4. Немагнитные стали повышенной прочности

5. Стали повышенной обрабатываемости

В современной электротехнике, приборостроении, судостроении и других отраслях требуется применение немагнитных сталей. Аустенитные стали парамагнитны, однако имеют низкие значения предела текучести (150-350 МПа), что-затрудняет их использование в качестве материала высоко-нагруженных деталей и конструкций.

Повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются на сталях аустенитного класса холодной или теплой пластической деформацией; упрочнением в результате дисперсионного твердения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого-и обратного мартенситных у-а-у-превращений.

Так, аустенитная сталь 50Г18Х4, из которой изготавливают бандажные кольца роторов электрогенераторов, применяется в состоянии после холодного или теплого наклепа. В наклепанном состоянии предел текучести стали 50Г18Х4 повышается до 1100 МПа при сохранении высокого уровня пластических свойств (6=30 %, гз = 50%). Примерно такой же комплекс механических свойств достигают на стали 50Г18Х4, легированной ванадием, в результате выделения дисперсных карбидов VC в процессе старения при температуре 650 °С.

Высокий комплекс механических свойств достигается на метастабильных сталях системы Fe - Ni - Ti (0,03- 0,05% С; 24-26 %Ni; 1,5-3,0% Ti), разработанных К. А. Малышевым после комбинированного упрочнения фазовым наклепом и старением. После низкотемпературнога старения (500-600 °С) фазонаклепанного аустенита вследствие выделения высокодисперсных частиц -у-фазы, когерентно связанных с матрицей, в стали Н24Х2ТЗ достигнут следующий комплекс механических свойств: 0о,2=9ОО МПа; 0в=115О МПа; 6=25 %; г1) = 55 %.

Один из-новых путей повышения прочности немагнитных сталей состоит в использовании парамагнитного е-мартен-сита, образующегося в низкоуглеродистых сталях с, 16- 22% Мп (см. рис. 71,б). Двухфазные (у+г) стали \ша 05Г20 имеют после закалки более высокие прочностные свойства по сравнению с однофазными аустенитными сталями (00,2=370-450 МПа; 0в=75О-950 МПа; 6=30- 40 %; =35-60%) и могут найти применение в качестве конструкционного немагнитного материала.

Обрабатываемость резанием является важнейшей технологической характеристикой стали. Улучшение обрабатываемости резанием повышает производительность механической обработки и зачастую открывает возможность применения высокопрочных сталей, использование которых тормозилось этим технологическим критерием.

К сталям повышенной обрабатываемости резанием (иногда эти стали называют автоматными) относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали специально легированные селеном, теллуром или свинцом.

Указанные элементы способствуют повышению скорости резания, уменьшают силу резания и изнашиваемость инструмента, улучшают чистоту и размерную точность обработанной поверхности, облегчают отвод стружки из зоны резания и ряд других факторов обрабатываемости.

Влияние перечисленных легирующих элементов на улучшение обрабатываемости резанием происходит в основном благодаря изменению свойств а-и -твердого раствора (фосфора), изменению состава, свойств и морфологии неметаллических включений (сера, селен, теллур), образованию металлических включений, не растворимых в твердом растворе (свинец). Однако, кроме легирования, обрабатываемость резанием существенно зависит от твердости материала, его структуры, т.е. от предварительной термической обработки перед резанием. Так, крупнозернистая сталь лучше обрабатывается резанием, также заметно влияет характер перлита: пластинчатый обрабатывается лучше, чем зернистый.

Эффективность влияния элементов, существенно улучшающих обрабатываемость, зависит от технологии производства сталей, особенно от выплавки и раскисления.

Стали повышенной и высокой обрабатываемости регламентируются ГОСТ 1414-75.

В табл. 31 приведены данные о составе, термической обработке и механических свойствах некоторых сталей. Стали повышенной обрабатываемости резанием обозначают буквой А (автоматные стали) перед написанием марки стали. В селенсодержащих сталях после наименования марки ставится дополнительно буква Е , а в свинецсодержащих сталях буква С ставится после буквы А . В сталях с повышенным содержанием серы или фосфора, кроме буквы А , другие обозначения не предусмотрены.

ю Таблица 31 Состав и механические свойства, не менее, сталей повышенной обрабатываемости резанием

Продолжение табл. 31

Примечание: 1. В скобках указаны механические свойства для аналогичных марок сталей, не содержащих элементов, улучшающих обрабатываемость (сален, свинец). м 2. Условные обозначения охлаждающей среды: м -масло: в -вода, вз -воздух. ч

сл

Эффект улучшения обрабатываемости в различных группах сталей обусловлен разными причинами. В сталях А 2, А20, АЗО, А40Г благодаря высокому содержанию серы (0,08-0,15 % S) и повышенному содержанию марганца образуется большое количество сульфидов марганца, которые вытянуты вдоль прокатки. Эти включения ослабляют прокат в поперечном направлении и способствуют отделению стружки от изделия и ее ломкости. Роль повышенного содержания фосфора состоит в охрупчивании а-твердого раствора, а также улучшении процесса стружкообразования и качества обрабатываемой поверхности. Однако ло этим же причинам автоматные сернистые стали имеют значительно более низкие механические свойства, чем аналогичные стали с нормаль-дым содержанием серы (<0,040 %) и фосфора 0,030 %). Поэтому сернистые автоматные стали используют лишь для изготовления изделий неответственного назначения (метизы).

