О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів
3.3. Сталь, основи класифiкацiї та позначення марок (ІІІ частина)
3.3.11. Зносостійкі сталі Для деталей, які працюють в умовах абразивного тертя, високих тисків і ударів (напр.. траки гусениць, активні елементи крупорушок, млинів, тощо) використовують високо марганцеву литу аустенітну сталь 110Г13Л (0,9?1,1 %С, ~ 13 %Mn). Структура цієй сталі після лиття складається із аустеніту і залишкових карбідів, які виділяються по границям зерен, понижуючи міцність і в'язкість сталі. Тому литі деталі загартовують з нагрівом до 1100 0С з наступним охолодженням у воді. При цьому розчиняються карбіди, сталь після загартування набуває більш стійку аустенітну структуру, досягається твердість НВ 180-220. В процесі експлуатація, яка як правило, проходить при значних деформаціях та ударах, твердість сталі підвищується внаслідок ефекту наклепу, а тому збільшується опір зношуванню. Якщо ж сталь зазнає лише абразивного зношування, то підвищення зносостійкості не спостерігається. При підвищеному вмісті фосфору така сталь холодноламка.
3.3.12. Корозійно-стійкі сталі та сплави Корозія - як відомо, - це руйнування металів під дією навколишнього чи робочого середовища. При цьому метали покриваються продуктами корозії - іржавіють.
Нагадаємо, що розрізняють хімічну корозію - коли на метал діють газові середовища або неелектроліти (нафта, бензин) та електрохімічна, яка виникає під дією електролітів. Для однорідного металу характерна рівномірна корозія, яка відбувається рівномірно по всій поверхні, для неоднорідного - корозія носить яскраво виражений локальний характер. Місцеву корозію розрізняють - точкову, п'ятнисту та міжкристалічну. Найбільш шкідлива - остання: міжкристалічна - яка розповсюджується вглибину по границям зерен без помітних зовнішніх ознак. Сталь, яка зазнала міжкристалічної корозії втрачає характерний металевий звук, а при згині дає тріщини вздовж границь зерен. Особливим видом корозії - є дія корозійного середовища при сталій дії навантаження (напр., металеві опори), при цьому в металі утворюється тонка сітка тріщин з глибоким проникненням по границям зерен.
Сталь, стійку проти газової корозії при температурах понад 550 0С називають окалиностійкою. Сталі, стійкі до електрохімічної корозій, називають корозійностійкими, або нержавіючими.
Підвищення стійкості сталі проти корозії досягається введенням в неї елементів, які утворюють на поверхні захисну плівку, міцно зв'язану з основним металом та яка підвищує електрохімічний потенціал сталі в різних агресивних середовищах.
Підвищення окалиностійкості досягається введенням в сталь в першу чергу хрому, а також алюмінію та кремнію. Ці хімічні елементи в процесі нагріву утворюють захисні плівки оксидів (Cr,Fe)2O3 та (Al,Fe)2O3. Так, введення в сталь 57% Cr підвищує окалиностійкість до 700-750 0С, збільшення % вмісту хрому до 15-17% робить сталь окалиностійкістю до 950-100 0С, легування хромом до 25% підвищує окалиностійкість до 1100 0С, а легування до таких же концентрацій хрому з одночасним вве-денням 5% Al робить сталь окалиностійкою при 1300 0С.
Окалиностійкість сталей залежить не від її внутрішньої структури, а від вмісту компонентів. Тому стійкість феритних та перлітних сталей майже однакова. Найчас-тіше використовують феритно-мартенситні (фериту більше 10%) та аустенітно-феритні (вміст фериту теж понад 10%) структури сталей.
