книги / Технология металлов

Длительность азотирования примерно в десять раз больше длительности цементации и составляет 20—50 час. для глубины 0,2—0,4 мм.

Азотирование требует специальной легированной стали, так как хорошие результаты получаются только тогда, когда обра­ зуются специальные нитриды хрома, молибдена, алюминия и др. В этом случае получаются очень твердые нитриды, кроме этого, они хорошо концентрируются на поверхности (не диффундируют на большую глубину).

Наилучшей сталью для азотирования считается сталь 38ХМЮА (0,30—0,38% С, 1,35—1,65% Сг, 0,4—0,6% Мо, 0,75—

U % А1).

Твердость азотированного слоя является естественной, т. е. по­ лучается без закалки, поэтому азотированная поверхность го­ дится для эксплуатации при относительно высоких температурах (до 400—500° С), например для гильз двигателей и т. п.

Кроме теплоустойчивости и высокой твердости, азотированная поверхность хорошо противостоит атмосферной коррозии. По­ следнее свойство успешно используется для декоративных целей. При декоративном азотировании твердость может быть неболь­ шая, а поэтому годится простая сталь. Это азотирование зани­ мает только 2 —3 час., поскольку в данном случае не требуется большая глубина азотирования.

Цианирование

Процесс поверхностного насыщения стали углеродом и азотом одновременно называется цианированием. Оно приводит к повы­ шению поверхностной твердости, износоустойчивости и усталост­ ной прочности.

Различают низкотемпературное (при 540—560° С) цианирова­ ние в основном для термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали и высокотемпературное (при 780—950° С) цианирование для изделий из цементуемой и среднеуглеродистой машиностроительной стали.

Цианирование проводят как в жидких средах (расплавах солей NaCN и NaCl), так и в газовых средах (смесях 20—30% аммиака и 70—80% углеводородов). Время цианирования от 0,5 до 2—4 час.

4. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Легированными считаются стали, содержащие в своем соста­ ве специально введенные легирующие элементы такие, как Сг, W, Va, Ni, Mo, Со, Ti и др., или такие, в которых содержится повышенное содержание кремния или марганца (больше 0,5—

1%). Легированием можно повысить механические свойства ста­ лей, а также придать им специальные свойства (жаропрочность, жаростойкость, кислотоустойчивость, красноломкость и т. п.).

Влияние легирующих примесей легче всего объясняется при раздельном изучении влияния элементов на диаграмму Fe — Fe3C и изотермическую диаграмму распада аустенита.

Легирующие элементы по их влиянию на железо делятся на расширяющие у-область и на расширяющие a -область. Соответ-

Рис. 56. Влияние легирующих элементов на свсшства феррита:

а — твердость; б — ударная вязкость (А. П. Гуляев, В. П. Емелина)

1 . Элементы, образующие с железом диаграмму с открытой у-областью (Ni, Mn, Си, Qo), повышают точку А4 и понижают точку А3.

2. Элементы, образующие с железом диаграмму с открытой a -областью (Сг, W, Mo, Va, Ti, Si, А1 и др.), понижают точку Л4 и повышают точку Л3.

Растворимости элементов в железе с образованием растворов замещения содействует изоморфность кристаллических решеток

сжелезом и малая разница в атомных диаметрах. При разнице

ватомных диаметрах до 8 % получается неограниченная раство­ римость; при разнице от 8 до 15% получается ограниченная рас­ творимость, а при больших отклонениях компоненты дают смеси или даже не смешиваются.

Элементы по решетке изоморфные y-Fe дают расширенную

у-область. Элементы изоморфные a-Fe дают расширенную

а-область.

Элементы с весьма малыми атомными диаметрами (В, Н, С, N) дают растворы не замещения, а внедрения.

На рис. 56 показано влияние легирующих примесей на твердость и ударную вязкость феррита.

Большинство легирующих элементов увеличивает твердость феррита: хром до 1—1,5%, никель до 4,5—5,0%. Причем повыше­ ние прочности идет без понижения пластичности.

По склонности элементов образовывать соединения с углеро­ дом различают элементы карбидообразующие (Cr, Mn, Ti, Va, W, Nb). и некарбидообразующие (Si, Ni, Со, Си).

