Среднеуглеродистые цементуемые стали.

Детали ответственного назначения работают, как правило, в условиях знакопеременных, ударных нагрузок и поэтому требуют применения сталей, сочетающих такие характеристики как высокая прочность, вязкость, а так же сопротивление усталостному разрушению. Такие характеристики можно получить в среднеуглеродистой стали, т.е. содержащей 0,25-0,55% углерода.

1. Если к такой стали применить полную закалку и низкий отпуск, то можно получить очень высокий предел прочности, но при этом очень маленький запас вязкости. Поэтому чаще всего после закалки такую сталь подвергают высокому отпуску. При этом предел прочности несколько понижается, но зато удается получить максимально высокую вязкость, т.е. получить максимально высокую конструкционную прочность. Сочетание полная закалка (820-850º С) + высокий отпуск (550-650º С) применяется для улучшаемых сталей. Структура после такой закалки – сорбит. Границ зерен не видно. Максимально высокая усталостная прочность достигается только при условии однородной структуры, поэтому в этом случае детали должны иметь сквозную прокаливаемость. Если после закалки в центре детали структура будет перлитная, то такая деталь будет плохо сопротивляться усталости.

2. Но для обеспечения сквозной прокаливаемости требуется иметь максимально высокий критический диаметр, т.е. максимально возможный диаметр, на который прокаливается деталь в данном охладителе. Критический диаметр, т.е. прокаливаемость, зависит от многих факторов. Но главным из них является наличие легирующих элементов (кроме кобальта, легирующие элементы смещают с-образные кривые вправо, увеличивают устойчивость аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения).

В результате при закалке скорость охлаждения даже массивных деталей становится выше критической, и деталь закаливается насквозь, т.е. основным механизмом влияния легирующих элементов на данную сталь является увеличение прокаливаемости стали.

3. Многие детали из улучшаемой стали работают в условиях поверхностного износа (в условиях трения). Сопротивление износу обеспечивает высокая твердость, но после высокого отпуска твердость стали составляет 23-25 HRC и ее недостаточно. Поэтому как дополнительный вариант упрочняющей термообработки для таких деталей применяют поверхностную закалку или ХТО (азотирование). Добавки V, Ti образуют очень стойкие карбиды, которые не растворяются при нагреве под закалку, поэтому сдерживают рост аустенита. В результате сталь получается мелкозернистой и имеет высокую вязкость. Mo и W вводят в сталь для уменьшения отпускной хрупкости 2 рода. Буква А в конце означает уменьшенное содержание вредных примесей S и P.

Выбор той или иной марки стали из этой группы проводится, прежде всего, по пределу прочности и по критическому диаметру. Для этого пользуются таблицей, где все стали размещены по категориям прочности и критическому диаметру. По критическому диаметру улучшаемые стали разделяют на 5 групп:

1. Критический диаметр до 20 мм при охлаждении в воде. В эту группу входят все простые углеродистые стали 30, 35, 40, 45, т.е. практически нелегированные (самые дешевые и легкодоступные).

2. Критический диаметр 20-40 мм при охлаждении в масле. В эту группу входят стали 35Х, 40Х, 45Х.

3. Критический диаметр 40-60 мм. В эту группу входят стали 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40Г2, 40ХГР, т.е. стали, содержащие добавки Cr, Mn, Si.

4. Критический диаметр до 100 мм. В эту группу входят стали 30ХН3А, 35ХМ, 40ХН, т.е. стали, содержащие Cr, Ni.

5. Критический диаметр свыше 100 мм (до 1000 мм). В эту группу входят стали 38Х2Н2МА, 35ХН3МА, 40ХНМА.

Высокоуглеродистые пружинные, рессорные стали.

1. Основное требование к пружинно-рессорной стали – это максимальный предел упругости. Величина предела упругости зависит в основном от количества углерода в стали: чем его больше, тем выше предел упругости.

2. Второе требование – высокая релаксационная стойкость (против снижения предела упругости).

3. Стойкость при усталостном нагружении. Требуется высокое качество поверхности, дополнительная обработка наклепом (дробь, песок), чтобы не возникли трещины усталости.

Термообработка пружинных сталей.

При изготовлении пружин пользуются как горячей, так и холодной деформацией. Горячая деформация используется при изготовлении крупногабаритных пружин большого сечения.

После горячей навивки применяют закалку и средний отпуск, структура - троостит. Он представляет собой мелкопластинчатую структуру, которая обладает минимальным запасом вязкости, но, так как пружины должны работать только на упругость, то вязкость не является ограничением.

При изготовлении пружин небольшого поперечного сечения можно использовать патентирование, т.е. изотермический отжиг с последующей холодной деформацией. После изготовления и термообработки пружины подвергают тщательной обработке поверхности (шлифовка, полировка, покраска), чтобы устранить концентраторы напряжений для последующего устранения усталостных трещин. Повысить усталостную стойкость можно также обработкой, создающей поверхностный наклеп.

Стали для холодной штамповки.

К этим сталям относят, прежде всего, малоуглеродистые стали с содержанием С =0,05 – 0,2%. Основные требования:

1. Высокая штампуемость, т.е. способность принимать объемную форму из плоской заготовки.

2. Высокое качество поверхности детали после холодной штамповки.

Эти требования обеспечиваются:

1. Механическими свойствами.

2. Химическим составом.

3. Структурой.

Требования по механическим свойствам:

1. Минимальная твердость (HRB) < 45 единиц (55 единиц – для легированных сталей).

2. Высокий предел прочности σ_В, низкий σ_Т – число текучести.

3. Высокая пластичность.

Требования по химическому составу:

1. Содержание С<0,2%

2. Суммарное содержание легирующих элементов меньше 1-1,5%

3. Минимальное содержание примесей.

4. Нежелательное присутствие растворенных газов.

Требования по структуре:

1. Зерно должно быть средним (6-8 балл). Мелкое зерно вызывает повышенную твердость, лист становится более жестким. Из-за этого быстро изнашиваются штампы. Если зерно крупное, то резко ухудшается качество поверхности. Возникает “апельсиновая корка”.

2. Недопустима разнозернистость, т.к. крупное зерно при пластической деформации утоняется более быстро, чем мелкое, поэтому в этих местах появляются трещины, надрывы, приводящие к браку.

3. Перлит в этих сталях желательно иметь зернистый, а не пластинчатый. Стали с пластинчатым перлитом имеют меньшую пластичность. Нежелательно расположение перлита в виде сетки по границам зерен, т.к. это снижает пластичность стали.

