Специальные стали и сплавы.

Инструментальная сталь.Инструменты можно условно разделить на измерительные, штамповые и режущие, условия работы этих групп инструментов существенно разнятся, соответственно и требования к материалам для них разные.

Материалы для режущих инструментов должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.

Чем интенсивнее режимы резания, т.е. чем выше скорость и усилия резания, чем выше прочность и вязкость обрабатываемого металла, тем сильнее разогревается режущая кромка инструмента. Работоспособность инструмента в этих условиях будет зависеть от теплостойкости инструментальной стали, т.е. от её способности не снижать твердость под действием повышенных температур.

Теплостойкость углеродистых и низколегированных сталей, например, У10А, У13А не более 200°С.

Поэтому углеродистые инструментальные стали заэвтектоидного состава применяют для изготовления:

- измерительного инструмента, для которого важно сохранять неизменные размеры и сопротивляться износу при комнатной температуре;

-небольших штампов холодной высадки или вытяжки, работающих при невысоких нагрузках;

- для мелких инструментов с режущей частью, не превышающей глубину прокаливаемости нелегированной стали. Это могут быть метчики, развертки, напильники, пилы и пр.

Если требуется термическое упрочнение на большую глубину применяют низколегированные Cr, Mn, Si, W стали (не более 5% легирующих элементов в сумме). В состоянии закалки и низкого отпуска со структурой мартенсит и мелкие, равномерно распределенные карбиды, низколегированные стали хорошо сопротивляются деформациям и растрескиванию, но имеют низкую теплостойкость не выше 200-280°С и не могут использоваться при интенсивных режимах резания или для изготовления штампов горячей обработки давлением.

Быстрорежущие стали.Быстрорежущие стали относятся к высоколегированным сталям с содержанием углерода также более 1%. Они имеют более высокую теплостойкость и сохраняют твердость до 560-640 °С.

В марочном обозначении быстрорежущих сталей присутствует буква Р на первом месте., затем указано процентное содержание основного легирующего элемента – вольфрама. Содержание ванадия до 2% и хрома до 4% в марке не отображается. Дополнительное легирование Mo, Co, V>2% обозначается в марке буквами М, К и Ф с соответствующими их процентному содержанию цифрами, например,

Р18, Р9Ф5, Р10К5Ф5, Р6М5.

В литом и отожженном состоянии структура быстрорежущих сталей содержит карбидную эвтектику, которую устраняют дроблением карбидов при горячей деформации.

Общее количество карбидов в структуре составляет 22-28 объемных %. По фазовому составу карбиды представлены: Fe₃W₃C(Me₆C), где Ме - V Cr; (FeCr)₂₃C₆; VC(MeC) Me₆C.

В состав карбидов входит до 80-95%W+V и до 50%Cr, остальная часть легирующих элементов растворена в a-твердом растворе.

Термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали включает закалку от 1270-1290 °С и трехкратный отпуск при 550-570°С, иногда между закалкой и отпуском выполняют обработку холодом при −80°С для превращения остаточного аустенита.

После термообработки структура быстрорежущей стали представляет собой мартенсит и равномерно распределенные мелкие карбиды, твердость 63-65HRC.

Порошковые твердые сплавы.Порошковые твердые сплавы состоят из высокотвердых тугоплавких карбидов W, Ti, Ta, соединенных металлической связкой из Со.

Изготавливают твердосплавные инструменты методами порошковой металлургии. Вначале получают порошки карбидов и Со, затем смешивают их в заданной пропорции. Смесь порошков уплотняют в пресс-форме, получая заготовку необходимой конфигурации. Затем прессовку нагревают при 1400-1550 °С, кобальт плавится и растворяет часть карбидов.

Полученный спеченный материал состоит на 80-85% из карбидных частиц. Его твердость достигает 74-76 HRC, а теплостойкость повышается до 800-1000°С.

Получаемые таким способом твердые сплавы принято делить на следующие группы:

- вольфрамовые сплавы, содержащие только карбиды вольфрама, например, ВК3(WC-97%; Co- 3%) 89,5 HRC, ВК10 - 87 HRC;

-титановольфрамовые сплавы, в состав которых входят карбиды вольфрама и карбиды титана, например, Т30К4 (WC-60%, TiC-30%< Co-4%) - 92 HRC;

-титанотанталовольфрамовые сплавы, карбидная фаза которых состоит из карбидов W, Ti и Ta, например, ТТ7К12 с твердостью 90,5 HRC.

Сверхтвердые материалы.Инструменты для чистовой обработки изготавливают из сверхтвердых материалов, таких, например, как алмаз.

Алмаз имеет твердость 10000 HV, что в 6 раз превышает твердость карбида вольфрама (1700 HV). Для изготовления инструмента широко применяются синтетические алмазы - борт, баллас и карбонадо поликристаллического строения. Эти разновидности алмазов относительно недороги, менее хрупкие и более теплостойкие, чем монокристаллы.

Алмаз теплостоек до температуры 800°С, при более высоких температурах он графитизируется. Из-за высокой адгезии к железоуглеродистым сплавам алмазный инструмент ограниченно используется при точении стали и чугуна, но широко применяется для обработки цветных металлов и сплавов, керамики и пластмассы.

Для чистовой обработки труднообрабатываемых сплавов на основе железа применяют такие материалы на основе поликристаллического нитрида бора BN с кубической структурой (боразона), как эльбор, эльбор-Р. По твердости (9000 HV) эти материалы приближаются к алмазу, а теплостойкость их достигает 1200°С. По отношению к железу нитрид бора химически инертен.

Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы.

Жаростойкость (окалиностойкость) это способность металлических сплавов противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной газовой среды при высоких температурах (>550°С). Жаростойкие сплавы способны работать при повышенных температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют хромом, алюминием, кремнием, никелем. Если рабочая температура составляет 900°С, то содержание хрома в стали должно быть не менее 10%, для работы при температуре 1100°С необходимы стали с содержанием хрома >20%. Структура жаростойких сталей должна быть однофазной ферритной (хромистые стали) или аустенитной (хромо-никелевые).

Марки жаростойких сталей и сплавов:

прокат – 12Х17 (t_раб=900°С), 12Х18Н9Т (t_раб=850°С), 12Х25Н16Г7АР (t_раб=1100°С), ХН45Ю (t_раб=1400°С), ХН78Т (t_раб=1150°С);

для литья – 15Х25ТЛ (t_раб=1050°С), 15Х25Н19С2Л (t_раб=1150°С).

Жаропрочность это способность конструкционных материалов (главным образом, металлических сплавов) выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью.

Предельное напряжение, при котором может работать деталь из жаропрочной стали при повышенной температуре, в значительной степени зависит от времени приложения нагрузки, и поэтому называется длительной прочностью, s₁₀₀. Индекс здесь обозначает время приложения нагрузки в часах.

При повышенных рабочих температурах - s₁> s₁₀> s₁₀₀> s₃₀₀, t_раб=20°С, то s₁ = s₁₀ = s₁₀₀ = s₃₀₀.

Увеличение с течением времени деформации при повышенной температуре и постоянном напряжении называется ползучестью. Скорость ползучести интенсивно возрастает при температуре выше температуры рекристаллизации t_рекр.= аT_пл (коэффициент а зависит от чистоты металла, так для чистых металлов а»0,2; для металлов технической чистоты - а»0,4, для твердых растворов – а»0,7…0,8). Поэтому рабочая температура жаростойких сталей и сплавов должна быть ниже t_рекр. Например:

 

Al и его сплавы Fe Mo

t_пл , °С 657 и ниже 1539 2600

t_раб,°С 250 700 1200-

1400.

Но некоторые металлы и их сплавы могут работать только при более низкой температуре, например медь имеет относительно высокую температуру плавления t_пл = 1083°С, но рабочая температура для меди и её сплавов низкая, не более 250°С.

Сопротивление ползучести жаропрочных сталей и сплавов характеризуется пределом ползучести s_пл – напряжением, которое вызывает при рабочей температуре развитие деформации с заданной скоростью, например 1% за 300 ч.

До температуры 300°С явления ползучести в сплавах на основе железа не проявляются, и поэтому для работы при таких температурах могут быть использованы нелегированные стали. Повышение рабочей температуры до 350…500 °С требует применения малолегированных сталей перлитного и ферритного класса.

При рабочих температурах 500…600°С используют легированные стали аустенитного класса. Повышение рабочих температур до 650…900°С диктует необходимость применения сплавов на никелевой или кобальтовой основе, а при более высоких температурах под нагрузкой могут работать только сплавы на основе Mo, Cr и других тугоплавких металлов.

В разных отраслях техники рабочие температуры могут значительно различаться:- котлостроение – t_раб= 350…550°С;-турбостроение - t_раб= 500…650°С;- газовые турбины и ракетная техника t_раб= >650°С.

Для работы под нагрузкой при повышенных температурах используют следующие стали и сплавы:

- котельные стали с малым содержанием углерода (0,08…0,19%) могут быть перлитного класса, например 12МХ, мартенситного класса (Х5БФ) или мартенситно-ферритного (15Х11МФ).

- сильхромы – жаропрочные и жаростойкие стали, содержащие 5-15%Cr и 1-3%Si, марки Х10С2М, Х13Н17С2 (для клапанов выпуска, элементов теплообменников);

-аустенитные жаропрочные стали марок Х18Н9Т, 1Х25Н16Г7АР(ЭИ835)[1] и дисперсионнотвердеющие стали 0Х14Н28В3Т3Ю (для клапанов двигателей и лопаток турбин, работающих при температурах 600-700°С.

-никелевые и кобальтовые сплавы (для лопаток газовых турбин и реактивных двигателей), например сплав марки ХН77ТЮ(ЭИ437А); нимоник 90, сплав на основе Ni, легированный Cr – 18-21%, Ti – 3% с s₁₀₀₀=340МПа при t_раб=700°С; витталиум или ЛКУ – сплав на основе Со, легированный также Cr – 25-30%, Mo - 4-6% и Ni, t_раб=950-1000°С.