Глава 5. Конструкционные металлические материалы

5.1. Стали и чугуны

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Классификация углеродистых сталей. Стали обыкновенного качества и качественные.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % С (точка Е) при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Из всего объема производства сталей до 90% составляет углеродистая сталь и лишь около 10% происходит на долю легированных сталей.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода кипящие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются содержанием кремния значениями характеристик пластичности. Содержание Si в спокойной стали составляет 0,15-0,35, в полуспокойной 0,05-0,15, в кипящей до 0,05 %.

Углеродистые стали содержат основной элемент - углерод, а также постоянные и скрытые примеси: марганец и кремний, фосфор, серу и газы (водород, азот, кислород).

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства углеродистых сталей. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств сталей. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. До 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, более 0,8% С в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но пластичен. Цементит имеет высокую твердость, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличиваются твердость и прочность и уменьшаются вязкость и пластичность стали (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1. Влияние содержания углерода на свойства стали

Рост прочности происходит до 0,8-1,0% углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8% уменьшается и пластичность, и прочность. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Поэтому заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу на зернистый перлит.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем, и особенно в холодном состоянии.

В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn и до 0,4% Si. Марганец и кремний, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяются в феррите и упрочняют его, увеличивают прокаливаемость стали, а также уменьшают вредное влияние серы. Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье - чугун.

Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также придает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS - сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца, благодаря высокой ликвации серы в стали может образовываться легкоплавкая эвтектика Fe-FeS (T_ПЛ = 988^оС). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стали до температур горячей деформации включения эвтектики охрупчивают сталь, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость FeS+Mn=MnS+Fe, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620°С, что значительно выше температуры горячей деформации. Вместе с тем сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Основной источник фосфора - руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор - вредная примесь. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор сильно искажает решетку феррита, делая феррит хладноломким и хрупким. Обычно фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси - кислород, азот, водород находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, приводит к образованию внутренних трещин - флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют

o по структуре,

o по способу производства и раскисления,

o по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8% С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8% С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14% С. Ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали.

	S	P
Стали обыкновенного качества	не более 0,05 %	не более 0,04 %
Качественные стали	не более 0,04 %	не более 0,035 %

Качественные стали менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах.

Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и условными номерами от О до 6, например: Ст О, Ст 1 ... Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полуспокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали. В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

Стали группы А поставляются только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется. Используют в горячекатаном состоянии без дальнейшей термообработки, в этом случае они сохраняют свойства. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пластичность:

Таблица 5.1 – Механические свойства сталей обыкновенного качества

Марка стали	s _вМПа	s ₀₂ МПа	d , %
Ст 1сп	320-420		34-31
Ст Зсп	380-490	210-250	26-23
Ст 6сп	600 не менее	300-320	15-12

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.

Стали группы В поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются - ВСтЗпс (кп, сп). Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав - номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Качественные стали регламентируются и по химическому составу, и по механическим свойствам. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04%, фосфора не более 0,035%), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами например, 08, 10, 15, .. 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента с указанием степени раскисленности (кп, пс), спокойные не маркируют. Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8%) и с повышенным содержанием (до 1,2%). При обозначении последних в конце марки ставится буква Г, например 60Г.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 %С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 %С) и высокоуглеродистые конструкционные (0,6-0,85% С).

Углеродистые стали, содержащие 0,7-1,3 %С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

5.1.2. Легированные стали

Влияние легирующих элементов на свойства феррита. Карбиды в легированных сталях. Классификация и маркировка легирующих сталей.

Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали называются легированными. При этом если содержание кремния более 0,4 % или марганца более 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Тi, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Легирование стали, когда концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее, принято называть микролегированием.

Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости в разных средах). Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых и поэтому применять их без термообработки нерационально.

Применение легирующих элементов существенно влияет на себестоимость сталей. При использовании тех или иных легирующих элементов руководствуются не только их влиянием на свойства стали, но и экономическими соображениями, в частности распространенностью в земной коре, стоимостью добычи и получения, а также дефицитностью.

Основными легирующими элементами являются Сr, Ni, Мn, Si, Мо, V, Тi, Аl, Сu, Nb, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими легирующими элементами, например Сr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сr и Мn - хромомарганцевую сталь, Сr, Ni, Мо, V - хромоникельмолибденованадиевую сталь. Легирующие элементы оказывают существенное влияние на полиморфизм железа. Легирующие элементы по их влиянию на устойчивость феррита или аустенита делятся на две группы.

К первой группе относят Ni, Мn, Сu, Со, которые образуют расширенную g - область и увеличивают устойчивость аустенита (Рисунок 5.2,а). Стали, в которых под влиянием легирования g - область сохраняет стабильность от температуры плавления до комнатной температуры, называют аустенитными сталями.

Рисунок 5.2. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Ко второй группе относят Сr, Si, V, Мо, W, Аl, Тi и др., т. е. большинство легирующих элементов, которые в двойных диаграммах с железом образуют замкнутую g - область (Рисунок 5.2, б), увеличивая устойчивость феррита. Стали, в которых под влиянием легирования a -область сохраняет стабильность от комнатной температуры до температуры плавления, называют ферритными сталями.

В отличие от других сплавов на основе железа, аустенитные и ферритные стали не испытывают превращений при нагреве и охлаждении.

Легирующие элементы, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, могут участвовать в образовании различных фаз в легированных сталях:

легированного феррита - твердого раствора легирующего элемента в Fе-a ;

легированного аустенита - твердого раствора легирующего элемента в Fе-g ;

легированного цементита - твердого раствора легирующего элемента в цементите, или при увеличении содержания легирующего элемента сверх определенного предела специальных карбидов.

Влияние легирующих элементов на свойства феррита

В конструкционных сталях феррит является основной структурой составляющей. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.

Рисунок 5.3. Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей

На рисунке 5.3 показано влияние основных легирующих элементов на изменение свойств феррита. Из графиков следует, что все элементы повышают твердость феррита. При этом хром и особенно никель почти не уменьшают вязкость стали. Никель наиболее сильно снижает порог хладноломкости. Кроме того, никель, хром, марганец и некоторые другие элементы, хорошо растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, увеличивая прокаливаемость стали. Наиболее эффективно никель и хром увеличивают прокаливаемость стали при их одновременном введении в сталь, т. е. при так называемом комплексном легировании.

Карбиды в легированных сталях

Карбидообразующими легирующими элементами называют элементы, обладающие большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fе-Мn-Сг-Мо-W-Nb-V-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.

