Кремнистые пружинные стали » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Кремнистые пружинные стали

10.06.2021

Самая распространенная группа легированных пружинных сталей — кремнистые, не содержащие карбидообразующих элементов и содержащие их. Причина широкого применения сталей этой группы — положительное влияние кремния на их механические и технологические свойства, а также пониженная стоимость этих сталей. Такое влияние кремния на механические свойства связано с его воздействием на состояние матричной фазы — a-твердого раствора и карбидов, т. е. на те фазы, которые определяют структурное состояние пружинной стали, обработанной на оптимальные свойства. По имеющимся данным, кремний создает в твердом растворе направленные ионные связи и упорядочение, что должно повысить напряжение трения решетки и сопротивление движению дислокаций на стадии микропластической деформации. Вместе с тем кремний мало влияет на субструктуру и морфологию кристаллов мартенсита, что связано с относительно слабым его воздействием на температуру мартенситного превращения и на количество остаточного аустенита, сильно снижающего сопротивление малым пластическим деформациям. Для полной оценки влияния кремния на основные свойства пружинной стали необходимо также рассмотреть особенности структурных изменений, протекающих при закалке и отпуске.

В закаленной кремнистой пружинной стали (0,6% С; 1,5% Si) типичного состава мартенсит имеет внутренне двойникованную структуру. Даже в присутствии в стали хрома (0,57% С; 1,45% Si; 0,75% Mn и 0,73% Cr), несмотря на торможение кремнием двухфазного и однофазного распада, мартенсит все же претерпевает самоотпуск. Природа выделений, наблюдающихся в таком мартенсите, точно не установлена, но, по данным, они скорее всего соответствуют е-карбиду. Однако М.П. Арбузов и Ю.Е. Бушуев установили, что в кристаллической решетке мартенсита стали с 1% С и 4% Si как после закалки, так и после старения наблюдаются участки с повышенной концентрацией углерода, но присутствие карбидов не обнаружено. Появление е-карбида отмечается только после отпуска при 120° С или при 140° С (после предварительного старения), а цементита (наряду с е-карбидом) — после отпуска при 370—450° С; при температуре выше 450° С присутствует только одна стабильная карбидная фаза — цементит. С этими результатами не согласуются данные, показывающие, что в структуре стали 60С2 после закалки и отпуска при 250—500° С одновременно присутствуют карбидные фазы: е, Fe3C и х. Максимальное количество е-карбида отмечается при температуре 350° С, а %-карбида — при 400° С. После отпуска при более высоких температурах преимущественно присутствует цементит.

Исследование старения мартенсита кремнистой пружинной стали (0,60% С и 1,50 % Si) при 20—100° C показало, что начальные стадии этого процесса контролируются диффузией углерода (энергия активации 117,5 кдж/моль или 28 ккал/моль), но затем контролирующим фактором становится диффузия кремния в е-карбиде, что и определяет постепенный рост энергии активации процесса до 218 кдж/моль (52 ккал/моль). Авторы работы также установили, что диффузия кремния повышает устойчивость е-карбида и поэтому цементит появляется в структуре кремнистой стали лишь после отпуска при 400° С, тогда как в углеродистой стали — уже после отпуска при 250° С.

Эти результаты получили подтверждение в работе. Авторы этой последней работы по изучению кремнистой стали, дополнительно легированной хромом, также показали, что кремний повышает устойчивость е-карбида. После отпуска (выдержка 1 ч) до 200° С в структуре стали наряду с матричной a-фазой присутствует только е-карбид. После отпуска при 300 и 400° С е-карбид еще сохраняется, но уже отмечается присутствие цементита. Только в высокоотпущенной стали (500° С) е-карбид уже не обнаруживается. С повышением температуры отпуска наблюдается рост размеров частиц е-карбида. После отпуска при 100° С, 4 ч они имеют длину 80 нм (800 А) и ширину 20 нм (200 А), а после отпуска при 300° С, 1 ч их длина 150 нм (1500 А) и ширина 20 нм (200 А). Располагаются эти частицы карбидов вдоль и поперек двойников. Отпуск при 400° С увеличивает карбидные частицы [длина 300—400 нм (3000—4000 А) и ширина 50 нм (500 А)], располагающиеся теперь только поперек двойников.

