Стали и сплавы для работы в контакте с рабочей средой
Материалы, устойчивые к абразивномуизнашиванию, необходимы для изготовления таких деталей, которые работают в контакте с грунтом, с твёрдой породой:буровой инструмент, шнеки, бункера, детали рудомелющих агрегатов, детали засыпных агрегатов доменных печей. Для таких деталей, так же, как и для пар трения, необходимо обеспечить эксплуатацию в условиях многократной упругой деформации, и исключить пластическую деформацию и скалывание частиц, т.е. виды патологического износа.
В общем случае износостойкость пропорциональна твёрдости. Деталям, работающим в условиях абразивного износа, большую износостойкость обеспечивает не мартенсит и цементит, а специальные карбиды Cr7C3, VC, TiC, WC, которые имеют большую твёрдость и модуль упругости (табл. 2.14). Причём количество этих карбидов должно быть более 10 %.
Таблица 2.14
Твёрдость и модуль упругости карбидов
| Карбид | Микротвердость, ГПа | Модуль упругости, ГПа |
| TiC | 31,7 | 460 |
| VC | 28,3 | 430 |
| TaC | 17,2 | 294 |
| Cr7C3 | 16 ,0 | 380 |
| Mo2C | 15,0 | 544 |
| WC | 17,2 | 720 |
| Fe3C | 9,2 | 310 |
Материалами, стойкими к абразивному изнашиванию, являются высокоуглеродистые заэвтектоидные стали (1,0 - 1,2 % С) и карбидные сплавы.
Карбидные сплавы принадлежат к системе легирования Fe + 4 % C + Cr + W + Ti + (Mn, Ni). Они изготавливаются литыми или в виде наплавок на деталь при помощи электродуговой сварки. Термообработка к ним не применяется. Фазовый состав карбидных сплавов: мартенсит с 10 - 50 % карбидов крупных (микронных и миллиметровых) размеров, или мартенсит с аустенитом и карбидами. Количество аустенита регулируется введением никеля и марганца.Карбиды представляют собой высокомодульные карбиды состава: Cr7C3, VC, TiC, WC. Твёрдость сплавов составляет 61 - 63 HRC.
|
|
|
Марки сплавов: 95Х7Г5С, 250Х38, 350Х15Г3Р1, 370Х7Г7С и др. В марках этих сплавов, а также заэвтектоидных сталей, количество углерода указывается увеличенным в 100 раз.
Материалы, стойкие к ударно-абразивному изнашиваниюнеобходимы для деталей, работающих в условиях одновременного воздействия ударных нагрузок и трения абразивными частицами (грунт). Такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, зубьев ковшей экскаваторов, кулаков мощных камнедробилок, крестовин железнодорожных рельсов.
К этим деталям предъявляется двойное требование: особо твердая поверхность для сопротивления износу в контакте с грунтом и вязкая сердцевина - для сопротивления ударным нагрузкам.
Таким требованиям в максимальной степени удовлетворяет сталь Гатфильда – высоколегированная сталь системы Fe - C - Mn марки 110Г13Л (буква «Л» означает литое состояние). Это сталь аустенитного класса, которая имеет специфическое свойство: под действием ударных нагрузок марганцевый аустенит интенсивно упрочняется (наклёпывается). Так, твердость приповерхностных слоёв детали из стали 110Г13Л при ударных нагрузках возрастает примерно втрое, что и обеспечивает износостойкость деталей при эксплуатации. А сердцевина детали остаётся вязкой, что связано с пластичностью ГЦК решетки аустенита. Вследствие этого детали из стали 110Г13Л одновременно обладают и износостойкостью к абразивному изнашиванию (поверхность), и стойкость к ударным нагрузкам (сердцевина).
|
|
|
Износостойкие покрытия. Повышенную износостойкость деталей возможно обеспечить, применяя нанесение покрытий.
Высокой твердостью обладают карбиды, нитриды – соединения, которые образуются в процессе нанесения покрытий в приповерхностном слое сталей.
Борирование сталей применяют при изготовлении штампов, различных деталей, работающих в условиях изнашивания. Твердость поверхности обеспечивается образованием высокотвёрдых боридов железа. Борированные стали, кроме износостойкости, обладают коррозионной стойкостью, теплостойкостью, жаростойкостью (до 800°С).
