Стали со специальными свойствами.

Коррозионностойкие стали и сплавы (ГОСТ 5632—72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью против корро­зии только в ограниченном числе сред. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5% Сг, роль которого состоит в образовании на поверх­ности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть небольшим, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может снизить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвра­щения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области γ-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.

Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в довольно широком диапазоне в зависимости от структуры. Для наи­более характерных сплавов этого назначения она может быть:

• ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13,
40X13, 95X18 — для слабых агрессивных сред (воздуха, воды, пара));

• ферритной (15X28) — для растворов азотной и фосфорной кислот;

• аустенитной (12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азот­
ной кислотах, слабых щелочах;

• мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фос-­
форной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может экс-
плуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной
(концентрации до 20%) кислот. Коррозионная стойкость сталей может
быть повышена термической обработкой (закалкой и высоким отпус­ком)
и созданием шлифованной поверхности.

Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионностойкие, жаро­стойкие, жаропрочные и криогенные.

Коррозионностойкие сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С. Для жаростойких и жаропрочных машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1...0,45% С) и высоколегированные (Si, Сг, №, Со и др.).

Жаростойкие стали и сплавы получают на базе системы Fе + Сг + Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С. Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печных газах, в том числе серосодержащих (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглераживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок.

Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Сг температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Сг - 1300°С. Жаростойкость зависит от химического состава стали, а не от ее структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, лис­тов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.

Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением хими­ческой коррозии, но вместе с тем обеспечивать надежную работу под на­грузкой (т.е. иметь достаточно высокие пределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С. Температур­ный уровень жаропрочности сплавов в первую очередь определяется проч­ностью межатомной связи, которая может быть оценена рядом физических констант, в том числе температурой плавления. Однако при данной темпе­ратуре плавления жаропрочность сильно зависит от температуры рекрис­таллизации. В связи с этим стали аустенитного класса имеют более высо­кую жаропрочность по сравнению со сталями перлитного класса.

При таких высоких температурах эксплуатации определяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, а диффузионные процес­сы, имеющие даже при небольших напряжениях направленный характер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так как диффузион­ные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повы­шенное количество дефектов строения, то кроме химического состава на жаропрочность существенное влияние оказывает структура металла. Обыч­но добиваются получения легированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри них дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом снижается пластичность. Чрезвычайно важный фактор - стабильность структуры, так как перемещение атомов ведет к увеличению ползучести.

Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат ни­кель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно леги­роваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочно-земельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании основан на рафинирова­нии границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 0,45...0,8 Т_ш. Эти стали классифицируют по температуре эксплуа­тации (ГОСТ 20072-74): при 400...550°С -- 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500...600°С - 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13; при 600...650°С -12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.

Жаропрочные стали и сплавы применяются для изготовления труб, кла­панных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632—72) по хи­мическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколеги­рованными (Сг, Ni, Мп и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АГ19 и др.). Основными потребительски­ми свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от 20 до — 196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого снижения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температу­ры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные маши­ностроительные стали классифицируются по температуре эксплуатации в диапазоне от —196 до —296°С и используются для изготовления деталей криогенного оборудования.

 

 Инструментальные стали.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режуще­го и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего де­формирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а кре­пежные части выполняют из конструкционных сталей.

Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкость и прочность при хорошей (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемость.

Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбид­ные фазы, так как именно их присутствие обусловливает высокие проч­ностные показатели и твердость.

Для обеспечения необходимых свойств применяют специальное ле­гирование и термическую обработку. Так, обеспечение теплостойкости достигается легированием сталей вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышает их прокаливаемость. Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, вклю­чает закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки получают твердость сталей 60...65 НКС и предел прочности при изгибе σ_и = 250...350 МПа. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950-73 и 19265-73.

Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435—90 и 5950—73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, повышенной вязкости и теплостойкие. Стали высокой твер­дости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.

Инструментальные стали высокой твердости по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Мп, 81, Сг и др.). Структура этих сталей после термообработки — мар­тенсит и перлит. Температуры эксплуатации изделий из таких сталей -до 190...225°С, при этом их твердость равна 60...68 НК.С.

