Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали

В составе сталей данной группы никель частично или полностью заменен марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, снижая температуры точек Мн и М_Д сталей. Поскольку марганец в определенных количествах в противоположность никелю обладает более слабым аустенитообразующим действием, хромомарганцевые стали более склонны к мартенситным превращениям, чем хромоникелевые. При полной замене никеля марганцем возрастает опасность хрупкого разрушения, свойственная многим марганцевым сталям при низких температурах. По этой причине, а также для повышения прочностных свойств аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом, а часто обоими элементами совместно. Хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, можно рассматривать как криогенные стали повышенной прочности, так как они имеют значительно более высокие значения предела текучести при комнатной температуре, чем аустенитные хромоникелевые стали.

В таблице 1 приведены механические свойства некоторых из наиболее распространенных Cr – Mn, Cr – Ni – Mn криогенных сталей.

Таблица 1

При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклепу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.

Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы Cr - Mn состоит из закалки от t = 1050 – 1150 ^оС для фиксации гомогенного твердого раствора.

Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомендуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже – 196 ^оС.

Ферритные стали, легированные никелем

Широкое распространение в качестве конструкционного материала для службы при низких температурах получили низкоуглеродистые стали сFe – Ni - основой, содержащие 3,5 – 9 % Ni. Никелевые стали обладают хорошей технологичностью и имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями.

Легирование никелем снижает порог хладноломкости железа и повышает работу развития трещины в условиях вязкого разрушения (1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 ^оС). Экономнолегированные никелевые стали выбирают исходя из температурных условий работы конструкции, см. таблицу 2.

Таблица 2

Практическое применение для изготовления криогенного оборудования получили стали с 6 и 9 % Ni. Эти стали обычно подвергают нормализации или двойной нормализации с отпуском.

Двойная нормализация обеспечивает наилучшее сочетание механических свойств. Первую нормализацию от 900 ^оС проводят с целью гомогенизации g - твердого раствора стали, а вторую – от 790 ^оС (примерно на 50 ^оС выше точки Ас₃) – для получения мелкозернистой структуры. Отпуск повышает ударную вязкость при низких температурах (до – 196 ^оС). В процессе отпуска происходит растворение карбидной фазы с образованием большого количества (до 12 %) аустенита, стабильного при охлаждении до весьма низких температур. Микроструктура сталей после отпуска должна состоять из обогащенного никелем ферита и участков аустенита.

К преимуществам сталей данной группы относятся хорошая свариваемость, высокие прочность и ударная вязкость.

Износостойкие стали

При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание (износ).

Износ – процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (ГОСТ 27674-88).

Износ– процесс изменения размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя детали или изделия под влиянием внешней среды.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания.

В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машин.

Изнашивание является сложным физико – химическим процессом и нередко сопровождается коррозией.

Износ может возникнуть вследствие фрикционной усталости, хрупкого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) окисных пленок, глубинного вырывания металла и т.д.

По ГОСТ 27674 – 88 различают следующие виды изнашивания:

- механическое;

- коррозионно – механическое;

- электроэрозионное.

К механическому изнашиваниюотносят: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел и (или) абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха, а также могут появляться в результате развития других видов изнашивания (схватывания, выкрашивания, окисления). Абразивное изнашивание может иметь место с преобладанием процессов окисления (окисление и последующее разрушение оксидных пленок) и с преобладанием механического разрушения (внедрение абразивных частиц) и разрушение поверхности. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных и др. машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы (грунт, разбуреваемые породы и др.).

Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа, то вызываемое ими изнашивание называется газоабразивным изнашиванием.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению.

Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих появление выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.

Контактная усталость наблюдается в тяжелонагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах.

Фреттинг – коррозия – коррозия при минимально повторяющемся (локальном) перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды. Изнашивание при фреттинг – коррозии происходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте.

Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности, и трущиеся детали выходят из строя.

Электроэрозионное изнашивание происходит в результате воздействия зарядов при прохождении электрического тока.

Сопротивление материала износу зависит от коррозионной стойкости материала, его жаростойкости и других свойств.

Стойкость сталей против абразивного изнашивания возрастает с увеличением их твердости, причем, чем больше содержание углерода и карбидообразующих элементов в стали, тем при одинаковой твердости износостойкость выше.

Основной группой износостойких сталей являются высокомарганцевые стали.

Марганцевый аустенит обладает высокой способностью к наклепу в процессе холодной пластической деформации. Это свойство ярко проявляется в наиболее распространенной износостойкой стали – высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л (сталь Гадфильда).

Химический состав стали 110Г13Л регламентируется ГОСТ 2176 – 77 (в настоящее время заменен) и приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Отношение Mn : С должно быть не менее 10. Благодаря высокому содержанию углерода и марганца сталь 110Г13Л обладает относительно устойчивой аустенитной структурой. Мартенситные фазы в стали 110Г13Л обнаруживаются только при больших степенях деформации в количестве около 1 %.

Основное достоинство стали 110Г13Л в том, что высокая износостойкость в случае приложения больших истирающих давлений сочетается в ней с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Для обеспечения такого комплекса свойств детали из стали 110Г12Л подвергают закалке от 1050 – 1100 ^оС в воде. При этом фиксируется структура аустенита и предотвращается выделение карбидов. Медленное охлаждение от высоких температур или изотермическая выдержка стали 110Г13Л в интервале 400 – 800 ^оС приводят к распаду аустенита по реакцииg g + a + К.