Высокопрочные дисперсионно твердеющие стали

К ним относятся стали легированы карбидообразующими элементами, которые могут быть обработаны на вторичную твердость. Основные легирующие элементы: Cr до 5%, Mo до 3%, V до 0,5%, Nb до 0,2%, содержание С не рекомендуется повышать выше 0,4%

30Х5М2Ф

30Х5ФСБА

Стали закаливаются температуры 1000-1020^оС, при этом все карбиды Cr и Mo полностью переходят в А, также растворяется половина карбида V, карбид Nb практически не растворяется. Избыточные карбиды не позволяют расти аустенитному зерну. После закалки стали подвергают высокому отпуску, Т_отп=600-650^оС, эта температура немного выше той, которая бы дала максимальную прочность.

Мартенситно-стареющие стали

Это стали с интерметалидным упрочнением. Их особенность – минимальное содержание углерода ( не больше 0,03% ).Стали высоколегированные , основные легирующие элементы Ni, Co, Mo.

Н18К9М5Т – Ni₃Mo, Ni₃Ti, (Co,Fe)₂Mo – упрочняющие фазы.

Мартенситно-стареющие стали после закалки имеют структуру безуглеродистого мартенсита. Углерода не хватает для закрепления всех дислокаций в мартенсите, поэтому мартенсит обладает высокой пластичностью. Основное упрочнение происходит во время старения. Старение протекает в три стадии. На первой стадии на скоплениях дефектов образуются сегрегации легирующих элементов, в это время происходит максимальный рост прочностных свойств. На второй стадии происходит образование и рост избыточных фаз, при этом когерентность между зародышем и матрицей не нарушается. Упрочнение растет, но более медленно, чем на первом этапе. На третей стадии зародыш достигает критического размера и когерентность срывается. Это приводит к разупрочнению стали. Последующая коагуляция избыточных фаз также ведет к разупрочнению.

Стали обладают высокой технологичностью. Их недостаток- стали склонны к ликвациям, поэтому предварительной обработкой есть гомогенизационный отжиг( 1200- 1230⁰С).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и старения. Особенность выбора температуры под закалку состоит в следующем: если закалка является смягчающей обработкой перед деформацией, в структуре допускается до 15% остаточного аустенита, если после закалки сразу происходит старение, остаточного аустенита должно быть 3-4%. Стали с температуры закалки быстро охлаждают до 650-600⁰С, делают выдержку, при этом из остаточного аустенита выделяются избыточные фазы, его точка М_н поднимается, затем продолжают быстрое охлаждение.

Мартенситно-стареющие стали не содержащие Cr не обладают коррозионной стойкостью. Стали на основе Ni и Co имеют очень низкий температурный порог хладноломкости и могут быть использованы до -260⁰С.

В качестве коррозионностойких мартенситно-стареющих сталей используют стали с содержанием Cr- 11 и более % (Х14К9Н6М5).

Криогенные стали

Работают при температуре ниже -70⁰С. Сюда относят аустенитные стали на основе Cr и Ni (08Х18Н10 и 08Х18Н20) и стали ферритные легированные Ni ( 0Н6 и 0Н9).

Аустенитные стали сохраняют свои пластичные свойства до -260⁰С. Стали имеют низкие прочностные характеристики как при комнатных температурах так и при низких температурах. В качестве упрочнения используется пластическая деформация. Стали с 10% Ni склонны к образованию мартенсита под напряжением при низких температурах, поэтому не рекомендуется использование при температурах ниже -159⁰С и при больших нагрузках. Стали с 20% Ni имеют стабильный аустенит и мартенситного превращения не претерпевают ни при каких нагрузках.

Возможно применение аустенитных сталей где часть Ni заменена Mn и N (10Х21Н7АМ14). Марганцовистый аустенит больше склонен к мартенситному превращению и при низких температурах имеет меньшую пластичность. Минимальная рабочая температура -150⁰С.

Ферритные стали обладают большими прочностными характеристиками, чем аустенитные стали. Содержание Ni в стали определяет рабочую температуру стали. До 4% Ni – рабочая температура -120⁰С ,5-7% Ni -196⁰С , 8-9% Ni -260⁰С.

Ферритные стали подвергаются двойной нормализации. Первая нормализация (900-910⁰С) для гомогенизации, вторая (790-800⁰С) для измельчения зерна. После делают высокий отпуск. Цель отпуска- растворить возможные карбиды и перевести их в избыточный аустенит. Окончательная структура стали- феррит с небольшой долей аустенита.

Пружинные стали

Основные требования – высокий предел упругости, пропорциональности, прочности, высокая релаксационная и усталостная прочность, достаточная вязкость и пластичность. Получить оптимальное сочетание свойств возможно двумя путями: 1) патентирование с последующим холодным деформированием; 2) закалка и средний отпуск;

Все пружинные стали делят на стали общего и спец. назначения.

Спец.стали должны обладать каким-либо спец.свойством ( магнитным, электрическим, коррозионным и т.д.). Для этого используются отдельные спец.стали.

Стали общего назначения – это углеродистые качественные стали. Используются Сталь 60, 65, 70, 85. Также могут использоваться высококачественные углеродистые инструментальные стали У7А-У13А.

Проволоку для пружин с сечением менее 2 мм подвергают патентированию с последующей холодной пластической деформацией ( не менее 80%). Такая обработка позволяет получить σ_в до 5000 МПа. После такой обработки структура имеет очень дефектное строение, большая доля дислокаций не закреплена. Такой материал имеет низкую усталостную прочность, низкие упругие свойства, плохую релаксационную стойкость. Поэтому после делают низкий отпуск ( от 180 до 300⁰С ). Цель отпуска – закрепить дислокации примесными атомами.

Для пружинной проволоки диаметром больше 2 мм проводят закалку с последующим средним отпуском.

Для пружин с сечением проволоки большим 10 мм применяют легированные стали. Легирующие элементы должны: 1) повысить прокаливаемость; 2) замедлить процессы разупрочнения при отпуске;

Основные элементы применяемые для легированных пружинных сталей – Mn, Si, Cr, V. Mn особенно в сочетании с Cr увеличивает прокаливаемость и облегчает патентирование проволоки. Cr – увеличивает прокаливаемость, замедляет процессы разупрочнения при отпуске. Si – также замедляет разупрочнение при отпуске и повышает упругость ферритной составляющей.

По составу пружинные стали делятся на группы: 1) марганцовистые – 60Г, 75ГА; 2) кремнистые стали – 60С2, 85С3А; 3) хромо-марганцевые – 60ХГА, 65ХГФА; 4) хромо-кремнивые – 60С2Х, 70С2ХФА;

Отпуск легированных сталей при повышенных температурах позволяет сохранить высокую твердость при повышенном запасе вязкости.

Подшипниковые стали

Эти стали используют для трущихся деталей. Есть два вида трения – качения и скольжением. От вида трения используются стали шарикоподшипниковые ( качения ) или износостойкие ( скольжения ).

Шарикоподшипниковые стали – это всегда стали высоко- или особовысококачественные. Эти стали должны иметь высокую твердость, износостойкость, прочность при сопротивлении большим сосредоточенным динамическим нагрузкам. Высокая твердость достигается высоким содержанием углерода (0,9-1,1%). Стали имеют в своем составе элементы повышающие прокаливаемость ( прежде всего Cr ). Более крупные подшипники изготовляют из сталей содержащих дополнительно Si и Mn. Стали имеют свою маркировку – впереди Ш ( в букве А в конце маркировки нет необходимости ), ШХ6 ( Cr в десятых долях 0,6%) – для маленьких подшипников, ШХ15, ЩХ15СГ – для более крупных подшипников. ШХ15СГШ – особовысококачественная ( шлаковый переплав ), …..ВД ( вакуумнодуговой ).

Особое внимание к чистоте по вредным примесям и особенно по неметаллическим включениям. Количество оксидов и сульфидов не должно превышать третьего балла.

Шарикоподшипниковые стали подвергают и предварительной и окончательной термической обработке. Перед изготовлением сталь подвергают либо смягчающему отжигу при температуре 790-810⁰С ( 2-3 ч.), после возможно резание, либо проводят нормализацию с температуры 890- 920⁰С. Цель нормализации – избавится от карбидной сетки. После нормализации проводят высокий отпуск при температуре 600-650⁰С. Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Температура закалки каждой стали жестко определяется и имеет очень узкий интервал, ШХ15 ( 840-850⁰С). Структура после закалки либо очень мелкий мартенсит, либо безструктурный мартенсит. Закалка обязательно в масле. Для особо точных подшипников необходима обработка холодом, т.к. структура после закалки – 10-15% остаточного аустенита. Обычно достаточно охладить до -10 - -20⁰С. После этого низкий отпуск ( 150-170⁰С , 2-3ч. ). Между закалкой и отпуском не более 3 ч.

