Износостойкие стали. Краткая характеристика. Марки. Марки износостойкой стали, применение износостойких сталей

Износостойкая нержавеющая сталь обладает устойчивостью к износу и коррозии. Изготовленные из нее изделия имеют длительный срок эксплуатации. Нержавейка включает марки AISI 410, 420, 430, которые отличаются содержанием углерода.

Применение

Нержавеющий износостойкий металл используется для изготовления изделий, к которым предъявляются повышенные прочностные характеристики. Из него производят пружины, поршни, измерительный и режущий инструмент, иглы карбюраторов, узлы агрегатов, работающих в агрессивных средах. Материал присутствует в составе фильтров, элементов котлов и турбин, износостойких прокладок и других изделий.

Износостойкая нержавеющая сталь требуется для производства устройств, которые контактируют с пищевыми продуктами. Из нержавейки AISI 430 выпускают комплектующие и узлы агрегатов, использующихся в виноделии и спиртовой отрасли. Материал необходим для производства технологической оснастки в пищевой промышленности.

Характеристики

Износостойкая нержавейющая сталь , купить которую рекомендуется в компании «Глобус сталь», отличается следующими свойствами:

Повышенной износостойкостью, получаемую термообработкой;

Пластичностью;

Жаростойкостью;

Невосприимчивостью коррозии;

Ударной вязкостью.

В отожженном состоянии металл марки AISI 420 имеет структуру, представляющую смесь карбида и феррита. При его нагреве до температур порядка 1000 °C и водном или масляном закаливании возникает мартенсит, имеющий твердость, пропорциональную объему содержащегося углерода. Твердость и устойчивость к износу нержавейки повышается благодаря образованию в структуре материала карбидов хрома.

AISI 430 ферритно-хромистая сталь, обладающая высокими механическими качествами и прочностью. Это достигается низкой долей углерода и повышенным содержанием хрома. Металл хорошо деформируется, поэтому находит широкое применение при штамповке изделий. Хромистые низкоуглеродистые металлы проявляют высокую устойчивость к коррозионным процессам, происходящим в серосодержащих средах. Свойства стали марки 430 обуславливают ее применение в газовой и нефтеперерабатывающей промышленности. Высокая теплопроводность нержавейки способствует ее использованию в системах теплообмена. Материал обладает малой удельной теплоемкостью. Приобрести качественный металл рекомендуется в компании «Глобус сталь».

Износостойкие стали

Конструкционные стали специального назначения

Рессорно-пружинные стали

– высокоуглеродистые , содержат 0,5…0,8%С. Применяются для пружин, рессор и других упругих элементов.

Термообработка: закалка + средний отпуск. Структура - троостит отпуска. Свойства: высокие пределы упругости, текучести и выносливости. Рессорно-пружинные стали должны иметь высокую прокаливаемость, пластичность, вязкость, релаксационную стойкость.

Углеродистые стали : 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для пружин малого сечения (до 10 мм), эти стали имеют низкую релаксационную стойкость.

Легированные стали . Основными легирующими элементами в рессорно-пружинных сталях являются кремний (1…3% Si), марганец (~1% Мn), хром (~1%Cr), ванадий (~0,15%V), никель (до 1,7%Ni). Их вводят для повышения прокаливаемости, релаксационной стойкости и выносливости.

Кремнистые стали : 55С2, 60С2А, 70С3А применяют для автомобильных рессор, пружин вагонов. Кремний повышает прочность феррита͵ предел упругости, предел текучести, но способствует обезуглероживанию и графитизации. Эти недостатки устраняют добавками Cr, V, W, Ni: 60С2ХА, 65С2ВА, 60С2Н2А. Такие стали применяют для крупных тяжелонагруженных пружин и рессор.

Предел выносливости рессор должна быть повышен в 1,5…2 раза путем поверхностного пластического деформирования: гидроабразивной или дробеструйной обработкой.

Шарикоподшипниковые стали применяются для подшипников качения (шарики, ролики, кольца). Οʜᴎ содержат в среднем 1% углерода, стали должны иметь высокую твердость, износостойкость, контактную выносливость и сквозную прокаливаемость.

Сталь ШХ15 содержит ~1%С и 1,5%Cr. Термообработка: закалка в масле с температуры 820…850°С + низкий отпуск при 150…170°С. Структура – мартенсит и дисперсные карбиды. Сталь ШХ15СГ дополнительно содержит 0,8%Si и 1,2%Mn для повышения прокаливаемости, и применяется для крупногабаритных подшипников.