Хромирование для повышения износостойкости применяют для низко- и среднеуглеродистых сталей, в которых возможно образование на поверхности высокотвёрдых карбидов хрома. Хромированные стали имеют высокую износостойкость в условиях кавитационного и эрозионного изнашивания при низких и высоких температурах. Их стойкость в 25 раз более высокая по сравнению со сталями без покрытия.
|
|
|
Ванадирование сталей приводит к повышению износостойкость более чем в 20 раз по сравнению со сталью без покрытия.
Титанирование конструкционных и инструментальных сталей дает возможность повысить работоспособность различных изделий от 5 до 20 раз.
Жаропрочность
Для деталей, работающих под нагрузкой при повышенных температурах, главным свойством является жаропрочность.
Жаропрочность - свойство материала сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению при одновременном воздействии приложенной нагрузки, высоких температур (выше 0,3 tпл) и времени.
Жаропрочные стали используются в энергомашиностроении – в конструкциях двигателей (газотурбинных, ракетных, поршневых и др.), в котлотурбостроении, в агрегатах металлургической промышленности.
Жаропрочные стали, детали из которых эксплуатируются при температурах до 650ºС, иногда называют теплоустойчивыми.
|
|
|
Характеристики жаропрочности включают три параметра, показывающие внешнее воздействие на материал, температуру, нагрузку, время, и один параметр – результат развития ползучести – удлинение.
Характеристиками жаропрочности являются: предел ползучести, предел длительной прочности.
Предел длительной прочности это напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Предел длительной прочности обозначается как напряжение с двумя числовыми индексами σtτ: верхний t – температура, а нижний τ – длительность (или база) испытания в часах. Предел длительной прочности определяют на длительной базе (τ): 102, 103 ч, 105 ч.
Например, σ700100 означает, что данное значение разрушающего напряжения получено во время испытания в течение 100 часов при температуре 700ºС.
Предел ползучести – напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. Предел ползучести обозначается как напряжение с тремя числовыми индексами σtε/τ: верхний t указывает температуру испытания в ºС, а в нижнем указана заданная суммарная деформация ε в %, которая должна быть получена за определённое время τ, в часах.
В металлах и сплавах под влиянием температуры происходит снижение характеристик прочности, и повышению пластичности.
Наиболее интенсивно сплавы разупрочняются после нагрева до температур, превышающих температуру рекристаллизации. Поэтому чем выше температура рекристаллизации сплава, тем выше его жаропрочность. Так например, хромистая сталь со структурой ОЦК - Fe разупрочняется при температурах выше 400ºС, а хромоникелевые со структурой ГЦК - Fe – выше 500ºС.
Когда сплав длительно выдерживается под нагрузкой при повышенной температуре, то процесс пластического деформирования происходит произвольно при напряжениях, более низких, чем предел текучести при заданной температуре. Этот процесс медленно протекающей непрерывной деформации при температуре tраб > 0,3 tпл и напряжении σраб <σ0,2 t называется процессом ползучести. Причиной развития ползучести является постепенное накопление изменений микроструктуры материала под влиянием диффузии, которая протекает при повышенных температурах: перемещение атомов, перемещение дислокаций в зернах; сдвиг зерен друг относительно друга вдоль общих границ в узкой пограничной области (зернограничное скольжение).
Для обеспечения жаропрочности сплавов применяют следующие способы:
1. Легирование тугоплавкими элементами, которые повышают температуру рекристаллизации.
2. Использование упрочняющей термической обработки, в основном закалки и старения, когда образуются высокодисперсные частицы, упрочняющие сплав.
Обеспечение жаропрочности может быть достигнуто при использовании композиционных порошковых материалов, в которых упрочняющей фазой являются частицы тугоплавких оксидов.
2.8.7. Термостойкость
Термическая усталость является результатом деформаций, которые возникают при резкой смене температур. Термическая усталость развивается в таких деталях, как поршни, клапаны, лопатки газовых турбин.
Термостойкость – сопротивление материала термической усталости, т.е. разрушению (возникновению трещин) при резкой смены температур. В литературе по инструментальным сталям это свойство иногда называют разгаростойкостью.
Характеристикой термической долговечности является число цикловпри испытании образцов в заданном интервале температур Nтц. Число циклов при теплосменах N ц пропорционально теплопроводности стали λ, и обратно пропорциональномодулю нормальной упругости Е итермическому коэффициенту линейного расширенияα:
Nтц = f (λ / E α)
Таким образом, термостойкость зависит только от физических констант материала, а не от термической или другого вида обработки.
Для обеспечения термостойкости необходимо выбирать материал с высокой теплопроводностью, пониженным модулем упругости и коэффициентом линейного расширения.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 150; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!