХН, 12ХНЗА, 20ХНР и др.)

Улучшаемая легированная сталь (табл. 16) имеет в своем составе 0,3 - 0,4 % углерода, примерно 3 - 5 % (в сумме) упрочняющих леги-

102

Таблица 15.

Химический состав цементуемой легированной стали, %

ниобий, цирконий), приводящих к измельчению микроструктуры и повышению вязкости и пластичности стали (30ХМ, 30ХГС, 40ХН, 40ХМФА и др.). Кроме того, в эту сталь можно добавлять молибден до 0,5 % или вольфрам до 1 % против падения ударной вязкости при отпус­ ке (отпускной хрупкости).

Улучшаемую легированную сталь, как и углеродистую сталь со сред­ ним содержанием углерода, подвергают таким упрочняющим обработ­ кам, как закалка в масле в сочетании с высоким отпуском при температуре 550 650 °С, термомеханическая обработка, изотерми­ ческая закалка, закалка ТВЧ, которые позволяют получать у стали наиболее благоприятное сочетание достаточно высокой прочности, хорошей пластичности и вязкости. Против отпускной хрупкости приме­ няют также быстрое охлаждение при отпуске.

Для деталей машин наиболее широкое применение имеет сталь марок 15Х, 20Х, 30Х-50Х. Сталь марок 15Х и 20Х используют для изготовле­

30Х-50Х применяют в термически улучшенном состоянии. Из стали ма­ рок ЗОХ и 35Х изготовляют шпильки и болты фланцевых соединений с температурой среды не выше 490 - 450 °С; из стали марки 38ХА —

103

Таблица 16.

Химический состав улучшаемой легированной стали, %

ниппели, валы; из стали марок 40Х и 45Х - тяжелонагруженные валы, штоки насосов, высокопрочные болты, конические шестерни редукто­ ров, зубчатые колеса, кулачковые и зубчатые соединительные муфты, звездочки цепных передач и т. д. Сталь марки 40ХФА применяют в улуч-

10 4

шейном состоянии (она является заменителем азотируемой стали марки 38Х2МЮА) для изготовления нагруженных валов, штоков для насосов и задвижек при температуре неагрессивной среды до 450 °С. Из стали марки ЗОХМ после улучшения изготовляют валы центробежных насосов, оси, болты, шпильки при температуре среды не выше 525 °С, из стали марки 40ХН после улучшения (необходимо учитывать, что она обладает отпускной хрупкостью при температуре 450 - 550 °С) - наиболее ответственные детали (тяжелонагруженные валы, зубчатые соединительные муфты, звездочки цепных передач, оси талевых блоков и т. д .). Сталь марки 40ХН2МА (40ХНМА), менее склонную к отпуск­ ной хрупкости, применяют также для тяжелонагруженных ответствен­ ных деталей.

Цементуемую сталь 12ХН2 используют для поршневых пальцев ком­ прессоров, валов, зубчатых соединительных муфт, звездочек, зубчатых передач и т. д. Сталь марки 18ХГТ применяют как после улучшения, так и после цементации для тяжелонагруженных деталей (валы, шестерни коробок передач, оси, червячные механизмы ит, д.); сталь марок 20ХГСА и 30ХГС - после термической обработки для пружин клапанов компрессоров, валиков, осей, зубчатых колес, кулачков соединительных муфт, а также для крепежных изделий при температуре среды до 400 ° С; сталь марки 38Х2МЮА - после азотирования с последующей терми­ ческой обработкой для деталей, работающих в условиях абразивного износа. Сталь марки 20ХНЗА, склонную к отпускной хрупкости, - после улучшения или после цементации. После цементации ее используют для тяжелонагруженных деталей, работающих при высоких скоростях и ударных нагрузках (шестерни, валики, зубчатые колеса, кулачковые муфты и т. д .).

Пружинно-рессорная сталь (табл. 17) обладает особыми свойствами, так как служит для смягчения толчков и ударов, действующих на кон­ струкции в процессе работы. Основное требование, предъявляемое к пружинно-рессорной стали, — высокий предел упругости и выносли­ вости. Применяют в качестве пружинно-рессорных некоторые углеро­ дистые стали и стали, легированные элементами, повышающими предел упругости (Si, Mn, Сг W). Такими сталями являются стали марок 70, 65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА. После закалки рессорных листов и пружин применяют отпуск при температуре 400 —500 °С (в зависимости от марки стали). Это необходимо для получения структуры тростита отпуска с наиболее высоким пределом упругости.