При введении сравнительно небольших количеств легирующего карбидообразующего элемента в сталь он сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа, например (Fе, Мn)₃С. При этом образуется легированный цементит. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr₇С₃, Мn₃С и др.

По строению кристаллической решетки карбиды бывают двух типов. К карбидам первой группы относятся поликарбиды Fe₃C, Мn₃С, Сr₇Сз, Сr₂₃С₆, имеющие сложные кристаллические решетки. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве до высоких температур распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы Мо₃С, WС, VС, TiС - монокарбиды - имеют простые кристаллические решетки, которые отличаются большой прочностью и не распадаются при нагреве. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше. С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируют

· по структуре в равновесном состоянии,

· по структуре после охлаждения на воздухе,

· по количеству легирующих элементов и

· по назначению.

По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные стали с избыточным ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами, ледебуритные стали в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Легирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы железо-углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода.

Учитывая, что некоторые элементы резко сужают или расширяют область g - железа, кроме этих групп сталей различают аустенитные и ферритные стали.

По структуре после охлаждения на воздухе различают перлитные стали, характеризующиеся невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита; мартенситные стали с высокой устойчивостью аустенита и аустенитные стали, сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре.

По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5% легирующих, среднелегированные - 2,5-10% и высоколегированные стали, содержащие более 10% легирующих элементов.

По назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штамповые, для режущего и мерительного инструмента) и стали с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические, магнитные и др.).

Маркировка легированных сталей

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначают следующими буквами русского алфавита: X - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, К - кобальт, Ц, - цирконий, Р - бор, Б - ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце - сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1-4,5%, марганец до 2 %, кремний 0,6-1,2 %. Такие легирующие элементы как Мо, W, V, Тi обычно вводят в сталь в сочетании с Сr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, в%: Мо - 0,2-0,4; W -0,5- 1,2; V - 0,1-0,3; Тi - 0,1-0,2.

Например, сталь 18ХГТ содержит: 0,18% С, 1% Сr, 1% Мn, около 0,1% Тi; сталь 38ХНЗМФА 0.38%С, 1.2-1.5%Сr; З%Ni, 0,3-0,4 %Мо, 0,1-0,2% V, сталь ЗОХГСА - 0,30% С, 0,8-1,1% Сr, 0.9-1.2%Мn, 0,8-1,2%Si; сталь ОЗХ13АГ19 - 0.03% С, 13% Сr, 0,2-0,3% N, 19% Мn.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода около 1 % или более.

Например, сталь ЗХ2В8Ф содержит, 0,3% С, 2% Сr, 8%W, 0,2-0,5% V; сталь 5ХНМ -0,5% С, 1% Сr, 1% Ni, до 0,3% Мо: сталь ХВГ- 1% С, 1% Сr, 1% W, 1% Мn.

Для некоторых групп сталей применяют дополнительные обозначения. Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, подшипниковых - с буквы Ш, быстрорежущих - с буквы Р, электротехнических - с буквы Э, магнитно-твердых - с буквы Е.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые заводом “Электросталь”, обозначают сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная). Легированные стали, выпускаемые “Днепроспецсталью”, маркируют буквами ДИ, Златоустовским металлургическим заводом - буквами ЗИ. Во всех случаях после сочетания букв идет порядковый номер стали, например, ЭИ417, ЭП67, ДИ8 и т. д. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяет общепринятая маркировка, отражающая химический состав стали.

5.1.3. Легированные конструкционные стали

Строительные, цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, пружинно-рессорные, подшипниковые, износостойкие стали

По назначению легированные стали можно подразделять на 3 группы: конструкционные, инструментальные стали и стали с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода.

Конструкционные стали относятся к перлитному классу. Стали с С<0,25% используют как цементуемые, стали с 0,2-0,55% С применяют в термообработанном состоянии.

Хромистая сталь - обладает высокой износостойкостью и невысокой стоимостью. Хром в ней 0,7-1,1%. Недостатки – отпускная хрупкость.

Марганцовистая сталь - 0,7-1,8% Mn, который менее дефицитный. Mарганец увеличивает прокаливаемость стали. Эти стали даже после нормализации обладает повышенной прочностью, упругостью, износостойкостью. Недостатки - склонность к росту зерен при перегреве, образованию закалочных трещин и отпускная хрупкость. При высоком содержании Mn стали относятся к сталям с особыми свойствами.

Никелевая сталь - дорогие легированные стали. Ni увеличивает прочность и вязкость стали, сильно повышает прокаливаемость. Ввиду дефицитности Ni заменяют первыми тремя элементами.

Кремнистая сталь - обладает высоким пределом упругости и повышенной прочностью. Применяется для рессор, пружин, мостов, при 1-4% Si и соответствующей ТО применяется как трансформаторная сталь.

Хромоникелевая сталь - высокие механические свойства, глубокая прокаливаемость в масле, повышенная ударная вязкость. Недостатки: - хрупкость при высоком отпуске, поэтому дополнительно легируют Mo или W.

Хроммарганцевая сталь - заменитель хромоникелевой стали, глубокая прокаливаемость обеспечивается марганцем.

По области применения стали подразделяются на: автоматные, строительные, цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, подшипниковые и износостойкие.

Стали для строительных конструкций.

Стали с содержанием углерода <0,25% используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемые цементации. Низкое содержание углерода в этих сталях обусловлено тем, что строительные и котельные элементы соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Более высокая прочность по сравнению с углеродистыми сталями достигается упрочнением феррита легирующими элементами в небольших количествах: Cr, Ni, Mn, Cu и др. К низколегированным строительным сталям относятся: 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД. Последняя работает в конструкциях до -60^оС без охрупчивания. Кроме того, введение этих легирующих элементов увеличивает коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Добавление небольшого количества V, Nb (до 0,1%) приводит к дополнительному упрочнению за счет карбонитридов и измельчения зерен. Это: 14Г2АФ, 17Г2АФБ с s_В=450 МПа после нормализации.

Дополнительное упрочнение может быть достигнуто контролируемой прокаткой - деформация при более низкой температуре в конце (800-900^оС) с увеличением степени деформации в последних проходах, что дает измельчение зерен и дисперсном упрочнении карбонитридами.