Сложные карбиды пластичнее простых. При наличии в же­ лезоуглеродистом сплаве карбидообразующих примесей большое

в нормализованном состоянии, разделив

их на перлитные, мартенситные, мартенсито-аустенитные и аусте­ нитные.

Легирующие примеси требуют большей выдержки стали при нагреве, но в то же время они в своем большинстве (Al, Cr, W, Mo, Ti, Va) тормозят рост зерна. Только Мп увеличивает рост зерна при нагреве.

В зависимости от состава существуют стали ферритные и кар­ бидные на ферритной, аустенитной или мартенситной основе.

Легированные стали делят на стали общего и специального назначения. К последним сталям относятся нержавеющие, тепло­

устойчивые, износостойкие, с особыми физическими свойства­ ми и др.

Добавка легированных элементов повышает стоимость сталей и порой делает их дефицитными. К недостаткам легированных сталей относится ухудшение теплопроводности и свариваемости, увеличение дендритной ликвации, склонность к отпускной хруп­

кости и трещинообразованию. Все эти явления должны учиты­ ваться при выборе марок сталей.

Маркировку производят большей частью следующим образом: двухзначные цифры спереди означают содержание углерода в сотых долях; следующие за нею буквы указывают характер легирования, цифры, следующие за буквами (если более 1 %) указывают степень легирования. Например, сталь марки 20Х2Н4А

тельно чиста по сере и фосфору).

Для маркировки применяют следующие буквы: Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, В — вольфрам, Ф — вана­ дий, М — молибден, Ю — алюминий, Т — титан, Д — медь, К — кобальт.

Все легированные конструкционные стали, как правило, под* вергают термической обработке. В последние годы стали широко применять низколегированные стали, которые не подвергаются термической обработке. Речь идет о строительных сталях для ме­ таллических конструкций, судостроения, вагоностроения и т. п. Эти малоуглеродистые стали (до 0,25% С) хорошо свариваются и обладают повышенной прочностью благодаря легирующим примесям. Сюда относятся стали 15Г, 20Г, 12Г2, НЛ-1 (Си 0,3— 0,5%), медистая (Си 0,15—0,25%). Наличие меди в этих сталях повышает их сопротивление атмосферной коррозии.

Конструкционные стали общего назначения

Легирование стали дает эффект не только за счет измельче­ ния зерна, упрочнения феррита, сколько за 1счет возможности применения термической обработки для изделий большой тол­ щины, поскольку легирование повышает прокаливаемость. Увели­ чение прокаливаемости объясняется тем, что легирующие примеси сдвигают вправо S-образные линии на диаграмме изотер­ мического превращения аустенита, а поэтому, хотя у более тол­ стых изделий кривая охлаждения при закалке и более полога, можно подобрать такую марку легированной стали, при которой данная скорость охлаждения будет соответствовать критической скорости закалки.

Легированные конструкционные стали обычно делят на це­ ментуемые (до 0,2—0,3% С) и улучшаемые (0,3—0,6% С). Глав­ нейшие марки легированных сталей и рекомендуемые режимы термообработки указаны в ГОСТ 4543—48.

Хорошо цементуется сталь 20Х. Такая сталь имеет после цементации и закалки с отпуском не только хорошую мартенсит­ ную поверхность, но качественную вязкую сердцевину.

Марганцовистые малоуглеродистые стали в отличие от дру­ гих легированных сталей обычно не применяют для цементации,

ГОСТ 5622—51 предусмотрены основные марки и составы жароупорных сталей.

К жаростойким сталям относятся стали сильхромовой груп­

Х25 и чугун Х28 и Х34.

Большой интерес представляют жаропрочные стали, которые одновременно и жаростойки.

На рис. 58 представлена схема изменения прочности стали при разных температурах. По мере нагрева прочность стали сна­

с постоянной скоростью (ползучесть). При достижении опреде­ ленной степени деформации дальнейшая деформация происхо­ дит ускоренно и металл разрушается. В связи с таким характе­ ром разрушения для жаропрочных сталей в настоящее время ру­

ную скорость деформации при данной температуре, например 0 ,1 % за 1 0 0 0 час. (обозначение ап 0 ,1 / 1 0 0 0 ).

