Возможность продолжительной эксплуатации деталей машин и других изделий, их долговечность во многих случаях связаны с износостойкостью материалов, из которых они изготовлены.

Износ деталей машин и аппаратов может быть вызван трением металлических деталей друг о друга и воздействием рабочей среды - потоком жидкости или газа, царапанием твердых частиц о поверхность деталей и другими поверхностными процессами.

Механизм износа различен и зависит от условий износа, но в основном он состоит в том, что с поверхности металла вырываются мелкие частицы. В случае обычного трения поверхность металла наклепывается и сопротивляемость истиранию возрастает. Следовательно в данном случае способность металла к наклепу в существенной степени определяет его износостойкость. В случае абразивного износа, когда твердые частицы абразива (например, песка) вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа будет определяться сопротивлением металла хрупкому разрушению и его твердостью. При наличии агрессивных сред сопротивление износу зависит и от коррозионной стойкости материала. Поэтому износостойкость сплава (стали) определяется его физико-химическими

свойствами и условиями износа, причем в зависимости от условий износа оптимальная структура и свойства металла могут быть различными.

Стойкость против абразивного износа возрастает с увеличением твердости изнашиваемого материала, но для различных материалов в разной степени (рис. 355), поэтому эффективным повышением износостойкости является поверхностная закалка или другие методы повышения поверхностной твердости (цементация, азотирование и т. д.). При одинаковой поверхностной твердости стали со структурой мартенсит + карбиды обладают большей износостойкостью, чем стали с такой же твердостью, но не имеющие избыточных карбидов.

Рис. 355. Ианос в зависимости от твердости материала

При одинаковой твердости сталь, имеющая крупнокристаллическую структуру, имеет меньшую износостойкость, чем сталь с мелкокристаллической структурой, так как у первой сопротивление хрупкому разрушению меньше.

Включения графита, ухудшающие механические свойства стали, повышают износостойкость при трении, так как в процессе изнашивания графитные включения выходят на поверхность трения, разрушаются по плоскостям спайности, образуя тончайшие пластинки и заполняют неровности трущихся поверхностей, тем самым предотвращая сухое трение металла о металл и схватывание. Другими словами, графитные включения выполняют роль смазки. Высокая износоустойчивость получена на порошковых пористых материалах, поры которых заполнены маслом, медью.

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

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.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление процессу изнашивания, под которым подразумевается постепенное разрушение поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др. Различают абразивный, окислительный, адгезионный, усталостный и другие виды изнашивания.

Высокая твердость поверхности – необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостных видах изнашивания наиболее износостойкими являются стали с высокой исходной твердостью поверхности, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Цементуемые низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, упрочненные азотированием или поверхностной закалкой, а также белые чугуны обеспечивают необходимую работоспособность узлов трения, в которых материал должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне.

В условиях ударного износа в абразивной струе (например, работа основных рабочих узлов мельниц для измельчения песка) наиболее износостойкими материалами являются твердые сплавы, структура которых состоит из карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 с мартенситной матрицей и карбидами.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). Для наплавки используются прутки из этих сплавов, которые расплавляются кислородно-ацетиленовым пламенем или электрической дугой и в жидком состоянии наносят на поверхность детали. Широкое распространение получили сплавы «сормайт» (1,7…3% С, 15…30% Сr, 2…5% Ni, 2…3% Si) с твердостью до 50 НRС и «сталинит» (» 10% С, » 20% Сr, » 15% Мn, » 3% Si) с твердостью до 65 НRС.

Для работы в условиях износа, который сопровождается большими ударными нагрузками, широко используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), содержащая 0,9…1,4% С, 11,5…15,0% Mn, 0,5…1,0% Si.

Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем или ковкой. После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (FeMn) 3 C. При нагревании карбиды растворяются в аустените и после закалки в воде с 1100 о С сталь имеет аустенитную структуру и низкую твердость 200..250 НВ.

В условиях только абразивного износа такая сталь оказывается неизносостойкой, но при воздействии на деталь больших ударных нагрузок, которые вызывают в материале напряжения выше предела текучести, проходит интенсивный наклеп стали 110Г13Л и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь приобретает высокую твердость до 600 HВ. Сталь 110Г13Л широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, железнодорожных крестовин, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и др.

Cтраница 1

Износостойкие стали характеризуются высокой устойчивостью против истирания. В эту группу входят шарикоподшипниковые, высокомарганцовые и другие стали.  

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изнашивания.  

Износостойкие стали могут быть весьма различными по своим механическим свойствам и строению. Различают износ контактный и абразивный. Контактный износ имеет место при трении одной поверхности о другую, сопровождаемом давлением или ударами. Абразивным износом называют истирание металлической поверхности в результате трения о нее твердых частиц, движущихся в струе жидкости или газа вдоль этой поверхности.  

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. Наиболее распространенной маркой стали является высокомарганцевая сталь Г13 содержащая 1 0 - 1 3 % углерода, 12 - 14 % марганца и другие элементы. Эта износостойкая и одновременно высокопластичная сталь применяется для изготовления звеньев гусениц (траки), козырьков ковшей экскаваторов и землечерпалок, стрелок и крестовин рельсов, а также других деталей, работающих на удар и подверженных интенсивному износу.  

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем.  

Большинство износостойких сталей имеет мартенситную основу с равномерно распределенными включениями карбидов. Для сталей, работающих в условиях высоких циклических контактных нагрузок (шарикоподшипниковая сталь), особую роль играет при этом тонкость строения мартенсита, дисперсность и равномерность распределения карбидной фазы.  

Применение износостойких сталей для деталей УСП и надлежащая термическая обработка гарантируют, длительный срок службы.  

Из группы износостойких сталей упомянем марганцовистую сталь (0 9 - 1 % Си около 12 - 14 % Мп), которая после закалки в воде при 1000 - 1050 С имеет чисто аустенитную структуру.  

Обработка резанием нержавеющих, жаропрочных, износостойких сталей и сплавов вызывает большие затруднения.  

Интенсификация режимов ленточного шлифования высокопрочных и износостойких сталей обычно не вызывает опасности появления шлифовочных дефектов (прижоги, трещины и др.), но ведет к увеличенному расходу инструмента. Анализ средней стоимости единицы продукции при ленточном шлифовании показал, что применение интенсивных режимов резания и, следовательно, укороченных сроков службы лент более экономично, чем получение максимального количества шлифованных деталей при работе ленты на слабых режимах. Ленты, затупившиеся на черновых операциях, могут быть дополнительно использованы на промежуточных или чистовых операциях.