Види сталей та особливості їх використання

У більшості систем на основі заліза утворюються саме обмежені тверді розчини. В залежності від величини області гомогенності будемо класифікувати такі розчини як обмежені з широкою областю гомогенності ( в залізі розчиняється більше 2% елемента) і з вузькою областю гомогенності ( від 0,2 до 2%).

Таким чином, по розчинності легуючих елементів у залізі, тверді розчини підрозділяються на неперервні, обмежені з широкою областю гомогенності, обмежені з вузькою областю гомогенності, з незначною розчинністю.

Розчинення легуючих елементів у залізі може проходити по типу заміщення і проникнення.

Тверді розчини заміщення на основі заліза утворюються у відповідності з законами утворення твердих розчинів такого типу (умови Юм- Розері).

Умовами, які визначають розчинність компонентів в розчинах заміщення, є: ізоморфізм, тобто однотипність граток, компонентів, які складають розчин; співвідношення атомних розмірів компонентів («розмірний фактор»); електронна структура компонентів, тобто відносне розташування компонентів у періодичній системі Д. І. Менделеєва.

Необмежені тверді розчини з залізом утворюють Ni, Co, Mn, Cr , V. Причому Ni, Co, Mn утворюють неперервні тверді розчини на основі -заліза, а Cr і V на основі -заліза.

Тверді розчини проникнення утворюють елементи проникнення з малими атомними номерами. Тверді розчини проникнення являються окремим випадком фаз проникнення (до останніх відносяться карбіди, нітриди, бориди, оксиди, гідриди і інші хімічні сполуки перехідних металів з елементами проникнення). Тверді розчини проникнення завжди обмежені, а розчинність у них залежить від кристалічної структури металу - розчинника і розмірів атома елемента проникнення. Найбільш сприятливими позиціями розташування атомів проникнення у твердому розчині будуть октаедричні пори в -залізі і окта- і тетраедричні пори у -залізі.

Ферит - одна з основних фаз у багатьох сталях. Легований ферит представляє собою багатокомпонентний твердий розчин по типу заміщення і проникнення легуючих елементів і домішок у -залізі.

У залізовуглецевих сталях аустеніт, як стабільна структурна складова, існує лише при температурах вище . У легованих сталях завдяки впливу легуючих елементів на розширення - області, збільшенню стійкості переохолодженного аустеніту і зниження мартенситної точки, аустеніт може бути одною з головних структурних складових сталей у стані їх експлуатації.

Основними фазами - зміцнювачами у сталях являються карбіди, нітриди і комплексні сполуки на їх основі - карбонітриди. Фізична природа і властивості цих фаз в більшості визначають їх поведінку у сталі.

Карбіди і нітриди відносяться до фаз проникнення і утворюються між d- перехідними металами і відповідно вуглецем і азотом.

Карбіди заліза відносяться до найменш стійких у порівнянні з карбідами легуючих елементів. Основним карбідом заліза є , проміжним карбідом у сталях -карбід, а в деяких високовуглецевих сплавах і - карбіди. Хром і марганець підвищують стійкість цементиту у сталі.

Інтерметаліди. Фази, які утворюються в результаті взаємодії основного компоненту сплава з легуючими елементами або легуючих елементів між собою, називаються інтерметалідами.

Відмінною ознакою інтерметалічних сполук є наявність у них нової кристалічної гратки, відмінної від граток, які складають фазу компонентів. Структура, стійкість, температурні і концентраційні області існування інтерметалідів визначаються сукупною дією електронної структури, електрохімічного і розмірного фактору.

Інтерметаліди виявляють певний вплив на зміцнення в аустенітних і мартенситостаріючих сталях, багатьох жароміцних сплавів на нікелевій і кобальтовій основах, а також на властивості жаростійких захисних покриттів. У ряді жароміцних сплавів вміст інтерметалічних фаз може досягати 55-65%.

Розрізняють наступні групи інтерметалічних сполук: електронні сполуки, - фази, фази Лавеса, геометрично щільноупаковані фази.

Електронні сполуки. Мають характерні для металічних елементів структури типу о.ц.к., г.ц.к, гк. У цих сполуках структура фаз, яка утворюється в основному визначається електронною концентрацією. При утворенні цих сполук метали перехідних груп виявляють змінну валентність, що обумовлена перекриттям d- і s- рівнів.

При відношенні числа валентних електронів до числа атомів у гратці, яка дорівнює 3/2, інтерметалідні сполуки утворюють - фази з о.ц.к. структурою. До них відносяться, наприклад алюмініди перехідних металів - FeAl, CoAl і NiAl. Ці інтерметаліди володіють металічними властивостями, однак участь d-електронів у міжатомному зв'язку предвизначає появлення ковалентної складової.

Сигма-фази. -фази і споріднені їм сполуки утворюються перехідними металами і мають тетрагональні або складні ромбоедричні елементарні комірки, структура яких характеризується наявністю щільно упакованих шарів атомів, які зміщені по відношенню один до одного і розташованих на відносно великих відстанях. Такі фази і споріднені їм сполуки іноді називають топологічно щільноупаковані. Вперше -фаза типу FeCr була виявлена у залізо-хромистих сплаваях як крихка складова.

Виділення -фази виникає при тривалих витримках в інтервалі температур 500-900 і являється причиною сильного окрихчування сталей і сплавів, зменшує їх пластичність і міцність.

Фази Лавеса. Інтерметалічні сполуки складу називають фазами Лавеса. Ці фази звичайно мають кубічну або гексагональну структуру. Вони можуть утворюватися компонентами, розташованими в будь-якому місці періодичної системи.

Основним фактором, який визначає їх утворення, є співвідношення атомних розмірів компонентів.

Найбільш часто утворюються в сталях інтерметілічні фази Лавеса: . Їх наявність часто супроводжується окрихчуванням при кімнатній температурі, але менш шкідливе при підвищенних температурах.

Більш того, в багатьох теплостійких і жароміцних сплавах вдається використовуввати фази Лавеса для зміцнення без суттєвого зниження в'язкості і крихкої міцності.

Вплив легуючих елементів на властивості сталі

Механічні властивості легованих сталей значно вищі ніж вуглецевих. Легуючі елементи підвищують межу плинності, відносне звуження та ударну в'язкість. Це пояснюється тим, що леговані сталі мають менші критичні швидкості гартування і відповідно, кращу прогартовуваність. Після термічної обробки леговані сталі мають більш дрібне зерно і більш дисперсніші структури, вони гартуються з меншими швидкостями, тому у деталей будуть менші деформації і менша безпека утворення тріщин.

Прогартовуваність сталей підвищують марганець, хром, бор і такі дорогі елементи як нікель і молібден. Найбільша прогартовуваність досягається при комплексному легуванні. Необхідно відмітити, що концентрація легуючих елементів у сталі строго регламентована, тобто, при певній концентрації досягається максимальна прогартовуваність, і при подальшому підвищенні вмісту легуючих елементів вона може зменшитись, і при цьому знижуються і механічні властивості. Тому у легованих сталях вміст легуючих елементів повинен бути мінімальним, таким що забезпечує необхідну для даного перетину і умов охолодження наскрізної прогартовуваності.