Длительная прочность (ад) — напряжение, вызывающее раз­ рушение при данной температуре за данное количество часов, например, за 300 час. (обозначение од 300).

Для работы в интервале 350—500° С применяют ферритные и перлитные стали, которые в отличие от жаропрочных часто на­ зывают теплоустойчивыми (котлы, клапаны двигателей внутрен­ него сгорания, установки для крекингования и т. п.).

В стали для котлостроения добавляют около 0,5% Мо, на­ пример 15ХМ (0,1—0,2% С, 1 % Сг). Для клапанов автомобиля применяют сильхром, например СХ12 (0,4—0,5% С, 10—12% Сг,

ный потенциал и возрастает роль пассивирующей пленки. Обыч­ но стремятся к тому, чтобы структура стали была однофазной, поскольку наличие в структуре большого количества микрогальванических пар с большой разностью электродных потенциалов сильно снижает -коррозионную стойкость.

Хромистые стали. Применяются три типа сталей с 13, 17 и 28% Сг. Стали с 13% Сг, согласно ГОСТ, обозначаются 1X13, 2X13, 3X13, 4X13. Первая цифра характеризует количество угле­ рода (0,1; 0,2; 0,3 и 0,4%). Стали устойчивы в слабокорродирующих средах, в водяном паре, щелочах, пищевых продуктах и т. п. 1X13 и 2X13 имеют ферритную структуру, хорошо штампу­ ются и термообработкой, в них можно измельчать зерно. Однако эти стали не обладают высокой твердостью.

струмента, измерительного инструмента и других приборов, работающих в условиях коррозии.

Стали XI7 и Х28 содержат до 0,1 % С и являются ферритными. Эти стали при нагревании не имеют фазовых превращений, по­ этому они хорошо свариваются без возникновения структурных напряжений.

Хромистые стали Х17 применяются для оборудования азотно­ кислотных производств. Стали Х28 стойки в азотной кислоте, фосфорной кислоте, в дымящем гипохлорите натрия.

Хромоникелевые стали. Наибольшее применение получили стали с 18% Сг и 9% Ni (1Х18Н9). Эти стали имеют аустенит­ ную структуру, очень пластичны ( 6 —45%) и хорошо сварива­ ются. В хромоникелевых сталях содержится до 0,14% С, который при нагреве стали до 1100° С и закалке полностью растворяется в аустените. Несмотря на то, что эта сталь имеет oh ^ 60 кг/мм2, она мало подходит как конструкционный материал, так как очень низок предел текучести (около 20 кг/мм2). Путем наклепа (нагартов-ки) можно в несколько раз повысить прочностные по­ казатели. Однако нагартовать практически можно*только тонкие сечения.

Хромоникелевые стали хорошо стоят в азотной кислоте (кон­ центрацией до 95% с температурой до 70°С), в органических кислотах, в растворах хлористых солей и щелочных металлов, в сероводороде и сернистых газах с температурой до 300° С. Их основным недостатком является межкристаллитная коррозия, ко­ торая возникает вследствие кратковременного нагрева (напри­ мер, в местах сварки). Это происходит потому, что по границам зерен из пересыщенного раствора избыточный углерод образует карбиды хрома с хромом поверхности кристаллов, обедняя их до 12% Сг и ниже.

Когда имеются условия, которые могут вызывать межкристаллитную коррозию, надо пользоваться малоуглеродистыми сталя­ ми (до 0,06%' С), например сталь 0Х18Н9. В этом случае не про­ исходит образование карбидов. Хорошие результаты дает также сталь, содержащая 0,8% Ti (1Х18Н10Т). Последний образует с углеродом карбиды (вместо карбидов хрома) и тем самым гра­ ницы зерен не обедняются хромом.

Кремнистые стали (термосилиды) содержат от 14 до 18% Si при 0,4—0,8% С. Они стойки в азотной кислоте переменной кон­

коррозионностойка в кипящей соляной кислоте. Кремнистые ста­ ли очень тверды (не обрабатываются резцами) и хрупки. Эти недостатки в ряде случаев ограничивают возможности примене­ ния термосилидов. Их приходится применять только в виде отли­ вок, а поэтому часто их называют также чугунами.

