ткм

мелкокристаллического мартенсита, мелких равномерно распределѐнных зѐрен карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита.

Совместное насыщение стали азотом и углеродом широко применяют на автомобильных и тракторных заводах.

9.4. Алитирование

Алитирование – насыщение поверхности металлических изделий алюминием. Алитированный слой хорошо защищает от окисления изделия, эксплуатируемые при повышенных температурах (до 1 100 oС). Это объясняется образованием плотной плѐнки оксида Al2О3, предохраняющей металл от окисления. Алитирование увеличивает коррозионную стойкость изделий в азотсодержащих средах, защищает от науглероживания при нагреве в восстановительных углеродсодержащих средах. Механические свойства алитированного слоя невысоки.

Чаще всего алитированию подвергают изделия из низкоуглеродистой стали, реже – из среднеуглеродистой стали, чугуна, жаропрочной стали, жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе.

Распространены следующие способы алитирования:

в порошкообразных смесях, содержащих алюминий или ферроалюминий. Алитирование очищенных изделий из сталей и жаропрочных сплавов на кобальтовой и никелевой основе осуществляют в жаропрочных муфелях при 700–1 100 oС. Продолжительность обработки составляет от 2 до 16 ч. При этом получают толщину алитированного слоя до 1,5 мм. Способ сравнительно прост, обеспечивает получение однородного по структуре и равномерного по толщине слоя. Недостаток – сложность нанесения покрытия на отдельных местах изделия;

шликерное алитирование, заключающееся в нанесении на очищенную поверхность изделия алюминиевой краски (шликера), последующей просушке изделия при 100–200 oС и высокотемпературном отжиге при температуре 800– 1 100 oС на воздухе, в аргоне или вакууме. Способ несложен, дает возможность наносить покрытие на отдельных местах изделия и изделиях сложной конфигурации (например, на лопатках турбин). Главный недостаток – трудность получения слоя равномерной толщины и, следовательно, недостаточная воспроизводимость свойств при одних и тех же условиях процесса;

жидкостное алитирование, которое проводят в расплавленном алюминии или его сплавах при 670–850 oС и выдержке 2–15 мин. Используется главным образом для алитирования изделий из стали и никелевых сплавов. Преимущество – простота и экономичность. К недостаткам можно отнести: трудоѐмкость подготовки поверхности и получения равномерного по толщине слоя;

вакуумное алитирование, осуществляемое при 10-2–10-5 мм рт. ст., 950– 1 200 oС и выдержке 2–8 ч. Способ основан на испарении алюминия и его осаждении на изделиях.

Алитированный слой стали представляет собой твѐрдый раствор алюминия в α-железе. При алитировании изделий из никеля образуются

интерметаллические соединения NiAl, Ni3Al, твѐрдый раствор алюминия в никеле.

Алитирование используют при обработке лопаток, сопловых аппаратов турбин, автомобильных клапанов, как технологическую защиту проката и т. п.

Алитирование не следует отождествлять с алюминированием. Алюминирование – нанесение на поверхность металлических изделий покрытий из алюминия или его сплавов. Алитирование можно рассматривать как разновидность алюминирования.

9.5. Борирование

Борирование – насыщение поверхностного слоя металлических изделий бором. Борирование осуществляют с целью повышения поверхностной твѐрдости и износостойкости изделий, реже – их коррозионной стойкости и теплостойкости. Борированию подвергают изделия из железа, сплавов на его основе и тугоплавких металлов. Различают три вида борирования: твѐрдое, жидкостное и газовое.

Твѐрдое (или порошковое) борирование проводят в контейнерах в порошковых смесях, содержащих порошкообразный боризатор (аморфный бор, карбид бора, ферробор и другие соединения) и специальные добавки. Для получения борированного слоя толщиной 0,1–0,3 мм на сталях насыщение осуществляют при 900–1 100 oС в течение 5–6 ч. Разновидностью твѐрдого борирования является вакуумное борирование, осуществляемое при давлении 10-3 мм рт. ст. и высоких температурах в результате испарения аморфного бора или карбида бора. Пары конденсируются на поверхности обрабатываемой детали, и бор диффундирует в металл.

