Аустенитные пружинные стали, упрочняемые холодной пластической деформацией » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Аустенитные пружинные стали, упрочняемые холодной пластической деформацией

10.06.2021

Наиболее типичны для этой группы стали типа Х18Н9, Х18Н9Т, Х18Н10Т и другие, близкие им. В закаленном состоянии стали 1Х18Н9Т и 1Х18Н10Т пластичны и имеют низкое сопротивление пластической деформации. Так, после закалки с 1050° С свойства стали 1Х18Н9Т следующие: ов = 621 Мн/м2 (63,5 кГ/мм2), от = 284 Мн/м2 (29 кГ/мм2), b = 56%, w = 75,8%, ан = 2675 кдж/м2 (2,7 кГ*м/см2).

Для упрочнения стали 1Х189Т и 1Х18Н10Т подвергают значительной пластической деформации, в результате которой, помимо увеличения плотности дислокаций, происходит фазовое превращение. Наиболее интенсивно плотность дислокаций возрастает на начальных стадиях деформации. Так, после деформации 1 % плотность дислокаций 10в9—10в9 см-2, а после деформации 20% 10в11—10в12 см-2. При малых степенях деформации (~1%) и низкой температуре (78° К) в структуре стали (0,08% С; 18% Cr и 8% Ni) имеются одиночные и накладывающиеся друг на друга дефекты укладки по {111}у, обладающие в этой стали низкой энергией и возникающие либо у границ зерен, либо в местах пересечения с другими плоскостями скольжения. При увеличении степени обжатия продолжается рост числа слоев дефектов укладки и, наконец, возникают пластинки е-фазы с гексагональной решеткой, ориентированные по отношению к у-фазе: (III)у II (0,001)e и [110]y II [1210]e [298]. Из этих пластинок зарождаются кристаллы мартенсита, имеющие вид иголок. Таким образом, межфазовая граница между мартенситом и аустенитом зарождается из гексагональной фазы.

В процессе пластической деформации по достижении определенного обжатия (пороговое значение) возрастает склонность к коррозионному растрескиванию. Величина деформации, соответствующей этому пороговому значению, тем меньше, чем больше ее неравномерность. При равномерном удлинении это пороговое значение отвечает 10— 12%, когда в структуре образуется a-фаза. Существенно, что при этой деформации изменяется характер зависимости напряжение-деформация и коэффициент упрочнения резко убывает. Изменение прочностных свойств при деформации сталей 1Х18Н9Т и 1Х18Н10Т как в аустенитном состоянии, когда мартенсит не возникает (при +80° С), так и при -196° С, когда образуется мартенсит деформации, показывает, что их сильное упрочнение (рис. 134) связано с изменением тонкой структуры и в основном с образованием мартенсита деформации.
Аустенитные пружинные стали, упрочняемые холодной пластической деформацией

По данным А.П. Гуляева и И.В. Черненко, превращение у —> а протекает в условиях деформации при 20° С только в ограниченной степени. Чем ниже температура деформации, тем больше количество образующегося мартенсита. В частности, после обжатия 60% изменение количества мартенсита характеризуется следующими данными:

Мартенсит деформации существенно отличается от мартенсита охлаждения большей плотностью дефектов строения и меньшими размерами кристаллов. При равных степенях обжатия сталь типа 1Х18Н9Т, деформированная при 20°С, уступает по прочностным свойствам той же стали, но подвергнутой низкотемпературной деформации (рис. 135). Однако большее количество a-фазы в стали после этой деформации приводит к тому, что она из слабомагнитной становится ферромагнитной, а это в ряде случаев, особенно для пружин некоторых приборов, недопустимо.

Обычно стали 1Х18Н9Т и 1Х18Н10Т используются в виде проволоки, свойства которой указываются в ГОСТе или ТУ Согласно ТУ, проволока для пружин ответственного назначения из стали 1Х18Н10Т обладает тем большей прочностью, чем меньше ее диаметр.

При диаметре 8,01 мм ов = 1370-1570 Мн/м2, или 140—160 кГ/мм2, b > 20 %, а при диаметре 0,11 —0,71 мм ов = 1715-2010 Мн/м2, т. е. 175-205 кГ/мм2, число скручиваний не менее 4.