Листовую заготовку для холодной штамповки получают холодной прокаткой. Лист после холодной прокатки сильно упрочняется, и не может быть сразу подвергнут холодной штамповке. Для снятия наклепа перед холодной штамповкой используют рекристаллизационный отжиг. Этот отжиг проводят при температуре 680º С. Отжиг проводят либо для рулонов, тогда используют камерную печь (выдержка 6-8 часов). В специальных непрерывных агрегатах проводится отжиг движущейся ленты. При непрерывных агрегатах температурный режим обеспечивает одинаковую структуру по всей длине ленты. Высокое качество поверхности изделия зависит от склонности стали к деформационному старению. Деформационное старение это эффект увеличения предела текучести из-за повышенного содержания в сталях газов.

1. – кривая растяжения сталей, склонных к деформационному старению.

2. - кривая растяжения сталей, не склонных к деформационному старению.

Деформационное старение возникает блокированных дислокаций примесными атомами, которые образуют целые атмосферы. Для начала пластической деформации необходимо оторвать дислокации от этих атмосфер. Для этого требуется более высокое напряжение. Из-за этих атмосфер пластическая деформация развивается по объему металла неравномерно. В результате на поверхности стального листа возникает целая сетка линий скольжения, которая выглядит как тонкие царапины. Для их устранения требуется дополнительная отделка поверхности, что не всегда возможно. Чтобы предотвратить появление линий скольжения, сталь склонную к деформационному старению перед холодной штамповкой подвергают небольшой пластической деформации на прокатном стане или в правильной машине.

Малая пластическая деформация позволяет устранить зуб текучести. 2% вполне достаточно, чтобы оторвать дислокации от примесных атомов. Такая предварительная пластическая деформация называется дрессировкой. После дрессировки эффект деформационного старения вновь проявляется примерно через 10-15 дней. Поэтому дрессировку необходимо проводить перед холодной штамповкой. Для того, чтобы сделать сталь нечувствительной к эффекту деформационного старения, в нее в качестве добавок в небольшом количестве вводят Al (0,02-0,04%), V (0,2%)

В результате образуются AlN, VN. Атомы азота остаются неподвижными, эффект деформационного старения исчезает.

Марки сталей, используемых для холодной штамповки: 08кп, 05кп – хорошая пластичность, дешевые; 08пс, 08сп – сталь более жесткая; 10, 15, 20, 10кп, 10пс, 10сп.

Нестареющие стали: 08Ю, 08Ф, 10ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ.

ДФМС – двухфазные мартенситные стали.

Низкий предел текучести, высокий предел прочности.

Химический состав:

пластичность 0,03-0,06% С, 0,5% Cr, 0,2% Mn, 0,5-1,5% Si. Сталь с таким химическим составом после охлаждения, после горячей прокатки или после специальной термообработки, которая заключается в быстром охлаждении с температурой между точками Ас1 и Ас3, имеет структуру Феррит + Мартенсит (М – 10-30%). Феррит обеспечивает высокую пластичность, низкий предел текучести. Мартенсит обеспечивает высокий предел прочности ( = 0,5 – 0,6). В исходном состоянии сталь обладает высокой пластичностью, но после холодной деформации, упрочнение затрагивает главным образом ферритную структуру, т.е. происходит быстрое упрочнение металла. В результате получается готовое изделие с высокой прочностью, поэтому из этих сталей делают такие изделия, как колесные диски для грузовиков, бамперы, лонжероны, рамы. Самые дешевые марки 09Г2С, 03ХГЮ, 06ХГС.

Высокопрочные стали

К ним относятся стали с σв > 1400-1500 мПа. Самые прочные достигают σв=3000 мПа.

Так же обладают высоким пределом текучести σт > 1350-1400 мПа, т.е. стали - высокопластичные. Высокопрочные стали применяются в авиации и ракетной технике, т.к. они позволяют при заданной прочности снизить вес конструкции. Чтобы получить высокую прочность необходимо провести соответствующее легирование, обеспечить высокую чистоту металла, получить структуру за счет термообработки, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Высокую прочность, твердость можно получить и в обычных углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но при этом такая сталь обладает высокой хрупкостью, т.е. не может сопротивляться ударным нагрузкам. Поэтому такие стали отнести к высокопрочным можно лишь условно. К высокопрочным сталям относят те стали, которые обладают высоким сопротивлением к хрупкому разрушению К_1С = 200-300 кДж/м².

Для повышения вязкости стали, в нее обычно вводят большое количество Ni, Mo, Mn. Для повышения прокаливаемости сталь должна содержать Cr, Si. Для образования упрочняющих интерметаллидных фаз добавляют Ti, Al, W. Несмотря на то, что С – самый сильный упрочнитель, повышение его концентрации ведет к снижению вязкости. Поэтому содержание С <0,3-0,4%. А в некоторых сталях, где требуется высокий запас вязкости содержание С <0,03%. Многие марки сталей выплавляют таким образом, чтобы добиться в них повышенного содержания азота. Азот вместе с углеродом образует в сталях карбиды, которые эффективно упрочняют сталь. В зависимости от химического состава и свойств высокопрочные стали делят на несколько групп:

НУС – низкоуглеродистые стали.

СУС – среднеуглеродистые стали.

ВУС – высокоуглеродистые стали.

МСС – мартенситностареющие.

МАС – стали с метастабильным аустенитным состоянием.

Низкоуглеродистые стали

К низкоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,15% .

Для повышения вязкости в сталь вводят 1-2% Mn.

Для повышения прокаливаемости в сталь вводят 0,5-1% Cr.

Низкоуглеродистые стали подвергают закалке (500-600º С) и низкому отпуску.

После термообработки получается отпущенный мартенсит. Упрочнение происходит за счет образования карбидов, нитридов, а также интерметаллидных фаз.

Самая дешевая сталь – 14Г2АФ.

Самая дорогая – 14ХГН2МДАФ.

Предел прочности в сталях σв<1000-1500 мПа.

Среднеуглеродистые стали.

Данные стали применяются для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, крепежных деталей.

Химический состав: 0,3-0,4% С, 1-2% Mn, 1-2% Ni, 0,5-1% Cr, 0,5-1,5% Si, 0,2-0,4% Mo, до 0,2% Ti.

Типовой режим термообработки: полная закалка + отпуск (200-400º С)

Основные стали группы: 30ХГСН2А, 40ХСН2МА.

Высокоуглеродистые стали.

К высокоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода до 0,7% .