Серед хромистих корозійностійких сталей найбільш розповсюджені сталі 20Х13, 30Х13, 40Х13 та низьковуглецеві 12Х17, 15Х28. Сталі першої групи після за-гартування в повітрі мають структуру мартенсит. Покращені антикорозійні властивос-ті цих сталей пояснюються утворенням поверхневої захисної плівки оксиду типу Cr2O3. Чим більша в сталі концентрація вуглецю - тим вища схильність до утворення карбідів, а отже утворення двофазної структури, що зменшує хром у твердому розчині і тому понижує корозійну стійкість та крихкість. Корозійну стійкість сталі підвищують термічною обробкою: загартуванням з наступним високим відпуском і утворенням полірованої поверхні.
Сталь 20Х13 застосовують для виготовлення деталей з підвищеною пластичніс-тю, що піддаються ударним навантаженням та зазнають дії слабоагресивних середо-вищ (атмосферні опади, водні розчини солей органічних кислот). Вироби з них загар-товують в масло з 1000-1100 0С з наступним високим відпуском при 700-775 0С.
Сталі 30Х13, 40Х13 використовують для карбюраторних голок, пружин, хірургічного інструменту тощо. Ці сталі загартовують при 1000?1050 0С в маслі та підда-ють низькому відпуску. При цьому вони зберігають мартенситну структуру, високу твердість та мають достатню стійкість проти корозії.
Більшою корозійною стійкістю володіють феритні сталі 12Х17, 15Х28. Перша з них використовується для виготовлення кухонної посуди, обладнання для харчової промисловості, інших засобів, які не потребують зварювання, а друга - для виготовлення деталей, що працюють в більш агресивних середовищах, в тому числі тих, які виготовляють з використанням зварювання. Для підвищення стійкості проти кристалічної корозії таку сталь часто легують Титаном (15Х28Т). Титан зв'язує вуглець та запобігає утворення карбідів хрому, а значить сприяє рівномірному розподілу хрому по феритних зернах.
Промисловістю широко випускаються аустенітні корозійностійкі сталі типу 12Х118Н9 та 17Х18Н9, які після повільного охолодження мають структуру аустеніт-ферит-карбіди. Для посилення аустенітної структури сталі їх нагрівають до 1100-1150 0С (для розчинення карбідів) та загартовують у воді. Ці сталі використовують для виготовлення холоднокатаних листів та стрічок. Сталі добре зварюються точковим зварюванням та штампуються. Якщо в процесі виготовлення деталей ці сталі піддаються нагріву до 550-750 0С, то вони набувають схильності до міжкристалітної корозії, внаслідок виділення карбідів хрому, та відповідно утворення областей, бідних на Хром. Для зменшення схильності до такої корозії сталі додатково легують Титаном або Ніобієм, що призводить до утворення карбідів (NiC, NbC), які зв'язують вуглець, при цьому хрому залишається у розчині. Так, найбільшого розповсюдження у окис-лювальних середовищах ( робота в контакті з кислотами, лугами) набула сталь 12Х18Н10Т.
Сталі з пониженим вмістом Вуглецю 08Х18Н10, 04Х18Н10, 03Х18Н12 стійкі до азотної кислоти та інших агресивних середовищ і широко використовуються для виготовлення хімічної посуди. Ці сталі мають високу пластичність та піддаються зварюванню. Такі хромонікелеві сталі широко використовують в кріогенній техніці для транспортування і зберігання зріджених газів, резервуарів для пального у військовій промисловості тощо.
Проте, хромонікелеві корозійностійкі сталі досить дорогі через високий вміст Нікелю. Тому для менш відповідальних виробів часто використовують більш дешеві, у яких частина Нікелю замінена на Марганець.. Так, сталь 10Х14Г14Н4Т рекомендують як замінник сталі 12Х18Н10Т, у випадку, якщо вироби піддаються дії корозії з боку слабоагресивних органічних кислот, солей, лугів. Стійкість проти органічних кислот та морської води забезпечує також легування Молібденом. З цією метою використовують сталі 10Х17Н13М2Т та 10Х17Н13М3Т, які володіють високою корозійною стійкістю та високо технологічні, як під час плавки, так при виготовленні деталей на-віть зварюванням.
