книги / Материаловедение.-1

Для каждой группы сталей разработаны нормы легирования и определены оптимальные режимы обработки для получения требуемых свойств.

Автоматные стали (free cutting steels), изготовленные по ГОСТ 1414–75, применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах. Основное требование к ним – хорошая обрабатываемость резанием, достигаемая за счет увеличения содержания серы и фосфора до 0,1–0,2 %, а также добавления

да в сотых долях процента: А12, А20, А30.

При введении свинца в количестве Рb = 0,15–0,30 % стали маркируются буквами АС и цифрами среднего содержания углерода в сотых долях процента: АС11, АС14. При дополнительном легировании другими элементами их обозначают так же, как в обычных конструкционных сталях: АС35Г2, АС38ГХМ и т.д.

Строительные стали (building steels) содержат относи-

тельно малое количество углерода (0,1–0,25 %). По сравнению с углеродистыми сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей достигается упрочнением феррита за счет легирования сравнительно малыми количествами кремния и марганца, а также хрома, никеля, меди и некоторых других элементов. В качестве примера можно рассмотреть следующие марки: сталь 3, 14Г2, 17Г2, 14ХГС, 15ХСНД и т.д. Эти стали используются в горячекатаном или нормализованном состоянии для ар-

ственном машиностроении, корпусов судов в судостроении, для изготовления магистральных нефте- и газопроводов. Основные требования, предъявляемые к этим сталям, – необходимая конструкционная прочность, технологичность при изготовлении (наиболее важная характеристика – свариваемость).

Цементуемые стали. Для изготовления деталей, работающих под действием динамических нагрузок в условиях поверхно-

71

стного износа, применяют низкоуглеродистые стали, содержащие обычно не более 0,2 % С, подвергаемые цементации, закалке и низкому отпуску. В качестве примера можно рассмотреть следующие марки: 15Х, 18ХГТ, 12ХН2, 12ХН3А, 12Х2Н4А. Выбор марки стали будет существенным образом зависеть от геометрии детали, сечения и требований, предъявляемых к сердцевине. Все группы цементуемых сталей имеют свои особенности при термической обработке, которые зависят от системы легирования.

Улучшаемыми конструкционными сталями (heat treatable steels) называют среднеуглеродистые стали (0,3–0,5 % С), содержащие не более 5 % легирующих элементов (экономнолегированные стали), используемые послеоперации так называемого улучшения, состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550–650 °С. После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки. В качестве примера можно привести следующие марки: 40ХФ, 40ХН2МА, 30ХГС.

Легирующие элементы в этой группе влияют на поведение стали при закалке и на превращения при отпуске. Основная цель легирования улучшаемых сталей – увеличение устойчивости переохлажденного аустенита, т.е. увеличение прокаливаемости. При отпуске легирующие элементы влияют на все этапы превращения, включая распад мартенсита и коагуляцию карбидов.

Рессорно-пружинные стали (sping steels). Требования,

предъявляемые к рессорно-пружинным сталям:

–высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости);

–высокий предел выносливости;

–повышенная релаксационная стойкость с сохранением упругих свойств в течение длительного времени под нагрузкой.

В пружинах и рессорах пластическая деформация не допускается, поэтому высокие значения пластичности и вязкости менее существенны.

Марки стали – содержание углерода 0,5–0,85 %.

72

Пример: углеродистые – сталь 65, 70, 85; легированные –

65Г, 60С2, 70С3А, 60СГ, 50ХФА, 65С2ВА, 60С2А; легирующие элементы – Сr, Si, Mn, V, W.

Термическаяобработка(ТО) рессорно-пружинныхсталейпро- водится по схеме: закалка + средний отпуск (400–480 °С). Получаемаяструктура– трооститотпускаилитроостомартенситотпуска.

Особенности ТО рессорно-пружинных сталей:

1)получение при закалке более мелкого зерна, превыше-

ние Ас3 + (20–30) °С;

2)недопустимо обезуглероживание поверхности, что ведет

кснижению упругих свойств;

3)при закалке прокаливаемость сквозная, 95 % мартенсита;

4)недопустим Аост (его наличие ведет к падению упругие характеристики, в некоторых случаях после закалки применяют обработку холодом);

5)получение стабильной дислокационной структуры (перераспределение дислокаций может привести к микропластической деформации).

Высокопрочные стали – это стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа.

Высокую прочность стали можно получить несколькими способами:

1. Среднеуглеродистые стали. Термическая обработка:

закалка + низкий отпуск. Максимальная прочность будет зависеть от содержания углерода. Примеры: 30ХГСНА, 30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА.

Принципы легирования:

– стали всегда высококачественные;

– обязательно легированы никелем с целью снижения критической температуры хрупкости, повышение характеристик надежности;

– должны быть минимальные остаточные напряжения после закалки и низкого отпуска.

Si, W затрудняют распад мартенсита и позволяют повысить температуру низкого отпуска.

73

Недостатки данной группы сталей:

–низкая теплостойкость;

–низкая технологичность при изготовления деталей из сталей данной группы.

2. Дисперсионно-твердеющие стали. В сталях данной группы проявляется эффект вторичного твердения, который возникает после термической обработки, заключающейся в закалке

ивысоком отпуске. После закалки структура представляет собой мартенсит и аустенит остаточный, из которого в процессе отпуска образуются карбиды дисперсные.

В основе принципа легирования лежит следующая закономерность: содержание углерода – 0,3–0,5 %; при меньшем его количестве получаем недостаточную прочность, при большем – надежность. Легирование в данном случае необходимо комплексное, с возможностью образования специальных карбидов. Примеры: 40Х5МФС или 4Х5МФС, 4Х4ВМФС.

Термическая обработка: закалка (выше 1000 °С), масло + высокий отпуск (500–600 °С). Нагрев под закалку предполагает высокие температуры для растворения вторичных карбидов, но недопустим рост зерна. Закалочное охлаждение – ускоренное. Его цель – предотвратить выделение карбидов из твердого раствора (хотя стали относятся к мартенситному классу, т.е. закаливаются на воздухе). Температуру отпуска выбирают в зависимости от требуемой прочности.

Данные стали обладают высокой теплостойкостью. Их недостатки: имеются сложности при механической обработке как в закаленном, так и в высокоотпущенном состоянии, высока вероятность деформации при термической обработке, большие припуски, в результате – высокий расход материала, низкая технологичность.

3. Мартенситостареющие стали (МСС). От первых двух групп отличаются высокой технологичностью и высокой конструкционной прочностью; обладают хорошей свариваемо-

74

стью и хорошей обрабатываемостью давлением, высокой стоимостью. Это высоколегированные дисперсионно-твердеющие безуглеродистые сплавы на основе железа. Основной легирующий элемент – никель, упрочняющая фаза – интерметалли-

ды. Примеры: 00Н18К9М5Т, 00Н18К14М5Т, 00Н18К12М5Т2.

Термическая обработка: закалка + высокий отпуск (старение). Износостойкие стали – стали, применяемые для изготовления деталей, испытывающих интенсивный износ при трении и различных видах ударного воздействия (например, кавитацион-

ный износ).

В качестве износостойких применяют три основных группы сталей:

1.Стали упрочняемые с поверхности ХТО или другими видами поверхностного упрочнения (ТВЧ, лазерная закалка, поверхностная, плазменная закалка). Пример – цементация, нитроцементация, хромирование, азотирование. Примеры сталей– улучшаемые, цементуемыеит.д.

2.Высокомарганцовистые аустенитные стали. Пример – Г13 или 110Г13Л. Кавитационно-стойкие стали 30Х10Г10 (аустенитного класса). Применение для винтов и лопастей, работающих

вжидкихсредах.

3.Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801–80).

Шарикоподшипниковые стали общего назначения (примеры:

ШХ15, ШХ, ШХ6, ШХ9, ШХ15СГ) применяются в подшипниках качения в машино- и приборостроении, на железнодорожном транспорте. Требование по структуре – высокая износостойкость, обусловленная высокой твердостью. Высокая контактная выносливость обеспечивается высоким металлургическим качеством. Термическая обработка: закалка с температуры Ас1 + 300 °С, затем обработка холодом, далее низкий отпуск (2000 °С) продолжительность отпуска – 2–8 часов. Получаемаяструктура– мартенситотпускаикарбиды.