Цементуемые стали

Для деталей, работающих в условиях поверхностного износа (валы и др.) используют малоуглеродистые стали с 0,1-0,3%С, подвергая их цементации. Цементуемые стали легируют Cr, Ni. Чем выше требования, тем сложнее состав. Для небольших деталей применяют хромистые стали как 15Х, 20Х с 1% Cr. При содержании Cr>1,5% в цементованном слое повышается концентрация углерода и образуется легированный цементит (Fe,Cr)₃C, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термообработки - глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование 0,1-0,2% V позволяет сформировать более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость.

Для деталей средних размеров и с повышенными нагрузками используют стали с добавлением Ni: 20ХН, 12ХН3А. При этом несколько уменьшается глубина цементованного слоя, но увеличивается глубина закаленного слоя. Никель препятствует росту зерен и образованию грубой цементитной сетки и положительно влияет на свойства стали в сердцевине. Иногда дефицитный никель заменяют марганцем с небольшим количеством титана (0,006-0,12%): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали Ti вводят только для измельчения зерен. При большем содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Для крупных деталей используют высоколегированные цементуемые стали как 12Х2Н4, 18Х2Н4В , наиболее высокопрочные из цементуемых сталей.

В последние годы для повышения прочности стали дополнительно легируют бором (0,002-0,005%): 15ХР, 20ХГР. Последняя применяется взамен 12ХН3А для экономии никеля. При термообработке нужно иметь ввиду, что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерен, поэтому эти стали дополнительно легируют Ti, Zr.

Улучшаемые стали

Это среднелегированные стали с 0,3-0,5% С, подвергаемые закалке и высокому отпуску. После такой термообработки сталь приобретает структуру сорбита, хорошо работает на удар. Углеродистые улучшаемые стали обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства к центру понижаются. Закалку сталей обычно проводят в масло, отпуск при 550-650^оС. Имеют высокую прочность, вязкость, малочувствительны к концентраторам.

Основной легирующий элемент - Cr - 0,8-1,1%, Mn -до 1,5%, Si - до0,9-1,2%, Mo - 0,15-0,45%, Ni -1-4,5%. Дополнительно легируют до 0,1% Ti, V, Nb, Zr, для измельчения зерен и бор для увеличения прокаливаемости.

Улучшаемые стали условно можно разбить на 5 групп, с увеличением номера группы растет степень легирования и прокаливаемость.

I- углеродистые стали 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D₉₅ до 10мм, D₉₅ – диаметр, при котором достигается сквозная прокаливаемость и в структуре содержится не менее 95% мартенсита.

II- хромистые 30Х, 40Х - D₉₅=15-20 мм; недостаток - склонность к отпускной хрупкости 2-рода. Эти стали требуют быстрое охлаждение после отпуска.

III- хромистые стали, дополнительно легированные 1 или 2 элементами : 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, D₉₅=20-25 мм. Для увеличения прокаливаемости дополнительно вводят Mn (40ХГ), бор, молибден (30ХМ) вводят для снижения склонность к отпускной хрупкости 2-рода. Стали 20ХГС, 30ХГС, называемые хромансилями, обладают высокой прочностью до 1200 МПа, КСU =0,4 МДж/м². Недостатки - склонность к отпускной хрупкости 2-рода.

IV- хромоникелевые стали содержащие до 1,5% Ni - 40ХН, 40ХНМ. Их критический диаметр D₉₅=40 мм. Стали обладают большим запасом повышенной вязкости, чем предыдущие.

V- комплекснолегированные с 3-4% Ni : 38ХН3М, 38ХН3МФА. Сравнительно дорогие, но относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей. D₉₅=100 мм и более, низкая склонность хрупкому разрушению. Недостаток - трудно обрабатываются резанием.

Высокопрочные стали

Это стали с s_В более 1500 МПа, которое достигается при закалке и низком отпуске средне- и высокоуглеродистых комплекснолегированных сталей. Однако такое упрочнение влечет снижение пластичности и вязкости, и эти стали применяют при отсутствии динамических нагрузок. Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами:

1- легирование сталей с 0,4-0,5% С элементами как Cr, V, Mo, Si, W. Эти элементы тормозят разупрочняющие процессы при нагреве до 200-300^оС. При этом получают мелкое зерно, снижается порог хладноломкости. Пример - 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА и др. После ТО на нижний бейнит (зак+НО или изотермическая закалка) приобретают прочность s_В =1600-1800 МПа при d=15-20%, KCU=0,40 МДж/м².

2- применение ТМО. Так стали 30ХГСА, 40ХН и др после низкотемпературной ТМО имеют s_В =2800 МПа. Механизм упрочнения - частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций в мартенсите, повышая пластичность.

3- мартенситостареющие стали - упрочнение достигается совмещением 2 механизмов упрочнения: мартенситного превращения и старения мартенсита. Мартенситное превращение протекает по второму механизму и образуется реечный мартенсит. Основной легирующий элемент - никель -17-25%, для более эффективного процесса старения мартенсита дополнительно легируют Ti, Al, Mo, Nb, Co. Примеры - 03Н18К9М5Т. Достоинства сталей- высокая технологичность, высокие прочность и вязкость, достигаются специальной термообработкой: закалка при 800-860^оС на воздухе и старение при 450-500^оС, при котором перераспределяются легирующие элементы и выделяются интерметаллидные фазы NiTi, Ni₃(Ti,Al) когерентно матричной фазе. Сталь имеет свойства прочность s_В =2000 МПа, d=12%, KCU=0,50 МДж/м², при -196^оС прочность s_В = 2400 МПа, d=10%, KCU=0,30 МДж/м², сталь теплоустойчива при 450^оС.

4- ПНП (ТРИП) (пластичность, наведенная превращением) стали - относятся к аустенитному классу (30Х9Н9М4Г2С2). После закалки с 1000-1100^оС получают твердый раствор аустенита, Мн и Мд ниже 0^оС, который деформируют при 450-600^оС. При деформации происходит наклеп аустенита, выделяется углерод из твердого раствора с образованием дисперсных карбидов (дисперсное упрочнение). Благодаря этому аустенит обедняется легирующими элементами, и точка Мд смещается в область положительных температур, а точка Мн остается ниже комнатной температуры. В результате сталь имеет высокую прочность - s_В =1800 МПа при пластичности 30%. Высокая пластичность обусловлена различием температурных уровней мартенситного превращения.

Пружинно-рессорные стали

Особенность работы пружин, рессор и упругих элементов состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим пружинные сплавы дополнительно к другим свойствам, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям.