Аустенітно-феритні сталі мають порівняно з аустенітними більшу міцність при задовільній пластичності та кращий опір міжкристалітній корозії й корозійному розтріскуванню. Це сталі, леговані Хромом (18?22%), Нікелем (2?6%), а також незначні кількості Молібдену, Міді й Титану, напр., сталі 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т й інш.
Особливу групу утворюють аустенітно-мартенситні корозійностійкі сталі , які поряд із високою стійкістю проти атмосферної корозії, володіють високими механічними властивостями та добре зварюються, напр., сталь 09Х15Н8Ю. Для покращення механічних властивостей таку сталь піддають загартуванню при 975 0С, після чого сталь набуває структуру - нестійкий аустеніт+мартенсит, що надає їй досить високої пластичності і можливість обробки різанням. Після загартування сталь обробляють холодом до - 50-70 0С і піддають високому відпуску при 450-500 0С. Механічні властивості таких сталей залежать від кількості мартенситу, який утворився, та кількість якого можна регулювати температурою загартування й обробкою холодом.
В хімічній промисловості для виробів, які працюють в контакті з кислотами використовують високолеговані сталі на нікелевій основі. Так, для зварних конструкцій, стійких до гарячої сірчаної кислоти застосовують сталь 06ХН28МДТ. Стійкість до сірчаної кислоти забезпечують Нікель, Молібден і Мідь. Титан у цих сталях зменшує схильність до міжкристалічної корозії. Низька межа текучості обмежує використання цих сталей для сильнонавантажених деталей та вузлів. У цьому випадку використовують складнолеговану сталь 0Х16Н40М5Д3Т3Ю.
Сплав монель НМЖМц 28-2,5-1,5 (28%Cu, 2,5% Fe, 1,5% Mn) володіє високою корозійною стійкістю в повітрі, в морській воді, неорганічних кислотах. Його широко використовують в суднобудівній, нафтопереробній та фармацевтичній промисловостях.
Сплав Нікеля з Хромом (14-17%) та Залізом (6-10%) - інконель - володіє висо-кою міцністю, хорошою корозійною стійкістю до плавикової, фосфорної кислот, лугів, сірководневих середовищ і здатний працювати до 800 0С.
Сплави Н60М20, Н60М27, тобто Нікеля з Молібденом (20-30%) - хастелой - високо стійкі до сірчаної та соляної кислот, хоча при нагрванні до 600 0С схильні до міжкристалітної корозії. Для зменшення міжкристалітної корозії для високо відповідальних деталей сталі додатково легують Ніобієм та Ванадієм.
3.3.13. Жароміцні сталі і сплави Під жароміцними розуміють сталі, роботі температури яких лежать в межах 500-750 0С. Для температур до 600 0С використовують перлітні та мартенситні сталі, а більш високих - аустенітні.
Перлітні сталі застосовують для виготовлення деталей та вузлів енергетичних установок, які довготривало працюють при 500-600 0С. Для мало навантажених деталей можна використовувати низьковуглецеві сталі перлітного класу, що леговані Хромом, Молібденом та Ванадієм в кількостях понад 1% кожного елемента, напр., 16М, 15ХМ, 12Х1МФ. Після нормалізації такі сталі мають структуру -легований ферит+перліт, або перліт+бейніт, а після загартування - мартенсит, або мартен-сит+бейніт. Перлітні сталі частіше піддають нормалізації з подальшим високим відпуском при 600-750 0С. Така обробка дає можливість утворення структури тонко плас-тинчастого сорбіта, який володіє високою та довготривалою жароміцністю.
Сталь 16М використовують для виготовлення котлів, вона задовільно зварюється, але володіє заниженою жароміцністю і під дією високих температур і напруг схильна до графітизації. Тому для котельних установок, які працюють при температурах понад 550 0С і тисках понад 1000 Па використовують сталі 15ХМ, 12Х1МФ.