Высокие прочностные свойства можно получить и на тонкой ленте или плющеной проволоке из стали типа 18-8. По данным фирмы Sandvik, в случае стали типа 18-8 с 0,7% Mo предел прочности этих полуфабрикатов в особо твердом состоянии достигает величины 2060 Мн/м2 (210 кГ/мм2), предел упругости (о0,01) при этом составляет 1180 Мн/м2 (120кГ/мм2).

На полуфабрикатах (лента или проволока) из стали типа 18-8 диаметром или толщиной более 10 мм нельзя получить большие обжатия и соответственно повышенную прочность. Поэтому из аустенитных сталей, упрочняемых деформационным наклепом, не изготовляют пружин больших сечений.

Технология изготовления пружин из нержавеющих сталей включает следующие основные операции: навивку, отпуск, заневоливание и полирование.

После навивки все пружины подвергаются отпуску, оптимальная температура которого, поданным, соответствует 450—500° С, а продолжительность колеблется в пределах от 20 (для проволоки диаметром 2 мм) до 30 мин (для проволоки диаметром >2 мм). Этот отпуск приводит к небольшому увеличению характеристик прочности, которое тем меньше, чем выше степень предшествующей холодной пластической деформации (рис. 136). Это объясняется тем, что образование различных сегрегаций и выделение избыточных фаз и за этот счет обеднение твердого раствора легирующими элементами происходит в процессе наклепа. После отпуска значительно возрастают (рис. 136—138) сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационная стойкость. Причины этого положительного влияния отпуска на свойства пружинных аустенитных сталей при статическом нагружении не установлены. Известно, что в стали типа 18-8 при отпуске в результате частичного распада у-фазы образуются дополнительное количество мартенсита, частицы карбидов и сегрегации, снимаются остаточные напряжения и перераспределяются несовершенства строения. Нельзя точно утверждать, какой из процессов имеет решающее значение, так как они протекают одновременно.

Своеобразным оказалось влияние отпуска на свойства стали при циклическом нагружении. При испытаниях в области температур от 20° С до повышенных проволока из стали IX18Н9Т после отпуска обычной продолжительности имела более низкую живучесть, чем неотпущенная. Причины такого влияния отпуска неясны, но следует учитывать, что он вызывает заметное повышение хрупкости и поэтому, возможно, облегчается развитие усталостной трещины. Однако после кратковременного отпуска (20 сек) при 200 или 400° С усталостная прочность близка к получаемой в деформированном состоянии, но при этом улучшаются предел упругости и релаксационная стойкость.

Судя по данным релаксационных испытаний, оптимальная температура отпуска стали 1Х18Н10Т, как и стали 1Х18Н9Т, составляет -450° С. Релаксационная стойкость этих сталей и до, и после отпуска при соответственных напряжениях тем ниже, чем выше степень холодной пластической деформации.

По данным, пружины из сталей 1Х18Н9Т и 1Х18Н10Т после отпуска при 450° С в течение 30 мин, трехкратного обжатия до соприкосновения витков и горячего заневоливания 2 могут длительно работать при 300 и 350° С и напряжении 590—685 Мн/м2 (60—70 кГ/мм2) или при 440—540 Мн/м2 (45—55 кГ/мм2) соответственно (рис. 139). При этом большей стойкостью обладают пружины из проволоки, деформированной с обжатием 60%, хотя до 300° С хорошими свойствами обладает и проволока после обжатия 85—90%. При повышении температуры испытания пружин из такой сильнонаклепанной проволоки резко растет их осадка.

По данным работы, пружины из сильнонаклепанной стали 1Х18Н9Т обладают при 420 и 450° С даже большей стойкостью, чем из менее наклепанной. Возможно, что расхождение с данными работ объясняется иной технологией подготовки образцов (пружин) для испытаний. Учитывая результаты большинства проведенных работ, следует принять, что с ростом температуры службы пружин степень деформационного наклепа проволоки должна уменьшаться. В том случае, когда пружины должны работать при нормальных климатических температурах, степень обжатия должна быть максимальной, так как при этом растет прочность не только при статическом, но и при циклическом нагружении.