В селенсодержащих сталях (А35Е, А40ХЕ и др.) селен входит в состав неметаллических включений (селенидов и сульфаселенидов) и обес-лечивает глобуляризацию сульфидных включений (А. Я. Заславский). Глобулярные включения не оказывают отрицательного влияния на свойства стали. Поэтому селенсодержащие и серосодержащие стали по контролируемым свойствам обычно не уступают аналогичным исходным сталям. Стали с селеном значительно превосходят чисто сернистые стали по пластическим и вязким свойствам. Селен не ухудшает хладостойкости стали. Аналогично селену влияет на свойства стали теллур, однако он значительно дороже селена.

В свинецсодержащих сталях (АС40, АСЗОХМ и др.) свинец существует в химически несвязанном состоянии в виде равномерно распределенных в металле дисперсных частиц. Свинец не влияет на механические свойства при растяжении, порог хладноломкости стали, склонность к отпускной хрупкости, прокаливаемость и другие свойства. Лишь в высокопрочных сталях ((Тв>1600 МПа) возможно небольшое уменьшение предела усталости и незначительное увеличение анизотропии пластических н вязких свойств.

По этим причинам селен и свинец широко применяют для улучшения обрабатываемости резанием сталей ответственного назначения: кон-стрзтсцнонных машиностроительных, нержавеющих, жаропрочных и др.

Улучшение обрабатываемости стали достигается определенным поведением включений в зоне резания. Сульфиды, селениды, свинец выполняют роль внутренней смазки, облегчающей взаимное перемещение частиц удаляемого металла в зоне резания. Кроме того, сульфиды, селениды создают в зоне резания мозаичные напряжения, облегчая тем разрушение стали. В свинецсодержащих сталях возможно проявление эффекта жидкометаллического охрупчивания (эффект Ребиндера) благодаря расплавлению частиц свинца в зоне резания.

1рименение сталей повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает снижение сил резания на 20-25 %, уменьшение износа инструмента в 2-10 раз, повышение скорости резания на 20-40 % при сохранении стойкости инструмента.

Рельсовые стали

Грузонапряженность железных дорог в нашей стране в S раз выше, чем в США, и в 8-12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Производство рельсов в СССР составляет около 3,5 % от общего про-

изводства готового проката. Все это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75 и Р60* изготовляют по ГОСТ 24182-80 из мартеновской стали М76 (0,71-0,82 % С; 0,75-1,05 % Мп; 0,18-0,40 % Si; 0,035 % Р и 0,045О/о S), а более легкие типа Р50 -из стали М74 (0,69-0,80 7о С). После горячей прокатки все рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода с целью устранения возможности образования флокенов. Рельсы поставляют для эксплуатации на железных дорогах незакаленными (сырыми) по всей длине и термоупрочненными по всей длине. Концы сырых рельсов подвергают поверхностной закалке с прокатного нагрева или с нагрева ТВЧ. Длина закаленного слоя от торца рельса 50-80 мм, а твердость закаленной части НВ 311-401. Сырые рельсы из стали М76 должны иметь ав900 МПа и 64 %. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них вытянутых вдоль направления прокатки строчек неметаллических включений (глинозема) длиной более 2 (группа I) и более 8 мм (группа II), так как подобные строчки служат источником зарождения трещин контактной усталости в процессе эксплуатации.

Высокая грузонапряженность железных дорог привела к тому, что работоспособность сырых нетермоупрочненных рельсов перестала удовлетворять требованиям тяжелой работы сети железных дорог.

В настоящее время из всех видов термической обработки рельсов наиболее широко реализована в промышленности объемная закалка рельсов в масле по всей длине. Массовый выпуск таких термически упрочненных рельсов был впервые в мире освоен в 1966 г. на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате. Сейчас наша страна выпускает наибольшее количество термоупрочненных рельсов.

Технология термической обработки путем объемной закалки включает нагрев рельса в печи до температуры 840- 850 °С, закалку в масле в специальной закалочной машине, отпуск при температуре 450±15°С в течение 2 ч. В результате закалки сталь имеет структуру сорбита отпуска. Термоупрочненные таким способом рельсы из сталей М74, М76 должны иметь (ГОСТ 18267-82) твердость на поверхности катания НВ 341-388 и механические свойства: 1200 МПа; 01800 МПа; 66%; г1)25%; KCU

* Цифра означает массу одного метра длины рельса в кг. 17-970 257