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию. Они недорогие и достаточно технологичные, применяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении, для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения. Стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергают закалке и среднему отпуску при температуре 420-520°С, образуется структура троостита.

Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 6ОГ, 65Г, 70Г) характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температурах выше 100°С. Из-за низкой прокаливаемости, из них изготавливают пружины небольшого сечения. s_В =1000-1200 МПа, d=5-8%.

Легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются кремний (1-З%), марганец (1%), а в сталях более ответственного назначения - хром (1 %), ванадий (0,15%) и никель (1,7%). Легирование (за исключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости - главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию - опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. s_В =1300-1800 МПа, s₀₂ =1100-1600 МПа, d=5-8%.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520°С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300°С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: s_в=1800 МПа; s_т= 1600 МПа: d>5%, y >20%. Предел упругости составляет s_упр=880-1150 МПа. а твердость HRC 38-48. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении - 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.

Подшипниковая сталь.

Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС, содержащие примерно 1% С. В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковую сталь; Х - наличие хрома; цифра - его массовую долю в процентах (0,4; 1,5;2,0); С, Г - легирование кремнием (до 0,85%) и марганцем (до 1,7%). Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой зернистого перлита (НВ 1790-2170) и повышенными требованиями к качеству металла. В стали строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями.

Для изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, ШХ15-Ш), отличающиеся наиболее высокой однородностью структуры. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников.

Детали подшипников подвергают типичной для зазвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820-850°С в масло и низкому отпуску при 150-170°С. После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит (8-15%, превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации прецизионные подшипники обрабатывают холодом при -70-80°С. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость (HRC 60-64).

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0,5-2 м (для прокатных станов, электрических генераторов) изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их цементации на большую глубину (3-6 мм). Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18 (0,95% С, 18% Сг).

Износостойкая сталь

Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Трение с высокими давлениями и ударным нагружением характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их изготовляют из высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, называемой сталью Гадфильда, содержащей примерно 1% С и 13% Мn. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклепу). Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем (буква Л в марке стали) или ковкой. Сталь содержит 0,9-1,4% С, 11-15 Mn, 0,5-1%Si, имеет после литья структуру аустенита и карбидов марганца и железа.

Износостойкость стали 110Г13Л максимальна, когда она имеет однофазную структуру аустенита. Такую структуру обеспечивают закалкой в воде от 1000^оC. После закалки сталь имеет низкую твердость (НВ 2000) и высокую вязкость. Если такая сталь во время работы испытывает только абразивное изнашивание, то оказывается не износостойкой. В условиях же ударного воздействия в поверхностном слое стали образуется большое количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки). В результате твердость поверхности повышается до НВ 6000, и сталь становится износостойкой. В начале 20 века сталь применяли для тюремных решеток, тогда их называли Schwedische Gardinen - шведские шторы. Решетки представляли собой двухслойный пруток, в середине была сталь Гадфильда. При попытке перепилить решетку внутренний слой упрочнялся, и дальнейшая резка становилась невозможной.

Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается также при кавитации. В качестве кавитационно-стойких применяют стали с нестабильной структурой аустенита 08Х18Н10Т, ЗОХЮГК и др. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклеп и частичное мартенситное превращение. Упрочнение поверхности стали в условиях эксплуатации затрудняет образование трещин усталости.

Графитизированные стали. Содержат повышенное количество С до 1,75% и кремния до 1,6%. Кремний является графитизирующим элементом. Часть углерода после графитизирующего отжига выделяется в виде графита (аналогично отжигу для получения ковкого чугуна). После термообработки структура состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких сферических выделений графита. При неабразивном износе графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Сталь еще обладает антивибрационными свойствами. Стали (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366) применяют для штампов, коленвалов, шаров и др.

5.1.4. Инструментальные стали

Стали для режущего инструмента: углеродистые, легированные и быстрорежущие. Металлокерамические твердые сплавы. Стали для измерительного инструмента. Штамповые стали для холодного и горячего деформирования

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, штампового и измерительного инструментов. Кроме того, для изготовления режущего инструмента, особенно при скоростной обработке, широко применяют твердые сплавы.

Стали для режущего инструмента

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (НRС 60-62) и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка и выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

При нагреве нетеплостойких сталей до 200-300^оС в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к потере твердости и износостойкости режущего инструмента. К нетеплостойким относятся углеродистые и низколегированные стали. Полутеплостойкие стали, к которым относятся некоторые среднелегированные стали, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до температур 300-500^оС. Теплостойкие стали сохраняют твердость и износостойкость при нагреве до температур 600^оС.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнительно низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, поэтому их используют для более легких условий работы при малых скоростях резания.

Быстрорежущие стали, имеющие более высокую теплостойкость и прокаливаемость, применяют для более тяжелых условий работы.

Еще более высокие скорости резания допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих материалов наибольшей теплостойкостью обладает нитрид бора - эльбор. Эльбор позволяет обрабатывать материалы высокой твердости, например закаленную сталь, при высоких скоростях.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют углеродистые качественные стали марок У7-У13 и высококачественные стали марок У7А-У13А. Высококачественные стали содержат не более 0,02 % серы и фосфора, качественные - не более 0,03 %.

По назначению различают углеродистые стали для работы при ударных нагрузках и для статически нагруженного инструмента.

Стали марок У7-У9 применяют для изготовления инструмента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, деревообделочный инструмент, в частности пилы, топоры и т. д.).

Стали марок У10-У13 идут на изготовление режущего инструмента, не испытывающего при работе толчков, ударов и обладающего высокой твердостью (напильники, шаберы, острый хирургический инструмент и т. п.). Из стали этих марок иногда изготавливают также простые штампы холодного деформирования.

Углеродистые доэвтектоидные стали после горячей пластической обработки (ковки или прокатки) и последующего охлаждения на воздухе имеют структуру, состоящую из пластинчатого перлита и небольшого количества феррита, а заэвтектоидные стали - пластинчатого перлита и избыточного цементита, который обычно образует сплошную или прерывистую сетку по границам бывших зерен аустенита.

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух операций: предварительной и окончательной обработок.

Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 740-760^оС, цель которого - получить микроструктуру, состоящую из зернистого перлита - псевдоперлита, так как при такой микроструктуре после последующей закалки получаются наиболее однородные свойства. Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка инструмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 780-810^оС, т. е. с температур, для доэвтектоидных сталей лежащих несколько выше Ас₁, а для заэвтектоидных - лежащих ниже Асm.