Изучение релаксационной стойкости ленты из сталей 1Х18Н9Т и У8А, проведенное В.Я. Зубовым и Л.А. Красильниковым, показывает, что при т0 = 690 Мн/м2 (70 кГ/мм2) и температуре 250° С углеродистая сталь не уступает нержавеющей, но при 350° С последняя имеет значительные преимущества. Однако дело, естественно, не только в большей теплостойкости стали 1Х18Н9Т или 1Х18Н10Т. Важно, что пружины из этих сталей могут работать при высоких напряжениях в сильно агрессивных средах. Так, при напряжении ~790 Мн/м2 (80 кГ/мм2) осадка пружин за 5 мес. выдержки в азотной кислоте была не более 0,5%, а при 930 Мн/м2 (95 кГ/мм2) — не более 1,5%.

О циклической прочности пружин из стали 1Х18Н9Т можно судить по данным табл. 31. Они обладают высокой устойчивостью и в условиях ударного нагружения. При т = 1100-1200 Мн/м2 (100—120 кГ/мм2) и начальной скорости удара 10 м/сек эти пружины выдержали 12 000 ударов (при осадке по высоте 10%), тогда как живучесть пружин из патентированной углеродистой стали составила 6000—8000 ударов (при осадке 15%), а пружин из стали 65С2ВА 7000—11000 ударов, но при меньшей осадке (3%).

При конструировании упругих элементов из стали 1Х18Н9Т или 1Х18Н10Т рекомендуется принимать модуль нормальной упругости, равным 186 Гн/м2 (19*10в3 кГ/мм2), и модуль сдвига 68,4 Гн/м2 (7*1-в3 кГ/мм2).

Ниже приводятся данные об изменении модуля сдвига с температурой относительно величины его при 20° С, принятой за 100%:

По данным, допускаемые напряжения для пружин узлов автоматики с ограниченной долговечностью должны быть не более 0,83—1,17 Гн/м2 (85—120 кГ/мм2): для пружин узлов с неограниченной долговечностью (2*10в6 циклов) — не более 0,59—0,76 Гн/м2 (60—80 кГ/мм2), при этом верхние пределы напряжений соответствуют тонкой проволоке (0,2 мм), а нижние — проволоке диаметром 8 мм.

В последнее время для изготовления пружин часов и часовых механизмов, а также пружин в электроаппаратуре начали применять сталь ЭП414 (см. табл. 28).

Сталь ЭП414 представляет собой модификацию состава типа 18-8, отличающуюся тем, что в ней содержится повышенное количество кремния и молибден. Введение кремния и молибдена повышает коррозионную стойкость. Вследствие присутствия молибдена в структуре стали после закалки содержится до 10—15% 8-феррита. В процессе последующего деформационного упрочнения растет количество ферромагнитной фазы (мартенсита деформации). Поэтому в упрочненном состоянии сталь ЭП414 не будет немагнитной. Сталь ЭП414 после закалки при -1000° С подвергают сильной холодной пластической деформации и в результате она приобретает очень высокие прочностные свойства благодаря росту дефектов строения в аустените образованию е-фазы и мартенсита деформации (рис. 140). В процессе последующего отпуска улучшаются прочностные свойства (рис. 141). Максимальный предел прочности достигается после предварительного обжатия 95% и отпуска при 430° С в течение 2 ч и составляет 1760—1860 Мн/м2 (180—190 кГ/мм2). Дальнейшее повышение температуры отпуска ведет к снижению предела прочности, что объясняется обратным а —> у-превращением.

Предел упругости достигает максимального значения после отпуска при более высокой температуре по сравнению с пределом прочности. В результате деформации с обжатием 90% и отпуска при 550° С, 4 ч предел упругости составляет 920 Мн/м2 (94 кГ/мм2). Этот факт свидетельствует о дискуссионности приведенного выше объяснения причин снижения предела прочности при повышенных температурах отпуска, так как обратное превращение а —> у должно было бы приводить к сильному падению предела упругости, а не к его росту.