Жидкостное борирование сталей (электролизное и безэлектролизное) проводят при 850–1 000 oС в расплавах различных солей с введением в них борсодержащих компонентов. Часто используемое электролизное борирование обычно осуществляют в расплаве буры, которая под действием температуры и вследствие наложения постоянного электрического тока диссоциирует с выделением атомов бора, диффундирующего в изделие.

Газовое борирование проводят при термической диссоциации газообразных соединений бора – диборана В2Н6, трѐххлористого бора BCl3 и других, обычно в смеси с водородом. При газовом борировании насыщение протекает интенсивнее, чем при твѐрдом или жидкостном. На стальных изделиях слой боридов толщиной 0,1–0,2 мм при температуре 800–900 oС образуется за 2–5 ч. Борированный слой обладает высокой твѐрдостью (HV 1 800–2 000) и состоит, как правило, из двух фаз – моноборида FeB (16,25 % В) и борида Fe2B (8,48 % В). Борированию подвергают втулки и штоки буровых насосов, элементы гусениц тракторов, звенья цепных пил, детали вытяжных и гибочных штампов и другие изделия, эксплуатируемые в условиях абразивного износа. Износостойкость деталей после борирования возрастает в 2–10 раз.

В промышленности, кроме рассмотренных выше процессов, используются: хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом, силицирование – насыщение кремнием, сульфидирование – насыщение серой и

другие процессы, в том числе насыщение двумя и большим количеством компонентов.

ГЛАВА 10. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 10.1. Конструкционные стали

Из миллиарда тонн материалов, ежегодно производимых на нашей планете, 99 % – материалы конструкционные. К основным металлическим конструкционным материалам относятся сплавы на основе железа, алюминия, меди, никеля, титана, магния, цинка. Технически чистые металлы в качестве конструкционных применяются редко.

К конструкционным сталям относят стали, которые применяются для изготовления конструкций и сооружений, деталей машин и механизмов. Конструкционные стали должны гарантировать надѐжную работу материала при эксплуатации и обладать хорошими технологическими свойствами. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными .

Конструкционные стали подразделяют по химическому составу, качеству, степени раскисления, типу структуры, прочности и назначению, т. е. по самым разнообразным признакам. Единой системы классификации в настоящее время нет. Рассмотрим наиболее распространѐнные конструкционные стали, как это представляется в современной литературе.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. В

зависимости от гарантируемых свойств стали обыкновенного качества согласно ГОСТ 380-71 подразделяли на стали следующих трех групп:

А – поставляемые промышленностью по механическим свойствам без уточнения химического состава. Стали этой группы обозначаются буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст3Г, Ст4, Ст5, Ст5Г, Ст6. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца в стали);

Б – поставляемые с гарантированным химическим составом. Стали этой группы обозначаются аналогично сталям группы А, но с той разницей, что в начале марки ставится буква Б (БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт3Г, БСт4, БСт5, БСт5Г, БСт6);

В – поставляемые с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт3Г, ВСт4, ВСт5, ВСт5Г).

Чем больше число в обозначении марки, тем больше содержание углерода и, следовательно, выше прочность (ζВ, ζ0,2) и ниже пластичность стали (δ, ψ).

Легированные стали - стали, содержащие в своем составе специально введенные легирующие элементы или повышенное количество кремния или марганца – более 0,5–1,0 %. – Прим. авт.

В новом ГОСТ 380-94 такого подразделения нет. Во избежание возможных вопросов у пытливого читателя, просматривающего литературу разных лет, представляется целесообразным кратко привести «устаревшую» информацию. Межгосударственный стандарт ГОСТ 380-94 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 1998 г. Марки углеродистой стали обыкновенного качества по новому ГОСТ приведены ниже. – Прим. авт.

Стали группы В обладают повышенным качеством и поставляются по особым техническим условиям.

Взависимости от степени раскисления и характера затвердевания металла

визложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, находящегося в виде оксида FeO (традиционное название закись железа) и способствующего хрупкому разрушению при горячей деформации.

Кипящие стали раскисляют только марганцем (неполное раскисление). Поэтому в этих сталях содержится повышенное количество закиси железа, которая при затвердевании металла частично взаимодействует с углеродом, образуя пузырьки CO. Всплывая в верхнюю часть слитка и удаляясь из жидкого металла с увеличением объема, пузыри CO создают впечатление кипения стали, что и обусловило еѐ название. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (полное раскисление). Эти стали содержат минимальное количество закиси железа и затвердевают ««спокойно» без газовыделения. Полуспокойные стали представляют стали промежуточного типа.

Вверхней части слитка спокойной стали образуется усадочная раковина и околоусадочная рыхлость, удаляемые при прокатке обрезкой или обрубкой. В слитке кипящей стали за счѐт большого количества газовых пузырей, компенсирующих уменьшение объѐма металла при его застывании, усадочная раковина отсутствует.

При маркировке кипящую, полуспокойную и спокойную стали обозначают символами «кп», «пс» и «сп». Эти индексы добавляют после номера марки и буквы Г, например: Ст1кп, БСт5пс, ВСт3сп. Индекс «сп» может и не приводиться. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют. Углеродистые стали выпускают всех трѐх типов, легированные – обычно спокойными. Углеродистые стали всех трѐх групп используются для изготовления металлоконструкций и слабонагруженных деталей машин. Эти стали обычно содержат до 0,6 % C и могут иметь повышенное содержание серы и фосфора – до 0,05 и 0,04 % соответственно. Стали группы А термической обработке не подвергают. По ГОСТ 380-94 углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» – степень раскисления («кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная).

Углеродистые и легированные конструкционные качественные стали.

Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 % каждого. Углеродистые качественные стали маркируют цифрами (числами) 08, 10, 15, 20, 25 и далее до 85, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Легированные конструкционные стали маркируются сочетанием цифр и букв, например: 35Х, 15ХФ, 20Х2М, 12ХН2. Первые две цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в

сотых долях процента, буквы – легирующий элемент, а следующие за буквами цифры – примерное содержание соответствующего элемента в процентах. Если после буквы цифры нет, содержание легирующего элемента в стали не превышает 1,5 % (за исключением молибдена и ванадия, содержание которых в большинстве сталей составляет 0,1–0,3 %).

Приняты следующие обозначения легирующих элементов: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий.

Конструкционные стали высококачественные и особо высококачественные. По химическому составу стали высококачественные – это главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не превышает 0,025 % каждого. При обозначении высококачественной стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М – качественная, а сталь 34ХН3МА – высококачественная.

В особо высококачественных сталях содержание углерода и легирующих такое же, как и в соответствующих марках высококачественных сталей. Содержание серы и фосфора наименьшее – до 0,015 и 0,025 % соответственно. Особо высококачественные стали обозначаются буквой Ш в конце марки, например: 30ХГСШ.

Конструкционные цементуемые углеродистые и легированные стали. Эти стали содержат 0,1–0,25 % углерода. Небольшие детали, работающие на износ при малых нагрузках, т. е. в условиях, когда прочность сердцевины не оказывает существенного влияния на эксплуатационные свойства, изготовляют из углеродистых сталей марок 10, 15, 20. Тяжелонагруженные крупные детали, в которых кроме высокой твѐрдости поверхности необходимо иметь прочную сердцевину, изготовляют из легированных сталей марок 12Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА и других. После цементации, закалки и низкотемпературного отпуска твѐрдость поверхности составляет 60–64 НRС, а твѐрдость сердцевины

30–40 НRС.

Широко используются хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые стали, а также стали, легированные бором.

Цементация (и нитроцементация) применяется для упрочнения валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, зубчатых колѐс и многих других деталей машин и механизмов.

Конструкционные улучшаемые углеродистые и легированные стали. К

улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые стали (0,3–0,5 % C), подвергаемые закалке от 820–880 °С в масле (крупные детали – в воде) и высокотемпературному отпуску при 550–680 °С (улучшению). Углеродистые стали марок 40 и 45 используют для изготовления деталей небольших сечений и испытывающих небольшие напряжения. Легированные стали марок 45Х, 30ХГС, 40ХНМ и многих других, обладающих высокой прочностью и достаточно хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью, используют для

изготовления деталей значительного сечения и работающих при высоких нагрузках.

Широкое применение нашли хромистые, хромомарганцевые, хромокремнемарганцевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и хромоникельмолибденованадиевые стали.

Улучшаемые стали используются для изготовления коленчатых валов, шатунов, клапанов, шпинделей, зубчатых колѐс, валков горячей прокатки, муфт, дисков паровых турбин и других «ответственных» деталей. Высокая поверхностная твѐрдость достигается закалкой токами высокой частоты.

Рессорно-пружинные стали. Указанные стали используют для изготовления рессор, пружин и упругих элементов различного назначения. Основные требования к этим сталям – высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости) и высокий предел выносливости при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью.

Этими свойствами обладают углеродистые стали, содержащие более 0,5– 1,0 % С (например, стали 65, 85), а также стали, легированные кремнием, марганцем, вольфрамом, ванадием, хромом и другими элементами (стали марок 50С2, 60С2А, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА и др.). Стали подвергают закалке от 830–850 °С в масле (в случае больших сечений – в воде) и отпуску при температуре 400–520 °С.

После закалки по всему объѐму должна быть мартенситная структура. Присутствие остаточного аустенита, продуктов эвтектоидного или промежуточного превращений ухудшает пружинные свойства.

Шарикоподшипниковые стали. Сталь, предназначенная для изготовления подшипников качения (наружные и внутренние кольца, шарики и ролики), должна обладать высокой твѐрдостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. Основная сталь, используемая для этой цели, – сталь ШХ15, где число, делѐнное на 10, означает среднее содержание хрома в процентах (0,95–1,05 % С, 1,30–1,65 % Сr).

Термическая обработка подшипниковой стали заключается в следующем. Сначала сталь подвергают отжигу, который обеспечивает получение однородной структуры мелкозернистого перлита с твердостью НВ 178–207, обладающего удовлетворительной обрабатываемостью резанием и достаточной пластичностью при холодной штамповке шариков и роликов. После этого кольца, шарики и ролики подвергают закалке от 840–860 °С в масле для получения структуры мартенсита и низкому отпуску при 150–170 °С (HRC

61-65).

Износостойкие стали. В качестве износостойкой стали широкое применение нашла высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, содержащая 0,9– 1,3 % С и 11,5–14,5 % Mn. Из нее изготавливают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, ковши экскаваторов, щѐки дробилок и другие детали машин и механизмов, работающих в условиях абразивного изнашивания, высоких давлений и ударных нагрузок.

После литья структура стали 110Г13Л состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe,Mn)3С, выделяющихся по границам зѐрен и снижающих прочность и вязкость стали. Литые изделия подвергаются закалке с нагревом до 1 100 °С и охлаждением в воде. При такой термообработке карбиды растворяются и сталь приобретает более устойчивую аустенитную структуру.

Характерной особенностью стали 110Г13Л является еѐ способность сильно упрочняться под действием холодной деформации. При ударных нагрузках происходит деформационное упрочнение аустенита и образование ε-мартенсита с ГПУ-решѐткой, что приводит к высокой износостойкости. В условиях чистого абразивного изнашивания и при небольших ударных нагрузках мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали невысокая.

Фосфор, образующий по границам зѐрен хрупкую фосфидную эвтектику, придает стали хладноломкость. Поэтому при использовании этой стали в районах севера содержание фосфора не должно превышать 0,02–0,03 %.

При циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании высокой стойкостью обладает литая сталь 60Х5Г10Л, также претерпевающая при эксплуатации мартенситное превращение. В условиях изнашивания при кавитационной эрозии применяют стали 3ОХ10Г10, ОХ14АГ12 и ОХ14Г12М, испытывающие при эксплуатации частичное мартенситное превращение (судовые гребные винты, лопасти гидротурбин и гидронасосов и другие детали).

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочностью называют свойство материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием механических нагрузок в области высоких температур. Жаропрочные сталии сплавы характеризуются высоким сопротивлением ползучести, длительной прочностью, большим сопротивлением знакопеременным нагрузкам и жаростойкостью (окалиностойкостью).

Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С, причѐм при температурах до 600 °С обычно используют стали на основе α-твѐрдого раствора, а при более высоких температурах – на основе аустенитного γ- твѐрдого раствора.

Для изготовления сравнительно мало нагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах до 500–580 °С и подверженных ползучести, используют низкоуглеродистые стали перлитного класса, легированные хромом, молибденом и ванадием (16М, 15ХМ, 12Х1МФ и др.). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации феррита и затрудняют диффузионные процессы, повышая тем самым жаропрочность стали. Перлитные стали обычно подвергают нормализации и отпуску при 600– 750 °С, что обеспечивает получение тонкопластинчатого перлита (сорбита) и более высокую длительную жаропрочность по сравнению с закалкой и высоким отпуском, приводящим к формированию зернистого сорбита. Для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, турбинные

К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если его содержание превышает 50 %. –Прим.авт.

диски и роторы, клапаны автомобильных и авиационных двигателей) применяют мартенситные и мартенситно-ферритные сложнолегированные стали, например: 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, 40Х9С2 (сильхром), 40Х10С2М, 18Х12ВМБФР. В состав этих сталей входят хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, бор и другие элементы, которые, повышая температуру рекристаллизации, образуя карбиды и фазы Лавеса – Fe2W (Fe2Mo), увеличивают жаропрочность. Рабочие температуры некоторых сталей могут достигать 600–620 °С. Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали подвергают закалке на мартенсит и отпуску. Структура сталей после отпуска – сорбит и троостит.

Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных и мартенситноферритных сталей. Из них изготавливают детали, работающие при 500–750 °С. Стали содержат большие количества хрома, никеля и марганца, дополнительно легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором, что в совокупности обеспечивает их высокую жаропрочность.

По способу упрочнения аустенитные стали делят на три группы:

стали со структурой твѐрдых растворов, содержащие сравнительно небольшое количество легирующих элементов и не упрочняемые старением, например: 09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2БР, 09Х14Н19В2БР. Эти стали применяют после закалки от 1 100–1 160 °С в воде или воздухе;

стали со структурой твѐрдых растворов и карбидным упрочнением (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и др.). Упрочняющими фазами являются как первичные карбиды, так и вторичные, выделяющиеся из твѐрдого раствора;

стали со структурой твѐрдых растворов и интерметаллидным упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р и 10Х11Н23Т3МР. Упрочняющими фазами в этих сталях являются интерметаллиды Ni3Аl, Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Nb и др.

Аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают закалке с температур 1 050–1 200 °С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при температуре 600–850 °С. Высокая температура закалки необходима для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в аустените и получения после охлаждения высоколегированного твѐрдого раствора с относительно небольшой твѐрдостью. Во время старения из твѐрдого раствора выделяются дисперсные фазы, упрочняющие сталь. Иногда применяют двойную закалку и двойное старение.

К группе жаропрочных сплавов относятся сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплавы на никелевой основе, называемые нимониками, предназначены для изготовления деталей с длительным сроком эксплуатации при 650÷850°С. Высокая жаропрочность формируется при старении закалѐнных сплавов в процессе выделения интерметаллидной γ-фазы, т. е. Ni3(Ti,Al), или фазы Ni3Al. Широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР и ХН70ВМТЮ.