Инструментальные стали высокой твердости (У10...У13, У10А...У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) делят по прокаливаемое™ на стали не­большой, повышенной и высокой прокливаемости. Величина прокаливаемое™ определяет размер изделия. Так, инструментальные стали небольшой про-каливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диамет­ром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемое™ — для массивного инструмента и инструмента сложной формы.

Среднеуглеродистые (0,3..0,5% С) стачи 30, 35, ..., 55 используются после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. После улучшения ста­ли 40, 45, 50 имеют следующие механические свойства: а_в= 600...700 МПа; а_{0 2} = 400...600 МПа; у = 50...40% и КШ = 0,4...0,5 МДж/м². Прокаливав -мость этих сталей невелика. Стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовле­ния деталей, от которых требуется сочетание высокой прочности с вязкостью сердцевины (оси, валики, винты, шайбы, втулки, коленчатые валы и др.).

Стали 60, 65, ..., 85 с высоким содержанием (0,6...0,85%) углерода обла­дают повышенными прочностью, износостойкостью и упругими свойства­ми. Их применяют после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и по­верхностной закалки. Из сталей 65, 70, 75, 80, 85 изготавливают детали, ра­ботающие в условиях трения и вибрационных нагрузок: прокатные валки (сталь 60), крановые колеса (сталь 75), диски сцепления и впускные клапа­ны компрессоров (сталь 85), а также пружины и рессоры (ГОСТ 14959—79).

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—90) выпускаются ачественными (содержание серы не превышает 0,03%, фосфора -,035%) и высококачественными (серы не более 0,02% и фосфора -,03%). В конце марки высококачественных углеродистых инструмен-альных сталей ставится буква А.

В углеродистых инструментальных сталях буква У в обозначении :арки означает «углеродистая сталь», а цифра показывает содержание глерода в десятых долях процента.

Стали У7 (доэвтектоидная ферритно-перлитная) и У8, У8А (эвтектоид-ные) наиболее пластичные из углеродистых инструментальных сталей. Они идут на производство молотков, стамесок, долот, зубил. Из сталей У10, У11, УНА изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы, плитки и прочий мерительный и режущий инструмент для резания мягких материалов, а из сталей У12, У13, У13А — инструмент, работающий без ударных нагрузок (напильники, рашпили, бритвы).

Стали повышенной вязкости по химическому составу являются сред-неуглеродистыми (0,60...0,74% С) и среднелегированными (Мп, 81, Сг и др.). Температура эксплуатации изделий из этих сталей, как правило, менее 200°С, а их твердость — 62 ИКС. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).

Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на стали собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали яв­ляются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Мп, 81, Сг, №, Мо и др.).

Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так на­зываемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265—73. Буква Р в марке обозначает «режущие». После буквы Р следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама -- главного легирующего элемента этих сталей (буква В -- его условное обозначе­ние — пропускается); затем, как и в остальных сталях, буквами обозна­чаются другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их со­держание в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.

Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами М₆С, М₂₃С₆, МС, М₃С. Основным карбидом является М₆С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 — 22%.

Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг, закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск.

Структура после закалки - - мартенсит + карбиды + остаточный аусте-нит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением твердости до НКС 64 (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некото­рые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 НУ).

Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8; В11М7К23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла), штампов, пуансонов. Для инстру­ментальных сталей при температуре эксплуатации до 650°С твердость должна быть 60...62 НКС, а для штамповых при температуре до 700°С — 45...52 НКС.

Инструментальные стали, используемые для изготовления измери­тельного инструмента (плиток, калибров, шаблонов), помимо твердости и износостойкости должны обеспечивать постоянство размеров этих инструментов и хорошо шлифоваться. Обычно используют стали У8...У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечиваются обработкой холодом до — 60°С (нередко многократной) и отпуском при 120...130°С непосредственно после закалки.

Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабо­чей поверхности с высокими твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: