Lab

растания их карбидообразующей способности). Карбидообразующие элементы могут растворяться в цементите или образовывать собственные более стойкие и твердые карбиды, чем цементит.

Рассмотрим характер взаимодействия легирующих элементов с железом. Существуют два взаимно различных типа такого взаимодействия.

Равновесные температуры A3 и A4 для чистого железа равны соответственно 911 °С и 1392 °С. В интервале указанных температур устойчивая модификация Feγ с ГЦК решеткой. Никель, марганец, кобальт и другие понижают температуру A3 и повышают температуру A4. В сплавах железа с этими элементами γ - область "открывается", т.е. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии - твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура A3 при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля.

В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию, соответствующую точке М, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-25 °С (рисунок 10.1 а). Такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Feγ, но и любые твердые растворы на основе Feγ.

Рисунок 10.1 - Схемы диаграмм "железо - легирующий элемент"

Если сталь легировать элементами, расширяющими область существования аустенита (аустенизаторами), Ni, Mn, Со др., то при определенном их содержании можно получить аустенитную структуру для всех температур твердого состояния выше 20 ºС.

Cr, Мо, W, V, Ti, Si и другие элементы повышают температуру A3 и понижают температуру A4. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется температурный интервал устойчивости Feα. Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с "замкнутой" γ - областью (рису-

нок 10.1 б).

Концентрация, соответствующая точке N, для большинства элементов невелика (до 1,5 %), лишь для хрома аустенитная область простира-

115

ется до 12 %. Из перечисленных элементов, дающих "замкнутую" область, только Cr и V не образуют с железом промежуточных фаз. Наблюдается неограниченная растворимость хрома и ванадия в железе с ОЦК решеткой.

Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы; поэтому при определенных концентрациях добавки на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области.

Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах, вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Feα, но и любые твердые растворы на основе Feα, При достаточно большом легировании малоуглеродистой стали хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием и другими (ферризаторами), она во всем диапазоне температур твердого состояния будет иметь структуру феррита и относится к ферритному классу.

Высоколегированные стали одними только аустенизаторами обычно не легируют. Как правило, в них содержится то или иное количество компонентов ферризаторов, прежде всего хрома. При определенном их сочетании сталь будет аустенитно-ферритного класса, аустенитно-мартенсит- ного и мартенситно-ферритного классов.

10.7 Характеристика основных структурных классов сталей

Стали ферритного, аустенитного, аустенитно-ферритного, аустенит- но-мартенситного и мартенситно-ферритного классов относятся в большинстве своем к коррозионно-стойким и жаропрочным и содержат не менее 12 % хрома.

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита (Cr, W, Мо, V и др.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Сталями ферритного класса являются хромистые нержавеющие стали 08X13, 15Х25Т и другие. Они не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не упрочняются термической обработкой.

При увеличении содержания углерода или аустенизаторов в хромистых нержавеющих сталях (12X13, 20X13 и др.) при нагреве часть феррита превращается в аустенит, который при быстром охлаждении переходит в мартенсит. Такие стали являются мартенситно-ферритными и, следовательно, могут упрочняться термической обработкой.

Аустенитные стали обычно легированы хромом и никелем (или марганцем). Самую большую группу высоколегированных сталей составляют хромоникелевые и хромоникельмарганцевые стали. В равновесном состоянии они имеют легированный аустенит, а также некоторое количество карбидов и интерметаллидов. При закалке с 1000-1100 °С в них получается чисто аустенитная структура, так как вторые фазы (карбиды, интерметаллиды) растворяются при нагреве под закалку. При этом получаются наи-

116

большая коррозионная стойкость и высокая пластичность, а упрочнения не происходит. Последнее резко отличает аустенитные стали от низко- и среднелегированных.

Однако, если в результате закалки аустенит достаточно пересыщен углеродом и другими легирующими элементами, то старение при 650-700 °С может вызвать упрочнение за счёт выделения вторых фаз в мелкодисперсном виде. Таким образом, аустенитные стали могут быть гомогенными, неупрочняемыми термической обработкой (12Х18Н9 и др.) и дисперсионно-твердующими, упрочняемыми закалкой и старением (например, 40Х14Н14В2М).

Микроструктура аустенита у нержавеющих и жаропрочных сталей весьма характерна. В светлых довольно крупных и резко очерченных

зернах (полиэдрах) наблюдаются линии двойникования, не выходящие за пределы зерна, и двойниковые области, ограниченные двумя параллельными линиями.

Стали переходного аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н9Т и др.) при высоких температурах являются полностью аустенитными и при охлаждении до 20 °С сохраняют это состояние, которое является неустойчивым. Это достигается подбором химического состава и, главным образом, путем снижения содержания никеля, по сравнению со сталями аустенитного класса. Неустойчивый после закалки аустенит при обработке холодом частично (до 50-70 %) превращается в мартенсит, сообщая тем самым стали более высокие прочностные свойства. Дополнительное упрочнение стали происходит при старении при 350-500 °С. Эти стали, как и аустенитные, обладая высокими технологическими свойствами, имеют более высокие прочностные свойства. Они используются как нержавеющие для работы при обычных и высоких температурах (до 500-550 °С).

Нержавеющие стали аустенитно-ферритного класса (12Х22Н5Т и др.), в связи с более высоким содержанием хрома и пониженным содержанием никеля имеют двухфазную структуру при всех температурах твердого состояния. Количественное соотношение аустенита и феррита в них зависит не только от химического состава, но и температуры нагрева под термическую обработку и может меняться в широких пределах. Стабильность механических свойств этих двухфазных сплавов достигается только при относительно небольших колебаниях химического состава.

10.8 Порядок выполнения работы

10.8.1Изучить микроструктуры образцов легированных сталей в отожженном и термообработанном состояниях. Каждую исследованную микроструктуру схематически зарисовать.

10.8.2Измерить твердость отожженных и закаленных образцов сталей У10, 9ХС, ХВГ, ХВ5, Х12 в центре и с краю.

117

10.8.3Провести отпуск предварительно закаленных по оптимальным режимам сталей У10, 9ХС, Х12 при температурах 300 °С и 500 °С в течение 30 минут.

10.8.4Измерить твердость образцов после отпуска.

10.8.5Составить отчет о работе.

10.9 Содержание отчёта

10.9.1Цель работы.

10.9.2Основные преимущества легированных сталей и цели леги-

рования.

10.9.3Схемы микроструктур легированных сталей с указанием марок сталей, структурного класса, назначения.

10.9.4Пример расшифровки химического состава 2-3 марок легированных сталей по индивидуальному заданию.

10.9.5Заполненная таблица испытания на твердость.

10.9.6 Выводы по работе.

10.10 Контрольные вопросы

10.10.1С какой целью производится легирование стали?

10.10.2В каких количествах содержатся легирующие элементы в низколегированных, легированных и высоколегированных сталях?

10.10.3Каково влияние легирующих элементов на свойства стали?

10.10.4Как влияет большинство легирующих элементов на температуру перлитного превращения и содержание углерода в перлите?

10.10.5В виде каких основных фаз находятся легирующие элементы

встали?

10.10.6Основные преимущества легированной стали перед углеро-

дистой?

10.10.7Какие важнейшие факторы обусловливают изменение структуры и свойств легированных сталей?

10.10.8Как маркируются легированные стали?

10.10.9По каким основным признакам классифицируются легированные стали?

118

10.10.10Что такое теплостойкость? Влияние легирования на указанную характеристику.

10.10.11Особенности термической обработки легированной стали.

10.10.12Место и значение термической обработки легированных

сталей.

10.10.13Чем объясняется высокая прокаливаемость легированных сталей и их способность закаливаться при охлаждении в масле?

10.10.14В каком состоянии рационально использовать легированные

стали?

119

Приложение А (справочное)

Таблица А.1 - Режимы термической обработки некоторых легированных сталей

121

11 Лабораторная работа № 11

Термическая обработка быстрорежущей стали

11.1 Цель работы

Изучить влияние режимов термической обработки на структуру и твердость быстрорежущей стали.

11.2 Общие сведения

Быстрорежущая сталь была разработана и применена в начале XX века и до настоящего времени широко используется для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок. Инструмент из быстрорежущих сталей обладает достаточно высокой стабильностью свойств. Из такой стали изготавливают режущий инструмент высокой производительности: сверла, фрезы, развертки, протяжки, долбяки, зенкеры и др.

Быстрорежущие стали обладают высокой твердостью (58-65 HRС), износостойкостью, высокой прочностью при удовлетворительной пластичности и вязкости, повышенной прокаливаемостью. Основное свойство быстрорежущих сталей - высокая теплостойкость (до 600-650°С). Под теплостойкостью понимают способность стали сохранять свои свойства в нагретом состоянии. Изменение твердости различных инструментальных материалов в зависимости от температуры нагрева показано на рисунке 11.1.

Как видно из рисунка 11.1, инструментальные углеродистые стали сохраняют твердость, а следовательно, и режущие свойства до 200 °С (напильники, инструмент по дереву), быстрорежущие стали - до 550-600 °С (фрезы, сверла, зенкеры, развертки), твердые сплавы - до 800 °С. Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали.

Высокие свойства быстрорежущих сталей создаются легированием карбидообразующими элементами в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в карбиды и существенно меняют характер структурных превращений. Такими элементами являются вольфрам, хром, ванадий, кобальт. Вольфрам и его химический аналог молибден обеспечивают теплостойкость стали. Увеличению теплостойкости и твердости после термической обработки способствует кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий способствует повышению стойкости карбидов, образуя очень твердый карбид VC, повышает твердость (износостойкость) инструмента, но ухудшает шлифуемость. Хром увеличивает прокаливаемость.

122

Стали умеренной теплостойкости рекомендуются для всех видов инструментов при обработке углеродистых и легированных сталей. Наиболее часто применяют сталь Р6М5 с меньшим содержанием вольфрама. Для обработки высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов применяют быстрорежущие стали повышенной теплостойкости (630-640 °С), содержащие кобальт и повышенное содержание ванадия: Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5, Р2АМ9К5. Для инструментов чистовой обработки вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами, используют сталь Р12ФЗ с высоким содержанием ванадия.

Структура и свойства быстрорежущей стали могут быть изучены наиболее полно, если проследить за их изменением на различных этапах ее обработки: литье, горячая деформация, отжиг, закалка и отпуск (на примере стали Р6М5).

В литом состоянии структура стали состоит из ледебуритной эвтектики, которая придает стали хрупкость (рисунок 11.2).

Рисунок 11.2 – Микроструктура стали Р6М5 после литья

Для ее разрушения и равномерного распределения карбидов, в также для подготовки структуры к последующей термообработке быстрорежущую сталь подвергают горячей деформации (ковке или прокатке) с последующим изотермическим отжигом для снижения твердости до 210-260 НВ.

Обработка давлением изменяет строение быстрорежущей стали, так как эвтектика разбивается на обособленные карбиды. Структура деформированной и отожженной стали состоит из сорбитообразного перлита с большим количеством равномерно распределенных крупных первичных и более мелких вторичных карбидов (рисунок 11.3).

При недостаточной деформации наблюдается карбидная ликвация (неоднородность), которая представляет участки неразрушенной эвтектики, вытянутой в направлении деформации. При наличии карбидной ликвации уменьшается стойкость инструмента, возрастает хрупкость.

124