Нікель, який вводиться у сталь, підвищує опір крихкому руйнуванню, збільшує пластичність та в'язкість, зменшує чутливість до концентраторів напружень і знижує температуру порогу холодноламкості. Введення 3-4 % нікелю забезпечує глибоку прогартовуваність. Нікель ? дорогий метал, тому у конструкційні сталі він вводиться разом з хромом та іншими елементами, причому у мінімальних кількостях.

Легування сталей невеликими кількостями ( до 0,05-0,15 % ) ванадію, титану, ніобію та цирконію, які утворюють важкорозчинні у аустеніті карбіди, подрібнюють зерно, знижують поріг холодноламкості, підвищують роботу розповсюдження тріщини, зменшують чутливість до концентраторів напружень.

Легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу до відпуску і стримують коагуляцію карбідів.

Молібден і вольфрам усувають розвиток оберненої відпускної крихкості, що дуже важливо для крупно габаритних деталей. Молібден і вольфрам у поєднанні з нікелем понижують прогартовуваність і стійкість до мартенситу відпуску.

Кремній підвищує стійкість мартенситу проти розпаду, підвищує в'язкість сталей і забезпечує понижену чутливість до надрізу.

Класи легованих сталей

У відповідності з діаграмою стану залізо-цементит у відпаленому стані сталі відносять до евтектоїдних, евтектоїдних та заевтектоїдних.

По структурі:

· перлітні;

· феритні;

· аустенітні;

· мартенситні;

· ледебуритні.

По вмісту вуглецю: конструкційні, інструментальні.

Конструкційні ? автоматні; будівельні; сталі, що цементуються; сталі, що поліпшуються; високоміцні; пружинно-ресорні; підшипникові; зносостійкі та ін..

Карбідна фаза у легованих сталях

По відношенню до вуглецю легуючі елементи ділять на 2 групи:

1. Графітизуючі ? Si, Ni, Cu, Al (знаходяться у твердому розчині)

2. Карбідоутворюючі ? Fe > Mn > Cr > Mo > W > Nb > V > Zr > Ti (розташовані по зростаючому ступеню спорідненості до вуглецю і стійкості карбідних фаз).

При малому вмісті Mn, Cr, Mo і W вони розчиняються у цементиті, заміщають у ньому атоми заліза і утворюють легований цементит (Fe, Me)₃C. Mn може заміщувати у гратці цементиту всі атоми заліза, Cr ? до 25 %, Mo ? до 3 %, W ? 0,8-1,0 %.

Більш сильні карбідоутворюючі елементи Ti, V, Nb, Zr практично не розчиняються у цементиті і утворюють самостійні карбіди.

При підвищенні кількості у сталі Cr, W та Mo та в залежності від вмісту вуглецю, вони можуть утворювати спеціальні карбіди (CrFe)₇С₃, (CrFe)₂₃С₆, складні карбіди.

Є такі позначення карбідів:

Me₃C ? карбіди цементитного типу;

Me₇C₃, Me₂₃C₆ ? карбіди, що мають кристалічну гратку карбідів хрому;

Me₆C, Me₄C ? карбіди, у яких кристалічна гратка типу карбідів W чи Mo;

MeC ? карбіди, по типу кубічної гранецентрованої гратки.

Всі карбіди можна розділити на 2 групи.:

До першої групи відносяться карбіди типу Me₃C, Me₇C₃, Me₂₃C₆, Me₆C (Me₄C), що мають складну кристалічну гратку. Карбіди цієї групи порівняно легко розчиняються в аустеніті при нагріванні.

До другої групи відносяться карбіди типу MeC ? WC, VC, TiC, NbC, ZrC. Ці карбіди відносяться до фаз проникнення. На відміну від карбідів першої групи, фази проникнення в реальних умовах нагрівання сталей майже не розчиняються в аустеніті.

Маркування легованих сталей

Леговані сталі маркують буквами і цифрами. Двозначні цифри, які приведені на початку марки, показують середній вміст вуглецю в сотих (конструкційні) і десятих (інструментальні) долях відсотка, букви справа від цифри позначають легуючий елемент.

А ? азот (А ? в кінці марки сталі ? високоякісна, перед цифрою ? автоматна)

Б ? ніобій ? Nb

В ? вольфрам ? W

Г ? марганець ? Mn

Д ? мідь ? Cu

Е ? селен ? Se

К ? кобальт ? Co

Н ? нікель ? Ni

М ? молібден ? Mo

П ? фосфор ? P

Р ? бор ? B

С ? кремній ? Si

Т ? титан ? Ti

Ф ? ванадій ? V

Х ? хром ? Cr

Ц ? цирконій ? Zr

Ч ? рідкоземельні ? Ca, K, Na, Mg

Ю ? алюміній ? Al.

Цифри після букв показують приблизний вміст відповідного легуючого елемента у цілих відсотках; відсутність цифри вказує, що середній вміст легуючого елемента не перевищує 10…15 %. Основна маса легованих сталей є якісними.

30ХГСА, 40ХН, 65Г, 9ХС, 18ХГТ, Х18Н10Т.

Виняток із правил позначення: ШХ15, Р18, Р6М5.

Автоматні сталі

Вони відрізняються високою оброблюваністю різанням, яка досягається введенням у конструкційну сталь S, P, Se, Te, Ca й утворенням неметалевих включень, або Pb, який утворює металічні включення. Наявність у сталі таких включень з низькою температурою плавлення призводить до утворення плівки між інструментом і заготовкою, що знижує коефіцієнт тертя в умовах різання. Присутність сірки і фосфору полегшує відділення стружки і руйнування металу, сприяє отриманню гладкої блискучої поверхні різання. Недоліком автоматних сталей є їхня понижена пластичність. Це пов'язано з тим, що переважна більшість включень в умовах прокатування сприяє утворенню смугастої структури, що викликає появу анізотропії властивостей.

А12, А30, А40Г.

Будівельні сталі

Це сталі, що містять не більше 0,22 % С і невелику кількість недефіцитних легуючих елементів до 1,8 % Mn, 1,2 % Si, 0,8 % Cr, 0,8 % Ni, 0,5 % Cu, 0,15 % V, 0,15 % Nb, 0,03 % Ti, 0,015…0,025 % N.

Це такі марки сталей ? 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ГФ, 15ХСНД, 14Г2АФ, 10Г2Б, 30ХГС, 17Г2АФБ та інші. Поступають у вигляді листів, сортового та фасонного прокату, використовують у будівництві та машинобудуванні в основному без термічної обробки.

Ці сталі добре зварюються, в порівнянні з вуглецевими сталями звичайної якості, мають кращі механічні властивості, що дозволяє приблизно на 15 % зекономити метал.