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую скорость закалки - порядка 200-300^оС/с. Поэтому недопустимо даже малейшее замедление охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен. Особенно быстро протекает распад аустенита в углеродистых сталях при температурах, близких к 500-550^оС, где он начинается почти мгновенно, протекает чрезвычайно интенсивно и в течение нескольких секунд полностью заканчивается.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь. Однако при этом в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать существенные деформации.

Инструменты, имеющие крупные размеры, при закалке в воде и в водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита в перлитном интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющая такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или наименьшей толщиной 18-25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200^оС во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале НRС 56-64.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей являются низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии. Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

Легированные инструментальные стали

Низколегированные стали для режущего инструмента также не обладают высокой теплостойкостью и обычно пригодны для работы при температурах не более 200-250^оС. Среднелегированные стали типа 3ХВФ, 8Х4ВЗМЗФ2 имеют более высокую теплостойкость (300-400^оС). В отличие от углеродистых легированные стали обладают большей устойчивостью переохлажденного аустенита, следовательно большой прокаливаемостью и несколько более высокой износостойкостью. Их можно закаливать в масле до критического диаметра 40 мм и более.

Низколегированная сталь 13Х имеет сравнительно неглубокую прокаливаемость и рекомендована для инструментов диаметром до 15 мм. Из этой стали изготавливают хирургический, гравировальный инструменты, лезвия безопасных бритв.

Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60-80 мм.

Обычная термическая обработка легированных режущих сталей состоит из закалки от 830-870^оС в масле или ступенчатой закалки и отпуска при температуре 200^оС. Твердость после термообработки составляет НRС 61-65. Если необходимо увеличить вязкость, то температуру отпуска повышают до 200-300 "С. Вследствие некоторого распада мартенсита твердость после этого снижается до НRС 55-60.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама, являющегося основным легирующим элементом. Среднее содержание углерода и хрома во всех быстрорежущих сталях обычно составляет соответственно 1 и 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается в цифрах, следующих за их буквенным обозначением.

Быстрорежущая сталь после закалки и отпуска имеет структуру высоколегированного отпущенного мартенсита с карбидами. Она сохраняет первоначальную структуру практически неизменной при нагреве до 600-620^оС. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 8-10 раз по сравнению с инструментом из углеродистых сталей У10-У10А.

Известно, что потери твердости при нагреве обусловлена в первую очередь, коагуляцией выделившихся карбидов. Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах более 300^оС ведет к быстрой потере твердости. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их карбидообразующими элементами вольфрамом, ванадием и молибденом в количествах, достаточных для связывания почти всего углерода в специальные карбиды. Они коагулируют при температурах более 600°С.

Микроструктура быстрорежущей стали приведена на рис. 5.4. При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более равномерным их распределением в основной матрице.

После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740^оС до полного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру.

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки мартенсит с высокой теплостойкостью. Температура закалки сталей составляет: Р18 - 1270-1290, Р9 -1220-1240, Р6М5-1210-1230°С. Во избежание трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закалку производят в масле

Рис. 5.4. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 (Х500): а - литое состояние; б - после ковки и отжига; в - после закалки; д - после отпуска

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4% С, нерастворенных при нагреве избыточных карбидов и около 30% остаточного аустенита. Остаточный аустенит снижает твердость, режущие свойства стали, и его присутствие в структуре нежелательно.

При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550-570 "С в течение 45-60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведен на рис. 5.5. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость стали после закалки Нас 62-63, а после отпуска она увеличивается до НКС 63-65.

Известно применение порошков быстрорежущих сталей для изготовления инструмента. Исходная шихта состоит из предварительно тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, которую формуют в холодном состоянии с последующим спеканием сформованных заготовок. Спекание производят в вакууме при температуре 1200-1250^oС в течение 3-5 ч. Для уменьшения пористости порошковую быстрорежущую сталь подвергают горячей штамповке или горячему прессованию. После этого изделия подвергают термической обработке, характерной для данной марки стали.

Рис.5.5. Сxемы режимов термической обработки инструмента из быстрорежущей стали: а - закалка и трехкратный отпуск; б - закалка, обработка холодом, отпуск

Порошковая быстрорежущая сталь обладает значительно более высокой теплостойкостью, чем сталь, изготовленная традиционными методами, и, как следствие, большей износостойкостью. Это объясняется более высокой степенью легированности аустенита элементами, входящими в состав стали, мелкодисперсной структурой и равномерным распределением карбидной фазы. В структуре порошковой быстрорежущей стали отсутствует карбидная неоднородность. Быстрорежущая сталь, изготовленная методом порошковой металлургии, имеет стойкость в 1,5-2 раза выше, чем быстрорежущая сталь, полученная традиционным способом.

Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы представляют инструментальные материалы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов и цементирующего металла - кобальта, играющего роль связки. На рис. 5.6 приведена зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры испытания. Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердостью и сохраняют ее при нагреве до высоких температур.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за рубежом - также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спеканием порошков карбидов с порошком кобальта, являющегося связующим компонентом, при 1400-1550^оС после предварительного прессования.

Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые медным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и другого инструмента.

Инструмент из металлокерамических твердых сплавов характеризуется высокой твердостью (НRА 80-97), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800-1000^oС). Их недостатком является высокая хрупкость.

Скорость резания твердыми сплавами в 5-10 раз выше, чем при применении быстрорежущих сталей.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титанвольфрамовые и титантанталвольфрамовые.

Рис. 5.6. Зависимость твердости различных инcтрументальных материалов от температуры испытания: 1 - углеродистая сталь;
2 - быстрорежущая сталь; 3 - твердый сплав

Вольфрамовые твердые сплавы изготавливаются на основе карбида вольфрама и кобальта. Сплавы этой группы называют однокарбидными и обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ содержит 3% кобальта и 97% карбида вольфрама. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8). Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800^oС. Их обычно применяют для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и различных неметаллических материалов, дающих прерывистую стружку.

Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WС и ТiС на кобальтовой связке. Их маркируют бук вами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К - содержание кобальта. Например, в сплаве Т15К6 содержится 15 % Т1С, 6% Со, остальное, (т. е. 79 %) WС. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Тi, W) С, имеющий более высокую твердость, чем WС. Сплавы этой группы имеют более высокую до 900-1000^oС теплостойкость, повышающуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют карбиды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ указывает суммарное содержание карбидов титана ТiС и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К - содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4% ТiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WС. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).