Данные работы также показывают, что с повышением температуры изменяется состав карбидов. Так, после отпуска при 100° С отношение Si/Fe+Cr = 0,9, при 200° С 0,44; при 300° С 0,32; при 400° С 0,26, а при 500° С, когда присутствует только цементит, кремния в составе карбидов практически нет. Эти результаты свидетельствуют о том, что кремний растворяется в е-карбиде, но не растворим в цементите. Именно присутствие кремния в е-карбиде повышает энергию активации первой стадии отпуска кремнистой стали и устойчивость этого карбида. Однако причины, по которым кремний повышает устойчивость е-карбида, еще не установлены. Существенно, что кремний, увеличивая устойчивость е-карбида, кроме того, стабилизирует субструктуру мартенсита. Так, если в углеродистой стали полная рекристаллизация a-фазы отмечается после отпуска при 400° С, то в кремнистой стали после такого же отпуска рекристаллизации еще не наблюдается и в структуре видны двойники, образовавшиеся в процессе мартенситного превращения. Только после отпуска при 450° С, 1 ч в кремнистой стали отмечается начало рекристаллизации.
Кремнистые пружинные стали

Указанной выше стабилизацией е-карбида и субструктуры можно объяснить известную устойчивость кремнистой стали к разупрочнению при отпуске. При наличии кремния стабилизируется также и остаточный аустенит и он может присутствовать в структуре отпущенной стали, когда достигнута оптимальная для получения максимального сопротивления малым пластическим деформациям дисперсность и распределение карбидов наряду с измельченной субструктурой матричной a-фазы. Когда при отпуске произойдет распад остаточного аустенита, карбиды уже будут достаточно крупными, а структура а-фазы — частично рекристаллизованной. По этим причинам, как показано в работах, в кремнистой пружинной стали или в конструкционной стали с дополнительным легированием кремния не удается достигнуть значительного увеличения сопротивления малым пластическим деформациям стали, хотя он и повышает энергию активации и сопротивление микропластической деформации феррита по сравнению со сталью без кремния. Систематические исследования влияния кремния, выполненные И.В. Паисовым и В.С. Томсинским, показали, что при небольших концентрациях (—0,6%) кремния повышается предел упругости стали с 0,4 и 0,6% С и притом особенно заметно при 0,4% С (рис. 52) возможно потому, что при этом содержании кремния не увеличивается устойчивость остаточного аустенита при отпуске. Однако при более высоком содержании кремния, обычно принятом для пружинной стали, предел упругости снижается и при максимальной концентрации 2,2% Si оказывается на уровне углеродистой стали, что подтверждают данные работы. Хотя небольшие количества кремния и повышают предел упругости, но этот эффект не имеет большого технического значения, поскольку при введении 0,6% Si не улучшаются такие важные технологические характеристики стали, как закаливаемость и прокаливаемость и, кроме того, не повышаются прочностные свойства — сопротивление большим пластическим деформациям. Ухудшение сопротивления малым пластическим деформациям при повышенных концентрациях кремния, особенно у стали с 0,6% С, может быть связано с влиянием эффектов сегрегационного типа, установленным Я.Н. Малиночкой, а также, возможно, с начальными стадиями процесса графитизации при отпуске, тем более, что в исследованных сталях было сниженное содержание марганца по сравнению со стандартными составами кремнистых пружинных сталей.

Помимо величины сопротивления малым пластическим деформациям, важно оценить влияние кремния и на другие прочностные свойства стали. Известно, что кремний увеличивает коэффициент упрочнения — резко повышает пределы пропорциональности, текучести и прочности, а также сопротивление разрушению, т. е. сопротивление умеренным и большим пластическим деформациям. Это влияние кремния связано с особенностями формирующейся при деформации дислокационной структуры, по-видимому, приобретающей характер скоплений по плоскостям скольжения из-за возросшего сопротивления поперечному скольжению. Повышение кремнием предела пропорциональности часто рассматривают как доказательство того, что этот легирующий элемент повышает «упругие свойства». В то же время предел пропорциональности, определенный известной графической обработкой кривых деформации, соответствует умеренной пластической деформации, близкой к пределу текучести, т. е. порядка 10в-1 %.

