Инструментальные материалы

 

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные инструментальные сплавы. По структуре после отжига они относятся к ледебуритному классу. Для повышения структурной однородности литую сталь подвергают горячей обработке давлением, при которой дробится сетка эвтектики. В структуре катаной стали после отжига наблюдаются крупные первичные карбиды, представляющие осколки ледебуритной эвтектики, мелкие вторичные карбиды, выделившиеся в литой стали из аустенита, и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в сорбитный фон.

Высокая теплостойкость (красностойкость) быстрорежущих сталей достигается термической обработкой с получением высоколегированного мартенсита, способного сопротивляться отпуску до 600…650 ^ºС и, следовательно, сохранять до этих температур высокую твердость, прочность, износостойкость. Степень легирования мартенсита определяется составом исходного аустенита. Чем выше температура закалки, тем больше легирующих элементов (W, Mo, V), входящих в состав вторичных карбидов, растворяется в аустените, поэтому быстрорежущие стали нагревают под закалку до 1200…1300 ^ºС. Первичные карбиды в аустените не растворяются, но препятствуют росту аустенитных зерен, блокируя их границы. Быстрорежущие стали обладают весьма низкой теплопроводностью, поэтому их нагрев до температуры закалки ведут ступенчато с одной или двумя температурными остановками, что позволяет предупредить появление коробления и трещин. Высокая легированность аустенита предопределяет довольно низкие температуры начала и конца мартенситного превращения, что обусловливает сохранение после закалки значительного количества (более 30 %) остаточного аустенита, который понижает режущие свойства стали. Уменьшение содержания остаточного аустенита достигается проведением после закалки трехкратного отпуска, при котором из аустенита выделяются карбиды легирующих элементов, что влечет за собой повышение температуры мартенситного превращения, и при охлаждении от температур отпуска аустенит превращается в мартенсит. Для уменьшения количества остаточного аустенита иногда закаленную сталь подвергают обработке холодом, т.е. охлаждают в область отрицательных температур (- 80…-196 ^ºС), что также способствует увеличению количества мартенсита.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой следует число, указывающее на содержание вольфрама в процентах. В остальном маркировка такая же, как у легированных инструментальных сталей. Например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5% Мо), Р18К5Ф2 (18 % W, 5 % Со, 2 % V). Содержание углерода составляет 0,7…0,8 %.

Твердые сплавы ─ это инструментальные материалы, состоящие из частиц карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), объединенных металлическим связующим компонентом (кобальтом), изготавливаемые методом порошковой металлургии. Твердые сплавы обладают высокой твердостью (90…92HRA), износостойкостью, красностойкостью (800…900 ^ºС).

Существуют сплавы следующих групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые.

Вольфрамовые сплавы, например, ВК2, ВК8, ВК15, ВК25 состоят из карбидов вольфрама и металлического кобальта (число, стоящее в марке сплава после буквы К, указывает процентное содержание кобальта). Чем больше в сплаве карбида вольфрама, тем сплав тверже и хрупче. Вязкость сплава, дающая возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобальтом. Сплав ВК2, содержащий около 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязкостью. Им можно вести лишь чистовую обработку резанием, не сопровождающуюся динамическими нагрузками. Твердость же и износостойкость сплава настолько высоки, что позволяют обрабатывать закаленные стали. Сплав ВК8 более вязок, но менее тверд, менее износостоек и красностоек. Этим сплавом можно обрабатывать отливки по литейной корке. Сплав ВК15 может быть использован для армирования бурового инструмента, работающего по твердым породам со значительными ударными нагрузками. Сплав ВК25 вязок, из него можно изготавливать детали штампов, воспринимающих ударные нагрузки, возникающие при работе молота.

Титановольфрамовые сплавы, например, Т5К10, Т15К6, Т30К4 изготавливают из карбидов титана, карбидов вольфрама и металлического кобальта. В марке сплава число, стоящее после буквы Т, указывает на содержание в шихте сплава карбида титана в процентах; число, после К, ─ содержание кобальта. Содержание карбида вольфрама определяют по разности. Так, в шихте твердого сплава Т5К10 содержится 5 % TiС, 10 % Co и 85 % WC. Карбид титана обладает более высокой твердостью, чем карбид вольфрама, поэтому чем больше в сплаве TiC (точнее твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), тем большей твердостью и износостойкостью обладает сплав. Большей твердостью обладает сплав Т30К4. С увеличением в сплавах содержания кобальта (Т15К6, Т5К10) твердость снижается, но повышается эксплуатационная прочность. Применяют титановольфрамовые сплавы в основном для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы изготавливают из карбидов титана, карбидов тантала, карбидов вольфрама и металлического кобальта. Например, шихта сплава ТТ7К12 содержит 7 % карбидов титана и тантала, 81 % карбидов вольфрама и 12 % кобальта. Применяют титанотанталовольфрамовые сплавы для черновой (например, сплав ТТ7К12) и чистовой (например, сплав ТТ8К6) обработки труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей, титановых сплавов и др.).

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Медь и ее сплавы

Медь ─ металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Плотность Сu равна 8890 кг/м³. При 1083 ^ºС медь плавится. Она обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью в сухой атмосфере (Сu примыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди характеризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.

В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Ве т.д.), получившие название бронзы.

Латуни, содержащие цинка до 39 %, имеют структуру твердого раствора α и называются α-латунями. Чем больше в α-латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение концентрации Zn сверх 39% приводит к появлению в структуре сплава фазы β-твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом связи. Прочность сплавов α+β по мере возрастания содержания цинка увеличивается, а пластичность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав становится однофазным твердым раствором β. Такие сплавы хрупки и практического применения не имеют.

Кроме основных компонентов (Cu и Zn) латунь может содержать легирующие элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т.д.).

Латуни делят на деформируемые и литейные, простые и специальные. Простые латуни имеют в составе только медь и цинк, а в состав специальных входят и легирующие элементы. Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней буквенными обозначениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следует группа чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из последующих ─ на содержание соответствующего легирующего элемента. Концентрация цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62 % Cu и 38 % Zn; ЛАН 59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni и 36 % Zn.

Литейные латуни обозначают ЛЦ, содержание цинка указывается после буквы Ц, а содержание меди определяют по разности. Концентрация легирующих элементов указывается непосредственно за буквенными символами. Например, сплав ЛЦ40Мц3А содержит 40 % Zn, 3 % Mn, 1 % Al и 56 % Cu.

Бронзы делят на литейные и деформируемые, оловянистые и безоловянистые. Маркировка производится буквами Бр, а затем в деформируемых бронзах ставятся буквенные обозначения имеющихся легирующих элементов. А после них группа цифр, означающая их количественное содержание. У литейных бронз после каждой буквы ставится цифра, означающая содержание легирующего элемента. Например, сплав БрОЦС 4-4-17 ─ деформируемая бронза, содержащая 4 % Sn, 4 % Zn, 17 % Pb, основа сплава ─ медь; сплав БрО3Ц12С5 ─ литейная бронза, содержащая 3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Cu.

Сплавы меди широко применяют для изделий, обладающих высокой теплопроводностью, электрической проводимостью (контакты, детали реле, токопроводящая арматура и др.), коррозионной стойкостью. Например, латуни Л62, Л68 используют для различной теплообменной аппаратуры; для паровой и водяной арматуры используют морскую латунь ЛО 70-2, бронзы БрО5Ц5С5, БрО3Ц7С5Н. Оловянистые, оловянисто-цинково-свинцовые, алюминиевые, свинцовые бронзы, кремнистые и марганцовистые латуни, например, БрО10Ф1, БрС30, ЛЦ16К4 применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Бериллиевые бронзы, например БрБ2, применяют для изготовления ответственных пружин, мембран, пружинящих контактов.

 

Алюминий и его сплавы

Алюминий ─ легкий металл (плотность 2700 кг/м³) серебристо-белого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Температура плавления алюминия 660^ºС. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновременно исключительной коррозионной стойкостью, объясняемой образованием на поверхности беспористой оксидной пленки Al₂О₃, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия характеризуются низкой прочностью и твердостью и высокой пластичностью.

Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими удельными механическими свойствами, высокой коррозионнойстойкостью, свариваемостью и т. д.

Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре отсутствует эвтектика), литейные (сплавы с эвтектикой), неупрочняемые термической обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофазными превращениями). Кроме того, сплавы подразделяют на жаропрочные, высокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т. д.

Деформируемыми сплавами, не упрочняемыми термообработкой, являются сплавы на основе систем: Al-Mg и Al-Mn. Сплавы Al-Mg ‑ магналии, например, АМг2, АМг3, АМг6; сплавы Al-Mn, например, АМц.

Наиболее важными деформируемыми сплавами, упрочняемыми термической обработкой, являются:

─ сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Mn (дюралюмины), например, Д1, Д16, ВД17, Д18, Д19, В65 (сплав ВД17 жаропрочный, Д18 и В65 – сплавы для заклепок);

─ сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ, АД31, АД35;

─ ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6, АК8, на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1 (сплав жаропрочный);

─ высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93, В95, В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы Al-Cu-Li, ─ ВАД23.

Литейными сплавами являются сплавы на основе систем Al-Si (силумины), например, АЛ12 (АЛ2), АЛ7ч (АЛ9); Al-Cu, например, АЛ19, АЛ33; Al-Mg, например, АЛ8, АМг10 (АЛ27).

В соответствии с новой цифровой системой маркировки Al cплавов единица, стоящая в начале марки, характеризует основу сплава – алюминий, вторая цифра обозначает основной легирующий элемент или группу элементов, третья или третья и вторая цифры ‑ те же, что и в старой маркировке, нечетное число или ноль. Цифры, стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литейных сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, например, обозначается 1160.

Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается буквами: пч (практически чистый), ч (чистый), оч(очень чистый), стоящими после марки сплава, например, АМг5оч.

Состояние деформируемых сплавов, отражающее термическое и термомеханическое воздействие, имеет обозначения: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1 – закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность; Н – нагартованный (деформация 1…7%); Н1 или НН – усиленно нагартованный; ТН – закаленный, естественно состаренный и нагартованный. Например, АК6Т1 – обозначение закаленного и искусственно состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого сплава АК6, АМг2Н1 – обозначение усиленно нагартованного деформируемого неупрочняемого термической обработкой сплава АМг2.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и последующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов, как дюралюмины можно в первом приближении, рассматривая их как сплавы системы Al-Cu (в дюралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакаленные сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластичность. При длительном пребывании закаленного сплава при нормальной температуре происходит естественное старение,при котором атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu атомы меди), расположенные после закалки случайно, собираются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повышенной концентрации – зоны Гинье-Престона. В результате естественного старения образуются зоны толщиной 0,5…1 и протяженностью 3…6 нм (их называют зоны ГП-1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагреву до 250…270^ºС, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезакаленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1…4 по толщине и 20…30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении CuAl₂. Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к образованию метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает прочность сплавов. Наибольшее упрочнение получают при естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает вообще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не происходит).

Титан и его сплавы

Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882 ^ºС существует α-титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более высоких температурах вплоть до температуры плавления (1665 ^ºС) Ti существует в модификации β с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti ~ 4500 кг/м³). По химической стойкости он не уступает коррозионно-стойким (нержавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной технике для изготовления деталей, работающих при температурах 250…550 ^ºС, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, железом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами. Элементы, расширяющие область существования α-Ti и повышающие температуру α → β перехода, называют α-стабилизаторами. Важнейшим элементом этой группы является Al. Элементы, расширяющие область существования β-модификации титана и снижающие температуру полиморфного превращения, называют β-стабилизаторами. Важнейшими из них являются Mo, V, Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наибольшее практическое значение из них имеют Sn и Zr.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: α-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо α-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.); α+β-сплавы (ВТ6, ВТ3-1, ВТ22 и др.); псевдо β-сплавы (ВТ15, ТС6 и др.); β-сплавы (4201и др.).

Альфа-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией.

Псевдо α-сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита, представляющего собой твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Мартенсит в псевдо α-сплавах имеет слабую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

Упрочняющая термическая обработка для α+β-сплавов состоит из закалки и старения. Закалка зеключается в нагреве до температур, несколько ниже полного превращения α+β → β (в β-состоянии происходит интенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении. В зависимости от содержания β-стабилизаторов в закаленном сплаве возможно образование мартенситгых фаз α^′ и α^˝, а также метастабильной фазы β^′. При высоком содержании β-стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения может образоваться фаза ω, сильно охрупчивающая сплав. Появление этой фазы стремятся не допускать. При искусственном старении происходит распад закалочных структур (α^′, α^˝, β^′). Конечные продукты ─ дисперсные α и β-фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо β-сплавов фиксируется метастабильная β^′-фаза. При старении из β^′ выделяется тонкодисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

Бета-сплавы при всех температурах имеют структуру β-фазы. Термической обработкой не упрочняются.

 

Магний и его сплавы

 

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким является магний. Его плотность ─ около 1740 кг/м³, температура плавления 651^ºС. Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg ─ активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при температуре ниже 450 ^ºС предохраняет поверхность от дальнейшего оксидирования, однако, при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются, и при 623 ^ºС магний сгорает ослепительно белым пламенем. Магний обладает весьма низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств (σ_в=100…120 МПа; σ_0,2=20…30 МПа; δ=6…8 %; НВ=300 МПа; Е=45 ГПа). Прочностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектности литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой при температуре, близкой к комнатной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект дисперсионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg₄Al₃, MgZn₂ и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому операции термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч.). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде или на воздухе.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку ─ Т4, закалку и старение для получения максимальной твердости ─ Т6, закалку и стабилизирующий отпуск ─ Т7 и т.д. Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МА11, подвергнутый закалке.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые ─ МА). По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство сплавов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К легким относятся сплавы, легированные литием (МА18, МА21), остальные ─ легкие. Сплавы, легированные значительным количеством иттрия (ИМВ5, ИМВ7) отличает высокая прочность и пластичность при температурах выше 250^ºС.

 

Антифрикционные сплавы

Сплавы цветных металлов широко применяются в качестве антифрикционных (подшипниковых) материалов. Они обладают гетерогенной структурой, состоящей из мягкой основы с равномерно распределенными включениями твердых частиц (баббиты, ряд сплавов на основе меди, цинковые антифрикционные сплавы) или из твердой основы и мягких включений (свинцовистая бронза, оловянистый алюминий).

Баббиты, например, Б83, Б18, БКА ─ сплавы на основе олова (Б83) или свинца (Б16 ─ с добавкой Sn, БКА ─ безоловянистый). Применяют баббиты для изготовления вкладышей подшипников скольжения быстроходных тяжелонагруженных машин (Б83, б88), автомобильных моторов (Б16), подшипников вагонов (БКА, БК2).

Алюминиевые подшипниковые сплавы, например АО9-2, АО20-1, работают в условиях высокой энергонапряженности (при высоких давлениях и скоростях скольжения).

Несколько уступает по антифрикционным свойствам алюминиевым сплавам свинцовистая бронза БрС30. Бронзу О5Ц5С5, латунь ЛЦ16К4 и др. применяют в качестве антифрикционных материалов при невысоких скоростях скольжения (1…3 м/с).