Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Мая 2013 в 18:54, реферат
Наиболее распространенной износостойкой высоколегированной сталью является аустенитная сталь 110Г13Л, которая была создана англичанином Р. Гадфильдом в 1883 г. и широко используется в различных условиях эксплуатации, сопряженных с ударно-абразивным изнашиванием (зубья ковшей экскаваторов и драг, траки тяжелых гусеничных машин, бронефутеровочные плиты дробилок и мельниц, молотки мельниц, железнодорожные стрелки и крестовины).
Содержащие молибден карбиды растворяются при более высокой температуре, чем карбиды типа (Fe, Мn)3С, поэтому аустенитизация стали 110Г13Л с молибденом проводится при температурах не ниже 1150°С. При содержании в стали 110Г13Л молибдена выше оптимальной величины (0,3—0,5 %) в структуре появляются нерастворенные карбиды в тем большем количестве, чем больше молибдена содержится в стали. Наличие карбидов ухудшает пластичность и ударную вязкость стали.
Учитывая высокую стоимость молибдена, он применяется для легирования стали 110Г13Л в редких случаях для изготовления ответственных отливок, эксплуатируемых в тяжелых условиях с воздействием интенсивных ударных и истирающих нагрузок при низких температурах.
2.5 Ниобий
Главная цель легирования стали 110Г13Л ниобием, как и конструкционных строительных сталей, — получение мелкого размера зерна аустенита и обусловленного этим высоких значений предела текучести, способности к деформационному упрочнению и, следовательно, износостойкости при абразивном изнашивании, надежности и долговечности отливок из этой стали. Одной из особенностей высокомарганцевой стали с ниобием является высокая чувствительность ее физико-механических свойств к отклонению от оптимального химического состава. Оптимальным в высокомарганцевой стали считается содержание 0,25—0,40 % Nb. Оптимальные добавки ниобия ведут к уменьшению величины зерна аустенита, а в литом состоянии способствуют очищению межзеренных границ от карбидной сетки. В высокомарганцевую сталь 0,3—0,4% Nb повышает примерно на 200 °С температуру начала разупрочнения в процессе пластической деформации при повышенной температуре.
Хорошие результаты получены при совместном легировании стали ниобием и хромом.
2.6 Титан
Дополнительное микролегирование и модифицирование высокомарганцевой стали различными элементами, по мнению ряда исследователей, является одним из перспективных путей существенного улучшения всех ее свойств. Одним из таких элементов является титан, относящийся, как и ванадий и ниобий, к группе сильных карбидообразователей. Титан вводят в высокомарганцевую сталь для повышения ее износостойкости, измельчения структуры при первичной кристаллизации, устранения зоны столбчатых зерен и улучшения механических характеристик отливок, хотя по влиянию титана на процесс кристаллизации существуют противоречивые мнения.
Так, согласно исследованиям Ю.А. Шультс и др. исследователей, добавка титана в сталь типа 110Г13Л в количестве 0,03—0,10% способствует существенному измельчению зерна в результате значительного увеличения числа центров кристаллизации в виде мелкодисперсных тугоплавких нитридов и карбонитридов титана. Это, в свою очередь, приводит к заметному повышению трещиностойкости стали, улучшению ее механических свойств и износостойкости. Так, согласно исследованиям Ю.А. Шультe и др. исследователей, добавка титана в сталь типа 110Г13Л в количестве 0,03—0,10% способствует существенному измельчению зерна в результате значительного увеличения числа центров кристаллизации в виде мелкодисперсных тугоплавких нитридов и карбонитридов титана. В результате исследования влияния титана на свойства низкофосфористой стали типа 110Г13Л установлено, что добавки титана способствуют интенсивному повышению абразивной износостойкости, хладостойкости и улучшению механических свойств. Особенно заметно улучшается износостойкость при одновременном вводе титана и алюминия. Влияния содержания титана на ударную вязкость и износостойкость стали 110Г13Л, а также на размеры зерна отливок. Установлено, что при введении в сталь 0,05—0,2 % Ti ее ударная вязкость несколько увеличивается (на 0,35—0,50 МДж/м2 при 20 °С и на 0,20—0,25 МДж/м2 при - 40 °С (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Влияние содержания титана на ударную вязкость стали 110Г13Л .
При дальнейшем увеличении содержания титана ударная вязкость стали непрерывно уменьшается. Ухудшение ударной вязкости стали, содержащей титан сверх оптимального количества (0,05—0,2 %).
Проведенные лабораторные исследования, промышленные испытания и наблюдения, анализ литературных данных свидетельствуют о целесообразности введения в сталь типа 110Г13Л до 0,20 % Ti для устранения или существенного ослабления процесса образования крупнозернистой столбчатой структуры отливок, повышения ударной вязкости и износостойкости этой стали, несмотря на некоторое увеличение загрязненности металла мелкодисперсными тугоплавкими титаносодержащими неметаллическими включениями.
2.7 Бор
Эффективность влияния бора среди многочисленных добавок к стали при малых добавках исключительно велика и, принимая во внимание удельные значения, превышает эффективность влияния всех других известных элементов. Кроме того, бор является хорошим раскислителем и дегазатором стали. Механизм влияния бора точно не установлен вследствие его малых содержаний.
На основании исследований можно считать, что 0,0015 — 0,0030 % В эквивалентно по влиянию и может заменить 1% Ni или 0,3% Сr; 0,10 — 0,15% Мо; 0,05 — 0,12% V и др. Бор, как поверхностно активный элемент, образующий адсорбционный слой на границе зерна аустенита, уменьшает диффузионную проницаемость границ зерен сталей тех же составов по отношению к железу и может затруднять растворение карбидов при закалке.
Влияние бора на марганцовистую сталь изучено авторами при его содержании, равном 0,003—0,050%. Бор вводился в раскисленную сталь в виде ферробора (12,5 % В). Угар его составлял около 50%. На изменение общей газонасыщенности металла присадки бора влияния не оказали. Ударная вязкость существенно снижается при наличии 0,0054 % В в стали. Повышение концентрации бора до 0,010—0,050 % приводит к ухудшению прочности и пластичности вследствие появления на границах зерен сложной борсодeржащей эвтектики и укрупнения зерен. При таком содержании бора образцы из высокомарганцевой стали разрушались хрупко даже при нормальной температуре.
2.8 Азот
Элемент, образующий твердый раствор внедрения, азот является сильным аустенитизатором в стали и в последние двадцать лет привлекает большое внимание исследователей. Являясь аналогом углерода, азот может в ряде случаев успешно заменить его. К положительным свойствам азота как легирующего элемента в хромистом аустените относится его способность создавать значительное деформационное упрочнение и стабилизировать аустенит при нагреве. Износостойкость стали с хромисто-азотистым аустенитом 0Х18А1,2 при абразивном изнашивании превосходит износостойкость стали 120Г18Л на 10—15%. Частичная замена углерода азотом в стали 110Г13Л представляет поэтому не только научный, но и практический интерес.
В зависимости от состава и назначения металла влияние азота на свойства стали может быть или положительным, или отрицательным. Азот оказывает положительное влияние на первичную кристаллизацию отливок. Растворимость азота в марганце значительно выше, чем в железе. Поэтому с повышением марганца в стали, в ней будет возрастать и растворимость азота. Азот вводится в сталь в виде азотированных ферросплавов (феррохрома, ферромарганца), содержащих 1,5—7,0% N. Максимальное усвоение азота около 0,3%. Авторами азот вводился в сталь 110Г13Л в виде азотистого марганца до содержания азота в металле от 0,34 до 0,435%. Ударная вязкость образцов, легированных азотом, при всех температурах испытания ниже, чем для образцов с нормальным количеством азота. Износостойкость стали увеличивается при повышенном содержании азота примерно на 12 —15 %.
При введении в сталь некоторых элементов, например ванадия и хрома и др, растворимость азота в металле увеличивается. Совместное легирование азотом и хромом (около 2%) марганцовистой стали значительно повышают предел текучести и временное сопротивление, не снижая при этом пластичности. Ударная вязкость при всех температурах испытания такая же, как у образцов, легированных одним хромом или одним азотом.
2.9 Алюминий
Алюминий в практике производства качественных сталей известен прежде всего как хороший раскислитель (существенно снижает остаточное содержание кислорода в металле) и модификатор (уменьшает размер зерна, а также состав, форму и характер расположения неметаллических включений).
Алюминий — один из тех элементов, действие которого на высокомарганцевую сталь оценивается разными исследователями с противоположных позиций. Большинство авторов работ (Ю.Д. Новомейский, Ю.А. Шульте, Р.З. Кац и Н.А. Самарин и др, считают введение в высокомарганцевую сталь алюминия сверх количества, необходимого для ее окончательного раскисления, необоснованным, так как алюминий вызывает ухудшение механических свойств, а также износостойкости высокомарганцевой стали, и даже вредным.
О положительном влиянии алюминия на механические и эксплуатационные свойства высокомарганцевой стали, особенно с повышенным содержанием в ней фосфора, свидетельствует другая группа исследований. Особенно существенно улучшаются пластические свойства. Так, при введении в сталь до 1,1% А1 относительные удлинение и сужение увеличиваются примерно в 4 раза.
При анализе влияния алюминия на механические свойства и износостойкость высокомарганцевой стали необходимо исходить из противоречивых особенностей его поведения в твердом растворе, как некарбидообразующего элемента, и роли его как раскислителя и модификатора.
Благодаря положительному влиянию алюминия на жндкотекучесть хорошо раскисленной стали 110Г13Л для получения тонкостенных отливок, когда требуется повышение жидкотскучести металла, допускается иметь в стали 0,08—0,15 % остаточного алюминия.
Следовательно, количество алюминия, вводимое в сталь должно регламентироваться его потребностью для окончательной раскисления металла и содержанием в этом металле фосфора.
2.10. Высокоуглеродистые марганцевые стали
с метастабильным аустенитом
Изменение микротвердости по сечению образцов после сосредоточенного ударного нагружения бойком, заточенным под углом 60 град., по которому производится удар грузом массой 5кг с высоты 2м, иллюстрирует рис. 2.1, из которого видно, что уровень упрочнения, измеряемый приростом микротвердости в зоне надруба (Н50) повышается с увеличением содержания углерода в сталях. Эта зависимость объясняется тем, что степень сопротивления металла внедрению бойка пропорциональна эффективной микротвердости, складывающейся из начальной микротвердости (Н0) и ее прироста при ударе (∆Н).
Рис. 2.4 Изменение микротвердости в зависимости от расстояния от дна надруба образцов при сосредоточенном ударе:
1 — 110Г13Л; 2 — 145Г4Л; 3 — 160Г2Л.
Более высокий уровень упрочнения рабочей поверхности образцов метастабильных марганцевых аустенитных сталей с позиций структурно-энергетической теории является следствием повышенной энергоемкости поверхностного слоя, в котором часть энергии абразивных частиц расходуется на образование мартенсита деформации. В результате создается вторичная структура поверхностного слоя с повышенной прочностью и диссипативной способностью, внедрение частиц в которую происходит на меньшую глубину, и с меньшей глубины производится снятие стружки, с дополнительным развитием γ α превращения на этапе разрушения (фазовый рентгеноструктурный анализ стружки, полученной при испытании образцов стали 130Г5Л, показал наличие 60% α - мартенсита).
Ударная вязкость сталей 130Г5Л—160Г2Л после закалки от 1150°С составляет всего 0,2—0,5 МДж/м2, что не позволяет использовать их для отливок, работающих под воздействием интенсивных ударных нагрузок, однако они могут существенно повысить стойкость отливок, подвергаемых преимущественно абразивному износу и изготовляемых из сталей 80ГСЛ, 100ГСЛ после нормализации, ударная вязкость которых еще ниже. При использовании сталей с пониженным содержанием марганца необходимо иметь в виду, что эти стали обладают меньшим «запасом аустенитности», т.е., меньшей не только деформационной, но и термической стабильностью аустeнита по сравнению со сталью 110Г13Л. поэтому важно обеспечить минимальное обезуглероживание отливок в процессе нагрева при закалке во избежание образования мартенсита охлаждения в поверхностном слое, и интенсивное охлаждение для предотвращения превращения аустeнита в центре отливок.
3. Термическая стабильность аустенита и ее влияние на абразивную износостойкость сталей системы Fе—Мn—С
В процессе медленного охлаждения отливок в структуре стали 110Г13Л происходит распад аустенита с выделением карбидов, что вызывает катастрофическое снижение ударной вязкости. Для износостойких отливок вместо стали 110Г13Л иногда используется сталь с пониженным содержанием углерода.
Дилатограммы образцов среднеуглеродистых сталей 40Г13Л, 60Г13Л, 70Г13Л имеют плавный характер без резких перегибов, связанных со скачкообразным изменением объема при фазовых превращениях, в отличие от высокоуглеродистых сталей 95Г13Л и 125Г13Л . Лишь при температурах 500 — 600°С заметен нерезкий перегиб, связанный с процессами кар-бидообразования в среднеуглеродистых сталях.
Зависимость эффективного коэффициента диффузии углерода в аустeните от температуры и концентрации углерода определяется уравнением
Dc = (0,04 + 0,08 % С) х (-1,31 RT) х 10-4 3.1
В результате увеличения содержания углерода от 0,4 до 0,95 % величина ударной вязкости возрастает в связи с увеличением стабильности аустенита по отношению к образованию мартенсита охлаждения и деформации, когда образцы испытываются в закаленном состоянии. Эта же зависимость после медленного охлаждения сталей изменяется на обратную вследствие уменьшения термической стабильности аустенита с повышением в нем содержания углерода. Значения ударной вязкости стали 70Г13Л после замедленного охлаждения (около 0,7 МДж/м2) недостаточны в большинстве случаев использования отливок в условиях ударного нагружения ввиду того, что заметный объем выделившихся карбидов и метастабильность аустeнита предопределяет низкую энергоемкость разрушения в условиях динамического изгиба. Для одной и той же стали наибольшее количество мартенситных фаз возникает на рабочей поверхности после медленного охлаждения. Заметное количество карбидной фазы после медленного охлаждения фиксируется в сталях, начиная с 0,7% С и с повышением содержания углерода в стали закономерно возрастает. Это приводит к тому, что среднее содержание углерода в твердом растворе высокоуглеродистых сталей после медленного охлаждения (95Г13Л и 125Г13Л) близко к таковому для среднеуглеродистых сталей (60Г13Л и 70Г3Л) и составляет 0,5-0,65 %.
Литые марганцевые стали после медленного охлаждения имеют неравномерную концентрацию углерода и марганца в пределах зерна аустенита вследствие дендритной ликвации и неравномерного протекания процессов распада аустенит. Химическая микронеоднородность аустeнита после медленного охлаждения обусловливает неодинаковую стабильность различных объемов литого металла.
Износостойкость сталей в процессе абразивного изнашивания зависит не столько от исходной твердости, которая повышается после замедленного охлаждения в тем большей степени, чем выше содержание углерода в стали, сколько от уровня эффективной прочности, который достигается в поверхностном слое сталей в процессе воздействия абразивных частиц. Снижение содержания углерода в твердом растворе уменьшает способность к упрочнению аустенитно-мартенситной структуры и, как следствие, уменьшает уровень износостойкости сталей по сравнению с закаленным состоянием, несмотря на присутствие карбидной фазы.