Высокое сопротивление кремнистой стали умеренным и большим пластическим деформациям имеет большое значение для пружин и рессор, так как оно определяет безопасность работы этих изделий при возможных перегрузках. В пружинных сталях, легированных кремнием, из-за замедления процессов разупрочнения при отпуске можно обеспечить сочетание высокой прочности при повышенной пластичности и вязкости (см. рис. 53 и 54). Поэтому пружины из кремнистой стали могут работать в условиях динамической нагрузки, о чем также свидетельствует тот факт, что кремний повышает сопротивление стали действию повторных ударов.

Относительно влияния кремния на усталостную прочность пружинной стали систематические данные отсутствуют.

Релаксационная стойкость кремнистых сталей, как показано в работе, повышается при увеличении содержания кремния до 1,5%. Однако максимум стойкости (рис. 55), как и предел упругости, достигаются при 0,6% Si. Повышение концентрации кремния до 2,2% заметно снижает релаксационную стойкость. Возможно, это объясняется теми же причинами, что и отмеченное выше уменьшение предела упругости.


При оценке свойств кремнистых пружинных сталей необходимо учитывать их металлургические и технологические характеристики.

Как показано в работах Я.Н. Малиночки, слитки и прокат из кремнистой стали типа 55С2—60С2 характеризуются значительной химической неоднородностью по содержанию углерода и кремния. В процессе прокатки профилей кремнистой стали из-за ликвации кремния обнаруживается резко выраженная полосчатость, а после охлаждения в структуре образуется ферритная полосчатость. Если даже этой полосчатости структуры в прокате нет, то, как справедливо указывает Я.Н. Малиночка, она вновь возникает в процессе нагрева до температур закалки стали, достигая 4—5 балла в середине профиля. Наличие сильной зональной ликвации углерода и дендритной ликвации кремния требует различной температуры аустенитизации изделий, полученных из разных частей прокатанного слитка. При этом науглероживание участков аустенита, обогащенных кремнием, происходит весьма медленно и выравнивания концентрации углерода в условиях ликвации кремния может вообще не происходить. Поэтому при выборе оптимального режима закалки надо учитывать необходимость получения аустенита достаточно высокой однородности, даже при значительной химической неоднородности стали в исходном состоянии.

Исследования М.В. Тараториной (НАМИ) показали, что в структуре рессорных листов из стали 60С2 обнаружены «белые пятна», природа которых еще не установлена. Кроме того, выявлена сильная полосчатость структуры — наличие более светлых, обогащенных марганцем, и более темных, обогащенных кремнием — полосок, появление которых является результатом дендритной ликвации.

Другим важным недостатком кремнистых пружинных сталей является их повышенная склонность к обезуглероживанию. Поэтому ГОСТ 14959—69 допускает для сталей, легированных кремнием, большую (на 0,5% от толщины проката) глубину обезуглероженного слоя. О значительной интенсивности обезуглероживания кремнистых сталей свидетельствуют, например, следующие данные: 60 после нагрева на воздухе при 900° С, 20 мин глубина обезуглероженного слоя стали 60С2 со структурой феррита составляет 0,13—0,14 мм. Наличие обезуглероженного слоя резко снижает характеристики упругих элементов и, в частности, усталостную прочность (рис. 56), при всех уровнях напряжений. При этом не имеет существенного значения глубина обезуглероженного слоя, так как предел выносливости снижается даже при очень малых глубинах (—0,1 мм). Это отрицательное влияние обезуглероживания проявляется и при небольшом снижении содержания углерода в поверхностном слое.

По данным М.Ю. Эйфера, Даже при обезуглероживании 0,09 мм при сохранении шлифованной поверхности (без окалины) предел выносливости стали 60С2ХФА, несмотря на дополнительное ее легирование хромом и ванадием, снизился с 510 до 440 Мн/м2 (с 52 до 45 кГ/мм2). Особенно сильно сказывается обезуглероживание на усталостной прочности стали с мартенситной структурой, в которой скорость развития трещин оказывается наибольшей. Образование обезуглероженного слоя при термической обработке опасно потому, что упругие элементы обычно не подвергаются механической обработке с поверхности (шлифование и т. п.) и этот слой низкой прочности остается в готовых изделиях. При этом следует учесть, что большинство этих изделий работает в условиях изгиба или кручения, когда максимальные напряжения приходятся на поверхностный обезуглероженный слой.

Еще более опасно обезуглероживание в том случае, если упругие элементы состоят из нескольких листов, лежащих один на другом, например рессоры, так как на мягких поверхностях легко возникают вмятины, потертости и т. п., которые служат очагами усталостного разрушения. Именно от потертостей или натиров в обезуглероженном слое и начинается усталостное разрушение рессорных листов автомобиля, как это доказано исследованиями М.В. Тараториной (НАМИ). Эти натиры в обезуглероженном слое пониженной твердости возникают из-за неравномерного прилегания рессорных листов, что объясняется желобчатостью профиля прокатанных рессорных полос, коробления рессорных листов в процессе закалки и т. п. Другим важным фактором, снижающим усталостную прочность рессор, является коррозионное воздействие среды, резко проявляющееся в обезуглероженном слое в местах натиров, где в первую очередь удаляется защитный слой нанесенной эмали. Поэтому при термической обработке пружин и рессор надо создавать условия, исключающие сколь-либо заметное обезуглероживание или удалять этот слой. При нагреве для закалки в печи может быть создана атмосфера, которая практически полностью предохраняет поверхность стали от окисления и обезуглероживания. По данным М.Ю. Эйфера, для стали типа 60С2ХФА целесообразно применять атмосферы состава: 0,1—0,2% CO2; 18—20% CO; 38—40% H2; 0,2—0,3% CH4, остальное N2. При горячей прокатке кремнистой пружинной стали ее поверхность в результате миграции кислорода по границам зерен становится чешуйчатой и могут наблюдаться трещины. Поэтому при прокатке особенно важно принимать все возможные меры для уменьшения окисления и обезуглероживания.

Обезуглероживание проката из кремнистых пружинных сталей, как показано К.Д. Потемкиным и др., в результате применения огневой зачистки перед последними проходами при прокатке, может быть практически полностью устранено. Однако при термической обработке пружин или рессор в обычных печах без защитной атмосферы обезуглероженный слой вновь возникает и поэтому усталостная прочность таких изделий остается на том же уровне, что и изготовленных из проката с обычным обезуглероженным слоем.

Для улучшения свойств упругие элементы из кремнистой стали, имеющие обезуглероженный слой, целесообразно подвергать Дробеструйному наклепу. Усталостная прочность в результате такого поверхностного упрочнения возрастает, но все же она оказывается в общем случае ниже, чем на шлифованных образцах. Только образцам с очень небольшим обезуглероженным слоем (0,05 мм) дробеструйный наклеп придает даже более высокую усталостную прочность, чем шлифованным, поскольку на поверхности последних при наклепе появляются надрывы и раковины.

Наконец, для повышения усталостной прочности пружин из кремнистой стали можно применять и другие методы поверхностного упрочнения, в частности азотирование. А.В. Белоцкий, В.Ф. Лоскутов, В.Г. Пермяков показали, что азотирование пружин из стали 60С2 (после закалки и отпуска на твердость 41 — 43 HRC) при 490—500° С, 8 ч в аммиаке при степени диссоциации 15—20% (глубина слоя 0,10 мм; твердость 650 HV) позволило повысить число циклов до разрушения в 5—8 раз и несколько улучшило антикоррозионную стойкость.

Недостатком кремнистой стали, по сравнению с другими легированными сталями, является также незначительное повышение устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 57) по сравнению с углеродистой, которое определяет ее невысокую прокаливаемость (рис. 58), не позволяющую достигать высокого упрочнения крупных рессор и пружин путем обычной закалки и отпуска и особенно путем изотермической закалки (рис. 59). Величина прокаливаемости кремнистой пружинной стали колеблется в широких пределах, что объясняется отмеченной выше химической неоднородностью стали и сильным влиянием небольших изменений содержания углерода и марганца на устойчивость переохлажденного аустенита. По данным измерений твердости (рис. 59), сталь 55С2 полностью прокаливается в воде и масле в образцах диаметром до 16 мм, а изотермически — с охлаждением в селитровой ванне с температурой 300—350° С — в образцах диаметром до 10 мм. Однако микроанализ показывает, что даже при закалке в воде центральные зоны образцов диаметром 16 мм имеют небольшие участки троостита; в центре образцов диаметром 30 мм после закалки в воде имеется уже значительное количество троостита и поэтому при таком сечении изделия из стали 55С2 не будут обладать высокими прочностными свойствами и в том числе повышенным сопротивлением малым пластическим деформациям. У образцов того же диаметра (30 мм), но подвергнутых изотермической закалке с выдержкой при 350° С, даже в поверхностных слоях, наблюдается структура, состоящая из троостита и бейнита, тогда как в центре обнаруживаются перлит и избыточный феррит. После более сильного переохлаждения образцов диаметром 30 мм в условиях изотермической закалки с выдержкой при 260° С изменяется только структура поверхностных слоев, которая представляет собой бейнит, тогда как в центральных зонах она остается без изменений. Прокаливаемость сталей марок 55С2 и 60С2 при изотермической закалке можно повысить, если использовать в качестве первичного охладителя воду, а затем после этого регулируемого охлаждения, когда сердцевина достигнет заданной температуры изотермической выдержки, переносить изделия в ванну с этой температурой.

Наконец, кремнистая сталь склонна к графитизации после закалки и отпуска при 500—650° С. Этого не всегда удается избежать даже на сталях стандартных составов марок 55С2, 60С2 и тем более 70СЗА, несмотря на повышенное содержание в них марганца (0,6—0,9%). Графитизация снижает закаливаемость и ухудшает прочностные и пластические свойства.

Как указывалось выше, важное значение для свойств пружинных сталей имеет их склонность к росту зерна. Относительно поведения кремнистой стали имеются противоречивые данные. В ряде исследований, в частности в работе, указывается, что кремний снижает способность зерна к росту. Однако согласно результатам наших экспериментов, кремнистые стали довольно чувствительны к перегреву. Для стали 55С2 порог зерна 950° С; величина зерна после этого нагрева соответствует баллу 6—7, а после нагрева до 1000° С — баллу 2—3.

Несмотря на указанные недостатки кремнистых сталей, их дешевизна и ценные механические свойства определяют широкое применение в промышленности. В частности, в общем производстве рессорно-пружинных сталей в нашей стране на долю кремнистых сталей приходится около 60%. Анализ используемых составов кремнистых сталей у нас и за рубежом показывает, что содержание углерода в них колеблется от 0,35 до 0,7%, кремния — от 1,0 до 3,2% (70СЗА) и марганца от 0,4 до 1,1%, причем более низкое содержание последнего соответствует стали с меньшей концентрацией углерода, поскольку опасность графитизации здесь меньше. Наиболее широко применяются стали с 0,5—0,65% С и 1,5—2,2% Si.

В СССР наибольшее использование нашли стали 50С2, 55С2 и 60С2 с 1,5—2% Si. Стали примерно таких же составов применяются в ГДР (51Si7—65Si7), Венгрии (55S7 и 60S7) и Чехословакии (13260, 13261), а также в Швеции, США (AISI 9255 и 9260 с 1,8—2,2% Si), в Японии (Sup 6 и Sup 7 с 1,5—1,8 и 1,8— 2,2% Si соответственно).

В нормах DIN указывается восемь составов кремнистых сталей с различным содержанием углерода, кремния и марганца. Однако максимальное содержание кремния в них не превышает 1,80%.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: