Металл шх15 характеристики. Сталь ШХ15: характеристики, применение, свойства, расшифровка маркировки
ШХ 15 – это марка хромистой низколегированной стали, где в качестве основных легирующих элементов выступают углерод и хром, а дополнительных – марганец и кремний. Согласно ГОСТу 801-78, её химический состав должен соответствовать следующему соотношению элементов (в процентах):
- хром – 1,35-1,65
- углерод – 0,95-1,05
- марганец – 0,2-0,4
- кремний – 0,17-0,37
Эту конструкционную сталь часто называют подшипниковой, поскольку изначально она шла исключительно на производство подшипников. В ней намеренно использовалось повышенное содержание марганца и кремния, что значительно улучшало прокаливаемость стали, в то время как добавки из кобальта и алюминия несколько увеличивали характеристики теплостойкости сплава.
Маркировка ШХ означает подшипниковую конструкционную легированную сталь, а цифры после буквы Х – десятые доли процента концентрации хрома в сплаве. Соответственно, большее значение увеличивает эксплуатационные характеристики, а значит, позволяет изготавливать подшипники больших размеров.
Заметная особенность такого сплава – высокий уровень сопротивления большим контактным нагрузкам. Износостойкость и твердость стали ШХ 15 обеспечивает повышенная концентрация углерода, хром – отвечает за увеличение глубины прокаливания металла. Главным недостатком всех подшипниковых сталей, включая материал марки ШХ 15, является пониженная обрабатываемость металла резанием.
Особенности обработки стали ШХ 15
Подобно любым другим углеродистым сплавам, эта сталь характеризуется повышенной чувствительностью к основным производственным технологическим аспектам: горячая деформация и термическая обработка позволяют повысить стойкость готового изделия из сплава ШХ 15 в несколько раз. Достаточно сказать, что такой материал может обладать твердостью в 61-63 HRC, сохраняя при этом должную износостойкость, вязкость, пластичность и высокую стойкость к смятию.
Обработка, выполненная по всем указанным в ГОСТе нормам, помогает достичь прочности в 0,2-0,3 Мдж/м 2 , что несколько ниже, чем у углеродных высоколегированных сталей. При этом ударная вязкость материала остается сопоставимой, а пластичность – более высокой. Закалка сплава ШХ 15 производится при t=810-820°С. Отпуск же выполняется при температуре 150-160°С.
Эта углеродистая хромистая малолегированная сталь известна технологам уже порядка 100 лет, за время которых она показала себя превосходным материалом для широкого ассортимента режущего и измерительного инструмента. Повышенная износостойкость этого металла всегда привлекала зарубежных производителей ножей, в то время как российские производители для этих целей длительное время использовали марганцевые сплавы наподобие У8 или 65Г. С начала 2000-х эти материалы постепенно вытеснялись более универсальной и недорогой в производстве сталью ШХ 15.
Такие популярные аналоги, как ШХ 6 или ШХ 9, чаще всего идут на производство роликов и шариков подшипников. В свою очередь, кольца подобных изделий, толщина стенок которых доходит до 15-20 мм, рекомендуется изготавливать из стали ШХ15. Причина в том, что для неё характерна гораздо большая износостойкость и твердость.
.
Класс:
Сталь конструкционная подшипниковая
Использование в промышленности:
шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.