Износостойкая аустенитная сталь Гадфильда 110Г13Л содержит 1,1%С, 13%Mn, (Л–литейная). Структура после литья: аустенит легированный + карбиды (Fe,Mn)3С. Для растворения хрупких карбидов и получения однородной аустенитной структуры сталь подвергают закалке в воде от температуры 1100°С.

Сталь обладает высокой износостойкостью в условиях динамического износа, благодаря способности аустенита к деформационному упрочнению (наклепу). При ударных нагрузках в поверхностном слое по границам зерна аустенита выделяются карбиды марганца. Это приводит к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. В результате температуры МН и МК повышаются, аустенит частично превращается в мартенсит, что повышает твердость и износостойкость.

Применение: траки гусеничных машин, ковши экскаваторов, крестовины желœезнодорожных путей и т.п.

Износостойкие стали - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Износостойкие стали" 2014, 2015.

Различные виды стали рассматривают в зависимости от особенности ее производства, химического состава, раскисления, качества, назначения и др.

При этом основным признаком классификации стали является ее химический состав. По этому признаку сталь подразделяется на углеродистую и легированную.

Углеродистой называется сталь, не содержащая каких-либо специальных добавок. Она выпускается конструкционная и инструментальная. Конструкционная углеродистая сталь содержит 0,1-0,85 % С и применяется для изготовления конструкций, сооружений, деталей машин, инструментальная (0,65-1,4 % С) - режущего, измерительного, штамповочного и других видов инструмента.

Конструкционная углеродистая сталь изготавливается обыкновенного качества, качественная, а также повышенной и высокой обрабатываемости резаньем (автоматная).

Классификация стали.

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) применяется для изготовления сварных и клепаных конструкций в строительстве и машиностроении. В зависимости от гарантируемых характеристик качества она подразделяется на три группы поставки - А, Б и В (табл. 10).

Марочный состав стали углеродистой обыкновенного качества

Сталь группы А поставляется по механическим свойствам. Для сталей этой группы химический состав не регламентируется, так как детали, изготавливаемые из нее, не подвергаются горячей обработке (ковке, сварке, термической обработке). Чем больше номер марки, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств) сталь группы А подразделяется на три категории.

Сталь группы Б поставляется по химическому составу. Для сталей этой группы механические свойства не регламентируются. Так как известен химический состав, детали из стали группы Б можно подвергать термической обработке.

В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств) сталь группы Б подразделяется на две категории.

Сталь группы В поставляется по механическим свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств) она подразделяется на шесть категорий.

В маркировке: Б и В - группы стали (группа А в маркировке не обозначается), Cт - сталь, цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств.

Сталь углеродистая обыкновенного качества выпускается кипящая, полуспокойная и спокойная, что обозначается соответственно буквами кп, пс и сп, записываемыми после условного номера марки. Например, Ст5пс, Ст3кп. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца (Ст3Гпс), цифра в конце - номер категории (Ст3пс-2; БСт3-2) Для сталей первой категории цифра в конце не проставляется.

Сталь углеродистая качественная (ГОСТ 1050-74) используется в основном в машиностроении По сравнению со сталью обыкновенного качества к ней предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей, особенно фосфора и серы. Так, в качественных сталях всех марок содержание серы допускается не более 0,04%, фосфора - не более 0,035%.

Сталь углеродистая качественная конструкционная выпускается марок 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, кипящая (КП), полуспокойная (ПС) и спокойная (СП). Цифра в обозначении марки указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента

По требованиям к испытанию механических свойств сталь выпускается пяти категорий, а по назначению - трех подгрупп а - для горячей обработки давлением, б - для холодной обработки давлением и в - для холодного волочения, что отражается в маркировке Например, 30-а-2, где 30 - марка стали, а - подгруппа, 2 - категория.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резаньем (ГОСТ 1414-75 E) предназначена для массового изготовления на металлорежущих станках-автоматах различных машиностроительных деталей Поэтому она называется также автоматная Выпускается эта сталь по состоянию металла трех подгрупп а - для горячей обработки давлением, - для механической обработки, в - для холодного волочения, по химическому составу - шести групп.