5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ И ИЗНОСОСТОЙКИЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Инструментальные стали

В зависимости от назначения инструментальные стали делят­ ся на стали для режущего инструмента, для измерительного ин­ струмента и для штампов.

Сталь для режущего инструмента в термически обработанном виде должна быть твердой, износостойкой и продолжительно со­ хранять режущие способности лезвия инструмента. Чем тяжелее условия работы инструмента, тем больше тепла выделяется при резании и тем больше нагревается лезвие. Способность стали со­ хранять режущие свойства в нагретом состоянии называется

красностойкостью.

Большая твердость мартенсита (HRC>62) достигается при содержании >0,7% С. Однако углеродистые стали не обладают большой красностойкостью и прокаливаемостью. Из углеродис­ тых инструментальных сталей нельзя готовить инструмент боль­ шой толщины и нельзя им обрабатывать металл с большими скоростями резания, так как выделяющееся при этом тепло на­ гревает инструмент выше 180—200° С, т. е. выше температуры устойчивости нелегированного мартенсита.

Чем сложнее геометрия инструмента, тем больше он подвер­ жен деформации (короблению) и склонен к образованию трещин при закалке. Во избежание этого закалку инструментов произво­ дят не в воде, а в масле как в материале, имеющем меньшую теплопроводность. Однако закаливать в масле можно только

л^ог-мяло^щттичеокой скоростью з-а*кадки, т. е. легированные стали^Для уменьшения-деформируемости при закалке большую роль может играть остаточный аустенит. Дело в том, что по срав­ нению с исходным перлитом аустенит имеет меньший, а мартен­ сит больший удельный объем. Поэтому можно подобрать такой состав стали, у которой наряду с мартенситом после закалки будет остаточный аустенит в таких соотношениях, чтобы размеры инструмента остались неизменными, однако следует иметь в виду, что с эксплуатационной точки зрения остаточный аустенит вреден.

Углеродистые стали при нагреве склонны к обезуглерожива­ нию, что недопустимо для ряда инструментов. Легирование спе­ циальными примесями, например хромом, уменьшает обезуглеро­

Из наиболее распространенных легированных инструменталь­ ных сталей можно назвать сталь X (1,0—1,5% С, 1,3—1 ,6 %' Сг) и 9ХС (0,85—0,95% С, 1,2—1,6% Si, 0,95—1,25% Сг). Сталь 9ХС лучше прокаливается, но сталь X меньше обезуглероживается.

Малодеформируемой сталью является марка ХВГ (0,9— 1,05% С, 0,80—1,1% Мп, 0,9—1,2% Сг, 1,2—1,6% W), поскольку марганец способствует получению нужного количества остаточ­ ного аустенита. Инструментальные стали типа Х12 с молибденом или ванадием являются по существу малоуглеродистыми чугунами— при 1,2— 1,5% С и 12% Сг в структуре имеется ледебурит. Поэтому слитки предварительно проковывают, чтобы раздробить эвтектические карбиды. При закалке этих сталей от 1050—1075° С и отпуске при 150—180° С структура состоит из легированного мартенсита, незначительного количества остаточного аустенита и карбидов. Сталь очень износостойка, глубоко прокаливается и очень мало или почти не деформируется при закалке. Эта сталь годится для изготовления инструмента сложной конфигурации, в том числе штампов холодной вытяжки, волочильных досок ит. п.

От штампов для горячей штамповки и от молотовых штампов требуется большая вязкость, поэтому такие легированные стали содержат меньше углерода (0,3—0,7%) и термически обрабаты­ ваются на тростит. К таким сталям относятся 7X3 и 5ХНВ.

Быстрорежущие стали. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р18 (0,68—0,8% С, 17,5—18,5% W, 1.0— 1,4% V, 3,8—4,8% Сг) и Р9 (0,8—0,95% С, 8,1—10,0% W, 2.0— 2,6% V, 4,0—4,6% Сг).

Вольфрам, хром и ванадий образуют с углеродом карбиды. Основным преимуществом быстрорежущих сталей является вы­