Глава 4. Специальные стали и сплавы

Износостойкие стали

Универсальное положение прикладного материаловедения о необходимости для любых изделий выбирать функциональные материалы, структура и комплекс свойств которых в максимальной степени соответствуют условиям эксплуатации, как нельзя более применим для достижения достаточной износостойкости деталей и узлов машин в связи с разнообразием факторов, обеспечивающих это качество.

Многообразие причин и видов изнашивания, одновременное действие многих факторов, определяющих механизм и скорость изнашивания, быстрая смена условий трения на шероховатых соприкасающихся поверхностях значительно осложняют выбор конструкционных материалов и вид их обработки для обеспечения надёжной работы узлов и пар трения, рабочих органов машин и механизмов (зубчатые передачи, кулачковые механизмы, подшипники качения, прокатные валки, рабочие органы дробильно-размольного оборудования, ножи бульдозеров, зубья ковшей экскаваторов и др.)

Выбор и разработка износостойких материалов — сложная задача, так как поведение материалов при трении обусловлено не только их физико-механическими свойствами, но и условиями нагружения (нагрузка, скорость, характер среды, температура и др.). В зависимости от условий трения и назначения узла меняется и комплекс требований к материалам.

Из механических свойств наиболее часто при оценке износостойкости материалов используются их исходная твёрдость (Н), предел прочности (σ_в), предел текучести (σ_0,2). Наиболее простым и в большинстве случаев адекватным критерием износостойкости применительно к углеродистым и легированным конструкционным и инструментальным сталям при условии сочетания с кондиционной структурой служит исходная твёрдость. Этот критерий применим не только для условий абразивного, но также усталостного и эрозионно-кавитационного изнашивания.

Поскольку содержание углерода служит основным средством, определяющим структуру, твёрдость и механические свойства углеродистых сталей в связи с увеличением количества перлита, то износостойкость в отожжёном и особенно в закаленном состоянии имеет сильно выраженную зависимость от концентрации углерода в стали. Таким образом, к износостойким относятся стали, соответствующие требованию высокой исходной твёрдости (и прочности), прежде всего подшипниковые и инструментальные стали, рассмотренные в гл. 2,3.

Опыт показал, что требование определённого минимального уровня исходной твёрдости служит важным критерием износостойкости стали. Однако при повышенной нагрузке на узел трения и с увеличением ресурса машины этого не достаточно. Твёрдость металла является не единственным фактором, определяющим износостойкость. Возникает необходимость в дополнительном критерии, характеризующем деформируемость металла, так как одновременно с высокой твёрдостью нужен еще некоторый запас пластичности. Пластическая деформация при трении приводит к наклёпу, поэтому сплав может работать в тяжелых условиях на трение, пока не исчерпается его способность к дальнейшей пластической деформации, т.е. Пока сохраняется способность материала приобретать деформационное упрочнение без разрушения. Таким образом, для оценки износостойкости материала следует принимать во внимание обе характеристики- твёрдость и запас прочности.

Известны примеры, когда детали, термически обработанные на весьма высокую твёрдость, разрушаются на самых начальных этапах работы при трении и когда сравнительно мягкие материалы, обладающие оптимальным соотношением твёрдых и мягких структурных составляющих, удовлетворяющим принципу Шарпи, характеризуются высокой износостойкостью при адгезионном изнашивании. В этой связи в графитизированных сталях включения графита в твердой металлической основе выполняют роль смазки, обеспечивая хорошие антифрикционные свойства.

Для сталей аустенитного класса, способных к интенсивному деформационному упрочнению вследствие специфики механизма пластической деформации в ГЦК-решётке, особенно с низкой энергией дефектов упаковки, прямая взаимосвязь износостойкости с исходной твёрдостью также не выполняется: например, широко распространённая износостойкая сталь 110Г13Л со структурой стабильного аустенита и исходной твёрдостью 2200 МПа имеет примерно такую же износостойкость при испытании по закреплённому абразиву, как закалённая
сталь 40 с твёрдостью около 7000 МПа. Это несоответствие низкой исходной твёрдости марганцевой аустенитной стали 110Г13Л с её высокой абразивной износостойкостью объясняется интенсивным фрикционным упрочнением её рабочей поверхности, приобретающей микротвёрдость приближающую к закалённой на мартенсит стали 40. Ещё в большей степени это несоответсвие присуще марганцевым и хромомарганцевым метастабильным аустенитным сталям, обладающим невысокой исходной твёрдостью (200¸300 НВ) и способным интенсивно упрочняться в процессе поверхностного нагружения.

Ниже рассмотрены основные классы износостойких сталей с низкой исходной твердостью: графитизированные стали, высокомарганцевая аустенитная сталь и метастабильные аустенитные стали.

Графитизированные стали

Графитизированные стали (ГС) представляют собой по химическому составу группу заэвтектоидных углеродистых или низколе­гированных сталей, в которых часть углерода посредством графитизирующей термической обработки выделена в виде графита (рис. 4.1). ГС рассматриваются как конструкционный и инструментальный материал с антифрикционными свойствами благодаря некоторому количеству графита. Они достаточно дёшевы, так как не имеют в составе дорогих легирующих элементов, технологичны при изготовлении изделий и их обработке, надёжны и долговечны в эксплуатации. По химическому составу, структуре и механическим свойствам ГС можно рассматривать как своеобразный промежуточный материал между инструментальными сталями и чугунами с компактными формами графита.

Рис. 4.1. Выделение графита в стали типа 160СЛ после графитизирующего отжига
при 960 °С, х 200

Опыт производства и использования ГС позволяют регламентировать существующие комбинации их состава по трём основным группам (табл. 4.1). Они отличаются повышенным содержанием кремния в количестве 0,7–2,5 %, который выполняет роль основного графитизатора при отжиге. Медь, никель и алюминий также способствуют графитизации, поэтому для ускорения процесса графитизации ГС иногда дополнительно легируют этими элементами. Хром препятствует графитизации, поэтому его содержание в сталях ограничено.

Химический состав применяемых в промышленности ГС представлен в табл. 4.1. Марганец, никель и молибден увеличивают прокаливаемость и, следовательно, прочность, а титан и молибден, как карбидообразующие элементы, уменьшают величину зерна.

Часто используют обозначение ГС по содержанию основных элементов, например, указанные в табл. 4.1 стали обозначают как 160СЛ, 160СТЛ и 140СТЛ соответственно.

Таблица 4.1

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: