45. Инструментальные стали для оснастки холодного и горячего деформирования металлов, их термическая и химико-термическая обработка, структура и свойства.

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы) изготавливают из инструментальных сталей, называемых штамповыми.

Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью, сопротивлением пластическим деформациям.

Для штампов небольших размеров используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость.

Для более крупных изделий применяют легированные стали Х, Х9, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей.

Для уменьшения брака при закалке необходимо медленное охлаждение в области температур мартенситного превращения (закалка из воды в масло для углеродистых сталей, ступенчатая закалка для легированных сталей).

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью (стали 4ХС4, 5ХНМ). Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. После закалки проводят высокий отпуск при температуре 480…580ºС.

Дополнительно к общим требованиям, от сталей для штампов горячего деформирования требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа, высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.

Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости. После термической обработки, включающей закалку с температуры 760…820ºС и отпуск при 460…540ºС, сталь имеет структуру – сорбит или троостит и сорбит отпуска.

Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях. Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. Сталь 3Х2В8Ф сохраняет теплостойкость до 650ºС, но наличие карбидов вольфрама снижает вязкость. Сталь 4Х5В2ФС имеет высокую вязкость. Повышенное содержание хрома и кремния значительно увеличивает окалиностойкость стали.

46. Жаропрочные, жаростойкие и нержавеющие стали, их термообработка, свойства и применение.

Нержавеющие (корозионностойкие) стали – сталь, электрохимический потенциал которой положителен. Это достигается при содержаении хрома >12%.

3 группы:

1) 13% Cr

Содержание углерода до 0,5%: сталь 08Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13 (мартенситный класс, охлаждение на воздухе). Изготовление хирургических инструменов, бытовых ножей, топориков. Закалка при 1000…1050ºС, охлаждение в минеральном масле. Изготовление посуды, подвергающейся индукционному нагреву.

2) 18% Cr

Стали аустенитного класса (немагнитные) 08Х18Н10Т, 20Х18Н10Т. Аустенитные стали не упрочняются закалкой. Для таких сталей закалку делают для увеличения пластичности. Закалка при 1000…1050ºС и резкое охлаждение в воде. В этом случае образуется равномерный по химическому составу аустенит, если охлаждение медленное, то по границам зерна выделяются карбиды хрома и сталь становится хрупкой. Кроме того, границы зерна объединяются хромом и хрома на этих границах меньше 12%, т.е. сталь станет склонной к коррозии. Если при высокой t в сталь продиффундирует кислород, то границы зерён окислятся, что приведёт к резкому повышению хрупкости и снижению пластичности, и этот дефект неустраним.

3) 25-28% Cr

10Х25, 15Х28 (первые цифры – содержание углерода, вторые – содержание хрома). Повышенное количество хрома позволяет использовать стали в концентрированных средах.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали

Оценивают по увеличению массы испытываемых образцов после высокотемпературной выдержки в окислительной среде. Взаимодействие атомов Fe и других атомов с кислородом даёт следующие оксиды:

Увеличение массы испытываемых образцов за счёт появления кислорода на поверхности. Чем меньше привес, тем выше окалиностойкость. Совокупность оксидов на поверхности – окалина. Если оксид на поверхности имеет бездефектную кристаллическую структуру, он может служить защитной плёнкой, препятствуя дальнейшей диффузии металла. В случае стали наиболее рыхлой кристаллической структурой обладает FeO, который образуется при t>570ºС. Поэтому при термообработке появляется большой слой окалины, и происходит большой угар металла. Чтобы увеличить окалиностойкость, необходимо изменить структуру окиси в металле, т.е. надо чтобы появлялись оксиды с плотной кристаллической структурой. В промышленности чаще всего используют легирование стали хромом; в структуре окалины преобладает Cr₂O₃. В качестве окалиностойких можно использовать нержавеющие стали. Чем больше Cr, тем выше эксплуатационная t. При 900ºС содержание хрома в стали должно быть не менее 10% (08Х13 – 40Х13). При 1000ºС – не менее 18%. Окалиностойкость – структурно нечувствительное свойство. Для повышения окалиностойкости необходимо применять химико-термическую обработку. Наибольший эффект при ХТО имеют алитирование (Al₂O₃), хромирование (Cr₂O₃), силицирование (SiO₂), оксиды имеют бездефектную кристалличекую структуру. Хороший эффект даёт алитирование и для обычных углеродистых сталей. Проводится алитирование при 900ºС с использованием специальных алитирующих порошковых смесей. Металл засыпают смесью в контейнере, гермитизируют и помещают в печь+выдержка около 8 часов для насыщения. Хромирование даёт повышение окалиностойкости при 1000…1050ºС. Хромирование можно проводить в порошковых смесях при 1000…1100ºС 6-8 часов. Силицирование можно проводить в порошковых смесях при 900ºС около 4 часов.

Жаропрочные стали

Предел длительной прочности – напряжения, вызывающие разрушение при заданной температуре через заданное время. Предел ползучести – напряжения, вызывающие заданную деформацию при заданной температуре через заданное время. В зависимости от эксплуатационной температуры используют различные группы сталей: перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Наиболее дешёвые и простые – стали перлитного класса. Изготовление паронагревателей, котлов высокого давления, паропроводов, крепёжных деталей этих конструкций. Легируют эти стали хромом или молибденом (15ХМ).

Стали мартенситного класса – сильхромы (Si+Cr). Изготовление деталей выхлопа, двигателей внутреннего сгорания, впускных и выпускных клапанов. В сильхромах 0,5% C (Х6С2, Х9С2), t нагрева до 700ºС. Термическая обработка: t закалки 1000…1050ºС, t отпуска 700…750ºС, структура – сорбит.

Стали аустенитного класса – рабочая температура до 600…700ºС. Изготовление лопаток газовых турбин, клапанных систем двигателей. Стали делятся на упрочняемые термообработкой (20Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т) и неупрочняемые термообработкой (для таких сталей используют закалку для повышения пластичности и вязкости). Дисперсионно-твердеющие стали дополнительно содержат небольшое количество вольфрама, титана, алюминия, ванадия. Термическая обработка: закалка, охлаждение в воде, отпуск 600…750ºС. После закалки твёрдость не увеличивается, а в результате отпуска из аустенита выделяются мелкодисперсные интерметаллиды. За счёт этого существенно вырастает прочность, твёрдость – дисперсионное твердение.