Их основное назначение – это получение канатной проволоки. При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П и тут же подвергают холодной деформации – волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклепа позволяет получить в проволоке σв=3000-5000 мПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.

Мартенситно-стареющие стали.

Из всех высокопрочных сталей они наиболее часто используются. Это объясняется сочетанием высоких механических свойств (стали хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью, они не меняют своих размеров при закалке, не подвергаются объемным изменениям). Основным отличием является полное отсутствие углерода (менее 0,03%). Упрочнение происходит за счет термообработки, которая включает в себя закалку (900-1000º С) и последующее старение (350-480º С).

После закалки эти стали имеют безуглеродистый мартенсит. Поэтому не обладают высокой прочностью. В таком состоянии стали могут подвергаться пластической деформации, обработке резанием, шлифованием. Окончательно высокие механические свойства достигаются, когда полностью готовое изделие подвергается старению.

В процессе старения внутри мартенсита выделяются интерметаллидные фазы, которые располагаются вокруг дислокаций и блокируют их перемещение. В результате резко увеличиваются прочность и твердость. Чтобы получить такие свойства, сталь должно содержать Ni – 12-20%, Co – 8-12%, Mo – 5-10%, Ti – 1-2%, Cu до 0,5%. Большое количество Ni ведет к резкому понижению температуры начала мартенситного превращения. Наиболее широко известная марка: Н18К9М5Т.

Стали с метастабильным аустенитным состоянием.

В настоящее время эти стали обладают наивысшим сочетанием прочности и вязкости. Поэтому являются самыми надежными конструкционными материалами. Сочетание высоких механических свойств обеспечивается технологией их обработки, а так же химическим составом: С до 0,3%, Ni до 25%, Mo до 4%, Mn 10-12%, Cr 10-12%, Si до 2%.

Большое количество Ni, Mo, Mn ведет к тому, что после закалки мартенситного превращения не происходит, т.е. структура остается аустенитной. Если такую сталь подвергнуть деформации, то возникающий наклеп переводит аустенит в нестабильное состояние. Степень деформации выбирается такой, чтобы получить в данной сталь неустойчивое состояние, т.е. последующее охлаждение или дополнительная деформация будут вызывать в стали мартенситное превращение. Переход аустенита в мартенсит будет наблюдаться не во всем объеме детали, а лишь в тех местах, где появляются микротрещины. Образование микротрещин сопровождается локальной пластической деформацией ее вершины, но эта деформация вызывает мартенситное превращение, в результате чего прочность в этом месте увеличивается и разрушение прекращается. Металл сам себя “лечит” в тех местах, где появляются разрушения. Такой эффект самоупрочнения в процессе эксплуатации позволяет деталям работать длительное время без разрушения. Недостаток таких сталей – высокая стоимость, необходимость проведения теплой деформации Tдеф=300-500º С, требуется мощное оборудование. По такой технологии можно выпускать отдельные виды полуфабрикатов (листы, профили круги).

Основные стали: 25Н24М4, 24Н21Г2С2М4, 30Х10Г10 и 14Х14АГ12.

Шарикоподшипниковые стали.

Шарикоподшипниковые стали по назначению относят к конструкционным, но по химическому составу они попадают в область инструментальных сталей и находятся как бы на границе. Основные требования определяются назначением:

1. Высокая статическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку с минимальной деформацией (ε < 0,01%).

2. Высокая контактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в стали неметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и дают начало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкости стали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали от вредных примесей.

3. Высокая твердость

4. Высокая износостойкость. Эти два требования зависят от содержания карбидов в стали. Наличие карбидов хрома влияет на твердость и износостойкость.

5. Сквозная прокаливаемость. Глубина прокаленного слоя – 95% мартенсита. Для повышения прокаливаемости вводят Cr, Mn, Si. Si затрудняет распад мартенсита при отпуске. Это дополнительно сохраняет твердость.

Для обеспечения этих требований шарикоподшипниковые стали содержат С 0,95-1,15%, Cr 0,6-2%, Mn 1%, Si 1%.

Маркировка: Первая буква Ш показывает, что это шарикоподшипниковые стали, Х – хром в десятых долях процента: ШХ6 – 0,6% Cr, ШХ15 – 1,5% Cr, ШХ20 – 2% Cr.

Для подшипников сталь выбирают по прокаливаемости:

ШХ6 – до 5-6 мм.

ШХ9 – 10-15 мм.

ШХ15 – до 30 мм.

ШХ15СГ – свыше 30 мм.

Термообработка: закалка 840-860º С (маленькие шарики охлаждают в масле, большие – в воде), отпуск 180-200º С.

После термообработки структура – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными мелкими карбидами Cr. Браком является карбидная неоднородность, т.е. грубое выделение карбидов по границам зерен, а так же карбидная полосчатость структуры.

Рабочий интервал температур: от –40º С до +200º С.

8Х4В9Ф2Ш – от 200º С до 600º С.

Инструментальные стали.

Основные требования к инструментальным сталям:

1. Высокая твердость. Обеспечивается химическим составом и термообработкой. Химический состав: C, Cr, W, V, Mo, Ti, Nb, Co (карбидообразующие элементы).

Термообработка: а) закалка + низкий отпуск; б) термообработка на дисперсионное твердение для высоких рабочих температур. Высокую твердость обеспечивают карбиды.

Если сталь должна сохранять твердость до температур 500-600º С, то применяют термообработку на вторичную твердость. Для этого проводят закалку стали с максимально высокой температурой, что обеспечивает растворение карбидообразующих элементов в аустените. После закалки такой стали образуется мартенсит, в котором в твердом растворе находится большое количество легирующих элементов. В процессе последующего отпуска происходит распад мартенсита и одновременно выделение из него большого количества вторичных карбидов. Выделение карбидов сохраняет твердость в стали до температур 500-600º С. Дальнейшее увеличение температуры ведет к укрупнению карбидов, в результате твердость постепенно падает.

2. Вязкость необходима для инструментов, работающих с ударными нагрузками. Чем выше ударная нагрузка, тем выше запас по вязкости. Вязкость – свойство противоположное твердости, поэтому увеличение требований по вязкости ведет к снижению твердости.

3. Износостойкость. Работа любого инструмента связана либо со снятием стружки с заготовки, либо с изменением формы заготовки, что сопровождается течением металла по поверхности. Такие условия работы вызывают изнашивание поверхности. Чем дольше сопротивляется износу сталь, тем дольше служит инструмент.