Мартенситні сталі застосовують для деталей і вузлів газових турбін і паросилових установок. Це сталі типів 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ. Легувальні елементи, що входять до їх складу утворюють карбіди, покращуючи жароміцність. Найбільш сильно покращують жароміцність Вольфрам і Ванадій. Додаткове легування сталей Бором, Цирконієм, Азотом додатково збільшує жароміцність. Робочі температури цих сталей можуть досягати 600 0С. Для одержання оптимальної жароміцності високохромисті сталі загартовують на мартенсит. Так, сталь 15Х11МФ загартовують при 1030-1060 0С, а сталь 15Х12ВНМФ при 1000-1020 0С з охолодженням у масло. Такі високі температури загартування потрібні для повного розчинення карбідів в аустеніті.
Для випускних клапанів двигунів внутрішнього згорання використовують хромокремнисті сталі мартенситного класу - сильхроми. Найбільш поширені з них 40Х9С2, 40Х10С2М, які використовують після загартування при 1000-1050 0С в масло з наступним відпуском при 720-800 0С з охолодженням на повітрі або у воді. При нагріві вище 600 0С міцність сильхромів різко падає, тому у форсованих двигунах доводиться використовувати жароміцні аустенітні сталі.
Аустенітні сталі містять значні кількості Хрому, Нікелю і Марганцю. Для досягнення високої жароміцності їх додатково легують Mo, W, V, Nb, B. Такі сталі працю-ють до температур 750 0С, вони достатньо пластичні, придатні до зварювання, хоча порівняно з попередніми, їх обробка різанням ускладнена.
Основні області застосування аустенітних сталей:
3.3.14.Інструментальні сталі Через специфічні умови роботи інструменту, крім вимог, що пред'являються до конструкційних сталей, до інструментальних матеріалів пред'являються вимоги високої зносостійкості і теплостійкості. Інструмент працює при контакті з оброблюваним матеріалом і зношується в процесі роботи. Ін-струментальні матеріали класифікують звичайно за двома ознаками: властивості і призначення.
Інструментальні сталі - це вуглецеві та леговані сталі, які володіють високою твердістю, міцністю зносостійкістю та використовуються для виготовлення різного інструменту. У більшості випадків - це заевтектоїдні сталі, структура яких після загартування та низького відпуску - мартенсит+залишкові карбіди. Доевтектоїдні сталі використовують для виготовлення інструменту, який повинен володіти підвищеною в'язкістю, як напр., штампи для гарячого деформування. Після загартування і серед-нього відпуску структура таких сталей - троостит або сорбіт. Зносостійкість і твер-дість таких сталей дещо нижча, ніж заевтектоїдних.
Інструментальні сталі поділяють на три групи:
За ступенем прогартування інструментальні сталі, що не володіють теплостійкістю поділяють на сталі з незначним про гартуванням (вуглецеві) та з підвищеним прогартуванням (леговані). Високолеговані напівтеплостійкі та теплостійкі володіють високим ступенем прогартовуваності.
Вуглецеві інструментальні сталі маркують літерою У та цифрою, яка показує середній вміст Вуглецю в десятих частках процента. Напр., У8, У10, У12 тощо. Якщо в кінці марки стоїть літера А, то це значить, що сталь високоякісна, напр., У10А. Леговані інструментальні сталі маркують цифрою, яка показує середній вміст вуглецю в десятих частках процента, коли вміст Вуглецю <1%, якщо ж цифра не ставиться, то процентний вміст Вуглецю >1%. Літери означають легувальні елементи, а цифри за ними - показують вміст легувального елемента в цілих процентах. Напр., 9ХСБ, 8Х2ВГ тощо.
1. сталі, які не володіють теплостійкістю, або їх називають нетеплостійкі - вуглецеві та леговані сталі із вмістом легувальних домішок до 4%;
2. напівтеплостійкі, які містять понад 0,7% С та 4-18% Сr;
3. теплостійкі - високолеговані сталі із значним вмістом Хрому, Вольфраму, Ванадію, Молібдену, Кобальту - це так звані швидкорізальні сталі.
![]() |
![]() |
![]() |
Рис. 3. 16. Мікроструктура швидкорізальних сталей |
Швидкорізальні сталі маркують літерою Р, цифра за нею показує середній вміст головного легувального елемента - Вольфраму в процентах. Якщо сталь додатково легована, то процентний вміст легувальних елементів вказується за відомим правилом у процентах після відповідної літери. Не зазначається лише процентний вміст хрому, оскільки для всіх сталей даної групи він складає 4%. Напр., Р16К5Ф2 - сталь швидкорізальна: ~16% W, ~5% Co, ~2% Al, ~4% Cr.
3.3.15. Сталі для різальних інструментів
Вуглецеві нетеплостійкі сталі - це сталі марок У8 - У13 (У8А - У13А), які володіють незначною прогартовуваністю, тому використовуються для інструментів незначних розмірів.
Різальний інструмент: фрези, свердла, шабери, ручні пилки, напилки, гострі хірургічні інструменти - виготовляють найчастіше із заевтектоїдних сталей У10-У13, які після термічної обробки мають структуру мартенсит+карбіди. Інструменти для обробки деревини: зубила, стамески, сокири, викрутки виготовляють з евтектоїд них сталей У7-У8, які після термічної обробки мають структуру - тростит.
Вуглецеві сталі у відпаленому стані мають структуру дрібного перліту, твердість ~НВ 170, тому добре обробляються різанням. Загартовують сталі У9-У13 при 760-810 0С у воду або водні розчини солей. Дрібний інструмент із таких сталей для запобігання деформаціям гартують ступінчато. Для збереження високої твердості ~HRC 62 проводять низький відпуск при 150-170 0С.
Сталь У7-У8 залежно від призначення гартують при 780 0С та піддають високому відпуску при 400-500 0С для досягнення ~НСR 50-60, або середньому відпуску при 275-325 0С для одержання ~НСR 45-50.
Переваги нетеплостійких сталей - дешевизна, невисока твердість після відпалу, хороша оброблюваність різанням і тиском у відпаленому стані.
Недоліки - вузький інтервал гартівних температур і необхідність охолодження у воді або розчинах лугів (солей), що підсилює деформацію та викривлення інструменту і сприяє утворенню тріщин. Тому інструменти складної форми з різкими переходами і великим співвідношенням довжини до діаметру з вуглецевих сталей не виготовляють.
Вуглецеві сталі застосовують для дрібного інструменту, що через низьку їх теплостійкість працює з малими швидкостями різання, оскільки при нагріві вище 190-200 0С твердість його сильно знижується. Різальний інструмент із вуглецевих сталей використовують для обробки матеріалів низької твердості.
Див. додаток 3.
Леговані нетеплостійкі сталі використовують для різального інструменту, який не перегрівається вище 200250 0С. Внаслідок вищого прогартування ці сталі можна охолоджувати в маслі та здійснювати ступінчате загартування для запобігання коробленню. Низьколеговані сталі 11Х, 13Х рекомендуються для інструментів діамет-ром до 15 мм. Сталі 9ХС, ХВГС мають ще вищу теплостійкість - до 260 0С та мало деформуються при загартуванні, їх застосовують для інструментів великого перерізу, а гартують в масло чи гарячі середовища.
Недоліком сталей 9ХС, ХВСГ є схильність до втрати вуглецю при нагріві і підвищена твердість у відпаленому стані (HB 187-241), що погіршує оброблювання цих сталей різанням.
Вказані сталі використовують для виготовлення круглих плашок, розгорток, зенкерів.
Такі леговані інструментальні стали, як 9ХС і ХВСГ, не володіють високою стійкістю проти відпустку і придатні тільки для різання з невеликою швидкістю.
Вольфрамові сталі В2Ф, ХВ4 після гартування у водних розчинах солей мають досить високу твердість, тому використовуються для пилок з обробки металу та медичних борів і граверних інструментів.
Високошвидкісна обробка різанням деталей з чорних і кольорових металів є новою і прогресивною технологією, яка інтенсивно розробляється і упроваджується в практику. Рівень швидкостей різання сталей і чавунів в машинобудуванні в даний час складає 100 - 300 м/хв., а загартованих сталей на порядок нижче. Зростання швидкості обмежується теплофізичними характеристиками традиційних інструментальних матеріалів - твердих сплавів і швидкорізальних сталей.
Швидкорізальні сталі володіють високою теплостійкістю, тобто здатністю зберігати мартенситну структур до температур 600-620 0С, а значить відповідно: міцність, високу твердість та зносостійкість. Ці властивості сталі дозволяють підвищити швидкість обробки металів у 3-4 рази. Основний легувальний елемент, що забезпечує теплостійкість є Вольфрам та Молібден. Сильно підвищує теплостійкість (до 650 0С) Кобальт, дещо менше Ванадій.
У внутрішній структурі швидкорізальних сталей переважає легований хромом ферит та карбіди, збагачені вольфрамом та ванадієм, причому частка карбідів складає ~ 25%.
Для зниження твердості та покращення обробки різанням швидкорізальну сталь піддають відпалу при 840-850 0С. Для надання сталі теплостійкості готові інструменти загартовують з наступними багатократними відпусками. Температури загартування досить високі (напр., для Р18 ~1280 0С, для Р12 - ~1235 0С), які необхідні для повного розчинення карбідів, тобто одержання рівномірно легованого аустеніту. Тоді внаслідок загартування й одержують однорідний мартенсит високої твердості (~HRC 60) та теплостійкості (~620 0С). Час витримки при гартуванні беруть 10-12 с на кожен міліметр діаметра інструменту, а для підвищення твердості і теплостійкості витримку при нагріві збільшують на 25%. Після загартування проводять високий відпуск впродовж 45-60 хв. при 500-570 0С, який дозволяє підвищити частку мартенситу з виділенням дисперсних карбідів. На рис.1,а показана мікроструктура швидкорізальної сталі після відпалу, рис.1,б - після загартування, рис.1,в ? після ви-сокого відпуску.
Див. додаток 3.
Для зменшення вмісту аустеніту у швидкорізальних сталях їх інколи піддають обробці холодом при -80 0С з подальшим спочатку низьким, а потім середнім відпуском. Твердість сталей у цьому випадку зростає до HRC 65.
3.3.16.Сталі для вимірювальних інструментів
Сталі для вимірювальних ін-струментів штангенциркулів, лінійок, шаблонів, калібрів тощо повинні володіти високою твердістю, зносостійкістю та зберігати постійні розміри.
Як звичайно, застосовують високовуглецеві хромисті сталі Х та ХВГ (0,95-1,1 %С, до 1 %Cr) та 12Х1 (1,15-1,25 %С, 1,3-1,65 % Cr). Вимірювальні інструменти піддають загартуванню від 840-880 0С в маслі. У високовуглецевих сталей при кімнатній температурі самовільно протікає процес старіння, який полягає в розпаді мартенситу, що в свою чергу призводить до зміни об'єму й лінійних розмірів виробів, а значить невідповідності вимірювальних інструментів еталонам.
Для запобігання цьому негативному явищу вимірювальні інструменти піддають довготривалому (12-60 год.) низькому відпуску при 120-140 0С. Твердість після такої обробки складає HRC 62-64. Інколи для більш повного перетворення залишкового аустеніту інструменти піддають обробці холодом при -50-80 0С.
Вимірювальні лінійки, шкали та довгі вимірювальні інструменти виготовляють із листових сталей 15 та 15Х, які для одержання високої поверхневої міцності та зносостійкості цементують та загартовують.
до наступного розділу...
[ початок сторінки ] [ перехід до змісту ]