В случаях когда требуются особо крупные подшипники, работающие в условиях динамического нагружения, используют цементуемые стали – 12Х2Н4А, 20Х2Н4А. Цементацию проводят на большую глубину ( 3-7 мм. ).

Для шарикоподшипников работающих в агрессивной среде используют высокохромистую сталь 95Х18 – коррозионностойкая шарикоподшипниковая сталь.

Износостойкие подшипниковые стали. Особое требование – хорошая прирабатываемость, высокая износостойкость, возможность упрочнения в процессе эксплуатации, низкий коэф. трения, отсутствие схватываемости трущихся поверхностей. Стали обладающие высокой износостойкостью – стали графитизированые , сталь Гадфильда 110Г13Л.

Графитизированые стали содержат 1,3-1,8% углерода, 1,1-1,6% кремния. Такую сталь подвергают термической обработке подобной отжигу ковкого чугуна. Отжиг проводят чуть ниже т.А₃. После медленного охлаждения структура такой стали – перлит, мелкие включения графита окруженные ферритом. Окончательная термическая обработка – закалка и высокий отпуск. Окончательная структура – сорбит отпуска с мелкими включениями графита. Графитные включения служат смазкой и удерживают дополнительную смазку на поверхности.

Сталь 110Г13 относится к сталям, которые упрочняются в процессе эксплуатации. В литом состоянии сталь имеет структуру аустенит, по границам зерен аустенита выделяется марганцовистый цементит. Такая структура имеет низкие эксплуатационные характеристики. Чтобы обеспечить высокие свойства сталь закаливают с температуры 1050-1100⁰С, при такой температуре цементит растворяется в аустените и закалка фиксирует чисто аустенитную структуру. В этом состоянии сталь имеет низкие прочностные характеристики ( σ_в=800 МПа, КСU – 20 МДж/м² ). Марганцовистый аустенит имеет способность сильно упрочнятся при деформировании. В результате поверхностного воздействия сталь на поверхности наклепывается, при очень больших нагрузках в поверхностном слое может образовываться до 1% мартенсита. Твердость и прочностные характеристики повышаются в 2-3 раза. Особенно сильно сталь упрочняется при воздействии динамических нагрузок. Одновременно с высокой твердостью поверхности сохраняется высокая вязкость сердцевины. Из вредных примесей особо опасен P ( не более 0,03% ) . При увеличении количества P до 0,05% - сталь становится хрупкой. Из-за сильного поверхностного упрочнения сталь не поддается резанию. Изделия делают только литьем или горячим деформированием. Если есть необходимость в резании, сталь отпускают при температуре 600-650⁰С и способность упрочняться у аустенита падает. Сталь можно обрабатывать только твердосплавным инструментом.

Основы теории коррозии

Коррозия – это разрушение материала под воздействием внешней среды. Результат коррозии может быть виден в виде продуктов коррозии, либо не заметен сразу. Различают коррозии: равномерную или поверхностную, питтинговую или местную, межкристаллитную ( по границам зерен ) МКК, коррозионное растрескивание ( одновременное действие агрессивной среды и растягивающих напряжений ).

Коррозия бывает химической ( в результате хим. реакции с окружающей средой ) и электрохимической ( под воздействием электролита).

Все реальные металлы и сплавы тела поликристаллические, состоящие из одной или нескольких фаз, неметаллических и интерметаллидных включений, химических неоднородностей, скоплений приместных атомов. Каждая из этих составляющих имеет свой собственный электрохимический потенциал. При попадании в электролит, реальный металл становится многоэлектродным элементом, состоящим из большого количества микрогальвано пар. Вывод: наилучшей коррозионной стойкостью должны обладать либо очень чистые металлы, либо гомогенные однофазные сплавы.

Металлы и сплавы могут находится в активном или пассивном состоянии. Пассивным называется состояние, когда материал слабо корродирует в какой-либо среде и коррозия прекращается. Корродирующий металл находится в активном состоянии. Пассивность металлов объясняется пленочной теорией. ПО этой теории, под воздействием агрессивной среды на поверхности образуется пленка соединение, толщиною до 0,3 нм. Если эта пленка имеет хорошее сцепление с основой, безпористая, имеет высокие механические свойства – она будет защитной для металла. Если агрессивность среды увеличивается, пленка может потерять свои защитные свойства( транспассивация ). В этом случае пленка либо растворится, либо перейдет в другое соединение, не имеющее зашитных свойств.

При смене агрессивной среды может произойти депассивация.