4. Теплостойкость (красностойкость) – стойкость против отпуска, т.е. сохранение твердости при повышенной температуре. Теплостойкость чаще используется для штампов, красностойкость – для режущего инструмента. Они обеспечиваются термообработкой и химическим составом.

5. Прокаливаемость. Для большинства инструментов требуется сквозная прокаливаемость.

По назначению инструментальные стали делят на четыре группы:

1. Стали для режущего инструмента.

2. Стали для штампов холодной штамповки.

3. Стали для штампов горячей штамповки.

4. Стали для измерительного инструмента.

Стали для режущего инструмента.

Из этих сталей изготавливают резцы, сверла, метчики, плашки, фрезы.

Стали для режущего инструмента делят на:

1. Углеродистые стали.

2. Углеродистые легированные стали.

3. Быстрорежущие стали.

(1). Углеродистые стали: У7-У13.

Достоинство таких сталей – дешевизна, недостаток – неглубокая прокаливаемость, т.е. при охлаждении в воде такая сталь прокаливается на 10-15 мм, в масле не более 5 мм. Такая сталь может быть использована для мелкого инструмента. Но этот недостаток может быть и достоинством, если сталь работает в условиях динамического разрушения (ручной инструмент). Углеродистые стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую твердость – 50-60 единиц. Но у этих сталей невысокая красностойкость. При увеличении температуры на режущей кромке выше 350º С, происходит потеря твердости и так называемая посадка режущей кромки, т.е. ее затупление. Поэтому инструмент из углеродистой стали может работать только с невысокими скоростями резания. Он предназначен для ручной работы или для работы в условиях интенсивного охлаждения.

Термообработка: закалка (У7-У8 – 800-820º С, У9-У13 – 750-780º С) + низкий отпуск (160-180º С – 61-63 HRC, 200-220º С – 57-59 HRC). Углеродистые стали используют для изготовления инструменты, работающего при ударных нагрузках (долото, зубило).

(2) Углеродистая легированная сталь. Для повышения прокаливаемости при изготовлении крупного инструмента, а так же для повышения красностойкости в углеродистую сталь вводят Cr, Si, Mn, W, V. V образует труднорастворимые карбиды, которые сохраняются при нагреве до очень высоких температур. Эти карбиды располагаются на границах зерен и поэтому сдерживают рост зерна, предотвращая перегрев стали.

Группа а. – стали с неглубокой прокаливаемостью. Cr до 0,7%, W 1,5-5%, V до 0,3%.

7ХФ, 9ХФ – используются для изготовления сверл, метчиков, плашек.

Термообработка: закалка 740-760º С, охлаждение в воде или масле + низкий отпуск.

Группа б. – стали глубокой прокаливаемости. Cr до 1,7%, W 1-2%, Mn 1-2%, Si до 1%.

9Х, Х, 9ХС, ХГС, ХГВ – предназначены для изготовления крупного инструмента.

Термообработка: закалка 830-850º С + низкий отпуск 180-200º С.

Стали, содержащие ванадий, позволяют регулировать глубину прокаленного слоя за счет температуры закалки.

(3) Быстрорежущая сталь. Позволяет повысить скорость резания в 10 раз. Для того чтобы повысить скорость резания необходимо резко увеличить красностойкость. Это можно сделать за счет карбидов W, V, Co,Mo. Карбиды этих элементов при нагревании стали до 550-600º С не изменяют своих размеров и неизменной остается твердость.

Состав быстрорежущей стали: С 0,9-0,95%, Cr 3,8-4,2% (обеспечивает прокаливаемость стали, карбиды Cr повышают износостойкость), W 3-18% (обеспечивает красностойкость). Для повышения режущей способности и красностойкости в сталь вводят Co 5% (в некоторых случаях до 20%), V 3%. Стали, содержащие Co, V, используют для обработки нержавеющих, жаростойких, титановых сплавов.

Технология обработки быстрорежущей стали включает в себя:

1. Получение слитка или порошковой заготовки.

2. Предварительная обработка, необходимая для получения равномерной структуры, однородного распределения карбидной фазы и минимальной твердости перед изготовлением инструмента.

3. Окончательная термообработка, необходимая для придания инструменту служебных свойств.

Получение слитка (или порошковой заготовки) быстрорежущей стали затруднено сильной карбидной ликвацией, т.е. большое содержание карбидообразующих легирующих элементов вызывает появление в этой стали ледебуритной эвтектики. Для устранения химической неоднородности, а так же крупных карбидов, слитки подвергают высокой гомогенизации и последующей горячей деформации. Горячая деформация проводится в разных направлениях для раздробления и измельчения карбидов. Чем мельче карбиды, тем выше свойства стали. Максимально мелкие и равномерно распределенные карбиды можно получить, используя технологию порошковой металлургии. Для этого расплавленный металл не отливают в слиток, а распыляют в мелкий порошок. Образовавшийся порошок подвергают горячему прессованию. В результате заготовка имеет однородную структуру с очень мелким распределением карбидной фазы по объему. Назначение предварительной обработки – снижение твердости. Для этого проводят изотермический отжиг при температуре 840-860º С, затем проводят медленное охлаждение со скоростью 40º/час до температуры 720-740º С. Потом охлаждают со скоростью 50º/час до 600º С и твердость составляет 23-25 HRC.

После этой обработки структура будет представлять собой сорбидообразный перлит. Окончательная обработка включает закалку и многократный отпуск при одной температуре 500-550º С и продолжительностью 1 час. Температурная остановка 840º С, чтобы не было растрескивания.