Нікель, мідь чи одночасно введені мідь і фосфор підвищують корозійну стійкість сталей в атмосферних умовах, знижують поріг холодноламкості.

Використання у будівництві термічно оброблених профілей і листів із низьколегованих сталей з у_0,2 = 400…500 МПа, дозволяє зекономити до 50% металу.

Сталі будівельного класу поставляються у нормалізованому стані і після контрольованого прокату. Сталі використовують в залежності від типу споруди, умов експлуатації і розрахованих температур, характеру та величині діючих навантажень.

Для армування звичайного та попередньо напруженого залізобетону використовують гладкий або періодичний прокат з більш міцних сталей з вмістом до 0,3 % С ? 25Г2С, 30ХГС.

У мостобудуванні для виготовлення зварних конструкцій застосовують сталі з високою міцністю у_0,2 ? 600 МПа: 10ХСНД, 10Г2СД, 10Г2АФ.

У вагонобудуванні та сільськогосподарському машинобудуванні використовують сталі, у яких у_0,2 ? 750 МПа: 12Г2СМФ, 14ГСМР та ін..

Для забезпечення надійної роботи нафто- і газопроводів застосовують низьколеговані сталі із у_0,2 ? 500 МПа, у_т ? 300 МПа, д ? 16 % і ударною в'язкістю при -70 єС не менше 400 кДж/м².

Для виготовлення нафтопроводів труб великого діаметра до 2500 мм застосовують вуглецеві сталі з вмістом не більше 0,22 % С, 0,65 % Mn, 0,37%Si і низьколеговані сталі з вмістом не більше 0,20 % С, 1,65 % Mn, і з добавками Cr, V, Nb та ін. Для виготовлення магістральних газопровідних труб великого діаметру використовують сталі 14ХГС, 17Г1С, 16Г2САФ та ін. з у_0,2 ? 520 МПа, а у_т?370 МПа у гарячекатаному стані, і сталі 09Г2С, 17ГСФ з у_0,2 ? 500 МПа, у_т? 350 МПа у термозміцненому стані.

Останнім часом для магістральних трубопроводів, як перспективний матеріал, використовують двофазні сталі з ферито-бейнітною або ферито-мартенситною структурою після контрольованого прокатування. Ці сталі містять 0,03…0,1 % С; 1,6 % Mn; 0,6 % Cr; 0,6 % Si; 0,02 % Ti; 0,03…0,18 % Nb і мають у_в = 700 МПа при Т₅₀ від -80 до -90 єС.

Для захисту трубопроводів від корозії в залежності від умов їх експлуатації застосовують покриття.

Сталі для холодного штампування

В багатьох галузях промисловості велика кількість деталей виготовляється із листової сталі холодним штампуванням.

Для забезпечення високої штампованості відношення у_в / у_0,2 сталі повинно бути в межах 0,5-0,65 при відносному звуженні не менше 40 %. Штампованість сталі тим гірше, чим більше в ній вуглецю. Кремній, який підвищує межу плинності, знижує штампованість, особливо здатність сталі до витягування. В зв'язку з цим для холодного штампування широко використовують холоднокатані киплячі сталі 08кп, 08Фкп, 08Ю. Сталь 08кп схильна до старіння, тому її мікро легують алюмінієм чи ванадієм, які зв'язують азот, що знаходиться у твердому розчинні і визиває деформаційне старіння в нітридах AlN та VN. Сталі 08Фкп і 08Ю такі, що не старіють. Для виключення деформаційного старіння після відпалу холоднокатаний лист нерідко піддають дресировці, тобто невеликій пластичній деформації.

Для штампування рекомендуються сталі з зерном 6-8 балу. При дрібному зерні спостерігається пружинячий ефект і сильно зношуються штампи, а при більш крупному зерні утворюється шорстка поверхня (апельсинова шкірка) і розриви.

Для штампування виробів, які повинні мати підвищену міцність застосовують низьколеговані двофазні сталі із стуктурою фериту і мартенситу чи фериту і бейніту. Це сталі 09Г2С, 09Г2 ? Ф-Б і 16ГФР ? Ф-М. Таку структуру отримують після гартування у воді з між критичного інтервалу температур (Ас₁ ? Ас₃). Використання цих сталей дозволяє зменшити товщину листа для штампування, що дає велику економію металу.

Сталі, що цементуються (цементовані)

Для виготовлення деталей, що працюють під дією динамічних навантажень (невеликі зубчаті колеса, шестерні, вали коробок передач автомобілів, вали швидкохідних верстатів, шпинделів та ін.) в умовах поверхневого зношування застосовують низько вуглецеві (0,15-0,25 % С) сталі. Вміст легувальних елементів у них не повинен бути занадто високим, але має забезпечити необхідну прогартовуваність поверхневого шару та серцевини. Тому сумарна кількість легуючих елементів у них не перевищує 3-5 % і за структурою вони належать до сталей перлітного класу. Після цементації, гартування і низького відпуску цементований шар повинен мати твердість 58-62 HRC а серцевина ? 30-42 HRC, що забезпечує її підвищену границю текучості. Для подрібнення зерна цементовані сталі можна додатково мікролегувати елементами (V, Ti, Nb, Zr, Al, N), що утворюють дисперсні нітриди, карбонітриди чи карбіди, які гальмують ріст зерна аустеніту.

До цементованих сталей відносяться низьколеговані хромисті сталі 15Х, 20Х, які мають невисоку прогартовуваність, додаткове легування ванадієм 15ХФ дозволяє отримати більш дрібне зерно, що покращує пластичність і в'язкість сталей.

Більш крупні деталі, або такі, що мають складну конфігурацію, такі що піддаються дії значних знакозмінних напружень, виготовляються із сталей 20 ХН, 12ХЗА, 12Х2Н4А. Внаслідок дефіцитності нікеля його іноді замінюють марганцем і додатково вводять титан або ванадій (18ХГТ, 25ХГМ).

Легування хромонікелевих сталей вольфрамом або молібденом додатково стабілізує переохолоджений аустеніт і ще більше підвищує прогартовуваність сталі. В результаті гартування у мастилі серцевина деталі отримує структуру мартенситу. Це сталі 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, які застосовують для важко навантажених зубчастих коліс, осей роликів. Ці деталі є стійкими до динамічних навантажень.

Машинобудівні покращувальні сталі

Більшість важконавантажених деталей машин (колінчасті вали, розподільчі вали, осі, штоки, шатуни, відповідальні деталі турбін, компресорних машин) виготовляють із середньовуглецевих (0,3-0,5 % С) низьколегованих сталей перлітного класу, які піддають повному гартуванню і високотемпературному відпуску. Такий режим об'ємного термічного оброблення називається покращенням, а сталі, відповідно, покращуваними (30Х, 30ХГС, 40ХН, 30ХН3А, 40Х, 38ХН3МФ). Гартування деталей здійснюють від 820-880 єС в оливі чи воді, а відпуск проводять при 550-680 єС., після такої обробки структура сталі ? сорбіт відпуску або сорбітизований перліт, що забезпечує високу границю текучості та витривалості, низьку чутливість до концентраторів напружень і достатній запас в'язкості. Покращувані сталі після термічної обробки володіють високою прогартовуваністю та малою чутливістю до відпускної крихкості.