Основная шарикоподшипниковая сталь - сталь марки ШХ15. Высо­ кое содержание в ней углерода (0,95 - 1,05 %) и хрома (1,3 - 1,65 %) обеспечивает получение после закалки в масле в сочетании с низким от­ пуском высокой равномерной твердости, устойчивости против истира­ ния, необходимой прокаливаемости и достаточной вязкости. Применяют также сталь марок ШХ6 , ШХ9, ШХ15СГ и другие с содержанием хрома в среднем соответственно 0,6; 0,9; 1,5 %.

105

Таблица 17.

Химический состав пружинно-рессорной стали, %

На качество стали и срок службы подшипников вредно влияют ликва­ ция, полосчатость и сетка карбидов, а на структурную однородность стали - неметаллические (сульфидные и оксидные) и газовые вклю­ чения, макро-и микропористость, поэтому сталь каждой плавки тща­ тельно контролируют по микроструктуре.

Термическая обработка подшипниковой стали включает операции отжига, закалки и отпуска. Цель отжига —снизить твердость и получить структуру мелкозернистого перлита. Температура закалки 830 - 860 °С, охлаждение в масле. Отпуск при температуре 150 - 160 °С. Твердость после закалки и отпуска HRC 62 - 65; структура - бесструктурный (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределенными мелкими избыточными карбидами.

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников диамет­ ром более 400 мм. работающих в тяжелых условиях при больших удар­ ных нагрузках, применяют цементуемую сталь марки 20Х2Н4А. Детали крупногабаритных подшипников (кольца, ролики) из стали этой марки подвергают длительной цементации с получением слоя глубиной 5—10 мм, а затем термической обработке (закалка и низкий отпуск).

Высокомарганцовистая износоустойчивая сталь марки Г13 содержит 1,2 % Си 13 % Мп (ее называют сталью Гадфильда). Она относится по микроструктуре к аустенитному классу и обладает высоким сопротив­ лением износу при трении с повышенным давлением и ударами. Харак­ терным для нее является то, что высокая износоустойчивость сочетается с высокой прочностью и низкой твердостью: ав ~ 1000 МПа и НВ 200 -250, в противоположность закаленным инструментальным сталям, в которых сопротивление износу обусловлено высокой твердо­ стью. Высокая износоустойчивость стали марки Г 13 объясняется упроч­ нением (наклепом) аустенита при пластической деформации при повы-

106

пленных давлениях в процессе работы, в результате которого он в по­ верхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя мартенсит образуется в следующем слое и т. д. При отсутствии повы­ шенных давлений, например при абразивном износе, эта сталь не имеет достаточно высокой износоустойчивости. Применяют ее обычно в литом виде марки Г13Л (реже - в горячедеформированпом) после терми­ ческой обработки на аустенитную структуру (закалка при температуре 1050 - 1100 °С в воде) для козырьков ковшей землеройных машин, черпаков и т. п. Имеются также стали с высокой кавитационной стой­ костью (поверхностное разрушение стальных деталей под действием потока жидкости или газа). Примером таких сталей является сталь марки 30Х10Г10 (0,3% С; 10 % Сг и 10%Мп).

15. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальные стали применяют для изготовления трех основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. В связи с различными условиями работы инструмента к инструментальным сталям предъявляют определенные требования.

Сталь для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы, протяжки и т. д.) должна обладать высокой твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала; износоустойчивостью; тепло­ стойкостью, т. е. способностью стали сохранять при нагреве рабочей кромки, возникающем в эксплуатации, структуру и свойства, необхо­ димые для резания.

Сталь для измерительного инструмента (гладкие и резьбовые калиб­ ры и др.) должна быть твердой и длительное время сохранять размеры и форму инструмента.

Штампы служат для деформирования металла в холодном и горячем состояниях. Сталь для штампов холодного деформирования (вытяжные, гибочные, высадочные штампы и др.) должна иметь высокую твердость, износоустойчивость и достаточную вязкость. Сталь для штампов горя­ чего деформирования (ковочные, прошивные, абразивные штампы, молоты и др.) должна иметь высокие механические свойства, сохра­ няющиеся при повышенных температурах, и глубокую прокаливаемость.

Сталь для режущих инструментов. Режущий инструмент изготовляют из высокоуглеродистых, легированных и быстрорежущих сталей.