Для быстрорежущей стали применяют высокотемпературную изотермическую закалку. Нагрев заготовок ведут в расплавах солей, чтобы предотвратить окисление поверхности и выгорания легирующих элементов и углерода. В процессе нагрева делают одну или две температурных остановки для выравнивания температуры по сечению детали. Температура закалки лежит вплотную к точке А₄, это необходимо для растворения высокотемпературных карбидов. Однако выдержка под закалку должна быть короткой, чтобы не произошло укрупнения зерна. Закалка проводится с охлаждением в горячей среде, либо ступенчатая, либо изотермическая (чтобы выровнять температуру по сечению и не допустить растрескивания). Окончательное охлаждение производится на воздухе. Закаленная по такому режиму сталь имеет структуру мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. После изотермической закалки фазовый состав быстрорежущей стали состоит из 15-25% карбидной фазы МеС, 50% мартенситной фазы и 20-25% остаточного аустенита. В сплавах с большим содержанием Со количество остаточного аустенита может достигать 40%. Остаточный аустенит является нежелательной фазой, т.к. понижает твердость стали, поэтому сразу после закалки быстрорежущую сталь подвергают многократному отпуску. Отпуск проводится при температуре 500-560º С в течение 1 часа. Во время первого отпуска происходит снятие закалочных напряжений за счет перехода мартенсита закалки в мартенсит отпуска, а так же за счет выделения из остаточного аустенита избытка легирующих элементов в виде карбидов. При охлаждения стали после отпуска аустенит превращается в мартенсит, однако это превращение происходит не полностью. После первого отпуска количество остаточного аустенита составляет 12-15%. Для дальнейшего уменьшения остаточного аустенита проводят вторую ступень отпуска. В это время происходит отпуск вновь образовавшегося аустенита и дальнейшее выделение карбидов из оставшегося остаточного аустенита. После охлаждения 2 ступени оставшийся остаточный аустенит переходит в мартенсит, количество его 5-6%, поэтому проводят 3 ступень отпуска. Проходят те же процессы. После 3 стадии содержание остаточного аустенита не должно превышать 1-2%. Если количество остаточного аустенита больше 2%, то проводят еще один отпуск.

Основные марки: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р9М5Ф2, Р6М5К5. Самая теплостойкая – В11М7К23.

Твердые сплавы.

Твердые сплавы относят к режущим материалам, но они не являются сплавами на железной основе. Они представляют собой карбиды различных металлов, скрепленные между собой металлической связкой. В качестве карбидов используют: WC, TiC, TaC. В качестве связки используют Co, Ni. Изготавливают твердые сплавы методом порошковой металлургии. Первоначально карбиды смешивают с порошком Co и добавляют пластификатор (грубый парафин). Смесь подвергают холодному прессованию, получают заготовку. Заготовку отправляют в вакуумную печь, где при температуре 1500-1800º С происходит выгорание пластификатора. Одновременно происходит расплавление металлической связки. В результате частицы карбидов оказываются плотно связаны между собой. Далее идет заточка. После может проводится напыление нитрида титана TiN.

Штамповые стали.

Используются для изготовления инструмента, работающего без снятия стружки.

Стали для штампов для холодной деформации.

Стали с повышенной износостойкости применяются для разделительных штампов, а так же для штампов, работающих с малой относительной скоростью перемещения заготовки относительно штампа. Так как разделительные операции связаны с резанием металла, для штампов такого назначения применяют режущие стали У7-У13, легированные 7ХФ, 9ХФ, 11ХФ (с невысокой прокаливаемостью) и 9Х, Х, 9ХС, ХГС (с высокой прокаливаемостью). Выбор стали определяется размерами, т.е. прокаливаемостью, стоимостью.

Такой вид штамповки предполагает скольжение металла в заготовке по поверхности штампа. Такое скольжение быстро изнашивает штамп, что требует его ремонта или замены. Поэтому для сталей, используемых для изготовления штампов требуется высокая износостойкость. Износостойкость зависит от твердости. В результате количество карбидов примерно 18-22%. Большой недостаток хрома – его склонность к ликвации. В результате возникает карбидная неоднородность. После горячей ковки такой заготовки карбидную неоднородность удается уменьшить, но полностью устранить не получается. Возникает полосчатость. Такой дефект может вызвать преждевременный износ в виде изнашивания или расслоения. Чтобы уменьшить карбидную неоднородность Cr частично заменяют Mo, V, W. Такая замена позволяет повысить твердость штампа.

Основные стали: Х6ВФ, Х6Ф4, Х12М, Х12М, Х12Ф, Х12.

Термообработка такой стали включает в себя высокотемпературную закалку при температуре 950-1050º С и низкий отпуск 170-190º С. Твердость после термообработки HRC 62-64. нагрев под закалку ведут очень медленно, чтобы нагрев был равномерный. Охлаждение проводится в масле, либо проводят изотермическую закалку. Особенность стали заключается в высокой стойкости против отпуска. Структура стали: мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Остаточный аустенит добавляет вязкость стали, но тем не менее ее не достаточно, поэтому штампы не могут работать с резкими ударными нагрузками.

Стали с повышенной теплостойкостью. Из этих сталей изготавливают инструмент для холодной объемной штамповки. Работа инструмента холодной объемной штамповки сопровождается его разогревом в поверхностном слое до температуры 500-550º С. поэтому на первое место в списке свойств выходит высокая теплостойкость. Для обеспечения высокой теплостойкости применяют специальные стали, которые выдерживают длительную работу при такой температуре. Содержание С снижают до 0,8-1%, т.к. ударные нагрузки. Cr до 4%, Mo, V, W – 1-2%. Количество карбидной фазы 10-15%.

Основные стали: 8Х4В2М2Ф2, 8Х4В3М3С.

Термообработка: высокотемпературная закалка 1050-1100º С + трехкратный отпуск 550-560º С (чтобы убрать остаточный аустенит).

Стали с высокой ударной вязкостью.

Стали для инструмента горячей штамповки. При горячей обработке давлением заготовка предварительно нагревается в печи до рабочей температуры, затем перемещается в штамп, где происходит ее деформирование.

Условия работы инструмента горячего деформирования очень тяжелые. Переменные ударные нагрузки сочетаются с изменением температуры поверхности. Во время деформирования горячей заготовки поверхность инструмента разогревается , затем после удаления штамповки поверхность охлаждается. Изменение температуры поверхности ведет то к расширению, то к сжатию. В результате на поверхности появляются микротрещины. С течением времени они увеличиваются и могут привести к выкрашиванию поверхности. Это явление называется термической усталостью или разгаром. Скольжение горячего металла по поверхности штампа происходит с большой скоростью. В результате поверхность штампа сильно разогревается. Это ведет к отпуску металла, снижению твердости и быстрому износу. Резкие ударные нагрузки вызывают повышение давления внутри штампа. Это может вызвать появление усталостных трещин. Особенно часто они появляются в местах с малым радиусом закругления. Такие условия работы штампов требуют от сталей, из которых они изготовляются, своего комплекса свойств:

1. Теплостойкость.

2. Необходимая ударная вязкость.

3. Высокая разгаростойкость.

4. Прокаливаемость.

5. Окалиностойкость.

6. Твердость и износостойкость.

7. Стойкость против налипания.

Стали горячей штамповки делят на 3 группы:

1. Стали с повышенной вязкостью.

2. Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

3. Стали с высокой теплостойкостью.

1. Стали с повышенной вязкостью.