Хромисті сталі схильні до відпускної крихкості другого роду, а тому після відпуску їх необхідно швидко охолоджувати в воді.

Для підвищення прогартовуваності хромисті сталі додатково легують марганцем (40ХГ) і бором (40ХГР). Молібден знижує відпускну крихкість (30ХМ).

Сталі леговані кремнієм ? хромансили ? 20ХГС, 30ХГС. Ці сталі добре зварюються, мають високу міцність (1200МПа) і ударну в'язкість (0,4 МДж/м²), але вони схильні до відпускної крихкості другого роду.

Хромонікелеві сталі при пониженій температурі експлуатації мають більший запас в'язкості, ніж безнікелеві. Комплексно леговані сталі, які містять 3-4 % Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА) і які мають критичний діаметр до 100мм і малу схильність до крихкого руйнування. Вони використовуються для виготовлення складних за конфігурацією деталей, що працюють при ударних навантаженнях.

Високоміцні сталі

До високоміцних сталей відносять сталі, у яких границя міцності більше 1500 МПа. Високоміцний стан у середньо- і високовуглецевих легованих сталях досягається після гартування і низького відпуску. При цьому знижується пластичність і в'язкість сталей, тому їх використовують у тих випадках, коли за умовами роботи відсутні динамічні навантаження. Це сталі, зміцнені термомеханічною обробкою, та нові високоміцні матеріали ? мартенситностаріючі сталі (МСС) і ПНП-сталі (пластичність, наведена перетворенням).

Високоміцні МСС характеризуються високим значенням міцності в поєднанні з високою в'язкістю і пластичністю (у_в = 2000 МПа, у_0,2 = 1200 МПа). Зміцнення сталей досягається за рахунок мартенситного (г > б)- перетворення і старіння мартенситу. Мінімальний вміст вуглецю (не більше 0,03%) зменшує схильність цих сталей до крихкого руйнування. Основним легуючим елементом цих сталей є нікель, вміст якого складає 17-26 %. Для ефективного протікання процесу старіння мартенситу сталі додатково легують титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом ? 03Х18К9М5Т. цю сталь гартують від температури 800-850 єС на повітрі, і отримують безвуглецевий мартенсит, з у_в = 1200 МПа, у_0,2 = 1000 МПа, д=20%, ш = 75 %, KCU = 2,0 МДж/м². У такому стані сталь добре оброблюється тиском, різанням, має високу зварюваність.

Основне зміцнення сталь отримує при відпуску в інтервалі температур 450-500 єС за рахунок виділення із мартенситу дисперсних частинок інтерметалідів ? Ni₃Ni, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti,Al). Найбільше зміцнення досягається у випадках, коли інтерметаліди мають малі розміри і когерентно зв'язані з твердим розчином. Легування кобальтом збільшує ефект старіння. Після старіння сталь має у_в = 2000 МПа, у_0,2 = 1800 МПа, д = 12%, ш = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м². При високих механічних властивостях сталь має підвищений опір крихкому руйнуванню, її в'язкість руйнування 50-70 МПа. При tє = -196 єС у неї у_в = 2400 МПа, д = 10%, KCU = 0,30 МДж/м², вона теплостійка за 450 єС.

МСС застосовують у літако-, ракетобудуванні; тобто у тих галузях, у яких важлива питома міцність, а також у криогенній техніці.

Високоміцні ПНП-сталі ? аустенітний клас, з 0,3 % С; 8-10 % Cr; 8-10 % Ni; 4 % Mo; 1-2.5 % Mn, до 2 % Si. Після гартування від 1000-1100 єС і отримання легованого аустеніту сталь деформують при tє 450-600 єС. Після деформації відбувається наклеп аустеніту, виділення з нього вуглецю і легуючих елементів з утворенням дисперсних карбідів, тобто дисперсійне зміцнення. Внаслідок збіднення аустеніту легуючими елементами точка початку утворення мартенситу деформації зміщується в область позитивних температур, а початку мартенситного перетворення залишається нижче кімнатних. В результаті такої обробки ПНП-сталі мають високу міцність у_в ? 1800 МПа, у_0,2 ? 1800 МПа і високу пластичність д ? 30 %.

Пружинно-ресорні сталі

Пружини та ресори призначені пом'якшувати поштовхи та удари в процесі роботи. Тому основними вимогами до цих сталей є високі границі пружності, витривалості та підвищена релаксаційна стійкість зі збереженням пружних властивостей протягом тривалого часу. В ресорах і пружинах різного призначення пластична деформація не допускається, тому високі значення пластичності і в'язкості менш суттєві.

Високі пружні властивості забезпечуються при вмісті вуглецю 0,5-0,7% і легуючих елементів кремнію і марганцю, іноді в сполученні з іншими елементами. Необхідний комплекс пружних властивостей формується термічним обробленням ? гартуванням і середнім відпуском при температурі 350-450 єС. Кремній затримує розпад мартенситу при відпуску, а кремній спільно з марганцем зміцнюють ферит і підвищують прогартовуваність сталі. Одна з основних вимог, що ставляться до пружинно-ресорних сталей ? висока прогартовуваність для одержання мартенситної структури по всьому об'єму виробу. Наявність після гартування продуктів розпаду аустеніту (Б, Ф, Ф-Ц суміші), а також залишкового аустеніту погіршує пружні властивості. Чим дрібніше зерно, тим вища протидія сталей малим пластичним деформаціям. Наявність зневуглецьованого шару на готових пружинах різко знижує границю пружності та витривалості.

Основними марками сталей є: 50С2, 70С3А, 55С2, 60С2, 60С2А, 60С2ХФА, 65С2ВА, 50ХГА, 50ХФА, 65Г, 60СГ. Кремнисті пружинно-ресорні сталі використовують для виготовлення пружин вагонів, ресор автомобілів, торсійних валів, пружних елементів приладів. Сталі 60С2ХФА, 65С2ВА застосовують для виготовлення великогабаритних високонавантажених пружин і ресор. Для виготовлення ресор вантажних автомобілів рекомендують сталь 50ХГА, технологічнішу ніж сталі, леговані кремнієм, а клапанні пружини двигунів внутрішнього спалювання виготовляють із сталі 50ХФА, що не схильна до перегрівання і зневуглецювання (до 300 єС), а при більш високих температурах ? до 500 єС пружини виготовляють із сталей 3Х2В8Ф, а до 600 єС із сталі Р18. Для роботи в агресивних середовищах пружини виготовляють з хромистих корозійностійких сталей типу 40Х13, 95Х18.

Пружинно-ресорні сталі після термічної обробки (гартування і середній відпуск) повинні мати троостит з у_в = 1200-1900 МПа, у_0,2 = 1100-1700 МПа і д= 5-56 %. Границя витривалості пружин і ресор зменшується при наявності поверхневих дефектів і зневуглецювання. Дробоструминна обробка створює в поверхневих шарах залишкові стискуючі напруження, які підвищують витривалість. Границя втоми у результаті поверхневого наклепу зростає у 1,5-2 рази.

Кулькопідшипникові сталі

Підшипники кочення та ковзання є відповідальними деталями багатьох машин (верстатів, автомобілів, тракторів, вагонів, електродвигунів тощо). Підшипники кочення працюють за умов кочення кульок (чи роликів) по зовнішніх та внутрішніх кільцях. Як правило, причиною відмови підшипників є руйнування тіл кочення по робочих поверхнях кілець, переважно внаслідок втомного викришування поверхонь тертя. Під час роботи елементи кочення зазнають високих змінних навантажень. Тому сталі, що використовують для їх виготовлення, мають бути міцними, зносостійкими і повинні мати високу границю витривалості. До сталей пред'являють вимоги по мінімальному вмісту неметалічних включень, карбідній неоднорідності і відсутності пористості, так як ці дефекти, знаходячись у поверхневому шарі стають концентраторами напружень і викликають передчасне втомне руйнування.

Основними марками сталей є ШХ4, ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ. Вуглець, який міститься у сталях в кількості 1,0 % і хром забезпечують отримання після гартування високої рівномірної твердості, стійкості проти зношування, необхідної прогартовуваності і достатньої в'язкості.

Кульки діаметром до 13,5 мм, ролики до 10 мм виготовляють із сталі ШХ4, а діаметром 22,5 мм і 15 мм відповідно із сталі ШХ15. Сталь ШХ15СГ використовується для виготовлення кульок діаметром до 30 мм, а для виготовлення роликів більшого діаметра застосовують сталь ШХ20СГ. Сталі ШХ15, ШХ15СГ мають підвищену прогартовуваність, високу твердість, зносотривкість та опір контактній втомі. До структури цих сталей ставлять високі вимоги за характером розміщення та розміром неметалічних включень, тому що вони спричиняють передчасне втомне руйнування. З тих самих причин неприпустимою у структурі цих сталей є також карбідна неоднорідність.

Для досягнення оптимального співвідношення міцності і контактної витривалості кільця та ролики підшипників повинні мати після гартування відпускну твердість 61-65 HRC (сталь ШХ15), 60-64 HRC (сталь ШХ15СГ). Елементи підшипників кочення, що працюють за умов високих динамічних навантажень, виготовляють із цементованих сталей 20Х2Н4А і 18ХГТ. Після цементації на товщину 1,2-3,5 мм, гартування і відпуску при 160-170 єС підшипник із сталі 20Х2Н4А має на поверхні твердість 58-62 HRC, а в серцевині 35-45 HRC. Підшипники кочення із сталі 18ХГТ піддають цементації на товщину 0,9-1,8 мм, а їхня твердість після фінішного термічного оброблення становить 61-65 HRC. Для роботи підшипників у агресивних середовищах їх виготовляють із корозійностійких сталей марок 95Х18, 98Х18.

Термічна обробка підшипникової сталі передбачає операції відпалу, гартування та відпуску. Відпалу при температурі 780-800 єС піддають заготовки після кування з метою знизити твердість і отримати структуру дрібнозернистого перліту. Температура гартування коливається в межах 830-860 єС залежно від масивності виробів ? чим більший виріб, тим вища температура гартування. Охолоджують деталі в мастилі (кільця, ролики), у розчині соди або кухонної солі, у воді (кульки). Безпосередньо після гартування їх відпускають при 150-160 єС. Твердість після гартування та відпуску 62-65 HRC, структура ? приховано-кристалічний мартенсит з рівномірно розподіленими дрібними надлишковими карбідами.

Довговічність підшипників визначається відхиленням від сферичної форми, яке призводить до биття. Ці биття ретельно контролюються. Деталі підшипників піддають 100 %-у контролю.

Зносостійкі сталі

Для сталей, що працюють на зношування в умовах абразивного тертя і високого тиску та ударів використовують високомарганцеву литу аустенітну зносостійку сталь Гадфільда ? 110Г13Л. Із цієї сталі виготовляють траки деяких гусеничних машин, залізничні хрестовини, зуби ковшів екскаваторів, щоки дробилок та ін..

Сталь 110Г13Л вмістить 0,9-1,4 % С; 11,5-15,0 % Mn; 0,5-1,0 % Si. Після литва структура складається з аустеніту і надлишкових карбідів марганцю в залізі (Fe,Mn)₃C. При нагріванні карбіди розчиняються в аустеніті, тому після гартування від температури 1100 єС у воді сталь отримує чисто аустенітну структуру з малою твердістю НВ 200.

Марганцевий аустеніт при ударних навантаженнях і після деформації в процесі експлуатації набуває твердість до HRC 50-55.

В умовах чисто абразивного зношування (наприклад при терті по піску) ефективного наклепу сталі 110Г13Л не відбувається, що призводить до підвищеного зношування деталі. Крім того, недоліком сталі є погана здатність до обробки різанням, тому деталі з неї частіше всього виготовляють литвом без механічної обробки.

Деталі, які в процесі роботи піддаються зносу в результаті дії потоку рідини чи газу, рекомендується виготовляти із сталі 30Х10Г10, яка характеризується високою кавітаційною стійкістю в наслідок утворення на поверхні мартенситу деформації при гідравлічних ударах.

Для деталей машин, що працюють в середніх умовах зношування застосовують високовуглецеві інструментальні сталі типу Х12, Х12М, Р18, Р6М5 із структурою мартенсит і карбіди.

Інструментальні сталі

Інструментальні сталі застосовують для виготовлення різального, вимірювального та формоутворюючого (штампового) інструменту. Особливу групу інструментальних матеріалів становлять порошкові тверді сплави.

До різальних інструментів відносять: різці, свердла, мітчики, фрези, пили, протяжки тощо.

Вимірювальний інструмент слугує для перевірки розмірів готових деталей (калібри, шаблони та ін.).

Штампи використовують для деформації металу в холодному (витяжні, згинальні штампи, отворопробивні, пуансони, ролики для накатування різі тощо) або в гарячому (кувальні, прошивальні, обрізні) станах.

Сталі та сплави для різального інструменту

В процесі експлуатації різальний інструмент, що працює в умовах тривалого контакту і тертя, повинен зберігати незмінними конфігурацію та властивості різальної кромки. Тому матеріал для виготовлення різального інструменту повинен мати високу твердість понад HRC 60-62 і зносостійкість, тобто здатність тривалий час зберігати різальні властивості кромки.

