2..5..3.. Рессорно-пружинныестали. Рессорно пружинные стали

3.1.5. Стали рессорно-пружинные

Стали, объединенные общим названием рессорно-пружинные, в машиностроении применяют для изготовления силовых упругих элементов: пружин, рессор, амортизаторов. Условиями работы этих деталей могут быть как статические нагрузки, так и циклические «нагрузки-разгрузки» в упругой области.

В процессе «нагрузки» происходит изменение размеров и формы деталей, а в процессе «разгрузки» – восстановление размеров и формы. При этом необходимо, чтобы после «разгрузки» остаточная пластическая деформация полностью отсутствовала или была минимальной. Таким образом, основное требование к рессорно-пружинным материалам – высокое сопротивление микропластической деформации, которое характеризуется такими свойствами, как предел упругости и релаксационная стойкость.

Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию, равном обычно 0,03 – 0,005 %. Выбор сталей как материала для изготовления силовых упругих элементов определяется, прежде всего, их высоким модулем упругости, ограничивающим упругую деформацию.

Релаксационная стойкость – это сопротивление материала самопроизвольному снижению напряжений во времени при неизменной деформации. Так, если рабочее напряжение sраб уменьшится («релаксирует») до величины sраб*, то после разгрузки появится остаточная деформация ε, и деталь изменит форму и размеры (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали пружинной 60С2

Высокая релаксационная стойкость обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств (крутящего момента, силовых параметров и т.п.).

Кроме высокого предела упругости и релаксационной стойкости, детали, работающие при циклических нагрузках, должны иметь высокий предел выносливости, увеличение которого возможно посредством применения дробеструйной или гидроабразивной обработки, приводящей к возникновению в поверхностном слое деталей напряжений сжатия.

К сталям общего назначения относятся:

– средне- и высокоуглеродистые стали 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г;

– низколегированные кремнистые стали 55С2, 60С2, 70С3А и др.;

– комплексно-легированные стали 50ХФА, 60C2ХА, 60С2Н2 и др.

Химический состав и свойства сталей регламентирует ГОСТ 14959–79. Стали содержат 0,65 – 1,2 % углерода, 1 – 3 % кремния, 0,9 – 1,2 % марганца, 0,25 – 1,10 % Сr, могут также содержать никель, ванадий, бор. Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость, релаксационную стойкость, способствуют (кроме марганца) измельчению зерна. Кремний и марганец повышают предел упругости сталей.

Высокое сопротивление микропластической деформации рессорно-пружинных сталей достигается при закреплении практически всех дислокаций, что становится возможным при следующих способах упрочнения:

1) холодной пластической деформации, например, волочении проволоки;

2) закалке на мартенсит с последующим средним отпуском готовых пружин;

3) термомеханической обработке (для рессор).

Для того, чтобы провести холодную пластическую деформациюсталей с 0,65 – 1,2 % С, используют предварительную технологическую операцию под названиемпатентирование: многократную изотермическую закалку, приводящую к образованию тонкопластинчатого сорбита. В таком структурно-фазовом состоянии сталь может быть подвергнута холодной пластической деформации свысокими степенями обжатия. В результате последующего отпуска при 150–200ºС(для углеродистых сталей) и 200 – 300ºС (для сталей с кремнием) предел упругости сталей может достигать 2000 – 2100 МПа.

После закалки с последующим средним отпуском рессорно-пружинные стали имеют структуру троостита отпуска, частично сохраняющего фазовый наклеп мартенситной структуры, что определяет высокий предел упругости. Наличие после закалки немартенситных структур отрицательно влияет на все прочностные свойства, поэтому стали для упругих элементов необходимо выбирать с учетом требования сквозной прокаливаемости. Температура среднего отпуска должна превышать интервал отпускной хрупкости первого рода.

Рис. 3.8. Структурная диаграмма хромоникелевых коррозионностойких

сталей

Однако легирование пружинных сталей общего назначения ограничено необходимостью сохранения достаточной пластичности при проведении холодной прокатки ленты или волочении проволоки.

Таблица 3.10

studfiles.net

Пружинные стали. Рессорно-пружинные стали. Пружинная сталь свойства. Релаксация напряжений.

Раздел:

Материаловедение. Металловедение.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных машин и механизмов. В работе они испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений.

Рессорно-пружинные стали

Пружины работают в области упругих деформаций, когда между действующим напряжением и деформацией наблюдается пропорциональность. При длительной работе пропорциональность нарушается из-за перехода части энергии упругой деформации в энергию пластической деформации. Напряжения при этом снижаются.

Самопроизвольное снижение напряжений при постоянной суммарной деформации называется релаксацией напряжений. Релаксация приводит к снижению упругости и надежности работы пружин.

Пружины изготавливаются из углеродистых (65, 70) и легированных (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР) конструкционных сталей.

Для упрочнения пружинных углеродистых сталей применяют холодную пластическую деформацию посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок, в процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия.

Повышенные значения предела упругости получают после закалки со средним отпуском при температуре 400…480 oС.

Для сталей, используемых для пружин, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость, чтобы получить структуру троостита по всему сечению.

Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке.

Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором.

В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю), быстрорежущих (Р18) и других сталей и сплавов.

Шарикоподшипниковые стали

Территория рекламы

Шарикоподшипниковые стали по своему назначению являются конструкционными, но по составу, свойствам и структуре аналогичны инструментальным сталям. Это объясняется требованиями предъявляемым конструкторами к этим деталям:

1.Высокая статическая грузоподъемность.

2.Высокое сопротивление контактной усталости.

3.Высокая износостойкость.

4.Размерная стабильность.

Такие требования обеспечиваются химическим составом и термообработкой.

Основными легирующими элементами этих сталей являются углерод в количестве 0,85 — 1,15% и Cr 0,6 – 2,5%.

Хром обеспечивает высокую прокаливаемость а карбиды Cr23C6 высокую твердость и износостойкость. Марганец и кремний до 1% каждого 117348025400

дополнительно повышают прокаливаемость стали, которая применяется для крупногабаритных подшипников. Эта сталь должна быть высокой степени чистоты, с низким содержанием неметаллических включений.

Для обеспечения необходимой структуры и свойств, сталь подвергают отжигу на сфероидезацию, затем делают закалку 850ºС (масло). После закалки для всех шарикоподшипниковых сталей проводят низкий отпуск - 170-220ºС. В результате в стали образуется мелко игольчатый отпущенный мартенсит, с равномерно распределёнными по всему объему карбидами.

Маркировка шарикоподшипниковой стали особая. Вначале ставятся буквы ШХ, а затем цифры, показывающие содержание хрома в десятых долях процента (ШХ6- Cr0,6%).

Основные марки ШХ9, ШХ12, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20, ШХ25.

Стали ШХ работают от -40 до +300ºС

Для рабочих температур до +600ºСиспользуют стали типа 8Х4В9Ф2Ш.

Для работы в агрессивных средах в качестве шарикоподшипниковых используют коррозионностойкую сталь 95Х18Ш.

Для изготовления крупногабаритных подшипников диаметром больше 500мм используют малоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ, 20ХН3А, 15ХГР. Первоначально полосу из этой стали сворачивают в кольцо, сваривают встык, механически обрабатывают до нужных размеров, а затем подвергают сквозной цементации для того чтобы количество углерода составило С ̃≥ 1,0%. После цементации применяют термообработку - нормализацию, закалку и низкий отпуск.

Нормализация проводится для устранения цементной сетки по границам зерен. Закалка для получения структуры мартенсита. Низкий отпуск для снятия внутренних напряжений.

cyberpedia.su

2.5.3. Рессорно-пружинные стали

Высокопрочные мартенситно-стареющиестали.Это практически безуглеродистые (с содержанием углерода <0,03 %) сплавы железа с никелем (8–20 %), дополнительно легированные другими элементами (Тi, Мо, Со, Аl). Их упрочнение достигается благодаря наличию мартенситной структуры, получаемой при закалке, и старению (отпуску).

Широкое распространение получила сталь марки 03Н18К9М5Т. После закалки на воздухе от 800–850°С эта сталь состоит из безуглеродистого мартенсита и отличается высокой пластичностью (δ= 20 %, ψ= 80 %), вязкостью (KСU = 2 МДж/м2). Предел прочности σв = 1100 МПа. Старение при нагреве до480–520°С приводит к сильному упрочнению вследствие выделения из мартенсита дисперсных частиц вторичных фаз (Ni3Ti, Fe2Mo). Предел прочности повышается до 2000 МПа при сохранении достаточной пластичности и вязкости (KСU = 0,35 МДж/м2).

Применяют также стали с меньшим легированием, например 02Н12Х5МЗ, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, и несколько меньшей прочностью. Мартенситно-стареющиестали находят применение для ответственных деталей в самолётостроении, ракетной технике, судостроении.

Рессорно-пружинныестали должны иметь особые свойства в связи со специфическими условиями работы пружин (цилиндрических, плоских). Детали из этих сталей служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции при эксплуатации, поэтому основным требованием, предъявляемым к сталям, являются высокие пределы упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные элементами Si, Mn, Сr, V, W, Ni, которые повышают предел упругости. Пружины изготовляют из сталей марок 65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, 70С2ХА.

Пружины и рессорные листы имеют повышенные пределы упругости и выносливости при твёрдости HRCэ 40–45(структура троостит), которые достигаются после закалки от820–870°С (с равномерным и полным мартенситным превращением по всему объёму металла) и отпуска при420–520°С (в зависимости от марки стали).

2..5..4.. Шарикоподшипниковые стали

Стали для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов) считаются конструкционными, но по составу и свойствам относятся к инструментальным. Наибольшее применение имеет высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15. Заэвтектоидное содержание в ней углерода (0,95 %) и хрома (1,3–1,65%), обеспечивает получение после закалки высокой равномерной твёрдости, износостойкости и достаточной вязкости.

Сталь ШХ15 применяют для деталей с небольшой площадью поперечного сечения. Для деталей более крупных подшипников с целью улучшения их прокаливаемости применяют хромокремнемарганцевые стали ШХ15СГ и ШХ20СГ.

66	Глава 2. Материалы, их свойства и области применения

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников прокатных станов, железнодорожного транспорта, работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементируемую сталь 20Х2Н4А.

2..5..5.. Автоматные стали

Автоматные стали марок А12, А20, А30, А40Г отличаются от других кон струкционных сталей повышенным содержанием серы (до 0,3 %) и фосфора (до 0,15 %).

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием, поскольку сера образует большое количество включений сернистого марганца MnS, нарушающих сплошность металла, а фосфор, растворяясь в феррите, сильно снижает его вязкость. Обрабатываемость улучшают также добавками (присадками) небольшого количества свинца, селена и других элементов. При обработке резанием автоматных сталей образуется хорошо дробящаяся стружка, что особенно важно при работе на высокоскоростных станках-автоматах.Обработанные резанием поверхности получаются с малой шероховатостью.

Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность. Это связано с тем, что большое количество сернистых включений образует полосчатую структуру. Поэтому автоматные стали применяют для изготовления малоответственных деталей с невысокими требованиями к механическим свойствам (крепёжные детали, пальцы, втулки и т. п.).

2..5..6.. Инструментальные стали

Инструментальные стали применяют для изготовления режущего и измерительного инструмента, а также штампов.

Стали для режущих инструментов. Сталь для режущих инструментов (резцов, сверл, метчиков, фрез, протяжек и др.) должна обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и теплостойкостью, а также сохранять при нагреве свои структуру и свойства.

Углеродистые инструментальные стали — это заэвтектоидные стали марок У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А), У13 (У13А). Исходная структура — зернистый перлит. Для получения высокой твёрдости (HRCэ 62–63) стали закаливают в воде с последующим отпуском.

Высокая твёрдость этих сталей сохраняется при нагреве до температуры 200 °С. Глубина прокаливаемости сталей —10–12мм.Из-занизких прокаливаемости и теплостойкости1 эти стали применяют для инструментов с небольшими размерами, используемых при низких скоростях резания материалов с низкой твёрдостью.

Низколегированные инструментальные стали по сравнению с углеродистыми имеют следующие преимущества: большую прокаливаемость (возможность изготовления инструментов с большими сечениями), меньшую чувствительность

1Теплостойкость стали — температура, превышение которой приводит к изменению структуры и снижению механических свойств стали.

кперегреву, возможность применения при закалке более умеренных охладителей (масла, горячие среды), пониженную склонность к деформации и короблению заготовок при термообработке.

Наибольшее применение из этой группы получили стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ, твёр-

дость которых после закалки и отпуска не менее HRCэ 61. Они имеют несколько повышенную теплостойкость (до 250°С). Недостаток этих сталей — склонность

кобезуглероживанию при нагреве под закалку. Стали применяют для изготовления протяжек, свёрл, развёрток, зенкеров.

Как и углеродистые, низколегированные стали не обладают высокой теплостойкостью и пригодны только для лёгких условий резания (небольшие силы и скорости резания).

Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления разнообразных режущих инструментов, работающих при средних скоростях и больших силах резания. Быстрорежущие стали обозначают буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама в процентах. Стали, содержащие более 1 % кобальта, молибдена, ванадия, имеют в марке, соответственно, буквы К, М, Ф и цифры, показывающие их среднее количество в процентах. Содержание хрома (около 4 % во всех сталях) в марках сталей не указывают. Наиболее распространены быстрорежущие стали марок Р18, Р6М5 (теплостойкость — до 620°С). Кроме того, применяют стали с повышенным содержанием ванадия (Р9Ф5, Р14Ф4), кобальтовые (Р9К5, Р9К10), кобальтованадиевые (Р10К5Ф5, Р18К5Ф2), обладающие повышенной до 640°С теплостойкостью.

Для закалки быстрорежущую сталь нагревают (обычно в соляных ваннах) до высоких температур (например, сталь Р18 до 1270–1290°С), что необходимо для растворения части карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита, а после охлаждения — соответствующего мартенсита, обеспечивающего высокую теплостойкость.

При охлаждении (обычно в масле) аустенит превращается в мартенсит, но не весь, часть его (25–30%) сохраняется в виде остаточного аустенита. Структура быстрорежущей стали после закалки такая: мартенсит + карбиды + остаточный аусте-

нит, поэтому её твёрдость составляет не выше HRCэ 62. При отпуске(550–570°С), обычно трёхкратном, происходит выделение из мартенсита мелкодисперсных карбидов, а также превращение остаточного аустенита в мартенсит закалки, благодаря

чему твёрдость повышается до HRCэ 64. Температура завершения мартенситного превращения быстрорежущей стали располагается ниже 0°С, поэтому сталь можно дополнительно обрабатывать холодом (при–80°С) с последующим однократным отпуском. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов после закалки подвергают низкотемпературному цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твёрдости (HV1000–1100).

Стали для измерительных инструментов. Для изготовления измерительных инструментов применяют стали марок X, ХВГ и др. Для измерительного инструмента (особо высокой точности) большое значение имеет постоянство формы и размеров в течение длительного срока службы. Постепенное изменение размеров закалённого инструмента, вызванное постепенным уменьшением тетрагональности

68	Глава 2. Материалы, их свойства и области применения

решётки мартенсита, мартенситным превращением остаточного аустенита и перераспределением внутренних напряжений, — явление нежелательное. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяют стабилизации напряжённого состояния, стабилизации мартенсита и остаточного аустенита. Это достигается соответствующим режимом низкого отпуска и обработкой холодом при температурах до –60°С.

Плоские инструменты — шаблоны, скобы, линейки — изготовляют из листовой стали 15, 15Х, подвергают цементации, закалке и низкому отпуску.

Штамповые стали. Инструмент для штамповки металла в холодном состоянии работает в условиях повышенного износа, при высоких нагрузках (плавных

иударных) и нагреве поверхностных слоев. Поэтому штамповая сталь для холодного деформирования должна обладать высокими твёрдостью и износостойкостью, достаточной вязкостью, малой деформируемостью при закалке, достаточной прокаливаемостью и теплостойкостью.

Детали штампов небольших размеров (диаметром до 25–30мм) и простой формы, работающие в лёгких условиях, делают из углеродистых сталейУ10–У12,а для штампов большего размера используют стали с лучшей прокаливаемостью — X, ХВСГ.

Для крупных штампов чаще всего применяют высокохромистые стали Х12Ф1

иХ12М, обладающие высокой износостойкостью, хорошей прокаливаемостью

ималой деформируемостью при закалке в масле.

Для тяжело нагруженных штампов, используемых при объёмном деформировании, применяют комплексно-легированныестали, например 8Х4В2С2МФ. После термической обработки твёрдость таких сталей соответствует HRCэ 61–63.

Штамповые стали для горячего деформирования должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах, выдерживать циклические нагревы и охлаждения без образования трещин (сетки разгара), должны глубоко прокаливаться и быть достаточно теплопроводными. Этому соответствуют близкие по своему составу стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, применяемые для изготовления молотовых штампов.

Стали ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС и другие используют для производства вытяжных и высадочных штампов, а также пресс-формдля литья под давлением. Эти стали обладают повышенной теплостойкостью.

2..5..7.. Стали и сплавы с особыми свойствами

Коррозионно-стойкие(нержавеющие) стали.Углеродистые и низколегированные стали подвержены коррозии и разрушаются от химического воздействия окружающей среды. По механизму протекания различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Явления, возникающие при электрохимической коррозии, аналогичны процессам, описанным в главе 11.

Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозион но стойкими (нержавеющими). Антикоррозионными свойствами сталь обладает в том случае, если она легирована большим количеством хрома или хрома и никеля.

Хромистые коррозионно-стойкиестали.Содержание хрома в стали должно быть не менее 12 %. При меньшем значении сталь не способна сопротивляться коррозии, так как её электродный потенциал становится отрицательным. Широко применяют стали марок 12Х13, 40Х13, 12Х17, 08Х17Т.

Сталь 12Х13 (мартенситно-ферритногокласса) обладает после закалки и отпуска твёрдостью НВ200–250.Эта сталь противостоит действию слабоагрессивных сред (воздуха, воды, пара) и применяется для производства деталей с повышенной пластичностью (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода и др.).

Сталь 40Х13 (мартенситного класса) после термической обработки обладает высокой твёрдостью (HRCэ 52–55)и применяется для изготовления хирургических инструментов, пружин, предметов домашнего обихода и др.

Более коррозионно-стойкая(в кислотных средах) сталь ферритного класса 12Х17применяется (в отожженном состоянии) для производства химического и пищевого оборудования.

Хромоникелевые коррозионно-стойкиесталисодержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в этих сталях находятся карбиды хрома.

Для получения однофазной структуры аустенита сталь (например, 12Х18Н9) закаливают в воде с температурой нагрева 1100–1150°С. При этом получают наиболее высокую коррозионную стойкость, но прочность стали остаётся сравнительно невысокой. Для повышения прочности сталь подвергают пластической деформации в холодном состоянии.

Так же как и сталь ферритного класса, сталь 12Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии при нагреве до температуры 550–750°С (например, при сварке или работе в условиях повышенных температур). Для предотвращения коррозии

всостав стали вводят титан (например, сталь 12Х18Н9Т) или снижают содержание

вней углерода (например, сталь 04Х18Н10).

Хромоникелевые стали аустенитного класса имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые, и их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в автостроении, транспортном машиностроении, а также в строительстве.

Для экономии дорогостоящего никеля его частично заменяют марганцем. Например, сталь 10Х14Г14НЗ используют как заменитель стали 12Х18Н9.

Сталь аустенитно-мартенситногокласса 09Х15Н8Ю применяют для тяжело нагруженных деталей, работающих в атмосферных условиях, в уксусной кислоте, растворах солей. Стальаустенитно-ферритногокласса 08Х21Н6М2Т применяют для изготовления деталей и сварных конструкций, работающих в средах повышенной агрессивности — в уксусной, серной или фосфорной кислоте.

Жаростойкие стали и сплавы. К ним относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С и работающие вненагруженном илислабонагруженном состоянии. Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного образования окалины в воздушной среде, когда на поверхности стали сначала образуется тонкая плёнка оксидов, которая с течением времени увеличивается, а затем образуется окалина.

70	Глава 2. Материалы, их свойства и области применения

На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной плёнки. Если плёнка пористая, окисление происходит интенсивно, если плотная — окисление замедляется или даже совсем прекращается.

Для получения плотной (защитной) оксидной плёнки сталь легируют хромом, а также кремнием или алюминием. Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, сталь 15Х5 с содержанием хрома 4,5–6% жаростойка до температуры 700°С, сталь 12Х17 (17 % хрома) — до 900°С, сталь 15Х28 — до1100–1150°С (стали 12Х17 и 15Х28 являются также нержавеющими). Ещё более высокой жаростойкостью (до 1200°С) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например ХН70Ю(26–29% хрома,2,8–3,5% алюминия). Структура стали на жаростойкость не влияет.

Жаропрочные стали. К ним относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

При высоких нагрузках и длительном действии высоких температур имеет место явление ползучести, сопровождающееся снижением прочности стали. Ползучесть — это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии высокой температуры. Для углеродистых и легированных конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350°С.

Факторами, способствующими повышению жаропрочности, являются высокая температура плавления основного металла, наличие в сплаве твёрдого раствора

имелкодисперсных частиц упрочняющей фазы, пластическая деформация, вызывающая наклёп, высокая температура рекристаллизации, рациональное легирование, термическая и термомеханическая обработка, введение в жаропрочные стали в долях процента таких элементов, как В, Се, Nb, Zr.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку — температуре эксплуатации.

Для работы при температурах до 350–400°С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и низколегированные).

Для работы при температуре 400–550°С применяют легированные стали перлитного класса, например 15ХМ, 12Х1МФ. Основной характеристикой этих сталей является предел ползучести, так как они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин, например, труб паропроводов и пароперегревателей, нагруженных сравнительно мало, но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч) при высокой температуре. Эти стали содержат мало хрома

ипоэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550–600°С).

Для работы при температуре 500–600°С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов двигателей внутреннего сгорания; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов турбин.

Для работы при температуре 600–750°С применяют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие), например сталь 09X14h26B, предназначенная для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысо-

кого давления, и упрочняемые (стареющие) сложнолегированные стали, например сталь 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов двигателей, деталей трубопроводов, и сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС для лопаток газовых турбин. Жаростойкость сталей аустенитного класса соответствует 800–850°С.

Для работы при 800–1100°С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и нестареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе достигает 1200 °С.

Высокомарганцовистая износостойкая сталь 110Г13Л. Она содержит 1,2 % углерода и 13 % марганца. Эта сталь аустенитного класса имеет высокое сопротивление изнашиванию. Характерным для неё является то, что высокая износостойкость сочетается с высокой прочностью (σв = 1000 МПа) и низкой твёрдостью (НВ 210). У закалённых инструментальных сталей сопротивление изнашиванию обусловлено их высокой твёрдостью. Высокая износостойкость стали 110Г13Л объясняется наклёпом в процессе работы, в результате которого аустенит в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя мартенсит образуется в следующем слое и т. д. При отсутствии повышенных давлений, например при абразивном износе, эта сталь обладает достаточно высокой износостойкостью. Сталь 110Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щёк камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и траков гусениц.