Эти стали предназначены для изготовления молотовых штампов.

Основные стали: 5ХНМ; 5ХГМ; 5ХВН.

Чтобы обеспечить высокую вязкость содержание углерода должно быть меньше 0,5%, должны быть легирующие элементы: Mn, Ni, Mo.

Термообработка должна обеспечивать максимальную вязкость: закалка 920-950º С + отпуск 500-550º С. прокаливаемость 300-500 мм (более 500 мм обеспечивает сталь 5Х2МН7 после закалки 980-1020º С).

2. Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

Данные стали предназначены для изготовления штампов, работающих на гидравлических прессах. Давление в штампе 2000-2500 мПа.

Требуются следующие свойства:

1. Высокая теплостойкость.

2. Высокая вязкость.

3..Основные стали: 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 4Х5В2ФС.

Термообработка: закалка 880-1050º С + высокий отпуск 550-650º С.

3. Стали с высокой теплостойкостью.

Данные стали предназначены для штамповки жаропрочных, коррозионностойких титановых сплавов.

Основная сталь: 3Х2В8Ф.

Повышения стойкости поверхности после горячей штамповки можно достичь методом ХТО (азотирование, хромирование, насыщение поверхности бором).

Стали для волков прокатных станов делятся на две группы:

1. Стали для волков холодной прокатки.

2. Стали для волков горячей прокатки.

1. Стали для волков холодной прокатки.

Данные стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, хорошей прокаливаемостью, необходимым запасом вязкости, хорошей полируемостью.

ø 200 мм – стали 9Х, 9ХФ, 9ХВФС.

ø 200-400 мм – сталь 9Х2Ф.

ø 400-600 мм – сталь 60ХВС.

2. Стали для волков горячей прокатки.

Данные стали должны обладать высокой теплостойкостью, вязкостью.

Термообработка: закалка + высокий отпуск.

Стали для измерительного инструмента.

Требования предъявляемые к сталям:

1. Размерная стабильность

2. Высокая износостойкость.

3. Высокая твердость.

4. Высокая шлифуемость, полируемость.

Коррозионностойкие стали

Коррозией называют разрушение металла под действием химического или электрохимического воздействия под действием окружаемой среды. Основные факторы воздействия коррозии и ее влияние на экономику:

1. Экономический фактор – экономические потери промышленности в результате коррозии.

2. Надежность эксплуатации объектов или машин.

3. Экологический фактор.

Виды коррозии:

1. Равномерная (поверхностная).

2. Местная (точечная).

3. Межкристаллитная (по границам зерен).

4. Коррозия под напряжением (ножевая).

5. Электрохимическая коррозия.

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов, которые вызывают его пассивацию. Пассивация – эффект создания на поверхности стальной детали тонкой защитной пленки, подслоем которой является кислород. Результат – электронный потенциал становится положительным и поверхность становится менее склонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно влияет Cr.

Химический состав: Cr 13-30%, Ni 4-25%, Mo до 5%, Cu до 1%. В зависимости от содержания легирующих элементов структура и свойства сталей могут быть различными. Если сталь содержит в основном Cr, который стабилизирует феррит, то сталь будет ферритной (низкая твердость, низкая прочность, высокая пластичность). Если сталь содержит в себе кроме Cr C, то ее структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можно прогнозировать ее свойства и назначать режимы термообработки. Для определения, к какому структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера.

Экв. Ni = %Ni + 30(%C) + 0,5(%Mn).

Экв. Cr = %Cr + %Mo + 1,5(%Si) + 0,5(%Nb).

Cr повышает коррозионную стойкость только в том случае, когда его количество в растворе превышает 13%. Если количество Cr не слишком высоко и при этом сталь содержит много углерода, то происходит взаимодействие Cr и С с образованием карбидов. Особенно энергично образование карбидов наблюдается на границах зерен. При этом количество Cr в твердом растворе снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятся незащищенными. В результате коррозия легко может пересылаться по границам, не затрагивая центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды по границам зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше 13%. Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуются карбиды по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счет диффузии из центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкость восстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr на границах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь склонна к межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии, нужно:

1. Понизить содержание углерода и азота.

2. Вводить в сталь другие карбидообразующие элементы более сильные, чем Cr (Ti, Nb).

3. Увеличить скорость охлаждения при термообработке.

4. Делать отжиг.

Хромистые нержавеющие стали.

Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α – фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.

Термообработка хромистых сталей.

Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τ_min при появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариант отжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре 650º С.

Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350º С. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С).

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

1. Cr – 13-28%.

2. С – 0,05-1%.

3. Ti, Nb < 1% - вводятся для стабилизации стали.

4. Ni, Cu, Mo – вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

1. Cr 13%.

2. Cr 17%.

3. Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем

По содержанию углерода стали делят на:

1. Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).

2. Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).

3. Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).

4. Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Ti и Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах – 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от –150 до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С – воздух) + отжиг (250-350º С).

Хромоникелевые стали.

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr, Ni, то температура не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:

Fe – Ni – Cr (04ХН40МДТЮ).

Ni – Cr (ХН45В).

Ni – Mo (Н70МФ).

Cr – Ni – Mo (ХН65МВ).

Жаростойкие стали и сплавы (ЖСС).

Под жаростойкостью понимают способность стали сопротивляться окислению при высоких температурах. .

При нагревании железа выше 700º С основным окислом на его поверхности является FeO. Кристаллическая решетка этого окисла неплотная и содержит большое количество вакансий. По вакансиям происходит диффузия

Для повышения жаростойкости в сталь добавляют легирующие элементы, которые входят в состав окислов FeO, располагаются в вакансиях и делают окисел более плотным. Если количество легирующих элементов велико, то они образуют двойные окислы (FeCr₂O₄, FeAlO₄). Если легирующих элементов много, то они могут образовывать свои собственные окислы. Жаростойкие стали и сплавы делятся на ферритные, мартенситные и аустенитные.

Жаростойкие стали ферритного класса (сильхромы).

Данные стали обладают высокой твердостью, прочностью, сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью. Они предназначены для длительной работы с постоянным воздействием ударных нагрузок. Основные стали: 40Х6С (800º С), 40Х7С6М (850º С), 40Х9С2 (900º С), 40Х10С2М (950º С), 30Х13Н7СМ (1100º С).

Термообработка: закалка + высокий отпуск.

Жаростойкие стали аустенитного класса.