| Химический состав в % стали ШХ15 | ||
| C | 0,95 - 1,05 | |
| Si | 0,17 - 0,37 | |
| Mn | 0,2 - 0,4 | |
| Ni | до 0,3 | |
| S | до 0,02 | |
| P | до 0,027 | |
| Cr | 1,3 - 1,65 | |
| Cu | до 0,25 | |
| Fe | ~96 | |
| Зарубежные аналоги марки стали ШХ15 | |
| США | 52100, G52986, J19965 |
| Германия | 1.3505, 100Cr6, 102Cr6 |
| Япония | SUJ2, SUJ4 |
| Франция | 100C6, 100Cr6, 100Cr6RR |
| Англия | 2S135, 534A99, 535A99 |
| Евросоюз | 1.3505, 100Cr6 |
| Италия | 100Cr6 |
| Испания | 100Cr6, F.1310 |
| Китай | GCr15 |
| Швеция | 2258 |
| Болгария | SchCh15 |
| Венгрия | GO3 |
| Польша | LH15 |
| Румыния | RUL1, RUL1v |
| Чехия | 14100, 14109 |
| Австралия | 5210 |
| Юж.Корея | STB2, STB4 |
| Удельный вес:
7812 кг/м 3 Термообработка: Отжиг 800 o C, печь, 15 o C/ч. Температура ковки, °С: начала 1150, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаюся на воздухе, 251-350 мм в яме. Твердость материала: HB 10 -1 = 179 - 207 МПа Температура критических точек: Ac 1 = 724 , Ac 3 (Ac m) = 900 , Ar 3 (Arc m) = 713 , Ar 1 = 700 , Mn = 210 Обрабатываемость резанием: в горячетканом состоянии при HB 202 σ в =740 МПа, К υ тв. спл =0,9 и К υ б.ст =0,36 Свариваемость: способ сварки КТС. Флокеночувствительность: чувствительна. Склонность к отпускной хрупкости: склонна. Шлифуемость: хорошая. |
| Механические свойства стали ШХ15 | |||||||
| Состояние поставки, режим термообработки | Сечение, мм | σ 0,2 (МПа) |
σ в (МПа) | δ 5 (%) | ψ % | KCU (Дж / см 2) | НВ , не более |
| Отжиг 800 °С, печь до 730 °С, затем до 650 °С со скоростью 10-20 град/ч, воздух |
- |
370-410 |
590-730 |
15-20 |
35-25 |
44 |
(179-207) |
| Закалка 810 °С, вода до 200 °С, затем масло. Отпуск 150 °С, воздух | 30-60 |
1670 |
2160 |
- |
- |
5 |
62-65 |
| Механические свойства стали ШХ15 в зависимости от температуры отпуска | ||||||
| Температура отпуска, °С | σ 0,2 (МПа) | σ в (МПа) | δ 5 (%) | ψ % | KCU (Дж / см 2) | HRC Э
(HB
) |
| Закалка 840 °С,масло |
||||||
| 200 300 400 450 |
1960-2200 1670-1760 1270-1370 1180-1270 |
2160-2550 2300-2450 1810-1910 1620-1710 |
- - - - |
- - - - |
- - - - |
61-63 56-58 50-52 46-48 |
| Закалка 860 °С, масло |
||||||
| 400 500 550 600 650 |
- 1030 900 780 690 |
1570 1270 1080 930 780 |
- 8 8 10 16 |
- 34 36 40 48 |
15 20 24 34 54 |
480 400 360 325 280 |
| Механические свойства стали
ШХ15
при в зависимости от температуры испытания |
|||||
| Температура испытаний, °С | σ 0,2 (МПа) | σ в (МПа) | δ 5 (%) | ψ % | KCU (Дж / см 2) |
| Нагрев при 1150 °С и охлаждение до температур испытаний | |||||
| 800 900 1000 1100 |
- - - - |
130 88 59 39 |
35 43 42 40 |
43 50 50 50 |
- - - - |
| Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, деформированный и отожженный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с |
|||||
| 1000 1050 1100 1150 1200 |
32 28 20 17 18 |
42 48 29 25 22 |
61 62 72 61 76 |
100 100 100 100 100 |
- - - - - |
| Закалка 830 °С, масло. Отпуск 150 °С, 1,5 ч |
|||||
| 25 -25 -40 |
- - - |
2550 2650 2600 |
- - - |
- - - |
88 69 64 |
| Прокаливаемость стали ШХ15 | ||||||||||
| Расстояние от торца, мм | Примечание | |||||||||
| 1,5 | 3 | 4,5 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 24 | 33 | Закалка 850 °С |
| 65,5-68,5 |
63-68 |
58,5-67,5 |
51,5-67 |
40-64 |
38-54 |
38-48,5 |
38-47 |
33-41,5 |
28-35,5 |
Твердость для полос прокаливаемости, HRC |
| Физические свойства стали ШХ15 | ||||||
| T (Град) | E 10 - 5 (МПа) | a 10 6 (1/Град) | l (Вт/(м·град)) | r (кг/м 3) | C (Дж/(кг·град)) | R 10 9 (Ом·м) |
| 20 | 2.11 | 7812 | ||||
| 100 | 11.9 | 7790 | 390 | |||
| 200 | 15.1 | 40 | 7750 | 470 | ||
| 300 | 15.5 | 7720 | 520 | |||
| 400 | 15.6 | 37 | 7680 | |||
| 500 | 15.7 | 32 | 7640 | |||
Расшифровка марки ШХ15: с буквы Ш начинается маркировка подшипниковых сталей, Х означает легирование стали хромом, который присутствует в количестве 1,5%.
Особенности и применение стали ШХ15: для ответственных деталей приборов и машин в ряде случаев применяют закаленные стали с высокой твердостью, упрочняемые мартенситным превращением.
В условиях эксплуатации, особенно под напряжением, в метастабильной структуре закаленной стали могут проходить значительные изменения, приводящие к нарушению геометрических размеров изделий. Уже в ненагруженных закаленных деталях наблюдаются существенные изменения объема и размеров во времени. Эти изменения обусловлены диффузионными процессами перемещения атомов углерода в мартенсите, сопровождающиеся уменьшением размеров, и процессами распада остаточного аустенита — с увеличением размеров.
Посредством наблюдений за изменениями размеров закаленных образцов в процессе отпуска и рентгенографическими исследованиями установлено, что для стабилизации мартенсита закалки при комнатной температуре достаточно 2-4-часового отпуска при 150° С. Для стабилизации мартенсита при эксплуатации в условиях повышенных температур необходимо, чтобы температура отпуска превышала эксплуатационную на 50-100° С.
Основной причиной изменения размеров закаленной и подвергнутой низкому отпуску стали является остаточный аустенит. Превращение 1% аустенита в мартенсит приводит к изменению размеров стали на 1.10 -4 , что составляет 10 мкм на каждые 100 мм размера. Существует критическое количество остаточного аустенита, ниже которого стабильность размеров стали в пределах 1 . 10 -5 при минусовой и комнатной температурах сохраняется. Критическое количество аустенита изменяется пропорционально логарифму времени хранения и повышается с возрастанием температуры закалки и последу
ющего отпуска. Например, критическое количество аустенита, сохраняющее стабильность размеров стали ШХ15 в течение 3—5 лет в пределах 1-10 6 , составляет после закалки при 840 и 880° С и отпуске 100° С соответственно 5 и 10%, после отпуска 150° С - соответственно 10 и 19%.
Отпуск при 150° С, стабилизирующий мартенсит при комнатной температуре, является малоэффективным с точки зрения стабилизации остаточного аустенита. Увеличение размеров образцов, свидетельствующее о процессе аустенитно-мартенситного превращения, начинается лишь через 20 ч выдержки при 150° С. Начало интенсивного распада аустенита наблюдается только при 200° С. При этом твердость закаленной стали снижается до HRC60. В тех случаях, когда подобное снижение твердости недопустимо, основным способом понижения содержания остаточного аустенита в структуре закаленной стали является обработка при температуре ниже нуля, что связано с положением точки конца мартенситного превращения. Необходимость обработки холодом для стабилизации размеров точного мерительного инструмента и подшипников прецизионных приборов показана в ряде советских и зарубежных работ. Однако понизить содержание остаточного аустенита посредством обработки холодом ниже 4—5% для большинства инструментальных и подшипниковых сталей не удается. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют сочетать обработку холодом с последующим продолжительным низким отпуском, который для стали типа ШХ15 должен составлять не менее 10 000 ч при 100° С, 160 ч при 150° С и 50 ч при 180° С.
При повышенных температурах скорость превращения аустенита не зависит от температуры отпуска и пропорциональна только его количеству. В условиях эксплуатации при повышенных температурах превращение аустенита идет по бейнитному механизму и эффект стабилизации остаточного аустенита отсутствует. Суммарный эффект изменения размеров при повышенных температурах определяется относительной устойчивостью мартенсита и остаточного аустенита. Для изделий, работающих при температуре порядка 150° С, в целях снижения количества остаточного аустенита обязательна обработка холодом. Обработка холодом при -70° С стабилизирует размеры в течение 10000 ч при рабочей температуре 120 о С в пределах 5 . 10 -6 , а при 120-150° С в пределах 10 . 10 -5 . Дальнейшее повышение размерной стабильности может быть достигнуто посредством отпуска при температурах, обеспечивающих необходимую полноту распада остаточного аустенита, и стабилизации мартенсита. Для стали ШХ15 эти температуры составляют не менее 225-250° С.
Поскольку наиболее полными характеристиками размерной стабильности материала являются показатели сопротивления микропластическим деформациям, представляло интерес оценить зависимость этих характеристик от режимов термообработки закаленной стали.
Под напряжением в закаленной стали одновременно проходят процессы фазовых превращений и микропластических деформаций. При этом микропластические деформации ускоряют процессы фазовых превращений. Одновременно последние приводят к резкому понижению сопротивления начальным стадиям пластической деформации. Понижение сопротивления пластическому деформированию в условиях протекания фазовых и структурных превращений в литературе получило название кинетической пластичности или кинетического изменения свойств. Указанное явление характерно для стали, закаленной на высокую твердость, и ведет к активному изменению размеров вследствие развития процессов ползучести и релаксации напряжений. Сопротивление микропластическим деформациям характеризует не только размерную стабильность материала, но и отражает его сопротивление износу, поскольку последний по современным представлениям имеет в значительной степени усталостную природу и возникает в результате развития в металле микропластических деформаций.