В маркировке: А - автоматная, С - свинец, E - селен, X - хром, Г - марганец, H - никель, M - молибден, цифра - среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Сталь инструментальная углеродистая выпускается марок У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. В маркировке: У- углеродистая, А - высококачественная, Г - с повышенным содержанием марганца, цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Для придания сталям требуемых характеристик применяется легирование.

Легированной называется сталь, в состав которой вводятся добавки (легирующие элементы) в количествах, заметно изменяющих ее структуру, а следовательно, и свойства.

Химический состав легированной стали является основным показателем, определяющим ее качество, области применения, стоимость, поэтому он отражается в ее наименовании и маркировке.

В наименовании легированной стали обозначают только основные, входящие в состав стали легирующие элементы без указания их количества, например сталь марганцовистая, хромоникелевая, хромомолибденовая и др.

Маркировка легированной стали буквенно-цифровая. Первая одно- или двузначная цифра указывает на среднее содержание углерода в десятых или сотых долях процента. Если углерода в стали менее 0,04 %, то ставится знак 00, если менее 0,08 % - 0. При содержании углерода 1 % и более цифра вначале не проставляется.

Буквы маркировки указывают наименование легирующих элементов: M - молибден, Г - марганец, С - кремний, X - хром, H - никель, T - титан, В - вольфрам, Φ - ванадий, А - азот, Ю - алюминий, К - кобальт, Ц - цирконий, Б - ниобий, Π - фосфор, P - бор, Д - медь, E - селен. Цифры, следующие после букв, обозначают среднее содержание данных легирующих элементов (в процентах). Отсутствие цифры указывает на то, что их содержание в стали менее 1,5 %. Буква А в конце маркировки означает высококачественную легированную сталь, т е. более чистую по содержанию серы и фосфора.

В маркировке некоторых легированных сталей вначале проставляются буквы, указывающие на их применение.

Например, P - быстрорежущие, Ш - шарикоподшипниковые, Э - электротехнические, E - для постоянных магнитов. В быстрорежущих сталях цифра, следующая после буквы P, указывает среднее содержание вольфрама (в процентах).

Для обозначения марок стали, подвергнутых переплавам, применяются буквы, проставляемые через тире после индексации, характеризующие химический состав. Например, Ш - электрошлаковый переплав, ВД - вакуумнодуговой переплав, ЭЛ - электронно-лучевой переплав, ПД - плазменно-дуговой переплав, BH - вакуумно-индукционная плавка, ШД - электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, ШЛ - электронно-лучевой и злектрошлаковый переплав и т. д.

Легированные стали выпускаются конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные легированные стали производятся качественные и высококачественные, в зависимости от содержания углерода - низкоуглеродистые (до 0,3 % С) и среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С), а по содержанию легирующих элементов - низколегированные и средне-легированные.

Конструкционная низколегированная сталь (ГОСТ 19281-73) содержит не более 0,22 % С и до 3-4 % легирующих элементов. Она используется в виде листов, сортового фасонного проката в строительстве и машиностроении, хорошо сваривается. Марочный состав этой стали насчитывает 28 марок (09Г2, 09Г2Д, 12ГС, 09Г2СД, 10Г2С1Д, 15ГФ, 15ГФД, 15Г2СФД, 14Г2АФ, 18Г2АФпс, 10ХНДП и др.). Конструкционная среднелегированная сталь (ГОСТ 4543-71) выпускается цементуемая (не более 0,3 % С) и улучшаемая (0,3-0,5 % С), т. е. используемая после закалки и высокого отпуска (улучшения). Марочный сортамент конструкционной среднелегированной стали включает 13 групп и свыше 80 марок.

В зависимости от химического состава и свойств конструкционная легированная сталь делится на категории качественная, высококачественная - А; особовысококачественная - Ш (сталь электрошлакового переплава); по назначению - на подгруппы: а - для горячей обработки давлением (кроме осадки, высадки, штамповки), б - для холодной механической обработки по всей поверхности, в - для холодного волочения (подкат) и г - для горячей осадки, высадки и штамповки, а по состоянию материала - без термической обработки, термически обработанная (T) и нагартованная (H).

Инструментальные легированные стали по сравнению с углеродистой отличаются большей теплостойкостью и прокаливаемостью, поэтому могут использоваться при высоких скоростях резанья и для обработки твердых металлов. Так, стойкость инструмента из быстрорежущей стали в 10-30 раз, а скорость резания - в 2-4 раза больше, чем из углеродистой.