Авторы работ указывают, что прочностные свойства стали ЭП414 могут быть дополнительно повышены в результате применения промежуточных отпусков при 430° С, 4 ч после первоначального обжатия 40%, а затем проведения этого отпуска через каждые 20% обжатия.

Модуль сдвига стали ЭП414 изменяется от 68 500 Мн/м2 (7000 кГ/мм2) при 20° С до 64 700 Мн/м2 (6600 кГ/мм2) при 150° С, до 59 800 Мн/м2 (6100 кГ/мм2) при 300° С.

При конструировании упругих элементов из прокатанных лент сталей 1Х18Н10Т или ЭП414 надо учитывать значительную анизотропию упругих и прочностных свойств (рис. 142). Максимальные значения предела и модуля упругости, а также энергии упругой деформации (оупр2/2Е) достигаются в направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Однако в этом направлении число гибов с перегибом минимальное. Анизотропия свойств деформированной стали связана с образованием текстуры дислокаций и кристаллографической текстуры, а также с анизотропным распределением и остаточных напряжений.

При использовании сталей с увеличенным (до 0,2—0,4%) содержанием углерода: 2Х18Н9, 4Х18Н10С2, 4Х18Н10СЗ и 4Х12Н8Г8МФБ упрочнение в результате холодной пластической деформации намного выше, чем получаемое на сталях 1Х18Н9Т, 1Х18Н10Т и ЭП414. По данным, после деформации проволоки из стали 4Х18Н10СЗ с обжатием 80% предел прочности достигает 2350 Мн/м2, или 240 кГ/мм2 (рис. 143), при этом одновременно возрастает количество a-фазы преимущественно в середине проволоки. Деформационное упрочнение растет при введении в сталь вместо никеля марганца. В частности, у маломагнитной стали Фортинокс (-0,1 % С; 17% Cr; 8,5% Mn и 2,3% Ni), рекомендуемой для часовых пружин, после деформации и отпуска при 450° С в течение 2 ч предел прочности составляет 2470 Мн/м2 (250 кГ/мм2).

В тех случаях, когда необходимо получить сильное деформационное упрочнение при сохранении парамагнитных свойств, рекомендуется использовать стали 2Х18Н9 и 4Х12Н8Г8БФ после наклепа с обжатием до 80% (рис. 143). Упрочнение указанных сталей не связано с образованием a-фазы. В стали 4Х12Н8Г8МБФ, например, почти полностью сохраняется аустенитная структура. По-видимому, упрочнение связано с повышением плотности дефектов укладки, так как марганец снижает энергию этих дефектов (в этом же направлении влияет и уменьшение содержания хрома). Кроме того, на дислокациях и дефектах укладки возникают сегрегации из атомов углерода, а возможно образуются и дисперсные частицы карбидов. Прочностные свойства этих сталей, так же как и сталей 4Х18Н10С2, 4Х1810СЗ, 1Х18Н9Т, 1Х1810Т, 2Х18Н9, могут быть повышены в результате дополнительного отпуска. Оптимальная температура отпуска для стали 2Х18Н9, как и для сталей 1Х18Н9Т и 1Х18Н10Т, равна 450° С, для 4Х18Н10С2 и 4Х18Н10СЗ 300° С, а для 4Х12Н8Г8МБФ 500° С.

Хотя пружинные аустенитные стали, упрочняемые холодной пластической деформацией, и обладают высокими прочностными свойствами, в том числе высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, однако сам метод упрочнения имеет ряд недостатков. Прежде всего наклеп резко снижает пластичность и поэтому из сильно деформированной проволоки или ленты не удается получить пружин сложной конфигурации. Кроме того, применение сварки упругих элементов из наклепанной стали вследствие сильного разупрочнения практически исключено. Наконец, наклеп некоторых сталей приводит к образованию a-фазы и сталь становится ферромагнитной, что в ряде случаев исключает возможность ее применения. Когда необходимы маломагнитные пружины, рекомендуется применять стали 2Х18Н9 и 4Х12Н8Г8МБФ.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: