Пружинные стали мартенситного класса » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Пружинные стали мартенситного класса

10.06.2021

Из сталей этой группы наиболее широко применяются высокохромистые, достаточно стойкие в атмосфере воздуха, воды, пара и слабоокисляющих средах. Высокие механические свойства этих сталей приобретаются в результате мартенситного превращения при закалке, а также перераспределения дислокаций и выделения дисперсных частиц карбидов при отпуске.

Для изготовления пружин чаще всего используют стали типа 3X13 и 4X13 и реже сталь Х17Н2. DIN 17224 для указанного назначения также рекомендуется сталь с меньшим содержанием углерода (0,17—0,22%) типа X20Gr13, близкая к 2X13.

По данным фирмы Sandvik, для изготовления пружин также применяется сталь 7С17Мо2 (0,35% С; 13,5% Cr и 1,3% Mo).

Пружины из стали 3X13 или 4X13 после холодной (или горячей) навивки или штамповки закаливают с 980—1070° С; лучшие свойства достигаются после закалки с 1000—1050° С (табл. 29). Повышение температуры закалки до 1100—1150° С, когда практически полностью растворяются карбиды хрома, нецелесообразно, поскольку при этом происходит ускоренный рост зерна и резко увеличивается количество остаточного аустенита в закаленной стали.

Пружинные стали мартенситного класса

Высокая устойчивость переохлажденного аустенита сталей 3X13 и 4X13 позволяет выполнять закалку с охлаждением в масле или на воздухе. Сталь 3X13 рекомендуется охлаждать в масле, а сталь 4X13 — также и на воздухе. Достоинством сталей 3X13 и 4X13 является их очень высокая прокаливаемость, что позволяет изготовлять и подвергать термической обработке пружины больших сечений.

Влияние отпуска на свойства стали 3X13 показано на рис. 130. Высокие свойства стали 3X13, как и 4X13, достигаются после отпуска при 450° С, когда наряду с преобразованием субструктуры мартенсита происходит выделение дисперсных карбидов типа (Fe, Сr)3 С. По-видимому, главное значение имеет первый процесс, поскольку при той же температуре отпуска и почти до равной величины растет и предел упругости безуглеродистого железохромистого сплава. Этот режим отпуска часто рекомендуется для пружин из сталей 3X13 и 4X13, работающих при нормальных температурах. Однако эти стали после отпуска при 450° С обладают пониженной стойкостью к коррозии под напряжением и поэтому для пружин, работающих при 20° С, отпуск предпочтительно проводить при 300—350° С. При повышенных температурах службы отпуск пружин целесообразно выполнять при более высоких температурах: 500—550° С.

По данным, релаксационная стойкость стали 2X13 при 450° С (исходное напряжение 230 Мн/м2, или 24 кГ/мм2) больше, чем сталей 3X13 и 4X13. Отпуск пружин лабиринтных уплотнений из 2X13 рекомендуется проводить при 500° С, когда сталь обладает высокой релаксационной стойкостью при 400° С, даже в условиях повышенных исходных напряжений: 1180 Мн/м2 (120 кГ/мм2) и 590 Мн/м2 (60 кГ/мм2). Однако отпуск этих пружин из стали 3X13, поданным, рекомендуется производить при 530° С, 2 ч, а из стали 4X13 — поданным, при 550° С, 10 ч; после такого отпуска меньше релаксация напряжений и выше стабильность свойств. В этом случае пружины из стали 4X13 могут работать до 410° С. Так, поданным, релаксация напряжений в стали 4X13 (закалка при 1050° С, охлаждение в масле, отпуск при 550° С, 10 ч) при 410° С и при исходном напряжении 302 Мн/м2 (30,8 кГ/мм2) за 3000 ч составила 15%, при напряжении 455 Мн/м2 (46 кГ/мм2) 54%, при напряжении 605 Мн/м2 (61,5 кГ/мм2) ~50%. При этом наибольшее снижение напряжений происходит за первые 100 ч; за период от 400 до 3000 ч скорость релаксации напряжений весьма не значительна. После отпуска при 530° С, 2 ч релаксация напряжений при 410° С протекает более интенсивно. При выборе режима термической обработки надо учитывать, что в пружинах из этих, сталей при отпуске в области 475—550° С наблюдается особого рода хрупкость. Поэтому если пружины работают в динамических условиях, температуру отпуска следует снижать, например, до 450° С. Для пружин из стали 3X13, эксплуатирующихся при 350° С, также рекомендуется отпуск при 450° С (рис. 131).

Пружины из стали типа 2X13 (Х20Сr 13 по DIN 17224) после холодной деформации навивки подвергают отпуску при 300° С, который обеспечивает оптимальный уровень механических свойств.

На сталях с 12% Cr при дополнительном их легировании можно получить комплекс механических свойств, еще более высокий, чем на стали 3X13 или 4X13.

В этом отношении определенный интерес представляют стали типа 15Х12Н2МФ (0,16% С; 12,0% Cr; 2,06% Ni; 1,55% Mo и 0,35% V) и 30Х12Н2МФ (0,29% С; 12,2% [Cr; 2,0% Ni; 1,55% Мо и 0,41% V). Сталь первого типа после закалки при 1050° С и отпуска при 350° С имеет следующие свойства: ов = 1470 Мн/м2 (150кГ/мм2); от = 1240 Мн/м2 (127 кГ/мм2); опц = 1170 Мн/м2 (120 кГ/мм2), b = 9,6% и w = 50%. Существенно, что прочностные свойства этой стали сохраняются на высоком уровне при отпуске вплоть до 500° С. Эти свойства могут быть улучшены в результате высокотемпературной термомеханической обработки по режиму: температура деформации 1050° С, степень деформации 50%, отпуск при 200° С. В этом случае получены следующие свойства: ов = 1550 Мн/м2 (158 кГ/мм2); от = 1390 Мн/м2 (142 кГ/мм2); b = 14%; w = 54%. Еще более высокий уровень свойств достигается после деформационного старения мартенсита по режиму: закалка с 1050° С, предварительный отпуск при 200° С, 1 ч, деформация 1 % и окончательный отпуск при 150° С, 1 ч. При этом ов = 1815 Мн/м2 (185 кГ/мм2), от = 1805 Мн/м2 (184 кГ/мм2), b = 8,7% и w = 47%.

У стали типа 30Х12Н2МФ прочностные свойства после отпуска при 200 и 350° С на том же уровне, что и у стали предыдущего состава, и это связано с присутствием остаточного аустенита. После отпуска при 500° С, когда остаточный аустенит претерпевает превращение и происходит дисперсионное твердение мартенсита, сталь 30Х12Н2МФ обладает высоким комплексом свойств: ов = 1960 Мн/м2 (200 кГ/мм2), от = 1815 Мн/м2 (185 кГ/мм2), опц = 1720 Мн/м2 (176 кГ/мм2), b = 6% и w = 30%.

После деформационного старения мартенсита (деформация 1%, отпуск при 350° С, 1 ч) сталь 30Х12Н2МФ имеет следующие свойства: oв = 2060 Мн/м2 (210 кГ/мм2), от = 2030 Мн/м2 (207 кГ/мм2), b = 4,8% и w = 46,5%. При этих опытах по деформационному старению мартенсита диаграмма деформации характеризовалась достаточно высоким «зубом текучести», высота которого в последнем случае была ~70 Мн/м2 (7 кГ/мм2).

Сталь 15Х12Н2МФ и близкая к 30Х12Н2МФ по составу сталь 30Х12МФ обладают также высоким сопротивлением микропластическим деформациям (табл. 30). Сопоставление их свойств со свойствами сталей с 0,5% С и 5% Cr показывает, что по сопротивлению микропластическим деформациям первая сталь соответствует 50ХМФ, а вторая близка к 50Х5МФ (см. табл. 17). Стали указанного типа отличаются более высокой релаксационной стойкостью при нагреве, чем сталь 3X13. В частности, пружины из стали типа 1Х12Н2ВМФ, разработанной М.Ф. Алексеенко, Л.С. Федоровой и Г.Н. Ореховым, имеют предельную температуру службы 350° С, т. е. на 50° С выше, чем пружины из стали 3X13. Сталь 1Х12Н2МФ подвергается закалке с 1000—1020° С в масле. Оптимальные температуры отпуска пружин, судя по данным релаксационных испытаний при нагреве, составляют 450—500° С (рис. 132). При этих температурах наблюдается эффект вторичного твердения (рис. 133), связанный с выделением метастабильного карбида типа Me2C, наряду с которым в стали еще присутствует карбид типа Me3С. Суммарное количество карбидов после этого отпуска составляет 0,8%. При этом матричная фаза — a-твердый раствор — остается достаточно высоколегированной.

Таким образом, при высоком легировании хромом стали, даже с пониженным содержанием углерода, можно обеспечить повышенное сопротивление микропластическим деформациям при хороших коррозионной стойкости и теплоустойчивости.

Кроме сталей мартенситного класса с 12% Cr, для пружин также используют и более высоколегированные с 17% Cr типа Х17Н2 (0,11—0,17% С; 16—18% Cr; 1,5—2,5% Ni) или 431 SAE в США.

Сталь Х17Н2 подвергается закалке с 980—1020° С в масле или на воздухе и отпуску при 300—350° С. После указанной термической обработки эта сталь имеет ов > 1300 Мн/м2 (>130 кГ/мм2), b > 10% ан > 155 кдж/м2, т. е. >1,6 кГ*м/см2. Поскольку в ее структуре после закалки всегда содержится дельтаферрит, ухудшающий свойства в поперечном направлении, эта сталь не рекомендуется для пружин, в которых металл работает на кручение. Сведения о сопротивлении стали Х17Н2 развитию умеренных или малых пластических деформаций в литературе отсутствуют. Для упрочнения стали типа 431 SAE рекомендуется сочетание холодной пластической деформации и отпуска.

Высокохромистые стали с 12 или 17% Cr, наряду с высокой коррозионной стойкостью, обладают хорошей прокаливаемостью, а также повышенными прочностными свойствами, которые, например в случае стали с 12% Cr, как показано было выше, могут быть улучшены использованием различных методов термомеханического упрочнения. Кроме того, эти стали сравнительно дешевы. Однако эти стали недостаточно стойки в ряде агрессивных сред и склонны к хрупким разрушениям при низких температурах. Кроме того, из сталей с 12 и 17% Cr трудно изготовить упругие элементы сложной конфигурации, так как они деформируются при закалке.

Для повышения коррозионной стойкости пружин из высокохромистых сталей, особенно тех, которые изготовляют методом горячей деформации и закаливают с нагрева в печах и без защитной атмосферы, необходимы шлифовка и полирование (лучше электролитическое) поверхности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: