книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали

УДК 669.621:621.762:669.01.034 К47

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор Пермского государственного университета Л.В. Спивак;

доктор технических наук, профессор Пермского государственного технического университета И.Л. Синани

Клейнер Л.М., Шацов А.А.

К47 Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартен­ ситные и порошковые стали. Прикладное металловедение: Учеб, по­ собие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - 142 с.

ISBN 5-88151-395-9

Рассмотрены основные принципы формирования состава конструкционных низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС), предназначенных для изготов­ ления термоупрочненных полуфабрикатов (прутков, поковок, штамповок, труб, фасонного профиля) и высокопрочных сварных конструкций. Показаны техноло­ гические преимущества НМС. Приведены технология получения, структура, свой­ ства и обоснование выбора материала для деталей из порошковых материалов. Обсуждена роль особенностей структуры в реализации конструкционной прочно­ сти.

Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению 651300 - Металлургия. Может быть полезно металловедам, технологам и конст­ рукторам машиностроительных, приборостроительных и металлургических пред­ приятий.

В настоящем пособии рассмотрены два класса материалов, широко применяемых в промышленности: в первой части - низкоуглеродистые мартенситные стали, во второй - конструкционные порошковые материа­ лы.

Основой для выбора материала и технологии изготовления деталей должны служить три критерия.

Первый, и наиболее важный, критерий - обеспечение работоспособ­ ности. Решение проблемы работоспособности в большинстве случаев со­ пряжено с определением конструкционной прочности, надежности и дол­ говечности изделия или пары трения.

Второй критерий - стоимость изготовления единицы продукции. Здесь необходимо учесть все расходы, включая расходы на обеспечение экологической безопасности, для заданной производственной программы.

Третий критерий - технологичность. Процесс и материал должны удовлетворительно вписываться в имеющееся производство, в противном случае затраты на освоение или переоснащение предприятия могут сде­ лать новую технологию нерентабельной. Следует обратить внимание на различный подход к назначению допусков на дальнейшую обработку дета­ лей, получаемых методами порошковой металлургии (ПМ) и по традици­ онным технологическим процессам. Во всех случаях выбор технологиче­ ского процесса или материала определяется соотношением цена/качество.

Повышение качества и надежности оборудования в значительной ме­ ре зависит от совершенства новых конструкций и их технологичности. Высокая технологичность обусловливает минимальные затраты и устой­ чивость процесса изготовления. Создание перспективных образцов опре­ деляется наличием технологичных материалов и новых технологических процессов. Их взаимное влияние определяет качество изготовления новых изделий, надежность, технические характеристики и трудоемкость, стои­ мость и необходимость капитальных затрат на освоение производства но­ вых изделий.

Современный уровень технологии должен решать задачи снижения трудоемкости, металлоемкости, повышения производительности труда, ка­ чества и надежности новых образцов изделий. Разработка новой техноло­ гии должна базироваться на последних научных достижениях. Новейшие достижения в области физического металловедения, обработки давлением, сварки, упрочняющей термообработки позволяют создать рациональные технологические процессы и новые конструкционные стали, обеспечи­ вающие минимальные затраты. При производстве оборудования значи­ тельную долю затрат составляют термоупрочненные листосварные к’онст-

рукции. Важную роль в технологии изготовления деталей играют точные термоупрочненные заготовки: цилиндры, штамповки, трубы, фасонный профиль, лист и т.п. Одной из серьезных проблем изготовления листосвар­ ных конструкций и точных заготовок является обеспечение бездеформационности термической обработки и свариваемости термоупрочненных дета­ лей. Существенные трудности связаны с тем, что современные конструк­ ционные стали закаливают только в жидких средах, а также с тем, что эти стали содержат достаточно большое количество углерода (0,15-0,40 %). Неизбежность деформации сталей при закалке и их ограниченная свари­ ваемость в термоупрочненном состоянии диктуют определенную техноло­ гическую последовательность операций при изготовлении листосварных инструкций и заготовок и сдерживают рост прочности. По установившейся в промышленности технологии детали сваривают в термоупрочненном со­ стоянии; в результате этого равнопрочность сварных соединений не обес­ печивается, и для предотвращения образования трещин требуется подог­ рев.

Совмещенный процесс формообразования и закалки с использовани­ ем серийных среднеуглеродистых сталей нашел применение в промыш­ ленности страны благодаря теоретическим разработкам, выполненным под руководством Р.И. Энтина, В.Д. Садовского, М.Л. Бернштейна, О.И. Шав­ рина. Однако трудности в осуществлении деформации, закалки, отсутствие необходимого сложного оборудования, низкая обрабатываемость резанием сдерживают широкое внедрение этих технологических процессов. Внедре­ ние термомеханической обработки (ТМО) связано с капитальными затра­ тами на организацию специализированного производства* Применение со­ вмещенного процесса формообразования и упрочняющей обработки огра­ ничено необходимостью использования жидких сред из-за низкой прокаливаемости серийных сталей. Поэтому ТМО распространена там, где тре­ буется обеспечение очень высоких механических характеристик и мал объем механической обработки.

Решение технологических проблем обеспечения бездеформационности термической обработки сложных конструкций и заготовок и обеспече­ ние свариваемости в термоупрочненном состоянии достигаются путем соз­ дания совершенного термического и сварочного оборудованияПри этом требуются большие капитальные затраты на оборудование и производст­ венные площади. Этот путь не решает поставленйьгх задач, когда конструкции и заготовки имеют сложную форму. Наиболее простой и на­ дежный способ - использование специально созданных низкоуглероди­ стых мартенситных сталей, обеспечивающих бездеформадионную терми­ ческую обработку и хорошую свариваемость. При этом для осуществления технологического процесса производства термоупрочн^нных листосвар­ ных конструкций с равнопрочными сварными соединениями не требуется

специального оборудования и новых способов сварки. Такой экономиче­ ски целесообразный процесс легко освоить в потоке существующего про­ изводства. Главным достоинством является возможность проведения бездеформационной закалки сварных конструкций на воздухе, а следователь­ но, сварки деталей в нетермоупрочненном состоянии. Использование низ­ коуглеродистых мартенситных сталей, не склонных к деформации и обла­ дающих глубокой прокаливаемостью, может решить проблему получения точных термоупрочненных полуфабрикатов (проката, листа, труб и т.п.) и заготовок на металлургических заводах и в металлургическом производст­ ве машиностроительных заводов. Точность геометрических параметров определяется совершенством оборудования для горячей обработки давле­ нием.

Особое место в машиностроении занимают конструкционные порош­ ковые материалы. Их применяют для изготовления деталей с уникальными свойствами, а также в тех случаях, когда использование ПМ позволяет по­ высить коэффициент использования металла или производительность тру­ да. Если приходится выбирать между традиционной технологией и ПМ, то чаще всего при серии меньше 20 тыс. штук порошковая технология будет нерентабельной уже потому, что пресс-инструмент рассчитывают на 30 тыс. деталей. Вместе с тем крупногабаритные изделия, при производстве которых мала доля отходов, изготовляют из традиционных сталей, по­ скольку типичная стоимость проката - 5 руб/кг, а порошка железа - 20 руб/кг. Технология ПМ обычно рентабельна (исключая специальные мате­ риалы) при изготовлении средних и малых деталей разнообразной формы весом от нескольких граммов до килограмма.

ЧАСТЬ 1. НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Уровень технологического процесса изготовления сварных конструк­ ций, деталей и машин в значительной мере определяется правильным вы­ бором материалов. Особое место среди них занимают термоупрочняемые конструкционные стали. Чрезвычайно важно найти экономически целесо­ образное легирование, обеспечивающее оптимальную технологичность в машиностроении и конструкционную прочность. Согласно работам [1,2, 3] механические и технологические свойства стали должны максимально способствовать обеспечению точности деталей, универсальности ее при­ менения, а следовательно, и унификации технологических процессов про­ изводства заготовок и деталей (выплавки, прокатки, ковки, штамповки, термической обработки, сварки, обработки резанием).

Повышение прочности стали в сочетании с высокими характеристи­ ками вязкости и пластичности делает возможным снижение массы изде­

лий. Наиболее технологичный материал позволяет сконструировать маши­ ны с повышенными техническими характеристиками.

Технологические свойства стали влияют на способ изготовления ис­ ходной заготовки для деталей, на возможность оптимизации в целом тех­ нологического процесса изготовления деталей и сварных конструкций, а также на выбор технологического процесса.

В индивидуальном или мелкосерийном производствах, когда часто требуется использовать различные технологические процессы, вызываю­ щие переналадку оборудования и изменение порядка технологических операций, особое значение приобретает правильный выбор или создание новых технологичных сталей.

В настоящее время в производстве для термоупрочненных листо­ штамполитосварных конструкций и точных заготовок с пределом текуче­ сти до 1000 МПа применяют среднеуглеродистые конструкционные леги­ рованные стали типа 20ХГСА, 12ХНМФА, 12Х2НВФА, 20ГНМ, 38ХМ, 38ХШМ. 38XH3M, 38XH3BA, 38Х2Н2МА, 45ХНМФА, 08ГДНФЛ, 12ДН2ФЛ, 35ГНМЛ. Выбор стали зависит от условий работы в изделиях и технологических свойств. При этом важно с целью унификации техноло­ гических процессов использовать минимальное количество марок сталей.

1.1. Термоупрочненные сварные конструкции

Технологическая последовательность изготовления термоупрочнен­ ных сварных конструкций определяется наличием оснастки и оборудова­ ния для изготовления свариваемых элементов, сварки и термической обра­ ботки, а также склонностью сталей к деформации при закалке, сварке и к образованию холодных и горячих трещин.

Главная задача - обеспечение заданной прочности и формы конструк­ ции - решается в условиях сложившегося производства с учетом сложно­ сти и типоразмеров свариваемых объектов.

В технологии современного машиностроения приняты три маршрута проведения операций при изготовлении сварных конструкций:

1) сваривают элементы в отожженном состоянии, а затем проводят упрочняющую термообработку всей конструкции;

2) сваривают отдельные элементы в термоупрочненном состоянии, а затем отпускают конструкции для снятия напряжений и повышения пла­ стичности и вязкости;

3) изготавливают конструкции по смешанной схеме, т.е. сваривают элементы подузлов в отожженном состоянии, а после упрочняющей тер­ мообработки сваривают стыковочными швами отдельные подузлы.

Наиболее технологичным является первый вариант, однако он приме­ няется только для изготовления простых конструкций из низкопрочных

сталей (до сто,2 = 600 МПа). Сложные и крупногабаритные конструкции, изготовленные из традиционных углеродистых легированных сталей, не­ возможно закалить целиком, сохранив геометрические размеры, поскольку необходимо применять ускоренное охлаждение в жидких средах.

Сварка сложных конструкций в закаленном состоянии (второй вари­ ант маршрута) при высокой прочности сталей (сто,2 = 800 МПа) требует предварительного подогрева для предотвращения образования холодных трещин. При этом контроль качества отдельных свариваемых элементов весьма трудоемок, поскольку должны быть обеспечены механические свойства отдельных деталей. При сварке конструкций из серийных сталей по второму варианту ограничивают время между сваркой и последующим отпуском.

Естественно, третий вариант имеет преимущества и недостатки пер­ вого и второго вариантов. Анализ технологической последовательности позволяет заключить, что при наличии сталей, способных обеспечивать бездеформационную закалку в сварных сборках и минимальные остаточ­ ные напряжения, наиболее экономным (технологичным) является первый вариант. Этот вариант предпочтительнее также с точки зрения качества сварных соединений, особенно при необходимости получения предела те­ кучести ао,2 не менее 800 МПа.

Таким образом, для осуществления оптимального технологического процесса, обеспечивающего высокие механические свойства и точность сложных сварных конструкций, таких как стрелы, каркасы, подцапфенные балки поворотных устройств и т.п., необходимы стали, обеспечивающие закалку с минимальным охлаждением и наименьшие остаточные напряже­ ния. Этим требованиям могут удовлетворять стали с очень низким содер­ жанием углерода, способные закаливаться на воздухе в реальных для прак­ тики сечениях.

1.2. Термоупрочненные заготовки

Использование точных термоупрочненных заготовок (прокат, фасон­ ный профиль, трубы, штамповки и т.п.) позволяет сэкономить металл, со­ кратить вес машин, объем перевозок, уменьшить трудоемкость механиче­ ской обработки, значительно упростить технологический поток, исключив из него, полностью или частично, термическую обработку и связанные с ней правку и очистку.

Однако металлургические заводы страны оснащены в основном тер­ мическим оборудованием для отжига, а правильное оборудование исполь­ зуется только для правки нетермоупрочненного металла. Специальные пе­ чи или нагревательные устройства для закалки, охлаждающие устройства -

ванны с жидкой средой и т.п., высокопроизводительное оборудование для правки термоупрочненных заготовок имеются на металлургических заво­ дах в недостаточных количествах. Поэтому термоупрочненный полуфаб­ рикат (лист, прокат и т.п.) поставляется металлургическими заводами в ог­ раниченной номенклатуре и в количествах, не удовлетворяющих потреб­ ности машиностроения. Такое же состояние дел в металлургическом про­ изводстве машиностроительных заводов. Термоупрочнение заготовок за­ калкой осуществляют в термических цехах, оснащенных универсальным оборудованием. Нагрев под закалку вызывает обезуглероживание, закалка в жидких средах - коробление и опасность образования трещин. Поэтому заготовки подвергают правке и ограничивают интервал времени между за­ калкой и отпуском. Правка не решает полностью проблему точности заготовок.

Совмещенный процесс закалки и горячей обработки давлением заго­ товок из традиционных среднеуглеродистых сталей возможен только в ча­ стных случаях, когда удается провести горячую обработку по заданным параметрам: в узком интервале величин деформации и температур, охлаж­ дение только в жидких средах. Этот процесс не может быть распространен на широкий сортамент полуфабрикатов, нельзя его использовать и при больших объемах производства заготовок.

Таким образом, организация производства термоупрочненных загото­ вок из традиционных среднеуглеродистых сталей связана с большими ка­ питальными затратами на оборудование и дополнительные производст­ венные площади.

Наличие сталей, способных закаливаться на воздухе непосредственно после горячей обработки давлением и обеспечивающих заданный ком­ плекс механических свойств, делает возможным изготовление термоуп­ рочненных заготовок в технологическом потоке металлургического произ­ водства без дополнительных капитальных затрат.

1.3. Анализ технологичности применяемых в машиностроении конструкционных легированных сталей

Свариваемые стали. В современном машиностроении в качестве сва­ риваемых применяют стали типа 20ГНМ, 12Х2НВФ, 12Х2НМФ, 20ХГСА, 38ХМ, 35Х и т.п., относящиеся к феррито-бейнитному классу.

Они обладают низкой прокаливаемостью на воздухе (1-3 мм), закали­ ваются в жидких средах, склонны к деформации при закалке и сварке, тре­ буют подогрев под сварку сложных соединений [4, 5].

Ограниченная свариваемость традиционно применяемых для сварных конструкций легированных сталей, содержащих 0,14-0,25 % углерода, и