Основные стали: 08Х18Н10Т (700º С), 08Х22Н20С2 (1100º С), 08Х28Н20 (1100-1150º С). Если требуется достичь температур 1100-1200º С, то используют нихромы (Ni-Cr): ХН80, ХН78Т.

Жаропрочность сталей и сплавов.

Под жаропрочностью понимают способность металла сопротивляться нагрузкам при повышенных температурах. Жаропрочность оценивается двумя показателями:

1. Предел длительной прочности, т.е. способность металла без разрушения выдерживать нагрузки при заданной температуре.

такая запись показывает, что данный сплав гарантированно без разрушения в течение 100 часов при температуре 700º С выдерживает нагрузку 50 мПа.

2. Предел ползучести.

Предел ползучести показывает, что данный металл или сплав при температуре 750º С под нагрузкой 100 мПа в течение 1000 часов изменит свои размеры не более, чем 0,1%. Основной механизм пластической деформации при высоких температурах – это диффузионная пластичность, т.е. последовательное перемещение атомов кристаллической решетки в направлении прикладываемой нагрузки. Наиболее энергично диффузия развивается при наличии дефектов кристаллической решетки (точечных, линейных и поверхностных). Наибольший вклад в этот процесс вносят поверхностные дефекты, особенно границы зерен. При повышении температуры силы связи между атомами ослабевают, поэтому наблюдается проскальзывание отдельных зерен друг относительно друга, т.к. именно на границах зерен наблюдается большое количество разорванных связей. То есть прочность границ при высоких температурах меньше, чем самих зерен. Поэтому в жаропрочных материалах всегда добиваются разнозернистой структуры или даже монокристаллической. Затруднить процесс ползучести можно так же блокируя перемещения дислокаций. Для этого необходимо вводить в сплав специальные легирующие элементы, которые образуют на плоскостях скольжения карбидные и интерметаллидные фазы. Дислокации, натыкаясь на эти фазы, тормозятся. Чем мельче эти фазы и чем их больше, тем интенсивнее процесс торможения и тем выше сопротивление ползучести. Наиболее сильно проявляется ползучесть при увеличении температуры выше температуры рекристаллизации металла – основы сплава. Для повышения температуры начала рекристаллизации вводят легирующие элементы, которые повышают порог рекристаллизации.

1. Для получения жаропрочного металла необходимо выбирать в качестве металла – основы сплава такие, у которых силы связи между атомами максимальны, т.е. металлы, обладающие наиболее высокой температурой плавления (Mg-651º С, Al-660º С, Ni-1442º С, Fe-1533º С, Ti-1668º С, Co-1830º С, Mo-2100º С, W-3430º С). При выборе металла – основы для жаропрочных сплавов необходимо учитывать наличие в данном металле полиморфных превращений. Т.к. смена кристаллической решетки при полиморфном превращении приводит к разупрочнению металла и к потере всех механических свойств. Полиморфное превращение затрудняет создание высокожаропрочных сплавов на базе Fe или Ti.

2. Легирующие элементы. Для создания жаропрочных сплавов необходимо вводить легирующие элементы, которые увеличивают силы связи в кристаллической решетке. А во-вторых, образуют в сплаве интерметаллиды и карбиды, препятствующие перемещению дислокаций. Одновременно с введением легирующих элементов необходимо обеспечивать чистоту сплава от вредных примесей. Вредными считаются легкоплавкие примеси, а так же любые другие элементы, вызывающие хрупкость.

3. Структура. Чтобы получить необходимую рабочую структуру для жаропрочных материалов, разработаны соответствующие режимы термообработки. Для получения крупнозернистой структуры, применяют высокотемпературный нагрев и длительную выдержку. При этом в раствор переходит большая часть легирующих элементов. Охлаждение проводится очень быстро (на воздухе или в воде) для фиксации пересыщенного твердого раствора. После закалки делается высокотемпературное старение.

Классификация жаропрочных сплавов.

Основные требования:

1. Максимально высокий предел длительной прочности.

2. Минимальная ползучесть в рабочем интервале температур.

3. Высокое сопротивление усталости, нечувствительность к концентраторам напряжений.

4. Максимально возможное сопротивление газовой коррозии.

5. Удовлетворительные технологические свойства (обрабатываемость давлением, литейные свойства, свариваемость).

1). 150-250º С – сплавы на основе Mg.

2). 250-350º С – сплавы на основе Al.

3). 350-450º С – сплавы на основе Ti.

4). 450-600º С – теплоустойчивые стали.

а) до 500º С – котельные стали (15К, 18К, 20К).

б) до 550º С – 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ.

в) до 600º С – 15Х5, 15Х5ВФ, 14Х12В2Ф.

Основное требование для теплоустойчивых сталей – длительная безаварийная работа (100000 – 300000 часов).

Термообработка: закалка + высокий отпуск (t_отп > t_раб).

5). 600-700º С – аустенитные стали на основе γ-Fe.

а) 10Х18Н14Т – гомогенные стали (не упрочняемые термообработкой). Применяется закалка (для получения однородной аустенитной структуры). Иначе такая термообработка называется аустенизацией.

б) 40ХН14В2М – тяжело нагруженные детали. Применяется закалка + отпуск. В процессе отпуска выделяются карбиды по границам зерен, что позволяет упрочнять сплавы.

в) 10Х11Н20Т3Р – карбидно – интерметаллидное упрочнение. Применяется закалка + старение. Закалка позволяет получить насыщенный твердый раствор. Старение позволяет получить выделение карбидов и интерметаллидов.

6). 700-800º С – сплавы на обнове Fe-Ni. ХН32Т, ХН35ВТЮ.

7). 800-900º С – сплавы на основе Ni. ХН77ТЮР, ХН72МБТЮ.

Термообработка: высокотемпературная закалка 1130-1170º С + старение 700-750º С. После выделения карбидной фазы проводят несколько низкотемпературных старений 500-550º С.

8). до 1000º С – литейные сплавы. ЖС3, ЖС6, ВЖЛ14, ВЖЛ32.

Цветные сплавы.

Al и его сплавы.