Магнитные стали и сплавы. Основными магнитными характеристиками сталей и сплавов являются остаточная индукцияВr, коэрцитивная силаНс и магнитная проницаемость. Если магнитная проницаемость больше единицы, то такие тела называютсяпарамагнитными, а если меньше единицы —диамагнитными. Частным случаем парамагнитных тел являются ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт, магнитная проницаемость которых во много раз больше, чем у других парамагнитных тел.

Магнитные сплавы в зависимости от значений коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитотвёрдые имагнитомягкие. Магнитотвёрдые сплавы имеют большую коэрцитивную силу (Нс > 4 кА/м) и малую магнитную проницаемость. Их применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие сплавы обладают малой коэрцитивной силой (Нс < 4 кА/м) и высокой магнитной проницаемостью. Их применяют в качестве магнитопроводов в магнитных и электротехнических устройствах и машинах.

Магнитотвёрдые стали и сплавы. Такими материалами являются высокоуглеродистые стали, легированные стали и специальные сплавы.

Углеродистые стали У10–У12после закалки имеют достаточно большую коэрцитивную силу (Нс =4,8–5,2кА/м), но прокаливаются на небольшую глубину, поэтому их применяют для изготовления магнитов с небольшими размерами поперечного сечения(4–7мм).

Хромистые стали EX, EX3 по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже. Поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали, например ЕХ5К5, имеют более высокие магнитные свойства (Нс > 8 кА/м).

72	Глава 2. Материалы, их свойства и области применения

Специальные магнитные сплавы, например ЮНДК40Т8АА (14 % Ni, 7,5 % Al, 40 % Со, 3,5 % Сu, 7,5 % Ti, 0,25 % Si), имеют большое значение коэрцитивной силы (Нс = 144 кА/м), что позволяет изготовлять из них сильные магниты небольшого размера.

Магнитные сплавы имеют очень высокую твёрдость, но хрупки и обрабатываются только шлифованием или электроэрозионным способом. Магниты из этих сплавов изготовляют литьём или спеканием из порошка.

Магнитомягкие стали и сплавы. К ним относятся электротехническое железо (железо Армко), электротехническая сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои) и ферриты.

Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит не более 0,04% углерода, имеет высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу (Нс =64–96А/м). Применяется для изготовления сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др.

Электротехническая сталь (Э11–Э48)содержит до 4,8 % кремния. Растворяясь в феррите, кремний сильно искажает кристаллическую решётку, увеличивая магнитную проницаемость, снижая коэрцитивную силу.

Более высокие магнитные свойства имеет крупнозернистая листовая электротехническая сталь с преимущественным расположением зёрен вдоль листа. Первая цифра в марке стали указывает на среднее содержание кремния в процентах, вторая — гарантированные электрические и магнитные свойства.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45–80 % никеля, и их дополнительно легируют хромом, кремнием, молибденом. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Наиболее высокие свойства имеет пермаллой марки 79НМ (79 % Ni и 4 % Мо). Пермаллои применяют в аппаратуре, работающей в слабых магнитных полях (в аппаратуре связи).

Ферриты — магнитомягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков оксида железа Fе2О3 и оксидов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитомягких материалов у ферритов очень высокое удельное электрическое сопротивление ρ=1012 Ом·см), что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот изменения магнитного поля.

Сплавы со специальными свойствами. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением применяют для изготовления электронагревателей, элементов резисторов и реостатов.

Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Указанным требованиям удовлетворяют железохромоалюминиевые сплавы (например, марок Х13Ю4 — фехраль, ОХ23Ю5 — хромель) и никелевые сплавы (например, марок Х15Н60 — ферронихром, Х20Н80 — нихром). Жаростойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы производят в виде проволоки и ленты. Их применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, X20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (сплав ОХ23Ю5).

studfiles.net