Шарикоподшипниковые стали специального назначения.

Пример – ШХ4-РП, где буквы РП обозначают, что данная сталь

75

регламентируемой прокаливаемости (ПП – пониженной прокаливаемости). Это стали с высокой теплостойкостью, работающие при повышенных температурах. Стали типа быстрорежущих и дисперсионно-твердеющих (8Х4М4В2Ф1-Ш). Термическая обработка: закалка выше 1000 °С, охлаждение в масле, затем трехкратный отпуск при температуре 560 °С.

В случае работы шарикоподшипников в агрессивных средах используют сталь 95Х18 и др. Термическая обработка: закалка выше 1000 °С и низкий отпуск.

76

ТЕМА 11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов. В большинстве случаев для этого применяют высокоуглеродистые стали, обрабатываемыенамаксимальнуютвердость, более 60 HRC. Стали нелегированные (У7, У8, У12 и др.) и малолегированные (9ХС, 9ХФ, ХВГ и др.) для получения высокой поверхностной твердости и износостойкости подвергают термической обработке, включающей закалку и низкий отпуск. Основные требования к данной группе сталей – высокая износостойкость, стабильностьразмеров, теплостойкостьивысокоесопротивлениепластическойдеформации.

Различают следующие виды инструментальных сталей по назначению:

1. Стали для режущего инструмента. Примеры марок сталей: У10, ХВГ и т.д. (нетеплостойкие), Р6М5К5, Р18, Р9 и т.д. (теплостойкие).

Пример. Назначить режим окончательной термической обработки для фрезы, изготовленной из стали У10А.

Решение. Исходная структура стали У10А перед окончательной термической обработкой – перлит зернистый. Режим обработки на твердость 63–64 HRC: неполная закалка с температуры 770–800 °С, охлаждение через воду в масло + низкий от-

пуск 150–160 °С (рис. 25).

Закалка в двух средах состоит в том, что нагретый инструмент сначала погружают в воду, а затем, после короткой выдержки, переносят в масло. Быстрое охлаждение в воде предотвращает распад аустенита на перлит, а последующее более медленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале. Неполная закалка с температуры немного выше точки Ас1 обеспечивает получение структуры мелкокристаллического мартенсита с включениями цементита. Низкий отпуск необходим для частичного снятия закалочных напряжений при сохранении высокой твердости.

77

Высокая температура нагрева под закалку необходима для растворения в аустените большого количества вторичных карбидов и получения высоколегированного мартенсита. Несмотря на высокие температуры нагрева, близкие к температуре плавления, в быстрорежущих сталях сохраняется очень мелкое зерно. Охлаждение при закалке чаще всего проводят в масле или горячих средах (ступенчатая закалка). После закалки стали не обладают максимальной твердостью, так как в их структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов, содержится 30–40 % остаточного аустенита. При отпуске происходит выделение из мартенсита и остаточного аустенита мелкодисперсных карбидов, вызывающих дисперсионное упрочнение. Аустенит, обедненный углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении с температуры отпуска превращается в мартенсит. Это явление, называемое вторичной закалкой, приводит к дополнительному упрочнению стали. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего остаточного аустенита, поэтому проводят двухили трехкратный отпуск с выдержкой по 1 часу и охлаждением на воздухе. Структура после закалки и многократного отпуска – отпущенный мартенсит и карбиды, твердость 63–65 HRC.

Термическая обработка на вторичную твердость используется также для штампового инструмента горячей и холодной обработки давлением, когда наряду с достаточной прочностью

иизносостойкостью необходимо обеспечить высокую теплостойкость сталей.

2.Штамповые стали. Выделяют стали для холодного (примеры марок сталей: У8–У12, 9ХС, Х (углеродистые, малолегированные); Х12, Х12М, Х12ВМ и т.д. (высоколегированные))

игорячего деформирования (табл. 8).

Дополнительные требования для штамповых сталей для горячего деформирования:

1) высокая разгаростойкость (устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении);

80