Механічна енергія, яка затрачується на процес обробки різанням, переходить у теплову. Тепло, що виділяється, нагріває різець, деталь, стружку і частково розсіюється. Тому основною вимогою до інструментальних матеріалів є висока теплостійкість, тобто здатність зберігати твердість і різальні властивості при тривалому нагріванні в процесі роботи. За теплостійкістю інструментальні сталі розділяють на три групи: не теплостійкі, напівтеплостійкі і теплостійкі.

При нагріванні до 200-300 єС нетеплостійких сталей у процесі різання вуглець виділяється з мартенситу гартування і відбувається коагуляція карбідів цементитного типу. Це призводить до втрати твердості і зносостійкості інструменту. До нетеплостійких відносяться вуглецеві і низьколеговані сталі, що містять 3-4 % легуючих елементів. Напівтеплостійкими сталями є деякі леговані сталі, що містять понад 4 % Cr та інших карбідотвірних елементів і зберігають твердість до температури 400єС ? 9Х5ВФ. Теплостійкі сталі зберігають твердість і зносостійкість при нагріванні до температур дещо вище 600 єС.

Вуглецеві і низьколеговані сталі мають порівняно низьку теплостійкість і невелику прогартовуваність, тому їх використовують для легких умов роботи при малих швидкостях різання. Швидкорізальні сталі, що мають вищу теплостійкість і прогартовуваність, застосовують для важких умов роботи. Ще більш високі швидкості різання допускають тверді сплави і керамічні матеріали. Із промислових матеріалів найвищу теплостійкість має нітрид бору ? ельбор. Його використання дозволяє обробляти матеріали високої твердості, наприклад загартовану сталь, при великих швидкостях різання.

Різальний інструмент різного призначення виготовляють із різних сталей:

Різці і різцеві головки ? Р18, Р12Ф3; довбальні, строгальні, відрізні ? Р6М5, Р12, Р9.

Свердла: для обробки металів, твердістю до НВ 260 ? Р6М5, Р6М3; для металів більшої твердості ? Р12Ф3; для металів, що важко обробляються ? Р12Ф3, Р12Ф4К5.

Фрези: різьбові ? Р6М5, Р12, Р8М3, Р18; черв'ячні ? Р6М5, Р12Ф3, Р12, Р8М3; те саме, для різання з підвищеною швидкістю ? Р12Ф4К5, Р8М3К6С; для різання важкооброблюваних сплавів ? Р12Ф4К5, Р8М3К6С, Р9М4К8Ф, Р12М3Ф2К8, Р6М5, Р12, Р8М3.

Протяжки діаметром до 100-80 мм ? Р12, Р6М5, Р12Ф3, Р8М3, більше 100 мм ? ХВСГ, Р6М5.

Мітчики: машинні ? Р6М5, Р18; ручні ? 11ХФ, У11А, У12А.

Плашки круглі: для нарізання м'яких металів ? ХВГС; для нарізання твердих металів ? Р6М5, Р8М3.

Розгортки: машинні ? Р6М5, Р8М3, Р12Ф3, Р12; для важкогабаритних сплавів ? Р8М3К6С; ручні ? ХВСГ, Р6М5, Р8М3.

Зенкери: для обробки м'яких металів ? Р6М5, Р12, Р8М3; для обробки твердих металів ? Р8М3К6С, Р9М4К8Ф.

Пили: сегменти до круглих пил і консовочні полотна машинні і ручні ? Р6М5; для оброби деревини ? Х6ВФ, 9ХФ, У10А.

Напилки: для м'яких металів ? Х, У13А; для твердих металів ? Р6М5, Р8М3.

Стамески, долота, сокири для обробки деревини ? 7ХФ, У7А.

Леговані сталі для різального інструменту

Низьколеговані сталі для різального інструменту 13Х6, 9ХС використовують для роботи при температурах не більше 200-250 єС. Середньолеговані сталі типу 9Х5ВФ, 3Х4В3М3Ф2 мають більш високу теплостійкість 300-500 єС.

Леговані інструментальні сталі мають вищу прогартовуваність і зносостійкість ніж прості вуглецеві сталі. Їх гартують у мастилі, що дозволяє зменшити деформацію інструменту. Він може мати більший переріз і більшу довжину.

Низьколегована сталь 13Х використовується для виготовлення інструменту діаметром до 15 мм у зв'язку з її недостатньою прогартовуваністю. Із цієї сталі виготовляють хірургічний і гравірувальний інструменти, леза бритв.

Сталі 9ХС, ХВГ, ХВГС використовують для виготовлення інструментів великого перерізу ? свердл, розгорток, діаметром 60-80 мм. Сталь 9ХС схильна до зневуглецювання при нагріванні, а у відпаленому стані має підвищену твердість, що погіршує обробку різанням і тиском.

Термічна обробка легованих інструментальних сталей включає гартування від 830-870 єС в мастилі, або ступеневе гартування і відпуск при температурі 200 єС. Твердість після термообробки складає HRC 61-65.

Швидкорізальні сталі

Швидкорізальні сталі мають високу теплостійкість (червоностійкість), тобто здатність зберігати мартенситну структуру і відповідно високу твердість, міцність і зносостійкість при підвищених температурах, що виникають у ріжучому крайку при різанні з великими швидкостями. Мартенситна структура у цих сталях зберігається до температур 600-620 єС, в зв'язку з чим використання їх дозволяє збільшити швидкість різання в 2-4 рази і збільшити стійкість інструменту в 10-30 разів порівняно з іншими інструментальними сталями, що не володіють теплостійкістю.

Найбільш поширеними у застосуванні є такі марки швидкорізальних сталей: Р18, Р9, Р6М5, Р6М3, Р12. Основними легуючими елементами, які забезпечують високу теплостійкість ? вольфрам та молібден. Сильно підвищують теплостійкість до 645-650 єС і твердість після термічної обробки (HRC 67-70) кобальт і ванадій.

Р18: 0,7-0,8 % C; 3,8-4,4 % Cr; 17,5-19 % W; 1,0-1,4 % V; 0,5-1,0 % Mo.

Р12: 0,8-0,9 % C; 3,1-3,6 % Cr; 12-13 % W; 1,5-1,9 % V; 1,0 % Mo.

Р6М3: 0,85-0,95 %C; 3,0-3,5 %Cr; 5,5-6,5 %W; 2,0-2,5 %V; 3,0-3,6 %Mo.

Р6М5: 0,8-0,88 % C; 3,8-4,4 % Cr; 5,5-6,5 %W; 1,7-2,1 %V; 5,0-5,5 %Mo.

Швидкорізальні сталі відносяться по структурі до ледебуритного класу. При затвердінні литої швидкорізальної сталі утворюється евтектика, яка нагадує ледебурит і розміщується по межах зерен. Кування або прокатування використовують для усунення сітки евтектики, подрібнення карбідів, що входять в її склад, і їх рівномірного розподілу в основній матриці.