Для изготовления режущего инструмента используются стали, где основной легирующий элемент - хром (15Х, 9XCl, ХВГ, ХВСГ) или молибден (P12, Pl8, Р6М5, Р8МЗ, Р8М3К6С, Р9Ф5, Р14Ф4, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2).

Стали легированные вольфрамом, а также кобальтом, молибденом, ванадием известны как быстрорежущие (Р18, Р12, Р9, Р6МЗ).

Для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, применяются стали марок Х12Ф1, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС и др. Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью.

Для изготовления штампов, деформирующих металл в горячем состоянии при температуре свыше 30°C, применяются стали марок 5XHM, 5XHB, 4Х38МФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ и др. Штамповые стали для горячего деформирования должны обладать высокими механическими свойствами при повышенных температурах, окалиностойкостью и способностью не образовывать трещины при многократных нагревах и охлаждениях.

Для изготовления измерительных инструментов обычно применяют стали марок X, ХВГ, Х12Ф1 и др.

К легированным сталям с особыми свойствами относятся жаростойкие (окалиностойкие), жаропрочные, коррозионностойкие, магнитные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, а также стали с высоким электросопротивлением.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах свыше 550°C. В таких сталях для получения защитной окисной пленки в качестве легирующих элементов применяют хром, никель и алюминий (15X5, 15X28, ХН7010 и др.).

Жаропрочные стали применяют для работы в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени, используя их сопротивление возникающей ползучести и разрушению. Для изготовления деталей, работающих при температурах 400-600°C, используются стали марок 15XM, 12Х1МФ, 40Х9С2, 15Х11МФ, при температурах 600-750°C- 09X14Hl6Б, при более высоких температурах (до 1000°C) - ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ и др.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали обладают устойчивостью против электрохимической коррозии. Это достигается введением в их состав элементов, образующих защитные пленки и повышающих электрохимический потенциал.

Нержавеющие стали выпускаются хромистые и хромоникелевые

Магнитные стали выпускаются магнитно-твердые для изготовления постоянных магнитов - ЕХ5К5, ЕХ9К15М2, магнитно-мягкие для изготовления якорей и полюсов электротехнических машин, магнитопроводов, статоров и роторов электродвигателей, силовых трансформаторов - Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э48 и парамагнитные для изготовления немагнитных деталей приборов и машин - 17Х18Н10, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3.

Рессорно-пружинные стали обладают высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. Наиболее часто для изготовления пружин и рессор используются легированные стали марок 50С2, 55С2А, 70СЗА, 60С2ХФА, 60С2ВА, 60С2Н2А, 50ХГА, 50ХФА и др.

Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой прокаливаемостью на большую глубину, твердостью, износостойкостью, сопротивлением контактной усталости. Легированные шарикоподшипниковые стали выпускаются марок ШХ15СГ, 20Х2НЧА, 18ХГТ, ШХЧ, 95X18 и др.

Износостойкие стали используются при изготовлении деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения, высоких давлений и сильных ударов. К ним относятся стали марок 110Г13Л, 30Х10Г10 и др.

Стали с высоким электросопротивлением применяются для изготовления нагревательных элементов промышленных, лабораторных и бытовых приборов и печей. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, достаточной прочностью, окалиностойкостью и выпускаются марок Х13ЮЧ, ОХ23Ю5, ОХ27Ю5А и др.

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов (например, для траков некоторых гусеничных машин, щек дробилок, черпаков землечерпательных машин, крестовин железнодорожных и трамвайных путей и т. д.), применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0,9-1,3 % Си 11,5-14,5 % Мп.

Структура этой стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мп) 3 С, выделяющихся по границам зерен, что снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим литые изделия закаливают с нагревом до 1100 °С и охлаждением в воде. При таком нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру. Сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пределом текучести, составляющим примерно одну треть от временного сопротивления, и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках, когда происходит деформационное упрочнение аустенита и образование е-мартенсита с ГПУ-решеткой. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартен- ситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая.

При повышенном содержании фосфора сталь 110Г13Л хладноломка. При содержании в стали более 0,05 % Р по границам зерен образуется хрупкая фосфидная эвтектика, на которой зарождается и растет хрупкая трещина при низких температурах, поэтому при использовании стали в северных районах содержание фосфора должно быть равно или менее 0,02-0,03 %.

Высокой стойкостью при циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании обладает литая сталь 60Х5Г10Л, претерпевающая при эксплуатации.

Применяемость

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10 и 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.