Сплавы делят на две группы. Алюминиевые сплавы принято классифицировать по технологическому признаку, базируясь на диаграмме состояния. Алюминий со всеми легирующими элементами образует диаграммы состояния с эвтектикой. Если в сплаве образуется эвтектика, то она располагается по границам зерен, препятствуя пластической деформации. Чем больше эвтектики, тем выше литейные свойства. Все сплавы, содержащие в составе эвтектику, называют литейными сплавами. Сплавы, в которых эвтектика не образуется, хорошо поддаются пластической деформации, поэтому называются деформируемыми сплавами. По отношению к термообработке все алюминиевые сплавы принято разделять на упрочняемые и не упрочняемые. Упрочнять алюминиевые сплавы можно только за счет закалки без полиморфного превращения, т.е. за счет ограниченной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. Поэтому все сплавы, лежащие левее линии сольвус, считаются не упрочняемыми термообработкой, т.к. при нагреве и охлаждении никаких фазовых превращений не происходит. Сплавы, лежащие правее линии сольвус, имеют ограниченную растворимость легирующих элементов. В процессе нагрева вторичные фазы растворяются, а при охлаждении снова выделяются. Используя это фазовое превращение, можно упрочнять такие сплавы за счет закалки и старения, поэтому такие сплавы называют упрочняемыми. Упрочнять термообработкой можно как деформируемые, так и литейные стали. В некоторых сплавах количество легирующих элементов невелико, поэтому эффект упрочнения от выделения вторичных фаз так же невелик. Такие сплавы так же считаются не упрочняемыми термообработкой (АМц, АМг).

Термообработка алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы подвергаются отжигу для получения равновесной структуры, а так же закалке и старению с целью упрочнения.

Отжиг алюминиевых сплавов. Для алюминиевых сплавов проводят отжиг на рекристаллизацию, гомогенизацию и для снятия внутренних напряжений.

Гомогенизация алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы отливают в виде слитков с применением специальных кристаллизаторов, охлаждаемых водой. Ускоренное охлаждение слитка ведет к появлению неравновесной структуры, т.е. по сечению слитка наблюдается дендритная ликвация, обратная зональная ликвация, наличие неравновесной эвтектики по границам зерен, выделение крупных интерметаллидов, микропоры. Такая неравновесная структура не обеспечивает высокой пластичности, и поэтому все слитки после кристаллизации подвергают высокотемпературному отжигу – гомогенизации. Температура отжига может быть либо выше, либо ниже температуры неравновесного солидуса. При таком отжиге высокая температура нагрева активизирует процессы диффузии, что позволяет выровнять химический состав по сечению слитка, т.е. устранить дендритную ликвацию. Одновременно с этим происходит растворение крупных частиц интерметаллидных фаз. Исчезают также выделения неравновесной эвтектики по границам зерен. Если гомогенизацию проводится по режиму, когда температура нагрева выше неравновесного солидуса, то нагрев сопровождается местным расплавлением, т.е. образуется жидкость между зернами в местах появления неравновесной эвтектики. Диффузия в присутствии жидкой фазы идет очень быстро, поэтому гомогенизация при такой температуре проходит быстрее. После выравнивания химического состава неравновесные фазы исчезают, устраняется и жидкая фаза. Слиток охлаждается.

Отжиг на рекристаллизацию.

Применяется для алюминиевых полуфабрикатов после холодной деформации для снятия наклепа. Алюминиевые сплавы легко поддаются всем видам ОМД. Как правило, слиток первоначально подвергают горячей деформации (происходит уплотнение металла: заварка всех пор, разбиваются и измельчаются интерметаллидные фазы). Горячая деформация, как правило, не позволяет получить точных размеров, не обеспечивается высокое качество поверхности. Поэтому после горячей деформации проводится холодная деформация, которая обеспечивает высокую точность и качество поверхности. Однако возникающий наклеп увеличивает прочность и жесткость металла. Для устранения наклепа применяют рекристаллизационный отжиг. В процессе рекристаллизационного отжига за счет процессов первичной и собирательной рекристаллизации происходит замена старых деформированных зерен на новые. Наклеп исчезает и металл снова можно подвергать пластической деформации. Разновидностью отжига на рекристаллизацию является отжиг на полигонизацию. Он проходит при температуре, которая ниже температуры отжига на рекристаллизацию. Во время этого отжига не происходит замены структуры, и снятие наклепа осуществляется частично за счет перераспределения дислокаций. После такого отжига металл сохраняет часть наклепа и имеет полутвердое состояние. Такой вид отжига применяют для сплавов, которые не упрочняются закалкой, т.е. увеличить прочность можно за счет частичного или полного сохранения наклепа.

Отжиг для снятия внутренних напряжений.

Применяется для готовых изделий, полученных с применением сварки или неоднородной пластической деформации. Внутренние напряжения в деталях, как правило, нежелательны, т.к. могут привести к короблению или преждевременному разрушению. Поэтому такие детали отжигают. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата, т.е. перераспределения точечных и линейных дефектов. Отжиг для снятия внутренних напряжений не следует путать с отжигом на возврат. Этот термин применяется на заводах для отжига, который используется для устранения в деталях закаленного состояния.

Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов.

Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до температуры выше линии солидус. Выдержка должна быть такой, чтобы обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно. Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени начинает распадаться. Процесс распада называется старением. Процесс распада твердого раствора можно разбить на 4 стадии:

1. В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной формы.

2. Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами Гинье-Престона (ГП).

3. На месте этих зон образуются θ’ – фазы. В зонах, обогащенных медью, образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и упрочняющей фазой.

4. Образуется θ – фаза.

Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки, т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается. На 4 стадии происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше, прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют перестариванием. Если требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3 стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.

Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур. Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее выделений. Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур, близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением. Такой отжиг называют отжигом на возврат.

Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов.

Для алюминиевых сплавов можно применять практически все виды т.м.о. Однако чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.

ВТМО.

Представляет собой сочетание упрочняющей термообработки и горячей пластической деформации. Горячая деформация проводится после нагрева под закалку, а резкое охлаждение проводится сразу после деформации. Деформация позволяет повысить прочность за счет увеличения плотности дефектов кристаллической решетки, т.е. за счет создания наклепа. Степень деформации должна быть такой, чтобы не вызвать начало рекристаллизации, т.е. при температуре деформации проходит только динамическая рекристаллизация. В результате в металле образуется сетка дислокаций, создающая ячеистую субзеренную структуру. Это позволяет не только повысить прочность, но и сохранить высокую пластичность и вязкость. Резкое охлаждение фиксирует эту структуру. Последующее старение ведет к распаду пересыщенного твердого раствора, а выделяющиеся частицы вторичных фаз располагаются вдоль сетки дислокаций, препятствуя их перемещению и способствуя увеличению прочности. Условием для успешного проведения нтмо является условие: Трек > Тзак. Если это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации. Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании. В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al – Mg – Si. В настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).

НТМО.

При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации, повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.

Сплавы алюминия.

Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.