Общим недостатком рассмотренных сплавов помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья, являющегося основным компонентом, определяющим их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективным направлением является использование безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в качестве основы для которых используется карбид титана, а в качестве связки - никель и молибден. Они маркируются КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15-17 % никеля и 7-9 % молибдена соответственно, остальное - карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-ЗО в качестве связующего металла применяют в основном никель, содержание которого 16-30 %. Концентрация молибдена составляет 5-9%), остальное -также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет НRА 87-94, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Особо твердые инструментальные материалы созданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких статических давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния используют в качестве материала инденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале температур 700-1800°С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закаленных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных металлов. Они обладают высокой твердостью (НКА 94-96), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000°С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для замены вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Для изготовления доводочных паст, шлифовальных кругов применяют абразивные материалы. Они представляют собой порошки, либо скрепленные связкой, либо нанесенные на гибкую основу - ткань или бумагу. Различают природные и искусственные абразивные материалы. К природным относятся алмазы, гранаты, корунд; к искусственным - искусственные алмазы, гексагональный нитрид бора (эльбор), карборунд.

Стали для измерительного инструмента

Стали этого назначения должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, сохранять постоянство формы и размеров в течение длительного срока эксплуатации. Кроме того, от них требуется хорошая обрабатываемость для получения высокого класса чистоты поверхности и малая деформация при термической обработке.

Для измерительного инструмента обычно применяют высокоуглеродистые стали У8-У12 и низколегированные стали марок X, ХГС, ХВГ, 9ХС, содержащие около 1% С и до 1,5% Сr. Их твердость после термообработки должна быть не менее НRС 60-64.

После обычной термической обработки в структуре высокоуглеродистых сталей обычно присутствует остаточный аустенит, из-за чего она не является стабильной. Для обеспечения высокой твердости стали и стабильности размеров инструмента в процессе эксплуатации проводится специальная термическая обработка. Она состоит из закалки в масле, для особо точных инструментов включает дополнительно обработку холодом при температуре -80^oС и длительного (до 30 ч) низкотемпературного отпуска при 120-170^oС. Нагрев при более высокой температуре недопустим из-за снижения твердости и износостойкости инструмента. Длительный отпуск предотвращает процессы старения и распад мартенсита в течение всего периода эксплуатации инструмента.

Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

Штамповые стали

Штамповые стали применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, пуансонов, матриц, фильер, пресс-форм для литья под давлением.

В зависимости от температурных условий эксплуатации различают штамповые стали для деформирования в холодном и горячем состоянии.

Стали для штампов холодного деформирования

Стали этого типа должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках.

В зависимости от назначения различают три группы штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии.

К первой группе относятся стали для вытяжных и вырубных штампов. Основным требованием к этим сталям является высокая твердость и износостойкость. Для изготовления штампов этого типа применяют углеродистые стали марок У10-У12 и низколегированные стали X, ХВГ, ХВСГ. После неполной закалки их отпускают при 150-180°С на твердость НКС 60. На поверхности образуется твердый износостойкий слой за счет несквозной прокаливаемости - сравнительно вязкая сердцевина, позволяющая работать при умеренных ударных нагрузках.

Стали с повышенным содержанием хрома (6-12 %) (Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1) имеют более высокую износостойкость и глубокую прокаливаемость. Высокая твердость этих сталей достигается благодаря присутствию в структуре большого количества карбидов хрома Сr₇Сз. Однако повышенное содержание карбидов хрома приводит к росту карбидной неоднородности. Структура и свойства высокохромистых сталей в значительной мере определяются правильным выбором режима термической обработки, особенно температуры закалки. С ее увеличением возрастает концентрация углерода и хрома в аустените, что приводит к повышению твердости мартенсита. Однако при закалке с чрезмерно высокой температуры в структуре увеличивается содержание остаточного аустенита и твердость стали падает. После закалки обычно проводят низкий отпуск на твердость НRС 61-63. Хорошо зарекомендовали себя стали Х12Ф4М, Х6Ф4М. Молибден и ванадий способствуют получению мелкозернистой структуры. Износостойкость штампов из стали Х12Ф4М в 1,5-2 раза выше по сравнению со штампами из стали Х12М.

Вторую группу составляют стали для штампов холодного выдавливания, испытывающие большие удельные давления. Эти стали должны хорошо сопротивляться деформации и иметь высокую прочность. Присутствие в их структуре остаточного аустенита недопустимо. Для этого необходимо проведение высокого отпуска при температуре не менее 500^oС. Поэтому, хотя эти стали и относятся к сталям для штампов холодного деформирования, они должны иметь довольно высокую теплостойкость. Этим требованиям удовлетворяет сталь 6Х4М2ФС.

К третьей группе относятся стали для высадочных и чеканочных штампов, работающих при, высоких ударных нагрузках. Сложность создания таких сталей состоит в том, что для повышения твердости необходимо увеличение содержания углерода, что может приводить к снижению ударной вязкости. Обычно для штампов этого назначения используют сталь 7ХЗ. Более высокую стойкость показала сталь марки 6ХЗФС.

Стали для штампов горячего деформирования

В еще более тяжелых условиях работают штамповые инструменты для горячего формообразования. Материал штампов соприкасается с горячим металлом и нагревается, причем нагрев чередуется с охлаждением. Эффективность использования таких прогрессивных методов точного формообразования, как горячая объемная штамповка, прессование и литье под давлением, зависит от стойкости инструмента. С расширением номенклатуры обрабатываемых сплавов, увеличением производительности и мощности оборудования формообразующий инструмент испытывает возрастающие нагрузки. Требования к материалу инструмента непрерывно растут.

Материал для горячих штампов должен удовлетворять комплексу требований. К ним в первую очередь относятся высокая прочность (не менее 1000 МПа), необходимая для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях во время деформирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохранить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. В рабочих условиях штамп должен деформировать заготовку, а не наоборот - заготовка деформировать штамп. Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударном нагружении. Они должны обладать высоким сопротивлением термической усталости (разгаростойкости), сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин. Cтали должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необходимых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов. В соответствии с указанными требованиями для штампов горячего формообразования применяют легированные стали, содержащие 0,3-0,6 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску при 550-680^oС с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и ее аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550°С сталь 5ХНМ при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: s_Т=1200-1300 МПа, d=10-12%, КСU=0,4 МДж/м². При температурах эксплуатации выше 500^oС стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

Внедрение сталей 4ХМФС, 5Х2СФ и 4ХСНМФЦР взамен 5ХНМ позволило повысить стойкость инструмента в 2-3 раза. Для изготовления крупногабаритных прессовых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС, обеспечивающую повышение стойкости более чем в 2 раза.

Для пресс-форм литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов до последнего времени использовали сталь ЗХ2В8Ф. Ее недостатком является низкая технологичность, что ограничивает возможность ее применения для крупного инструмента. Кроме того, сталь ЗХ2В8Ф чувствительна к ударным нагрузкам и содержит значительные количества дорогого и дефицитного вольфрама.

Взамен этой стали предложена сталь марки ЗХ2М2Ф, используемая для изготовления пресс-форм литья под давлением медных и алюминиевых сплавов, а также для изготовления пресс-шайб и внутренних втулок контейнеров при прессовании медных сплавов. Применение стали ЗХ2М2Ф позволило повысить стойкость инструмента в 1,5-3 раза.

Для изготовления крупного прессового инструмента - пресс- штемпелей, втулок контейнеров и матриц на заводах цветной металлургии применяют стали ЗХВ4СФ и 4ХСН2МВФ.

Прогресс техники требует расширения рабочего температурного диапазона штамповых сталей. Уже сейчас нужны стали с рабочей температурой 700-800^oС. Обычные жаропрочные сплавы нетехнологичны, так как плохо обрабатываются резанием. Разработан принципиально новый класс штамповых сталей для горячего формообразования - сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Примером такой стали является 4Х2Н5МЗК5Ф, сочетающая технологические преимущества сталей на ферритной основе с высокой эксплуатационной стойкостью, свойственной жаропрочным аустенитным сталям и сплавам. Внедрение этой стали взамен стали ЗХ2В8Ф при изготовлении матриц для прессования медных сплавов позволило повысить их стойкость в 10 раз.

5.1.5. Чугуны

Белые чугуны. Серые чугуны. Ковкие чугуны. Маркировка чугунов.

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода, называются чугунами. В отличие от сталей, чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики (ледебурита) в структуре.

Чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки сталей и чугуна. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья.

В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0% углерода. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, Р, Мn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали.

В зависимости от формы выделения углерода различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fе₃С. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.

Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %.

Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой - белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности, вследствие уменьшения скорости охлаждения, структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью. Отбел может достигаться благодаря местному увеличению скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.

Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.

Ковкие чугуны, получающиеся из белых чугунов путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графит может образоваться как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твердой фазы. Образование графита происходит согласно диаграмме системы Fе-С. Ниже линии С'D' образуется первичный графит, по линии Е'С'F' -эвтектический графит и по линии Р'S'К' - эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации. Из примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне колеблется от 0,5 до 4-5%. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно различные по структуре и свойствам. Из других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор.

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не более 0,5-1,0 %.

Сера является вредной примесью в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

Влияние фосфора в чугуне существенно отличается от его влияния в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980 "С) фосфидной. эвтектики.

Обычно используют чугуны следующего химического состава, % вес: 3,0-3,7 С, 1-3 Si, 0,5-1,0 Мn, менее 0,3 Р и 0,15 S. Иногда в чугун вводят легирующие элементы (Мо, Сr и др.), улучшая его свойства. Некоторые месторождения дают природнолегированные чугуны, содержащие до 3 % Сr, 1% Ni, 0,2% Тi или 0,2% V.

Белые чугуны

По составу различают доэвтектические (от 2,14 до 4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67%С) белые чугуны. Эвтектическое превращение в белых чугунах описывается реакцией:

Ж _4,3® g_2,14+Fe₃C

В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы выделяются в дендритной форме первичный аустенит, затем кристаллизуется эвтектика - ледебурит. В интервале температур 1147 - 727^оС аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS, и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении аустенит состава точки S распадается на эвтектоидную смесь феррита с цементитом (перлит). Образовавшийся перлит имеет внешние очертания первичного аустенита, поэтому эту структурную составляющую еще называют распавшимся аустенитом. Таким образом, в доэвтектических белых чугунах можно увидеть три структурные составляющие: распавшийся первичный аустенит (перлит), вторичный цементит и ледебурит (Рис.5.7 а).

Эвтектический белый чугун при комнатной температуре состоит из одной структурной составляющей - ледебурита, который, в свою очередь состоит из перлита и цементита. Каждая колония ледебурита растет из эвтектического расплава в виде бикристаллического образования. Во время роста колонии происходит взаимное прорастание двух разветвляющихся кристаллов цементита и аустенита.

Сечения ветвей аустенитного дендрита в плоскости шлифа выглядит как изолированные включения перлита в цементитной матрице (Рис.5.7 б).

В заэвтектических белых чугунах из расплава выделяются кристаллы первичного цементита в виде плоских дендритов, дающих в сечении шлифа вытянутые полоски, часто похожие на иглы. После окончания первичной кристаллизации образуется ледебурит. При комнатной температуре наблюдаются две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит (Рис.5.7 в).

Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (НВ 4500-5500), хрупки и для изготовления деталей не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна на поверхности в виде твердой корки для изготовления деталей, работающих в условиях износа.

Рисунок 5.7. Микроструктура белых чугунов:

а - доэвтектический, б - эвтектический, в -заэвтектический

Серые чугуны

В сером чугуне жидкость состава точки С’ кристаллизуется в виде эвтектической смеси аустенита и графита по реакции:

Ж _4,25® g_2,06+ Г

Каждая эвтектическая колония растет как бикристалл: графитовый кристалл, являющийся ведущей фазой, растет в виде разветвленной крабовидной розетки, а аустенит располагается по поверхности графитового скелета. В плоскости шлифа сечения крабовидных кристаллов выглядят как темные изолированные включения, вкрапленные в светлую аустенитную матрицу. Их форма и размеры зависят от формы и разветвленности графитового скелета эвтектической колонии (Рис. 5.8 а).

В доэвтектических серых чугунах перивично кристаллизуются дендриты аустенита, затем образуется эвтектика аустенит-графит.

В заэвтектических серых чугунах из расплава выделяется первичный графит, который растет в виде крабовидных разветвленных кристаллов. По окончании эвтектической кристаллизации образование графита может продолжаться и в твердом состоянии. При охлаждении аустенит может изменить свой состав по линии Е’S’, выделяя вторичный графит. Затем при небольшом переохлаждении ниже 738^оС аустенит состава точки S’ может распадаться, давая эвтектоидную смесь феррита и графита по схеме: g_S’®a+Г.

Рис. 5.8 Схема микроструктуры серого чугуна с включениями:

(а) пластинчатого (б) глобулярного, (в) хлопьевидного графита

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Если графитизация прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие - графит и феррит (Рисунок 5.9 а) и называется серым чугуном на ферритной основе. Если же эвтектоидный распад аустенита прошел по метастабильной системе, то структура чугуна состоит из графита и перлита (Рисунок 5.9 б) и называется серым чугуном на перлитной основе. Возможен и промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, частично - с образованием перлита (Рисунок 5.9 в), и такой чугун называется серым чугуном на феррито-перлитной основе.

Рисунок 5.9 - Схема микроструктуры серого чугуна с (а) ферритной, (б) перлитной и (в) ферритно-перлитной основой

Обычный серый чугун обладает невысокими механическими свойствами, так как пластинчатые ответвления крабовидных образований графита действуют как концентраторы в металлической основе. Поэтому используют модификацию чугуна магнием для глобуляризации графита (См. рис.5.8 б), получая серый чугун с шаровидным графитом, или высокопрочный чугун.

Ковкие чугуны

Ковкий чугун получают путем отжига отливок белого чугуна, во время которого вместо неустойчивого цементита образуется графит, называемый углеродом отжига. В зависимости от полноты графитизации отличают те же три вида, что и в серых чугунах. Отличие лишь в формах графита: если на шлифах серых чугунов он выглядит в виде прожилок, то в ковких чугунах графит находится в форме компактных хлопьевидных включений с рваными краями (Рис.5.8 в). Такая форма графита обеспечивает повышенные механические свойства.

Маркировка чугунов

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, после которых стоит число, соответствующая пределу прочности в кгс/мм². Например СЧ 15 имеет значения s_В не менее 150 МПа.

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют буквами ВЧ и КЧ соответственно, после которых стоят числа, соответствующие пределу прочности в кгс/мм² и относительному удлинению. Например, ВЧ 38-17 имеет значения s_В не менее 380 МПа и d не менее 17%.

Механические характеристики некоторых чугунов приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Механические свойства некоторых марок чугунов

Чугун	s_В, МПа	d, %	НВ	Структура металлической основы
СЧ 15	150	-	1630-2290	Феррит
СЧ 25	250	-	1800-2500	Феррит + перлит
СЧ 45	450	-	2290-2890	Перлит
ВЧ 38-17	380	17	1400-1700	Феррит + небольшое кол-во перлита
ВЧ 80-2	800	2	2500-3300	Перлит + небольшое кол-во феррита
КЧ 30-6	300	6	1000-1630	Феррит + (10-3 %) перлита
КЧ 45-7	450	7	1500-2070	Перлит + (20-0 %) феррита
КЧ 80-1,5	800	1,5	2700-3200	Перлит + (20-0 %) феррита

5.1.6. Нержавеющие стали

К нержавеющим относятся стали, содержащие свыше 12% хрома. Они демонстрируют высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, сохраняют светлый металлический блеск, т.е. не ржавеют.

В зависимости от состава нержавеющие стали подразделяются на хромистые, хромоникелевые, хроммарганцовистую, хроммарганцовоникелевую. По структуре они делятся на мартенситную, полуферритную, ферритную, феррито-аустенитную, аустенито-ферритную.

Мартенситная нержавеющая сталь содержит до 17% Cr, более 0,15% С, специальные добавки Мо, W, V и небольшое количество Ni - до 3%. 20Х13 - 40Х13. Структура и свойства их в значительной степени зависит от содержания углерода: с понижением содержания углерода в структуре появляется свободный феррит, ухудшающий механические свойства, и они переходят из мартенситного в мартенсито-ферритный (12Х13) и даже ферритный (08Х13) классы. Коррозионная стойкость при этом несколько повышается. Сталь 20Х17Н2 имеет более высокие механические свойства и коррозионную стойкость, чем сталь с 13%Cr.

Типичные механические свойства стали 20Х13: s _В = 850-1250 МПа, s ₀₂ = 650 МПа, d = 7-10%, y= 50%, КСU=50-60 Дж/см².

Полуферритная сталь имеет низкое содержание углерода (<0,08%) при 13-15% хрома, а при 0,1% углерода - 15-17% Cr. При термообработке сталь приобретает частичную закалку, т.к. при высоких температурах состоит из d -феррита и аустенита. Типичный представитель - Х17, содержит около 0,1% С. Термообработка - отжиг или отпуск при 760-800^оС, при высоких температурах имеет место сильный рост зерен и хрупкость, склонность к МКК.

Ферритная сталь содержит 18-35% Cr, обладает высокой склонностью к росту зерен выше 800^оС. При нагреве и медленном охлаждении становится грубозернистой и хрупкой. Типичный представитель - Х25, Х28. Имеет лучше коррозионную стойкость, чем полуферритная сталь. Второй вид хрупкости при 700-750^оС, вызванный выделением интерметаллидной s -фазы. Нагрев около 475^оС также приводит к хрупкости, тем сильнее, чем больше хрома.

Феррито-аустенитная сталь содержит 20-30% хрома и небольшое количество аустенитообразующих элементов: Mn, Ni, N, C. Структура стали содержит феррит и до 30 % аустенита. Стали склонны к выделению s - фазы при замедленном охлаждении или нагреве в интервале 700-850^оС и дисперсионному твердению около 475^оС, что также приводит к хрупкости.

Аустенитная сталь имеют высокую коррозионную стойкость в различных средах, умеренную прочность, высокую пластичность. В отличие от других нержавеющих сталей немагнитна, термически не упрочняется, закалка является операцией, фиксирующей аустенитный твердый раствор. Длительный нагрев при 700-900^оС или медленное охлаждение вызывает образование s -фазы. По отношению к МКК аустенитные нержавеющие стали разделяют на 2 группы: приобретающие большую склонность к МКК при 475^оС, и не склонные к МКК. Типичные свойства: s _В = 500-700 МПа, s ₀₂ = 200 -300 МПа, d = 40%, y = 50%, КСU=200-250 Дж/см².

Аустенито-ферритная сталь содержит 17-25% хрома и аустенитообразующие добавки Ni, Mn, в количествах, образующих двухфазную структуру с преобладанием аустенита. Типичный представитель 12Х21Н5Т. Термообработка - закалка с 1080-950^оС, что обеспечивает нужное соотношение аустенитной и ферритной фаз и лучшие механические свойства.

Вопросы для самоконтроля