В процессе работы изделий, подверженных кавитационной эрозии, деформация и разрушение поверхностных слоев приводят

к тому, что на поверхности под действием гидравлических ударов образуется новый слой мартенсита, обладающий высокой прочностью. Многократное повторение этого процесса объясняет высокую стойкость сталей с метастабильным аустенитом.

• 630 просмотров

Стали в зависимости от структуры можно расположить по возрастающей износостойкости в следующем порядке: Перлит + Феррит; Перлит; Перлит + Цементит; Мартенсит; Мартенсит + Цементит.

В условиях ударно-абразивного усталостного износа мартенситная структура стали оказывается наиболее износостойкой; однако стали с высокой твердостью и низким уровнем пластичности в условиях изнашивания склонны к хрупкому выкрашиванию. В этом случае проявляется краевой эффект - выкрашивание периферийных участков образца.

В процессе износа структура металла активного слоя и его свойства изменяются. Может осуществляться мгновенный местный нагрев металла поверхности трения, а при выходе из контакта – охлаждение. В зависимости от сочетания процессов механического и термического воздействия и степени их интенсивности в структуре может иметь место целая гамма переходов   и, в частности, выпадение или растворение избыточной фазы, быстро протекающие диффузионные процессы, способствующие местному изменению химического состава, и в результате этого вторичная закалка или отпуск; процессы рекристаллизации, коагуляции и коалесценции карбидов и др. Часть этих процессов как рекристаллизация и коагуляция, приводит к снижению износостойкости металлов. Из-за очень малого времени, в течение которого происходит нагрев и охлаждение могут образовываться промежуточные неравновесные структуры.

Основные вторичные структуры, образующиеся при трении: вторичный аустенит образуется на базе исходной мартенситной структуры и часто при наличии остаточного аустенита, обладает более высокой микротвердостью, чем исходный; вторичный мартенсит - продукт распада вторичного аустенита, микротвердость  850-925 кгс/мм 2 и выше, обладает более высокой травимостью; "белая зона" - структура, образующаяся при локальном импульсном силовом и тепловом воздействии, обладает высокой микротвердостью 900-1300 кгс/мм 2 , не травится в обычном реактиве.

Степень упрочнения слоев зависит от структуры стали. К примеру: упрочнение поверхностных слоев ст.45 с мартенситной структурой составляет 25%, а со структурой феррит + перлит 10%. Следовательно, наибольшее упрочнение для ст.45 наблюдается при мартенситной структуре. Высокоуглеродистые стали с мартенситной структурой наклёпываются сильнее. Это по-видимому можно объяснить тем, что кроме упрочнения от пластической деформации происходит упрочнение от превращения остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионного твердения мартенсита.

Таким образом, износостойкость металла определяется не только структурой металла в исходном состоянии (до трения), но и структурой, формирующейся в результате совокупности единичных процессов, происходящих при трении.

По сравнению с мартенситом аустенит является менее износостойкой структурой. Однако, являясь значительно более вязким, аустенит способствует хорошему удержанию карбидов. При этом более износостойкими являются сплавы с нестабильной аустенитной матрицей, поскольку в поверхностных слоях в процессе износа происходит превращение аустенита в мартенсит, создание внутренних сжимающих напряжений, выделение мелкодисперсных карбидов по плоскостям скольжения и т.д.

Изучение влияния широкого диапазона микроструктур сталей 45,У8,У12,20Х, 18ХГТ, 12ХНЗМА, полученных при различных режимах термической обработки на износостойкость, показало следующее:

Износостойкость перлита, сорбита и троостита определяется степенью дисперсности цементитных частиц; чем тоньше структура при заданном химсоставе, тем выше износостойкость стали;

Износостойкость мартенситной составляющей определяется содержанием в ней углерода: чем больше углерода, тем выше износостойкость стали. Заэвтектоидная сталь со структурой мартенсит + избыточные карбиды обладает меньшей износостойкостью, чем та же сталь с чисто мартенситной структурой;

Наличие в структуре стали остаточного аустенита не снижает ее сопротивление абразивному изнашиванию, что объясняется превращением аустенита в высоколегированный мартенсит в объемах, подвергающихся абразивному изнашиванию;

При отсутствии в структуре стали остаточного аустенита износостойкость ее определяется износостойкостью структурных составляющих, с учетом их количественного соотношения;

Если в процессе изнашивания в материале поверхностного слоя протекают структурные изменения или фазовые превращения, то износостойкость будет определяться свойствами конечных продуктов превращения.

Сопротивляемость отдельных структурных составляющих пластической деформации и разрушению при микроударном воздействии отражают данные, приведенные в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Сопротивляемость структурных составляющих железоуглеродистых

сплавов микроударному разрушению

Каждый тип матрицы и упрочняющей фазы характеризуется предельной величиной энергии, в момент поглощения которой происходит образование трещины, или отрыв микрообъема металла от монолита.

Исследования энергоемкости и износостойкости различных сплавов показало, что сплавы со стабильной матрицей - ферритной, аустенитной - могут поглотить, не разрушаясь, малое количество энергии. Они обладают малой износостойкостью даже при большой степени легированности и значительном содержании карбидов. Сплавы с нестабильной аустенитной основой, способные к структурным и фазовым превращениям, при деформации поверхности абразивами в процессе изнашивания оказываются более износостойкими, т.к. на превращения, вызванные воздействием, абразивов, уходит значительное количество энергии.

Среди трех групп твердых соединений (карбиды, бор иды, нитриды) наиболее энергоемкой является карбидная группа. Способность поглощать энергию при механическом нагружении сильно развита у карбидов и боридов с ГЦК и ГП - решеткой типа ТаС, ТiС, WC, NdB 2 и iТВ 2 . Им уступают карбиды кремния, бора и все нитриды. Еще меньшей энергоемкостью, а следовательно, и меньшей способностью сопротивляться разрушению обладают карбиды цементитного типа, наименее энергоемкими являются карбиды хрома.

Представляет интерес исследование изменения износостойкости сталей и сплавов при введении в них диборидов титана, циркония, гафния, обладающих повышенной энергией, разрушения и свободной энергией образования по сравнению с другими боридами, нитридами.

Бориды металлов IV-VI А групп периодической системы элементов обладают высокими значениями температуры плавления, твердости, модуля упругости.

Известно, что при наличии на бинарных диаграммах особых точек, например максимумов, в расплавах обнаруживаются группировки, по составу сходные с конгруэнтно плавящимися соединениями. Чем выше температура плавления таких соединении, чем острее максимумы, тем прочнее связи между атомами элементов, составляющими эти группировки. Имеются данные о том, что если два элемента образуют прочные соединения между собой, то и находясь в растворенном состоянии в жидком железе, они могут объединиться в группировки, подобные молекулам такого соединения. Так например, на диаграмме состояния Мn-Р четко выражен максимум при составе, отвечающем соединению Мn 3 -Р 2 . Присутствие марганца в сплавах Fe-H, Fe-C-P и Fe-C-P-O столь существенно изменяет природу раствора, что фосфор перестает быть поверхностно-активным элементом. Он настолько прочно связывается с марганцем в группировки, вероятно, подобные молекулам Мn 5 Р 2 , что это даже сказывается на способности его к окислению.

Бор известен как элемент, образующий с рядом металлом многочисленные соединения. Высокая температура плавления и форма максимумов боридов Ti, Zr, Hf и, особенно типа МnВ 2 свидетельствует о их высокой прочности. Для того, чтобы дать представление о прочности боридов переходных металлов IV и V периодов в табл.11.2 приведены данные о величине изменения изобарно-изотермического потенциала образования их из компонентов, которые имеются в технической литературе. Для сравнения в таблице приведены данные по боридам, оксидам и нитридам.

Таблица 11. 2

Изменение изобарно-изотермического потенциала образования

при 1900 К, температуры плавления боридов, оксидов и нитридов

Из данных табл.11.2 следует, что при температуре 1900 К изменения изобарно-изотермического потенциала реакции образования боридов Ті и больше по отрицательной величине, чем у реакций образования нитридов и приближаются к величине 1900 реакции образования ТіО 2 . Учитывая, что имеются надежные данные о выделении нитрида и окисла титана непосредственно в жидкой стали, можно предполагать возможность образования в жидком металле боридов Тi и Zr при совместном присутствии их в расплавленном металле в соотношениях концентраций, соответствующих наиболее устойчивым боридам ТiВ 2 и ZrВ 2 .