Після обробки тиском для швидкорізальної сталі проводять ізотермічний відпал, що забезпечує зменшення твердості і полегшення механічної обробки. Сталь витримують при 740 єС для повного перетворення аустеніту в ферито-цементитну суміш сорбіт або перліт (високолегований з карбідами Ме₆С, Ме₂₃С₆, МеС, Ме₃С).

Високу теплостійкість інструмент із швидкорізальних сталей набуває після гартування і багаторазового відпуску. При нагріванні під гартування необхідно забезпечити максимальне розчинення карбідів і отримання високолегованого аустеніту. Така структура збільшує прогартовуваність і дозволяє отримати після гартування мартенсит з високою теплостійкістю. Температура гартування складає для сталі Р18 ? 1270-1290 єС, Р9 ? 1220-1240 єС, Р6М5 ? 1210-1230 єС. Для уникнення тріщин і деформації інструменту за рахунок низької теплопровідності сталей застосовують ступеневий нагрів (450, 850, 127 єС) під гартування в розплавлених солях, а гартування проводять у мастилі. Ізотермічна витримка при температурі нагріву під гартування повинна забезпечити розчинення у аустеніті певної частини карбідів ? в межах можливої їх розчинності (30-60 %). Для зменшення деформації інструменту використовують ступеневе гартування у розплавах (500-630 єС).

Після гартування структура швидкорізальної сталі складається з високолегованого мартенситу, що містить 0,3-0,4 % С, нерозчинених при нагріванні надлишкових карбідів і біля 30 % залишкового аустеніту. Залишковий аустеніт знижує твердість, різальні властивості сталі, погіршує її здатність до шліфування і його присутність у структурі є небажаною.

Після гартування проводиться відпуск, багаторазовий при температурі 550-570 єС. При багаторазовому відпуску із залишкового аустеніту виділяються дисперсні карбіди, легованість аустеніту зменшується і він перетворюється в мартенсит. Окрім цього проходить дисперсійне твердіння в результаті часткового розпаду мартенситу і виділення дисперсних карбідів, головним чином Ме₆С. Це супроводжується підвищенням твердості (вторинна твердість). В процесі однократного відпуску тільки частина залишкового аустеніту перетворюється в мартенсит. Для того, щоб весь залишковий аустеніт перетворився в мартенсит і пройшов відпуск нового утвореного мартенситу, застосовують багаторазовий, частіше трьохкратний відпуск. Такий відпуск підвищує міцність і знімає напруження, які утворилися в результаті гартування та перетворення залишкового аустеніту в мартенсит. Число відпусків може бути скорочено при обробці холодом після гартування, у результаті якої зменшується вміст залишкового аустеніту. Твердість після гартування HRC 62-63, а після відпуску вона збільшується до HRC 63-65.

Сталі та сплави для деревообробного інструменту

Вуглецеві інструментальні сталі застосовують для інструменту, який працює під невеликим навантаженням на малих швидкостях (ручний різальний інструмент та верстатний).

Леговані сталі призначені для інструментів, що працюють на високопродуктивних верстатах, та інструментів спеціального призначення (пили, ножі, фрези зі вставленими різцями, тощо), це сталі 65ХВ, ХВГ, ХВГС, 9Х5ВФ, 9ХС, Х12М. Інструмент, який інтенсивно нагрівається (різці токарно-котушкових автоматів, ножі високопродуктивних стругальних верстатів тощо), та інструменти для обробки склеєних деталей виготовляються із швидкорізальних сталей Р18.

Литі тверді сплави (стеліти, сормайти) займають проміжне положення між швидкорізальними сталями та твердими сплавами. Стеліти застосовують у вигляді наплавок на різальну частину інструмента автогенним або дуговим зварюванням. Зносостійкість такого інструменту в 2-3 рази вища, ніж інструменту з швидкорізальної сталі.

Стеліт В2К ? 32 % Cr, 15 % W, 45 % Co та ін.

В3С ? 29 % Cr, 4 % W, 60 % Co та ін.

Зносостійкість дискових пил, наплавлених сормайтом в 4-5 разів вища порівняно з зносостійкістю легованої сталі 85ХФ. Марки сормайтів:

№ 1 ? 30 % Cr, 32 % Fe та ін.

№ 2 ? 29 % Cr, 81 % Fe та ін.

Вибір марки сталі для дереворізального інструменту залежить від умов роботи.

Пили ? 9ХФ, 65ХФ.

Ножі ? 9Х5ВФ, 85Х4В4Ф; фрези ? Х12Ф, Х6ВФ, Р9; свердла ? Х5ВФ, 9ХС, Р9; токарні різці ? Х12, Х12Ф, Р9; довбальні інструменти (долота) ? 85ХФ, 9ХФ.

Сталі для вимірювального інструменту

Сталі цього призначення повинні мати високу твердість і зносостійкість, зберігати постійність форми і розмірів протягом терміну експлуатації. Крім того, вони повинні мати високу оброблюваність різанням для отримання високого класу чистоти поверхні і незначну деформацію при термічній обробці. Це сталі ? марок Х, ХВС, ХВГ, 9ХС, їх твердість після термообробки повинна бути не менше HRC 60-64.

Після термічної обробки в структурі високовуглецевих сталей присутні залишковий аустеніт, що обумовлює їх нестабільність. Для забезпечення високої твердості сталі і стабільності розмірів інструменту в процесі експлуатації проводиться спеціальна термічна обробка. Вона складається з гартування в мастилі. Для інструментів підвищеної точності застосовують додаткову обробку холодом при температурі -80 єС і тривалістю до 30 год. Низькотемпературний відпуск ? старіння при 120-170 єС. Нагрівання до більш високої температури є недопустимим в зв'язку зі значним зниження твердості і зносостійкості інструменту. Тривалий відпуск запобігає процесам старіння і розпаду мартенситу під час терміну експлуатації інструменту. Для вимірювального інструменту великого розміру і складної геометрії використовують сталі, що азотуються, типу 38ХМЮА.

Штампові сталі

Штампоі сталі поділяють для виготовлення штампів холодного та гарячого деформування ? пуансонів, матриць, фільєр, прес-форм, форм для литва під тиском.

Сталі для штампів холодного деформування повинні повинні мати високу твердість і зносостійкість, високу міцність і задовільну в'язкість для роботи при ударних навантаженнях. Ці сталі поділяються на три групи.

До першої групи відносяться сталі для витяжних і вирубних штампів, вони повинні мати високу твердість, зносостійкість. В процесі деформування з великими швидкостями штампи розігріваються до 200-350 єС, тому вони повинні мати теплостійкість до 400-500 єС, для того щоб забезпечити опір згинанню і пластичному деформуванню при штампуванні. Це сталі Х, ХВГ, ХВСГ, які після гартування і відпуску при 150-180 єС мають твердість HRC 60. Такі штампи працюють при помірних ударних навантаженнях. Сталі з підвищеним вмістом 6-12 % Cr ? Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1 мають більш високу зносостійкість і глибоку прогартовуваність. Високу твердість забезпечує велика кількість карбіду хрому Cr₇C₃. Підвищений вміст хрому приводить до зростання карбідної неоднорідності. Після термічної обробки сталі мають твердість HRC 61-63.

Другу групу складають сталі для штампів холодного видавлювання, які працюють в умовах великих тисків. Ці сталі повинні мати високий опір деформації і високу міцність. Присутність у структурі залишкового аустеніту є недопустимим. Для його усунення проводять високий відпуск при температурах вище 500 єС. Хоча із цих сталей виготовляють штампи холодного деформування, вони мають високу теплостійкість, зокрема сталь 6Х4М2ФС.

До третьої групи відносять сталі, з яких виготовляють штампи, що працюють при високих ударних навантаженнях. Це сталі 7Х3, 6Х3ФС, 4ХС, 4ХВ2С підвищеної в'язкості. Гартують їх від температури 840-900 єС у мастило, відпускають при 240-270 єС, HRC 50-55.

Сталі для штампів гарячого деформування

Штампові інструменти для гарячого деформування працюють у важких умовах. Матеріал штампів контактує з гарячим металом і нагрівається, причому нагрівання чергується з охолодженням. Матеріал для гарячих штампів повинен задовольнити високу міцність (не менше 1000 МПа), теплостійкість, яка дозволяє зберегти твердість і міцність при тривалій температурній дії. Сталі повинні мати також високу в'язкість, щоб запобігти руйнуванню при ударному навантаженні і опір термічній втомі, тобто здатність витримувати багаторазові нагрівання і охолодження без утворення сітки тріщин. Сталі повинні бути окалиностійкими і мати високу прогартовуваність, щоб забезпечити високі механічні властивості по всьому перерізу штампа. Важливо, щоб сталі не були схильні до відпускної крихкості, оскільки швидким охолодженням крупних штампів усунути її неможливо.

Крупні кувальні (молотові) штампи, а також інструмент кувальних машин і пресів, що нагріваються в процесі роботи до 500-550 єС, які працюють при помірних навантаженнях виготовляються з напівтеплостійкої сталі 5ХНМ та її аналогів 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. Ці сталі гартують у мастило відпускають при 550-580 єС, HRC 35-45, структура троосто-сорбіт.

Для виготовлення штампів невеликих розмірів взамін сталей типу 5ХНМ застосовують сталь 4Х3ВМФ.

Витяжні, висадочні штампи, пресформи литва під тиском виготовляють із сталей 3Х2В8Ф, 5Х3В3МФС, 4Х4ВМФС (ДИ-22). До цих сталей пред'являють підвищені вимоги по теплостійкості і розгаростійості і менші вимоги по прогартовуваності.

Для розчинення складних карбідів ці сталі при гартуванні нагрівають до температур 1050-1100 єС і охолоджують у мастилі. Після гартування проводиться відпуск при 560-650 єС. Твердість після термічної обробки HRC 45-50.

Інструментальні спечені тверді сплави

Спечені тверді сплави складаються в основному з карбіду вольфраму. Ці сплави характеризуються високою твердістю HRC 66-76. Спікають порошок карбіду вольфраму разом з кобальтом, який є зв'язкою, при 1400 єС.

Вольфрамокобальтові тверді сплави удосконаленні введенням до них карбіду титана і танталу. Теплостійкість у них 900-1000 єС. Це дуже дорогі матеріали, оскільки у їх складі є дорогі легуючі елементи ? вольфрам, титан, кобальт.

Тверді сплави є трьох груп: ВК ? волбфрамо-кобальтові ? ВК2, ВК8 (WC - 92%, 8 % Co), вольфрамо-титаноуобальтові ? (TiC - 15 %, 6 % Co), і вольфрамотитанокобальтові ? ТТК ? ТТ7К12 ? 4 % TiC, 3 % TaC; 12 % Co, 81%WC.

Сталі та сплави з особливими фізичними властивостями

Магнітні сталі та сплави

Основними характеристиками магнітних сталей і сплавів є такі магнітні властивості: залишкова магнітна індукція „В”, коерцитивна сила ”Не„ та магнітна проникність „м”.

Якщо магнітна проникність більша від одиниці, то такі тіла називаються парамагнетиками, якщо менше одиниці - діамагнетиками. Окремим випадком парамагнітних тіл є феромагнітні тіла - залізо, нікель і кобальт, магнітна проникність яких набагато більша, ніж у інших парамагнітних тіл.

Магнітні сплави залежно від значень коерцитивної сили і магнітної проникності ділять на магнітотверді - сплави з великою коерцитивною силою Н >4 kA /м і низькою магнітною проникністю ( їх застосовують для постійних магнітів ) і магнітом' які, для яких характерна мала коерцитивна сила ( Н < 4 kA /м ) і висока магнітна проникність ( трансформаторна і динамо - сталі ).

Магнітотверді сталі та сплави. Такими матеріалами є високовуглецеві сталі, леговані сталі та спеціальні сплави. Щоб коерцитивна сила ”Не” була високою, сталі повинні мати нерівномірну структуру, звичайно мартенсит зі значною кількістю дефектів будови, які спричиняють внутрішні напруження і спотворення кристалічної гратки.

Вуглецеві сталі У10 - У12 після гартування мають досить високу коерцитивну силу Не › 4,8 - 5,2 kA /м, проте вони прогартовуються на невелику глибину, тому їх застосовують для виготовлення магнітів перерізом 4 - 7 мм.

Хромисті сталі ЕХ, ЕХ3 ( 3% Cr) а також одночасно леговані Cr та Co сталі ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легувальні елементи підвищують, головним чином коерцитивну силу і магнітну енергію, а також покращують температурну і механічну стабільність постійних магнітів. Хромисті і кобальтові сталі порівняно легко оброблюються тиском і різанням, але мають відносно малу магнітну енергію. Коерцитивна сила легованих дорівнює 4,8 - 12,0 kA /м і залишкову індукцію 0,8 - 1,0 Тл. Найбільші магнітні властивості мають сталі ЕХ5К5 і ЕХ9К15М2 після нормалізації, високого відпуску, гартування і низького відпуску ( 100⁰С).

Спеціальні Fe - Ni - Co магнітні сплави, зокрема ЮНДК40Т8АА (7,5% Al, 40% Со, 3,5% Cu, 7,5% Ti, 0,25% Si, 14% N) характеризуються надзвичайно високою коерцитивною силою Не = 144 kA /м, що дозволяє виготовляти з них сильні магніти невеликих розмірів. Їх називають „ альніко ” і маркують такими ж буквами, що і сталі. Букви в кінці марки характеризують структуру сплаву: БА - означає що сплави мають стовбчасту структуру ( ЮНДК31Т3БА), АА - монокристалічну структуру.

...