Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

карбидов, повышает прокаливаемость и придает коррозионную стойкость в

пресной и морской воде, в растворах азотной и уксусной кислот. Сталь

дополнительно легируют Mo, W, Co, V (V ≤ 1,0–1,7 %, т.к. ухудшает

шлифуемость стали).

Для подшипников, работающих при воздействии ударных нагрузок (в

прокатных станах, буровых установках), применяют стали

низкоуглеродистые легированные, с упрочнением цементацией (15Г1,

18ХГТ, 20Х2Н4А).

Для изготовления подшипников крупных габаритов (диаметр больше

400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках,

применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А.

Механические свойства стали зависят от ориентировки волокон,

которые получаются при обработке металлов давлением (ОМД).

Волокнистость возникает из-за вытягивания дендритов при прокатке,

волочении, ковке, штамповке и неметаллических включений при горячей

деформации. Расположение волокон вдоль рабочей поверхности

обуславливает максимальную контактную выносливость, другое их

расположение (под углом) уменьшает ее. Например, если угол равен 45

из-за

дефектности, выходящей на рабочую поверхность, контактная выносливость

уменьшается в 5 раз.

Технология термообработки подшипниковых сталей

Целью предварительной термической обработки является улучшение

обрабатываемости резанием и подготовка структуры к окончательной

термической обработке.

Поковки из подшипниковых сталей подвергают сфероидезирующему

отжигу на зернистый перлит, в результате чего появляется возможность

обработки изделий на автоматических станках, повышается

производительность резания и качество поверхности. За счет образования

мелких глобулярных карбидов снижается склонность к росту зерна при

нагреве под закалку, повышается технологичность. Карбиды частично

растворены в аустените и мартенсите соответственно, остальные равномерно

распределены по изделию, что увеличивает прочность и вязкость стали.

Твердость после отжига составляет 179–207 НВ.

Исходная структура перед отжигом должна иметь пластинчатый

перлит, без карбидной сетки. Для исправления дефектов поковок применяют

нормализацию при 900–920

С в течение 1 ч с последующим охлаждением на

воздухе (частично устраняется карбидная сетка).

Основной вид предварительной термообработки – сфероидезирующий

отжиг с нагревом в интервале температур между Ас

–Ас

и медленное

охлаждение на воздухе. Недогрев приводит к получению пластинчатого

перлита, вкрапленного в зернистый перлит, при этом увеличивается

твердость. Перегрев ведет к образованию крупных глобулей зернистого

перлита, что ухудшает качество стали. Скорость охлаждения выбирается

такой, чтобы завершилось перлитное превращение А → П (ШХ15 − 600

С),

затем можно охлаждать с любой скоростью. Замедленное охлаждение может

вызвать получение неоднородности грубого, крупнозернистого перлита, а

слишком быстрое – образование точечного перлита с повышенной

твердостью.

Можно использовать изотермический отжиг, чтобы распад аустенита

происходил при постоянной температуре, но этот процесс длительный,

порядка 4–5 ч при температуре 730

С, поэтому он применяется редко. Отжиг

лучше выполнять в проходных печах.

Контроль качества осуществляется по твердости и микроструктуре с

использованием неразрушающих методов (например, магнитных).

Недогретая структура исправляется другим отжигом, перегретая –

нормализацией и последующим отжигом.

Закалка. Основной вид термической обработки – закалка с низким

отпуском. Детали не должны иметь дефектов (повреждений) поверхности

(рисок, вмятин, ржавчины), они должны быть чистыми и сухими. Режим

закалки выбирают в соответствии с маркой стали и исходной структурой.

Теплопроводность стали ШХ15 позволяет осуществлять нагрев с любой

скоростью без трещинообразования, поэтому выбор скорости нагрева

зависит от размеров и конфигурации подшипников, недопустимо коробление

деталей. Температура нагрева должна обеспечить достаточный прогрев для

получения однородного аустенита, сохранения мелкого зерна и завершения

П → А-превращения (углерод растворяется в аустените до содержания 0,55–

0,65 %).

Длительность нагрева влияет на содержание углерода в аустените

(время нагрева влияет на качество закалки), время нагрева возрастает с

увеличением диаметра деталей и определяется по формуле

τ = α

или τ = α

где Д – диаметр изделия, мм; α – эмпирический коэффициент; S –

толщина стенок, мм.

Для крупногабаритных подшипников (для букс ж/д вагонов),

работающих в условиях динамических нагрузок, используют

высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ4 и применяют объемно-

поверхностную закалку с индукционным нагревом.

Температура нагрева под закалку выбирается в зависимости от

химического состава стали, для стали общего назначения это могут быть

температуры 840–860, 830–850, 820–840

С. Соблюдение этих узких

интервалов температур необходимо для получения изделий высокого

качества. Даже небольшой перегрев приводит к огрублению структуры и

охрупчиванию стали, что недопустимо. Применение нагрева изделий под

закалку в защитных атмосферах снижает окисление, обезуглероживание, а

также отменяет шлифовку поверхности роликов. Такой защитной

атмосферой является эндогаз (Н

О, СО

, О

, СН

Скорость охлаждения при закалке должна быть определенной, чаще

всего для охлаждения используют минеральное масло. Выбор закалочной

среды зависит от массы деталей, формы, условий нагрева и должен

предотвратить распад переохлажденного аустенита в перлитной и бейнитной

областях.

Структура стали в закаленном состоянии должна быть мартенситной.

Часто при закалке фиксируется остаточный аустенит (10–15 %), который при

эксплуатации может превратиться в мартенсит и изменить объем, что

нежелательно. Поэтому особо важные детали подвергают обработке холодом

непосредственно после закалки. Твердость стали должна быть ≥ 63 HRC.

Отпуск деталей подшипников – это окончательная термическая

операция, она определяет свойства подшипников, их качество. При отпуске

происходит снятие закалочных напряжений, достигается стабильность

структуры и необходимая вязкость.

Интенсивный распад остаточного аустенита наблюдается при нагреве

выше 175

С. Остаточный аустенит более устойчив, его твердость снижается,

поэтому температура отпуска для подшипников должна быть 150–160

С,

время выдержки – 2 ч. Время выдержки зависит от массы детали и

колеблется от 2,5 до 9 ч. Отпуск должен обеспечить получение твердости до

62 НRС и структуру отпущенного мартенсита с равномерно

распределенными карбидами (избыточными) и минимальным количеством

ост

В качестве других методов обработки подшипниковых сталей можно

применять изотермическую закалку, индукционный нагрев (с минимальными

выдержками при более высоких температурах ≥ 900

С, что вызывает рост

зерен, можно использовать автоматическую линию ЛРТК-79 с гидравлическим

нагревом под закалку и для отпуска).

Термическую обработку подшипников специального назначения

проводят при температурах, соответствующих данным маркам стали.

Например: для теплостойких подшипников применяют стали 8Х4В9Ф2-Ш (ЭИ

347-Ш), 8Х4М4В2Ф1-Ш (ДИ 43-Ш), которые подвергают закалке с высоким

отпуском при 1220–1240

С, затем проводят охлаждение в индустриальном

масле (И-12А или И-20А) при 80–130

С и трехкратный отпуск в соляных

ваннах при 560–580

С, с выдержкой 2 ч каждый и охлаждением на воздухе.

Также для изготовления таких подшипников можно применять и

быстрорежущие стали.

Рис. 15 Влияние степени деформации при ТМО на свойства подшипниковой стали

ШХ15: а – непосредственно после обработки: 1 – закалка; 2 – закалка + отпуск (140 °С, 4

ч); 3 – закалка + отпуск (240 °С, 4 ч); 4 – закалка + отпуск (440 °С, 4 ч); 5 – для плоских

образцов; б – после перекристаллизации: 1 – нагрев (930 °С, 20 мин) + деформация; 2 –

закалка + деформация + отпуск (440 °С, 20 мин); 3 – нагрев (850 °С, 4 мин) + закалка +

отпуск (440 °С, 4 ч); 4 – то же без отпуска

Детали коррозионно-стойких подшипников изготавливают из стали

95Х18 или 11Х18М, а затем их подвергают закалке и низкому отпуску.

Нагрев под закалку осуществляют при 1 040–1 060

С с выдержкой более 4

мин и последующим охлаждением в масле (при необходимости проводят

обработку холодом). Получаемая микроструктура – скрыто-

мелкокристаллический мартенсит и избыточные карбиды. Твердость 58–62

HRC. Если изделия должны работать при повышенных температурах, то

отпуск выполняют при 400–420

С с выдержкой 5 ч. Твердость ≈ 55 HRC.

Кроме того, подшипниковые стали используют как инструментальные

после закалки и низкого отпуска, когда их склонность к хрупкому

разрушению еще значительна. Для повышения их прочности и пластичности

применяют термомеханическую обработку (ТМО) (рис. 15).

ТМО путем деформирования равновесного аустенита (при температуре

выше Ас

) при всех режимах отпуска повышает не только сопротивление

изгибу, но и стрелу прогиба, т.е. существенно увеличивает сопротивление

отрыву. Наибольший эффект ТМО получается (при деформировании

равновесного аустенита) после отпуска при повышенной температуре, когда

твердость стали уже значительно возросла (ВТМО – высокотемпературная

механическая обработка).

Стрела прогиба, мм

ε, %

изг

МПа

ε, %

3 000

2 000

1 000

Лекция № 8.

План лекции:

Пружинные стали.

Стали повышенной пластичности. (ПНП-стали)

Мартенситно-стареющие стали.

ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ.

Требования к ним.

Основные способы упрочнения, термическая обработка.

Влияние легирования на структуру и свойства материала.

Применение.

Работа пружин, рессор и им подобных деталей характеризуется

использованием упругих свойств сталей. Стали, применяемые при

изготовлении упругих элементов, предназначены для восприятия и

смягчения ударов, сотрясений, колебаний, для измерения усилий.

Стали для рессор и пружин представляют собой специальную группу

конструкционных сталей с набором характерных свойств. Стали должны

быть технологичными, достаточно пластичными при горячей и холодной

обработке металла давлением (гибка, штамповка и т.д.), не допустима

склонность к перегреву и обезуглероживанию, необходимо, чтобы сталь

имела высокий предел упругости.

Большая величина упругой суммарной энергии пружины

обуславливается числом и диаметром витков, длиной пружины. Основная

характеристика пружин – жесткость, т.е. способность деформироваться на

определенный размер при заданных нагрузках. Постоянство размеров,

рабочих характеристик, отсутствие поломок свидетельствуют о качестве

пружин.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям обеспечивает

усталостную прочность (сопротивление циклическим нагрузкам).

Стали должны обладать высоким сопротивлением хрупкому

разрушению. Основное свойство пружинных сплавов – сопротивление

малым пластическим деформациям – характеризуют величиной предела

текучести, реже предела пропорциональности и только в последнее время

стали пользоваться пределом упругости. Условный предел упругости

соответствует появлению остаточной деформации ε = 10

-3

или 10

-4

%. Предел

упругости (микротекучести) можно определить по нескольким независимым

признакам: по появлению заданной микропластической деформации (ε =

2⋅10

-6

) после разгрузки, по нарастанию деформации при каждом новом

нагружении и по первому появлению незамкнутой петли упругого

гистерезиса.

0 300–400

отп

Рис. 16. Схема влияния температуры отпуска на механические свойства сталей

Пружинные сплавы должны иметь мелкозернистую однородную

структуру и субструктуру, высокую чистоту по неметаллическим

включениям и примесям. Необходимый комплекс свойств достигается

закалкой и отпуском при температуре 300–400

C (рис. 16).

Классификация пружинных сталей

Пружинные стали могут быть разделены по способам упрочнения на 4

группы.

1. Стали и сплавы, упрочняемые холодной пластической деформацией

и низкотемпературным отпуском. Это углеродистые и легированные стали

перлитного класса, сюда же можно отнести аустенитные стали, не

испытывающие в процессе холодной пластической деформации фазовых

превращений типа γ → ε или γ → α, а также сплавы Cu (однофазные бронзы,

латуни), Mo, Re, Nb и др.

2. Стали и сплавы, упрочняемые в результате мартенситного

превращения. К ним относят мартенситные углеродистые и легированные

стали, а также стали переходного мартенситно-аустенитного класса.

3. Стали и сплавы, упрочняемые в результате дисперсионного

твердения. Это сплавы на основе систем Fe–Ni–Cr, Fe–Ni, Ni–Cr с добавками

Ti и Al, которые и создают упрочнение. Сюда относят бериллиевую бронзу,

дисперсионно-твердеющие латуни и сплавы на основе драгоценных металлов

Pt–Ag, Pd–Ag и др.

4. Сплавы, упрочняемые в результате внутреннего окисления. Это

сплавы на основе серебра, например Ag–Mg–Ni.

По назначению пружинные стали и сплавы бывают общего и

специального назначения.

Стали общего назначения характеризуются высоким сопротивлением

малым пластическим деформациям, большим пределом прочности при

достаточной вязкости и пластичности. К ним относят легированные стали

мартенситного класса, перлитного класса и углеродистые. В зависимости от

способа упрочнения применяют стали в различных состояниях:

холоднодеформированную, предварительно термически обработанную,

обычно патентированную проволоку и ленту;

холоднодеформированную или отожженную проволоку или ленту;

горячекатаный или холоднокатаный прокат или катанку.

Чистоту стали можно обеспечить специальными способами выплавки

или гомогенизацией.

Рис. 17 Влияние содержания кремния на предел упругости стали после закалки и отпуска

при 300

С, 1 ч: 1 – 0,4 % С; 2 – 0,6 % С

Легирование пружинной стали необходимо для улучшения

прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы Si, Mn, Cr, V, W и Mo

повышают предел упругости. Кремний способствует образованию фаз,

вытягивающихся в направлении деформирования, и обуславливает

анизотропию свойств. В пружинных сталях это положительное явление, т.к.

повышается ударная вязкость в направлении деформирования. Однако

кремний вызывает также обезуглероживание и графитизацию (получение

черного излома). При небольших концентрациях кремния (до 0,6 %) предел

упругости повышается, особенно при содержании 0,4 % С, вероятно, это

связано с нестабильностью остаточного аустенита (рис. 17).

Марганец не способствует обезуглероживанию и графитизации, но

усиливает чувствительность стали к укрупнению зерна.

Хром повышает релаксационную стойкость пружин, а в сочетании с

кремнием (при содержании 2,5–3,0 %) уменьшает или устраняет опасность

графитизации. Широко используют сталь марки 55ХГ. Сочетание хрома и

ванадия повышает устойчивость против отпуска, поэтому для более

ответственных деталей применяют сталь марки 50ХФ.

Большое влияние на свойства стали оказывает структура и условия

термообработки. Наиболее благоприятна трооститная структура (после

закалки и среднего отпуска).

Вреден в пружинной стали остаточный аустенит, поэтому его

содержание должно быть минимальным. Это достигается средним отпуском

и обработкой холодом.

В качестве пружинных используют конструкционные стали с

повышенным содержанием углерода (0,5–0,7 %), часто с добавками кремния

и марганца. По ГОСТ 14959-79 для упругих изделий можно применять

углеродистые стали марок 65, 70, 55, 75, легированные – 50С2, 65Г, 55ГС,

, %

0,005

МПа

1 400

1 200

1 000

0,005

Гн/м

1,4

1,2

50ХФА, 60С2Х2, иногда Х7, У10, У8, У9. Механические свойства

регулируются содержанием углерода от 0,5 до 1,15 %.

Термическая обработка пружин общего назначения

Пружинные стали и сплавы могут быть подвергнуты закалке с низким

отпуском, деформации с отпуском, дисперсионным твердением (сплавы на

основе драгоценных металлов – Pt, Au и Ag), закалке со средним отпуском

(для сталей общего назначения).

В зависимости от способа упрочнения стали применяют в различных

состояниях.

Пружины из стали и сплавов, упрочняемых холодной пластической

деформацией с последующим низким отпуском. Этот способ отличается

простотой и экономичностью технологического процесса. Отсутствие

закалки позволяет изготовить пружины с высокой точностью конфигурации.

Обычно используют патентированную проволоку (предварительно

термически обработанную).

Лента или проволока поставляется трех классов прочности – 1П, 2П,

3П. (Увеличивается прочность, но падает вязкость, определяемая числом

гибов).

Пружины отпускают при 240–250

C в течение 1 ч для уменьшения

внутренних напряжений и снижения количества остаточного аустенита.

Проволоку, изготовленную путем холодной деформации (волочением,

прокаткой), предварительно патентируют, получая структуру

тонкопластинчатого перлита. При этом сталь упрочняется с увеличением

степени деформации, сохраняя пластичность и вязкость, необходимые для

навивки пружин. Классы точности I, II, IIA, III различают по уровню

механических свойств. Например: стали У7А, У8А, У9А – I класс, 65Г – II и

IIA класс, 45 – III класс.

Чем выше содержание углерода, тем выше прочность проволоки после

патентирования и последующей холодной деформации.

Термическая обработка пружин заключается в их отпуске. Отпуск

увеличивает предел упругости, усталостную прочность, релаксационную

стойкость, уменьшает остаточные напряжения, стабилизирует форму пружин

и силовые характеристики. Такие изменения свойств связывают с

деформационным старением (с образованием сегрегаций из атомов углерода

на дислокациях и дисперсионных частиц карбидов). Режимы отпуска

колеблются, наиболее часто применяют температуры 175–200

C. Для

высокоуглеродистых сталей используют один из следующих режимов: 175

C, 2 ч; 220–300

C, 1 ч; 350

C, 15 мин; 450

C, 5 с.

Отпуск проводят в печах-ваннах с горячим маслом или соляным

раствором.

Для подготовки исходной структуры, кроме патентирования, можно

применять нормализацию, изометрическую закалку, закалку со скоростным

электроотпуском.

Пружины, упрочненные закалкой с отпуском. Для такого упрочнения

используют холоднодеформированную проволоку или ленту, а также

сортовой прокат. Закалка должна обеспечить получение мартенситной

структуры без участков троостита и минимальное количество остаточного

аустенита. Можно после закалки провести обработку холодом. Нагрев

пружин лучше осуществлять в защитной атмосфере, вакууме.

Окончательные свойства определяет отпуск, он увеличивает предел

упругости. Для сталей с содержанием 0,5–0,7 % С максимальное значение σ

достигается при отпуске с температурой, равной 250

C, а для легированных

сталей – при 300–350

Во избежание коагуляции карбидов, отпуск регламентируют по

температуре и времени. Например, для стали У10А отпуск проводят при

температуре 250

C (15 мин) или при 350

C (1 с).

Если нагружение пружин осуществляется растяжением или

кручением, то отпуск под нагрузкой (деформационное старение) лучше

проводить после закалки и низкого отпуска. Температура отпуска зависит от

содержания углерода в стали и может колебаться в пределах 200–400

Термическая обработка проката из рессорно-пружинных сталей

Для получения требуемой твердости прокат подвергают неполному

отжигу при 700–720

C в течение 4–5 ч (либо высокому отпуску). После

такой обработки сталь имеет структуру феррито-перлитную и твердость 285–

321 НВ.

В соответствии с ГОСТ 14959-79 для термообработки рессорной стали,

60С2, 60ХГС, 50ХГ, 50ХГА, 50ХФА, 55ХГР (табл. 11), используют

следующий режим термообработки: Т

зак

= 900–1000

C, охлаждающая среда –

масло, Т

отп

= 450–480

C, τ = 40–50 мин, охлаждающая среда – вода.

Таблица 11

Химический состав некоторых рессорно-пружинных сталей, %

Марка стали С Si Mn

Другие

элементы

–

0,75

0,17

–

0,37

0,50

–

0,80

≤ 0,25

65Г

0,62

–

0,70

0,17

–

0,37

0,90

–

1,20

≤ 0,25 Cr

60С2 0,57–0,65 1,50–2,00 0,60–0,90 ≤ 0,30 Cr

50ХГ 0,46–0,54 0,17–0,37 0,70–1,00 0,90–1,20 Cr

50ХФА 0,46–0,54 0,17–0,37 0,50–0,80

0,80–1,10 Cr

0,1–0,2 V

65С2Н2А 0,61–0,69 1,50–2,00 0,70–1,00

0,80–1,20 W

≤ 0,30 Cr

60С2Н2А 0,56–0,64 1,40–1,80 0,40–0,70 1,40–1,70 Ni

70С2ХА 0,65–0,75 1,40–1,70 0,40–0,60 0,20–0,40 Cr

К недостаткам сталей следует отнести рост зерна аустенита и

обезуглероживание.

Кремнистая сталь, содержащая 0,5–0,7 % С и 2–3 % Si после

термообработки (закалка + отпуск), имеет отношение предела текучести к

пределу прочности σ

/σ

= 90 % и высокий предел усталости, и поэтому ее

применяют для изготовления пружин и рессор.

Положительное влияние кремния на механические свойства стали

проявляется значительно сильнее в присутствии небольшого количества

карбидообразующих элементов, которые снижают графитизацию кремнистой

стали и упрочняют ее карбидную фазу. Поэтому в сталь добавляют ≈ 0,6–0,8

% Mn и 0,3–0,4 Cr.

Сталь предварительно отжигают при 870–850

С, V

охл

≈ 60–80

С/ч, затем

проводят закалку от 860–880

С в масле и отпуск при 400–600

С.

Необходимо следить за обезуглероживанием ферритного слоя при

термообработке, т.к. это приводит к снижению предела усталости,

образованию при эксплуатации поверхностных трещин и разрушению.

Горячая прокатка создает в таких сталях структуру с сильно вытянутыми

зернами феррита и перлита, а последующая термообработка способствует

получению в стали волокнистого излома.

Для изготовления коррозионно-стойких пружин в зависимости от

состава агрессивной среды можно применять либо высокохромистую

нержавеющую сталь мартенситного класса типа 30Х13 и 40Х13, либо

аустенитную сталь 12Х18Н9Т. Пружины из таких сталей требуют закалки на

мартенсит с последующим отпуском (~ 300

C). Однако для получения

удовлетворительной релаксационной стойкости лучше проводить отпуск при

450–500

C (закалка с 1000– 1050

C в масле).

Для работы при повышенных температурах пригодны

теплоустойчивые (жаропрочные) стали с низким и средним содержанием

хрома (до 5–6%) с молибденом и ванадием, а также стали, близкие по составу

к быстрорежущей типа Р18.

Для работы при более высоких температурах используют жаропрочные

аустенитные стали или сплавы на основе никеля. Аустенитная коррозионно-

стойкая сталь 12Х8Н9Т приобретает нужные свойства за счет наклепа,

дополнительное их повышение достигается путем отпуска навитых пружин

при 450 °C.

В качестве коррозионно-стойкого в резко агрессивных средах и

немагнитного сплава для пружин и других элементов приборов в США

предложен сплав на кобальтовой основе (эльджиллой) сложного состава. В

России разработана и получила применение модификация этого сплава, не

содержащая титана, алюминия и бериллия (К40НХМ).