Высокоуглеродистые стали являются заэвтектоидными сталями марок У9 (0,9% С). У10 (1 % С ), У11 (1.1 % С), У12 (1,2 % С). Перед закалкой эту сталь отжигают по одному из режимов отжига на зернистый перлит. Для получения высокой твердости (HRC 60 - 64) ее закаливают

107

проводят при температуре 160 240 °С в зависимости от назначении ин­ струмента и требуемой твердости. Высокая твердость закаленной стали сохраняется при нагреве (отпуске) до температуры 200 °С, поэтому режущая кромка инструмента из углеродистых инструментальных сталей в процессе работы не должна нагреваться выше температуры 200 °С.

Сталь марки У9 применяют для ножовочных полотен, сталь марок У1 0 , У1 1 , У12 - для различного металлорежущего инструмента (сверла, метчики, развертки, фрезы, плашки и др.), сталь марки У13 для на­ пильников.

Легированные стали марок X, 9ХС, ХВГ, ХГ’СВФ содержат в среднем 1 и 0,9 % С и имеют повышенное содержание хрома, что значи­ тельно увеличивает прокаливаемость. Сталь марки X прокаливают в масле насквозь в сечении до 25 мм (твердость в середине не ниже HRC 60), а сталь марки У10 — только в сечении до 5 мм. Сталь марки X применяют для токарных, строгальных и долбежных резцов в лекальных и ремонтных мастерских. Сталь марки 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью марки X она имеет большую прока­ ливаемость (до 35 мм)», повышенную теплостойкость (до темпера­ туры 250 - 260 °С ), лучшие режущие свойства при более равномер­ ном распределении карбидов. Из стали марки 9ХС изготовляют свер­ ла, развертки, фрезы, метчики, плашки. Сталь марки ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем. Она имеет большую прокаливае­ мость (до 45 мм), чем сталь марки 9ХС. Сталь марки ХВГ малодеформирующаяся и глубоко прокаливающаяся. Ее применяют для крупных и длинных протяжек, метчиков, разверток и т. д. Сталь марки ХГСВФ сложнолегированпая и по сравнению со сталью марок 9ХС и ХВГ лучше закаливается й прокаливается. При охлаждении в масле она прокали­ вается насквозь в сечении до 80 мм. Сталь менее чувствительна к пере­ греву. Теплостойкость ее такая же, как у стали марки 9ХС. Сталь марки ХГСВФ применяют для круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Быстрореж ущ ие стали используют для режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, в тяжелых условиях. Качество резцов, сверл и других инструментов зависит от качества быстрорежущей стали, тщательности изготовления инструмента и от термической обработки. Быстрорежущие стали являются сложнолеги­ рованными, имеют высокие теплостойкость (до температуры 620 - 640 °С) и износоустойчивость.

Применяют стали марок: Р18 (0.7 % С; 18 % W', 4% Сг; 1% V),P6M5 (0,9 % С; 6 % W: 5 % Мо; 4 % Сг; 2 % V), Р9М5. Р14Ф4, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 и Р18К5Ф2. Быстрорежущие стали обозначают буквой „Р”, затем следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама. Буквы „К, М, Ф” и цифры после них указывают среднее содержание

108

элементов: кобальта, молибдена, ванадия. Литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке (прокатке, ковке), а затем отжигу при температуре 830 - 850 °С на твердость НВ 207 - 255.

Микроструктура отожженной быстрорежущей стали - сорбитообраз­ ный перлит (феррит + мелкие эвтектоидные карбиды) и избыточные

Для закалки быстрорежущую сталь нагревают до высоких темпера­ тур, например, сталь Р18 до температуры 1270 - 1300 °С. Процесс закалки быстрорежущей стали состоит из медленного нагрева (подо­ грева) до температуры 800 - 850 °С. выдержки при этой температуре, быстрого (окончательного) нагрева до температуры закалки 1300 °С, кратковременной выдержки и охлаждения (обычно в масле).

Для увеличения легированное™ аустенита окончательный нагрев проводят до высокой температуры закалки, так как в данном темпе­ ратурном интервале большая часть карбидов растворяется в аустените. Структура при температуре 1300 °С - аустенит + карбиды.

При охлаждении (закалке) быстрорежущей стали аустенит распада­ ется с образованием мартенсита, но не весь, часть его (25 —30 %) сохра­ няется в виде остаточного аустенита. Поэтому структура после закалки представляет собой мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Твер­ дость после закалки HRC 62. После закалки быстрорежущую сталь под­ вергают отпуску при температуре 550 - 570 °С, в результате происходит выделение из мартенсита карбидов ванадия и вольфрама (дисперсион­ ное твердение мартенсита), а также превращение остаточного аустенита в мартенсит, в связи с чем твердость быстрорежущей стали получается более высокой (HRC 64).

Обычно отпуск быстрорежущей стали дается двухили трехкратный длительностью по 1 ч при каждом отпуске. Точка Мк быстрорежущей стали располагается ниже нуля. Поэтому для устранения остаточного аустенита быстрорежущую сталь можно обрабатывать холодом (при температуре —75 - 80 °С). В этом случае вместо трехкратного дается однократный отпуск. Микроструктура нормально закаленной и отпу­ щенной быстрорежущей стали состоит из мартенсита и карбидов.

Для улучшения режущих свойств и повышения стойкости инструмент из быстрорежущих сталей подвергают низкотемпературному (при темпе­ ратуре 540 - 570 °С) цианированию: жидкостному, газовому или твер­ дому. В результате низкотемпературного цианирования на поверхности быстрорежущей стали образуется тонкий (0,02 - 0,07 мм) диффузион­ ный слой, имеющий высокую твердость (HV 1000 - 1100) и повышен­ ную теплостойкость (~ 650 °С ).

Сталь для измерительных инструментов. Применение нашли стали марок X, ХВГ и др. Их подвергают закалке и низкому отпуску. Дш измерительного инструмента (особенно высоких классов точности)

109

большое значение имеет постоянство размеров закаленного инструмента в течение длительного времени. Это связано с уменьшением тетрагональности решетки мартенсита, мартенситным превращением остаточ­ ного аустенита и уменьшением и перераспределением внутренних напря­ жений. Поэтому при термической обработке измерительного инстру­ мента большое внимание уделяют стабилизации напряженного состояния мартенсита и остаточного аустенита. Это достигается соответствующим режимом низкого отпуска - при температуре 120 - 130 °С в течение 12 —50 ч и обработкой при температуре ниже нуля (до —60 °С ).

Штамповал сталь подразделяется на сталь для инструментов холод­ ного и горячего деформирования.

Штампы холодного деформирования небольших размеров (диамет­ ром 25 —30 м м ), простой формы, работающие в легких условиях, изго­ товляют из углеродистых сталей марок У1 0 , У1 1 , У1 2 , а штампы диа­ метром 75 - 100 мм более сложной формы и для тяжелых условий работы —из сталей повышенной прокаливаемости марок X, ХВГ

Для штампов Ъ высокой твердостью и повышенной износоустойчи­ востью, а также малой деформируемостью при закалке применяют стали с высокой прокаливаемостыо, например, сталь марки Х12Ф1 (1,25 — 1,45 % С; 11 - 12,5 % Сг; 0,7 —0,9 % V). Закалку проводят при температуре 1080 - 1100 °С или 400 - 475 °С с охлаждением со­ ответственно в масле или соляной ванне, а затем на воздухе с получе­ нием минусовых размеров (за счет повышенного количества остаточного аустенита).. Для доводки до требуемых размеров проводят одно или многократный отпуск при температуре 475 - 500 °С.

Для инструмента, подвергающегося в работе ударным нагрузкам (пневматические зубила, обжимки, ножницы при холодной резке метал­ ла) , применяют стали с меньшим содержанием углерода (в среднем 0,4 % С), с повышенной вязкостью марок 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др. Эти стали закаливают в масле при температуре 840 —900 °С и отпускают при температуре 240 —270 °С с получением твердости HRC 50 - 55.

Для штампов горячего деформирования (молотов) используют стали марок 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, содержащие одинаковое количество углеро­ да (в среднем 0,5 %) и хрома (1 %), что позволяет получить достаточно высокие ударную вязкость, прочность и прокаливаемость. Никель вводят в эти стали для повышения вязкости и улучшения прокалива­ емости. Вольфрам и молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают отпускную хрупкость, измельчают зерно и снижают склон­ ность стали к перегреву. Марганец, как более дешевый легирующий элемент, является заменителем никеля (5ХГМ).

Для сталей молотовых штампов характерна глубокая прокалива­ емость: например, стали марок 5ХНМ и 5ХГМ прокаливают в сече­ ниях до 200 - 300 мм. Температура закалки (820 - 860 °С), темпера­

110