Из диаграмм состояния бора с железом и легирующими элементами следует, что бор обладает очень низкой растворимостью в этих металлах и образует на участках диаграммы состояния металл низкий по бору борид – эвтектику с достаточно высокой температурой плавления. Эта эвтектика, не подверженная структурным превращениям, которые вызывают охрупчивание стали: при повышенных температурах, повышающая жаропрочность аустенитных сталей и снижающая ее склонность к коррозионному растрескиванию, является упрочняющей фазой в аустенитных сталях, и сплавах с повышенной концентрацией бора. Сопоставление свойств боридов со свойствами карбидов и нитридов показывает, что бориды обладают более высокими показателями твердости, стойкости против окисления при высоких температурах, а также износостойкости. Такое сочетание свойств обусловлено особенностями кристаллической структуры и прочностью межатомных связей; в отличие от карбидов и нитридов, для которых характерны связи металлического или полного типа, атомы бора образуют сплошные решетки преимущественно с ковалентной связью. Структура и свойства, сплавов переходных металлов с боридами изучены чрезвычайно мало. Исследованиями Тихонович установлено существование зависимости антифрикционных свойств от физико-механических свойств сплавов. Следовательно, должна существовать корреляция между антифрикционными свойствами сплавов и их диаграммой состояния.

Железо с диборидом титана образует диаграмму состояния эвтектического типа. Эвтектика плавится при 1250°С и содержит 1,5-2 мол % ТiВ 2 .

Износостойкость определялась на сплавах в литом и отожженном состояниях. Причем, термическая обработка не повлияла на износостойкость, что, вероятно, объясняется малой растворимостью диборидов в железе и их повышенной термостойкостью.

Во всех исследованных системах (Fе-Тi(Zr)-В) наблюдалась одинаковая закономерность изменения значения коэффициента трения. Минимальное значение коэффициента трения приобретает система в случае сплавов эвтектического состава. Отклонение состава сплава в доэвтектическую или заэвтектическую области приводит к увеличению значения коэффициента трения.

При этом, появление в структуре фаз внедрения, входящих в состав эвтектики, приводит к уменьшению изнашивания, а при достижении определенной доли твердой фазы в структуре сплава (эффектная объемная доля) интенсивность изнашивания устанавливается на одном уровне и практически не меняется при дальнейшем увеличении, количества твердой фазы.

Подобное изменение интенсивности изнашивания можно объяснить тем, что по мере увеличения объемной доли твердой фазы в структуре сплава происходит перераспределение площади реального контактирования между матрицей, и упрочняющей фазой. При определенном содержании объемной доли твердой фазы, зависящей от удельной энергии разрушения, практически весь контакт с контртелом осуществляется через твердую фазу, поэтому дальнейшее увеличение количества твердой фазы не приводит к существенному изменению интенсивности изнашивания. В исследованных сплавах объемная доля боридной фазы не превышала 25%.

В доэвтектических сплавах первичные кристаллы железа, образуют нефасетованные дендриты. Боридная фаза в этих сплавах присутствует как составляющая эвтектики.

В эвтектическом сплаве Fе-ТiВ 2 боридная фаза в каждой эвтектической колонии представляет собой единое образование; в сечении - шестигранной формы.

В заэвтектических сплавах бориды образуют избыточные первичные кристаллы.

Первичные боридные фазы во всех сплавах окружены эвтектикой. Во всех исследованных сплавах эвтектика имеет колониальное строение. Зарождающейся и, по-видимому, ведущей эвтектическую кристаллизацию фазой является боридная фаза.

Сочетание мягкой металлической матрицы с твердыми боридными включениями при довольно большой: объемной доле придает сплавам повышенную прочность и износостойкость. Испытания сплавов железа с диборидом титана на износостойкость в условиях сухого трения в паре с износостойким хромистым чугуном показали, что эвтектический сплав имеет высокую износостойкость, превышающую износостойкость чистого железа в 100 раз.

Суммарный износ образца и контртела при эвтектическом составе имеет минимальные значения, соизмеримые с данными для применяющихся в промышленности сталей, работающих в условиях сухого трения скольжения.

Рис. 11.3. Закономерность изменения коэффициента трения и интенсивности изнашивания при трении скольжения в системах Fe-TiB 2 ; Fe-ZrB 2 ; Fe-HfB 2

а – схема политермических сечений;

б – изменение интенсивности изнашивания;

в – изменение коэффициента трения.

Рекомендуется применение данных сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения и коррозии, методом литья без дополнительной термообработки или какой-либо иной обработки образцов. Обязательным условием для обеспечения высокой износостойкости является получение в процессе кристаллизации регулярном дисперсной структуры эвтектического типа.