Новые направления в создании автоматных сталей

В последнее время начинает играть роль бор (B) как элемент, обра­зующий дисперсные частицы в быстрорежущихся мягких автомат­ных сталях. В этом случае стремятся к появлению сложной оксидной фазы, связанной с определенными металлургическими условия­ми, примерно типа B₂O₃*МnО, для чего используют незначитель­ные количества бора от 30 до 50*10^-4 %. Включения, преимуще­ственно тонкодисперсные, находятся в матрице в виде частиц раз­мером < 1 мкм, иногда как оболочка на марганцевом сульфиде. При этом, естественно, следует подавать возникновение твердой борнитридной фазы.

Решающее значение для всех автоматных сталей имеет наличие одного или многих видов включений соответствующего качества, величины и распределения, благоприятно влияющих на механизм образования и ломки стружки, а также на контактную реакцию ин­струмента и сходящей стружки за счет смазки и тормозящего износ слоя на материале. Поэтому увеличение количества и размеров суль­фидных включений, о благоприятном влиянии которых на резку бы­ло известно уже в начале столетия, явилось основным путем разви­тия проблемы автоматных сталей. Они все еще являются классиче­ским примером, хотя сейчас к автоматным сталям причисляют также не содержащие серу стали с иными добавками. В последнее время предлагают ферритные и мартенситные автоматные коррозионностойкие стали, в которых для улучшения обрабатываемости резанием вместо S, Pb, Se вводят Cu, образующую обогащенную медью ε-фазу, являющуюся смазкой между инструментом и обрабатываемой деталью, и повышающую теплопроводность сталей. Ферритная сталь содержит (в %): C 0.001-0.1, Si<1, Mn<1, Cr 15-30, Ni<0.6, Cu 0.5-6, Sn и/или In в сумме>0.05. Мартенситная сталь содержит (в %): C 0.01-0.5, Si<1.0, Mn<1.0, Cr 10-15, Ni<0.6, Cu 0.5-6, Sn и/или In в сумме >0.05. В микроструктуре предлагаемые стали содержат обогащенные медью частицы, содержащие >= 0.1%С или >=10%Sb и/или In, равномерно распределены в ферритной или мартенситной матрице, занимая объем >=0.2%. Стали могут быть дополнительно легированы (в %): Nb 0.2-1.0, Ti 0.02-1.0, Mo 0-3.0, Zr, Al, V 0-1.0. Способы получения листов включают старение сталей при 500-900^оС больше 1 часа (однократного или многократного после каждой стадии горячей прокатки).

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к легкообрабатываемым сталям?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения рассматриваемых сталей?

3. С какой целью в автоматные стали вводят селен и теллур?

4. Каковы состав, структура и механические свойства автоматных сталей?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

ПРУЖИННЫЕ И РЕССОРНЫЕ СТАЛИ

Пружинные и рессорные стали и сплавы широко используются в автоматических устройствах управления и регулирования, в приборах, радиоэлектронной аппаратуре, в энергетических установках – атомных и реактивных, в колесных и гусеничных машинах главным образом в виде датчиков (мембраны, сильфоны и т.п.) и силовых (рессоры, демпферы, торсионы и др.) упругих элементов. Роль упругих элементов исключительно важная. Во многих случаях именно эти элементы определяют надежность и долговечность службы сложных и ответственных устройств, приборов и машин в целом.

К пружинным сталям общего назначения относятся преимущественно углеродистые и легированные стали перлитного класса, причем среди последних имеются также и стали мартенситного класса. Углеродистые и легированные стали, применяемые для пружин обычно содержат повышенное количество углерода (от 0,4 до 1,2%).Это объясняется тем, что при увеличении содержания углерода растет эффективность упрочнения за счет деформации или мартенситного превращения при закалке, а при отпуске выделяется большое количество карбидной фазы, частицы которой блокируют дислокации.

Преимущество углеродистых сталей: упрочнение углеродистой стали в результате мартенситного превращения, холодной пластической деформации или при совмещении этих методов упрочнения приводит к получению высоких значений предела упругости.

Недостатки углеродистых сталей: обладают невысоким сопротивлением релаксации, малой коррозионной стойкостью, сравнительно высоким отрицательным температурным коэффициентом модуля упругости, достигающим /ºС, и, наконец, непригодны для работы при повышенных температурах (выше 100ºС). Кроме того, углеродистая сталь имеет малую прокаливаемость, и поэтому ее можно использовать для изготовления пружин малого сечения. Указанные недостатки углеродистой стали ограничивают область ее применения для изготовления пружин.

Примеры пружинных сталей общего назначения: пружины механизмов и машин:65,70,75,80,85,У10А,У11А,У12А,60Г,70Г; пружины автомашин и подвижного состава железнодорожного транспорта:55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70С3А, 60С2Г, 50ХГА, 55ХГР; пружины ответственного назначения: 50ХФА, 50ХГФА, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А; пружины часовых механизмов: 70С2ХА; крупные клапанные пружины, торсионы: 45ХН2МФА.

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинные детали необходимой конфигурации.

Пружинные сплавы общего назначения, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости), высоким временным сопротивлением разрыву при достаточной вязкости и пластичности, релаксационной стойкостью и сопротивлением разрушению, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны. Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям и релаксационной стойкости. Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию (условный предел упругости), равном обычно 0,03…0,05%. Высокая релаксационная стойкость пружинных сталей обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств.

Общие принципы легирования. Основная цель введения легирующих элементов в сталь, кроме улучшения технологических свойств, заключается в повышении стабильности структуры, в том числе и дислокационной. Это обеспечивает основное преимущество легированной пружинной стали, особенно содержащей карбидообразующие элементы, по сравнению с углеродистой - повышенную релаксационную стойкость.

Некарбидообразующие элементы – Si (2,7%), Co (5%) и особенно Ni (8%) – заметно снижают энергию взаимодействия между дислокациями и атомами внедрения.

Карбидообразующие легирующие элементы, повышая энергию активации диффузии атомов железа и углерода, соответственно увеличивают стабильность субструктуры мартенсита, а также тех сегрегаций на дислокациях из атомов углерода (и азота), которые возникают в процессе мартенситного превращения, выдержке после его завершения при 20°С и при последующем отпуске. Кроме того, легирующие элементы (карбидообразующие и Si) повышают устойчивость карбидной фазы, уменьшая скорость ее коагуляции вследствие роста энергии активации диффузии углерода и увеличения энергии связи вакансий, т.е. уменьшения их подвижности. Поэтому карбидная фаза легированной стали вплоть до повышенных температур отпуска состоит из весьма дисперсных частиц, плотность и характер распределения которых определяют величину зерен a-фазы при отпуске закаленной стали. С повышением температур отпуска целесообразно увеличивать содержание Cr и Co и снижать количество Mn. V- измельчает зерно, Si повышает упрочнение мартенсита и рост дисперсности карбидов. С увеличением содержания V и Ni растут параметры вязкости разрушения.

С ростом содержания Cr в безуглеродистом мартенсите увеличивается сопротивление малым пластическим деформациям.

Ni не влияет на сопротивление микропластическим деформациям при условии постоянства температуры мартенситного превращения в стали. Ni и Cr упрочняют феррит.

Такие элементы как Si, Al и в меньшей степени V, а также и Mo, повышают сопротивление микропластическим деформациям, тогда как Co практически не влияет на его величину.