В условиях метастабильного фазового и структурного состояния кинетика релаксации напряжений непосредственно контролируется процессами фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях испытаний. В закаленных сталях типа ШХ15 кинетика процесса релаксации напряжений в интервале 100—200° С определяется нестабильностью мартенсита. Об этом свидетельствует совпадение энергий активации процессов релаксации напряжений и уменьшения удельного объема вследствие превращения мартенситной составляющей, а также соответствие этих изменений степеням релаксации напряжений в широком диапазоне температур и длительностей испытаний.
Зависимость предела упругости от температуры отпуска закаленной стали меняется по кривой с максимумом аналогично зависимости предела упругости наклепанных металлов от температуры дорекристаллизационного отжига. Представлена указанная зависимость для различных по составу сталей - углеродистых, конструкционных легированных, подшипниковых и нержавеющих, которые широко распространены в прецизионном машиностроении и приборостроении. Как видно из представленных данных, после оптимального отпуска предел упругости возрастает для различных сталей от 30% до 3-4 раз.
Наряду с повышением предела упругости при дорекристаллизационном отжиге возрастает релаксационная стойкость закаленной стали. Максимальная релаксационная стойкость наблюдается после отпуска при тех же температурах, что и максимальный предел упругости, например для сталей ШХ15 и 11Х18М при 250 и 350- 400° С соответственно.
Очевидно, что наблюдаемый рост сопротивления микропластическим деформациям с повышением температуры отпуска обусловлен процессами стабилизации мартенсита и остаточного аустенита, а также распадом последнего.
Особый интерес представляет целесообразность использования для стабилизации размеров закаленных стальных изделий многократной обработки холодом, чередующейся с низким отпуском. Некоторые авторы считают, что такая обработка обеспечивает более полное превращение остаточного аустенита по сравнению с однократным охлаждением и нагревом. По данным работы весь процесс стабилизации состоит из 5—6 циклов охлаждения до -85° С, каждый из которых сопровождается низким отпуском. Предполагается, что при каждом последующем охлаждении осуществляется дополнительное превращение части остаточного аустенита в мартенсит, а отпуск после охлаждения снимает возникшие вследствие указанного превращения и резкого охлаждения внутренние напряжения. В Японии запатентован метод термической обработки подшипниковой стали, заключающийся в проведении после закалки многократных теплосмен в интервале -50 +150° С. Повышение стабильности размеров в результате понижения количества остаточного аустенита после повторения цикла «обработка холодом-отпуск».
Многократная обработка холодом, чередующаяся с отпуском, позволяет повысить сопротивление микропластическим деформациям и стабильность размеров закаленной высокоуглеродистой стали.
В результате многократной термоциклической обработки существенно уменьшается содержание остаточного аустенита в стали в отличие от однократной обработки холодом и отпуском. Одновременно повышается предел упругости. После 6-кратной обработки при -70 и +150° С (режим 2) предел упругости при изгибе σ 0,001 составил 155 кгс/мм 2 против 137 кгс/мм 2 после однократной обработки (режим 3), т. е. повысился примерно на 13%.
Существенно возросла также и релаксационная стойкость стали.
Рассмотрим возможный механизм влияния многократной обработки по циклу «охлаждение ниже нуля - низкотемпературный нагрев» на структуру закаленной стали.
При охлаждении стали до минусовой температуры повышается разность свободных энергий аустенита и мартенсита и в связи с этим происходит дополнительный распад аустенита, На кинетику распада аустенита большое влияние оказывают поля напряжений, образующиеся в стали при ее охлаждении до минусовых температур после закалки. После закалки остаточный аустенит находится под воздействием всестороннего сжатия, которое задерживает мартенситное превращение. В связи с разницей в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита величина этого давления на аустенит уменьшается по мере охлаждения до отрицательных температур, что способствует ускорению мартен-ситного превращения. Превращение будет продолжаться до тех пор, пока выигрыш в свободной энергии из-за изменения решетки не будет поглощен энергией упругой деформации, возникающей в процессе образования мартенсита или пока не образуется предельное для данной температуры количество мартенсита, соответствующее минимуму общей свободной энергии.
В процессе нагрева стали до верхней температуры цикла и выдержке при этой температуре будет дополнительно происходить мартенситное превращение. Нарушения строения аустенита вокруг образовавшихся при низкой температуре кристаллов мартенсита облегчают последующее превращение при более высокой температуре. Полученные при предыдущем превращении упругие искажения в аустените будут облегчать зарождение последующих мартенситных кристаллов.
При этом чем больше упругие искажения в аустените в результате предыдущего мартенситного превращения при охлаждении до отрицательной температуры, тем выше скорость превращения при последующем нагреве.
Мартенситное превращение при нагреве будет продолжаться до тех пор, пока в новых условиях значение упругой энергии деформации, возникшей в процессе образования мартенсита, не станет равным разности свободных энергий решеток аустенита и мартенсита. При этом на кинетику зарождения новых кристаллов мартенсита значительное влияние оказывают факторы стабилизации аустенита и разность коэффициентов линейного расширения мартенсита и аустенита. Эти факторы уменьшают скорость мартенситного превращения при нагреве. Стабилизация аустенита обусловлена процессами отдыха металла при нагреве: уменьшением перенапряжений в микрообъемах, уменьшением плотности дислокаций в скоплениях, общим перераспределением дислокаций и точечных дефектов. В связи с разностью в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита при нагреве в аустените могут появляться дополнительные сжимающие напряжения, уменьшающие скорость превращения. При нагреве от минусовой до верхней температуры цикла процессы отдыха проходят также и в мартенсите с перераспределением дислокаций и точечных дефектов, уменьшением локальных скоплений дислокаций и перенапряжений в микрообъемах и повышением, в связи с этим, устойчивости мартенсита.
Распад мартенсита проходит после процесса отдыха и наиболее заметно наблюдается выше 100° С с выделением на первой стадии (в интервале 100-150° С) е-карбида и уменьшением степени тетрагональности мартенсита. После обособления карбидных частиц и уменьшения неоднородности концентрации углерода (при повышении температуры) искажения второго рода уменьшаются.
Таким образом, в результате процессов, проходящих в закаленной стали при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла ТЦО, уменьшается количество остаточного аустенита и повышается его стабильность, происходит частичный распад мартенсита, а также повышается его устойчивость. По-видимому, величина микронапряжений на границе фаз также получается минимальной в связи с их релаксацией при отдыхе.
В результате необратимых процессов, проходящих при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла, понижается энергия искажений кристаллической решетки. При повторном охлаждении стали до отрицательной температуры вновь появляется термодинамический стимул для мартенситного превращения. Однако в новых условиях скорость мартенситного превращения при охлаждении будет значительно ниже в сравнении с превращением в 1-м цикле, поскольку в результате предварительной стабилизации аустенита повышается работа образования зародышей мартенсита. Вследствие отдыха аустенита в 1-м цикле, распределение дефектов кристаллического строения становится менее благоприятным для образования новых зародышей мартенсита.
При нагреве во 2-м цикле новые упругоискаженные области, возникшие в аустените в процессе у-а превращения при низкой температуре, также будут способствовать зарождению новых кристаллов мартенсита аналогично процессам в 1-м цикле нагрева. При этом, однако, скорость процессов оказывается значительно ниже, так как величина новых упругоискаженных областей будет меньше, чем в 1-м цикле. При повторном цикле нагрева вновь проходят процессы отдыха и стабилизации мартенсита. Происходит также некоторый дополнительный распад мартенсита (более полное прохождение 1-й стадии отпуска). В результате 2-го цикла ТЦО дополнительно уменьшается количество остаточного аустенита и значительно повышается устойчивость закаленной структуры при последующих изменениях температуры. Таким образом, после нового цикла ТЦО повышается стабильность остаточного аустенита и мартенсита.
Эффективность ТЦО ограничивается несколькими циклами обработки «холод-тепло» (3-б циклов), дальнейшее увеличение числа циклов неэффективно. Как и следовало ожидать, наибольший эффект достигается после 1-го цикла обработки. Однако экспериментальные данные показали, что для повышения сопротивления микропластическим деформациям весьма существенны также последующие несколько циклов обработки, при которых проходит дополнительный распад остаточного аустенита и более полная стабилизация структуры.
В результате 3—6-кратной ТЦО образуется устойчивая структура мартенсита с минимальным количеством остаточного аустенита, также хорошо стабилизированного. Более стабильная структура обеспечивает повышение сопротивления микропластическим деформациям в закаленной стали.
Изложенное свидетельствует об эффективности многократной обработки холодом, чередующейся с низкотемпературным отпуском, для стабилизации размеров изделий из стали, закаленной на высокую твердость. Зарубежные фирмы, применяющие указанную обработку, гарантируют более высокую стабильность мерительного инструмента, чем это требует ГОСТ 9038-90 и чем фактически наблюдается на плоскопараллельных концевых мерах отечественного изготовления.
Предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Дисциплина «Специальные стали и сплавы»
Контрольная работа
Тема: сталь-ШХ 15
Студент: Ахметьянов А.В.
Преподаватель: Гервасьев М.А.
Екатеринбург 2014
Характеристика материала
Химический состав
Зарубежные аналоги
Применение сталей ШХ 15
Характеристика материала ШХ15
|
ШХ15 (другое обозначение ШХ15-Ш ШХ15-В) |
||
|
Заменитель: |
ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ |
|
|
Классификация: |
Сталь конструкционная подшипниковая |
|
|
Дополнение: |
ШХ15 выплавлена в кислых мартеновских печах, ШХ15-Ш выплавлена методом электрошлакового переплава, ШХ15-В выплавлена в электродуговых печах с вакуумированием |
|
|
Применение: |
шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность. |
Химический состав
Химический состав в % материала ШХ15 ГОСТ 801 - 78
Механические свойства при Т=20 o С материала ШХ15 .
|
Сортамент |
Термообр. |
||||||||
|
Отжиг 800 o C, печь, 15 o C/ч, |
Твердость ШХ15 , ГОСТ 801-78
HB 10 -1 = 179 - 207 МПа
Физические свойства материала ШХ15 .
|
Вт/(м·град) |
Дж/(кг·град) |
||||||
Зарубежные аналоги материала ШХ15
Обозначения:
|
Механические свойства: |
||
|
Предел кратковременной прочности, [МПа] |
||
|
Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа] |
||
|
Относительное удлинение при разрыве, [ % ] |
||
|
Относительное сужение, [ % ] |
||
|
Ударная вязкость, [ кДж / м 2 ] |
||
|
Твердость по Бринеллю, [МПа] |
||
|
Физические свойства: |
||
|
Температура, при которой получены данные свойства, [Град] |
||
|
Модуль упругости первого рода, [МПа] |
||
|
Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T) , |
||
|
Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)] |
||
|
Плотность материала, [кг/м 3 ] |
||
|
Удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)] |
||
|
Удельное электросопротивление, [Ом·м] |
Расшифровка марки ШХ15: с буквы Ш начинается маркировка подшипниковых сталей, Х означает легирование стали хромом, который присутствует в количестве 1,5%.
Особенности и применение стали ШХ15: для ответственных деталей приборов и машин в ряде случаев применяют закаленные стали с высокой твердостью, упрочняемые мартенситным превращением.
В условиях эксплуатации, особенно под напряжением, в метастабильной структуре закаленной стали могут проходить значительные изменения, приводящие к нарушению геометрических размеров изделий. Уже в ненагруженных закаленных деталях наблюдаются существенные изменения объема и размеров во времени. Эти изменения обусловлены диффузионными процессами перемещения атомов углерода в мартенсите, сопровождающиеся уменьшением размеров, и процессами распада остаточного аустенита -- с увеличением размеров.
Посредством наблюдений за изменениями размеров закаленных образцов в процессе отпуска и рентгенографическими исследованиями установлено, что для стабилизации мартенсита закалки при комнатной температуре достаточно 2-4-часового отпуска при 150° С. Для стабилизации мартенсита при эксплуатации в условиях повышенных температур необходимо, чтобы температура отпуска превышала эксплуатационную на 50-100° С.
Основной причиной изменения размеров закаленной и подвергнутой низкому отпуску стали является остаточный аустенит. Превращение 1% аустенита в мартенсит приводит к изменению размеров стали на 1*10 -4 , что составляет 10 мкм на каждые 100 мм размера. Существует критическое количество остаточного аустенита, ниже которого стабильность размеров стали в пределах 1 . 10 -5 при минусовой и комнатной температурах сохраняется. Критическое количество аустенита изменяется пропорционально логарифму времени хранения и повышается с возрастанием температуры закалки и последующего отпуска. Например, критическое количество аустенита, сохраняющее стабильность размеров стали ШХ15 в течение 3--5 лет в пределах 1-10 6 , составляет после закалки при 840 и 880° С и отпуске 100° С соответственно 5 и 10%, после отпуска 150° С - соответственно 10 и 19%.
Отпуск при 150° С, стабилизирующий мартенсит при комнатной температуре, является малоэффективным с точки зрения стабилизации остаточного аустенита. Увеличение размеров образцов, свидетельствующее о процессе аустенитно-мартенситного превращения, начинается лишь через 20 ч выдержки при 150° С. Начало интенсивного распада аустенита наблюдается только при 200° С. При этом твердость закаленной стали снижается до HRC60. В тех случаях, когда подобное снижение твердости недопустимо, основным способом понижения содержания остаточного аустенита в структуре закаленной стали является обработка при температуре ниже нуля, что связано с положением точки конца мартенситного превращения. Необходимость обработки холодом для стабилизации размеров точного мерительного инструмента и подшипников прецизионных приборов показана в ряде советских и зарубежных работ. Однако понизить содержание остаточного аустенита посредством обработки холодом ниже 4--5% для большинства инструментальных и подшипниковых сталей не удается. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют сочетать обработку холодом с последующим продолжительным низким отпуском, который для стали типа ШХ15 должен составлять не менее 10 000 ч при 100° С, 160 ч при 150° С и 50 ч при 180° С.
При повышенных температурах скорость превращения аустенита не зависит от температуры отпуска и пропорциональна только его количеству. В условиях эксплуатации при повышенных температурах превращение аустенита идет по бейнитному механизму и эффект стабилизации остаточного аустенита отсутствует. Суммарный эффект изменения размеров при повышенных температурах определяется относительной устойчивостью мартенсита и остаточного аустенита. Для изделий, работающих при температуре порядка 150° С, в целях снижения количества остаточного аустенита обязательна обработка холодом. Обработка холодом при -70° С стабилизирует размеры в течение 10000 ч при рабочей температуре 120 о С в пределах 5 . 10 -6 , а при 120-150° С в пределах 10 . 10 -5 . Дальнейшее повышение размерной стабильности может быть достигнуто посредством отпуска при температурах, обеспечивающих необходимую полноту распада остаточного аустенита, и стабилизации мартенсита. Для стали ШХ15 эти температуры составляют не менее 225-250° С.
Поскольку наиболее полными характеристиками размерной стабильности материала являются показатели сопротивления микропластическим деформациям, представляло интерес оценить зависимость этих характеристик от режимов термообработки закаленной стали.
Под напряжением в закаленной стали одновременно проходят процессы фазовых превращений и микропластических деформаций. При этом микропластические деформации ускоряют процессы фазовых превращений. Одновременно последние приводят к резкому понижению сопротивления начальным стадиям пластической деформации. Понижение сопротивления пластическому деформированию в условиях протекания фазовых и структурных превращений в литературе получило название кинетической пластичности или кинетического изменения свойств. Указанное явление характерно для стали, закаленной на высокую твердость, и ведет к активному изменению размеров вследствие развития процессов ползучести и релаксации напряжений. Сопротивление микропластическим деформациям характеризует не только размерную стабильность материала, но и отражает его сопротивление износу, поскольку последний по современным представлениям имеет в значительной степени усталостную природу и возникает в результате развития в металле микропластических деформаций.
В условиях метастабильного фазового и структурного состояния кинетика релаксации напряжений непосредственно контролируется процессами фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях испытаний. В закаленных сталях типа ШХ15 кинетика процесса релаксации напряжений в интервале 100--200° С определяется нестабильностью мартенсита. Об этом свидетельствует совпадение энергий активации процессов релаксации напряжений и уменьшения удельного объема вследствие превращения мартенситной составляющей, а также соответствие этих изменений степеням релаксации напряжений в широком диапазоне температур и длительностей испытаний.
Зависимость предела упругости от температуры отпуска закаленной стали меняется по кривой с максимумом аналогично зависимости предела упругости наклепанных металлов от температуры дорекристаллизационного отжига. Представлена указанная зависимость для различных по составу сталей - углеродистых, конструкционных легированных, подшипниковых и нержавеющих, которые широко распространены в прецизионном машиностроении и приборостроении. Как видно из представленных данных, после оптимального отпуска предел упругости возрастает для различных сталей от 30% до 3-4 раз.
Наряду с повышением предела упругости при дорекристаллизационном отжиге возрастает релаксационная стойкость закаленной стали. Максимальная релаксационная стойкость наблюдается после отпуска при тех же температурах, что и максимальный предел упругости, например для сталей ШХ15 и 11Х18М при 250 и 350- 400° С соответственно.
Очевидно, что наблюдаемый рост сопротивления микропластическим деформациям с повышением температуры отпуска обусловлен процессами стабилизации мартенсита и остаточного аустенита, а также распадом последнего.
Особый интерес представляет целесообразность использования для стабилизации размеров закаленных стальных изделий многократной обработки холодом, чередующейся с низким отпуском. Некоторые авторы считают, что такая обработка обеспечивает более полное превращение остаточного аустенита по сравнению с однократным охлаждением и нагревом. По данным работы весь процесс стабилизации состоит из 5--6 циклов охлаждения до -85° С, каждый из которых сопровождается низким отпуском. Предполагается, что при каждом последующем охлаждении осуществляется дополнительное превращение части остаточного аустенита в мартенсит, а отпуск после охлаждения снимает возникшие вследствие указанного превращения и резкого охлаждения внутренние напряжения. В Японии запатентован метод термической обработки подшипниковой стали, заключающийся в проведении после закалки многократных теплосмен в интервале -50 +150° С. Повышение стабильности размеров в результате понижения количества остаточного аустенита после повторения цикла «обработка холодом-отпуск».
Многократная обработка холодом, чередующаяся с отпуском, позволяет повысить сопротивление микропластическим деформациям и стабильность размеров закаленной высокоуглеродистой стали.
В результате многократной термоциклической обработки существенно уменьшается содержание остаточного аустенита в стали в отличие от однократной обработки холодом и отпуском. Одновременно повышается предел упругости. После 6-кратной обработки при -70 и +150° С (режим 2) предел упругости при изгибе у 0,001 составил 155 кгс/мм 2 против 137 кгс/мм 2 после однократной обработки (режим 3), т. е. повысился примерно на 13%.
сталь технологический машиностроение закаленный
Существенно возросла также и релаксационная стойкость стали.
Рассмотрим возможный механизм влияния многократной обработки по циклу «охлаждение ниже нуля - низкотемпературный нагрев» на структуру закаленной стали.
При охлаждении стали до минусовой температуры повышается разность свободных энергий аустенита и мартенсита и в связи с этим происходит дополнительный распад аустенита, На кинетику распада аустенита большое влияние оказывают поля напряжений, образующиеся в стали при ее охлаждении до минусовых температур после закалки. После закалки остаточный аустенит находится под воздействием всестороннего сжатия, которое задерживает мартенситное превращение. В связи с разницей в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита величина этого давления на аустенит уменьшается по мере охлаждения до отрицательных температур, что способствует ускорению мартенситного превращения. Превращение будет продолжаться до тех пор, пока выигрыш в свободной энергии из-за изменения решетки не будет поглощен энергией упругой деформации, возникающей в процессе образования мартенсита или пока не образуется предельное для данной температуры количество мартенсита, соответствующее минимуму общей свободной энергии.
В процессе нагрева стали до верхней температуры цикла и выдержке при этой температуре будет дополнительно происходить мартенситное превращение. Нарушения строения аустенита вокруг образовавшихся при низкой температуре кристаллов мартенсита облегчают последующее превращение при более высокой температуре. Полученные при предыдущем превращении упругие искажения в аустените будут облегчать зарождение последующих мартенситных кристаллов.
При этом чем больше упругие искажения в аустените в результате предыдущего мартенситного превращения при охлаждении до отрицательной температуры, тем выше скорость превращения при последующем нагреве.
Мартенситное превращение при нагреве будет продолжаться до тех пор, пока в новых условиях значение упругой энергии деформации, возникшей в процессе образования мартенсита, не станет равным разности свободных энергий решеток аустенита и мартенсита. При этом на кинетику зарождения новых кристаллов мартенсита значительное влияние оказывают факторы стабилизации аустенита и разность коэффициентов линейного расширения мартенсита и аустенита. Эти факторы уменьшают скорость мартенситного превращения при нагреве. Стабилизация аустенита обусловлена процессами отдыха металла при нагреве: уменьшением перенапряжений в микрообъемах, уменьшением плотности дислокаций в скоплениях, общим перераспределением дислокаций и точечных дефектов. В связи с разностью в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита при нагреве в аустените могут появляться дополнительные сжимающие напряжения, уменьшающие скорость превращения. При нагреве от минусовой до верхней температуры цикла процессы отдыха проходят также и в мартенсите с перераспределением дислокаций и точечных дефектов, уменьшением локальных скоплений дислокаций и перенапряжений в микрообъемах и повышением, в связи с этим, устойчивости мартенсита.
Распад мартенсита проходит после процесса отдыха и наиболее заметно наблюдается выше 100° С с выделением на первой стадии (в интервале 100-150° С) е-карбида и уменьшением степени тетрагональности мартенсита. После обособления карбидных частиц и уменьшения неоднородности концентрации углерода (при повышении температуры) искажения второго рода уменьшаются.
Таким образом, в результате процессов, проходящих в закаленной стали при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла ТЦО, уменьшается количество остаточного аустенита и повышается его стабильность, происходит частичный распад мартенсита, а также повышается его устойчивость. По-видимому, величина микронапряжений на границе фаз также получается минимальной в связи с их релаксацией при отдыхе.
В результате необратимых процессов, проходящих при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла, понижается энергия искажений кристаллической решетки. При повторном охлаждении стали до отрицательной температуры вновь появляется термодинамический стимул для мартенситного превращения. Однако в новых условиях скорость мартенситного превращения при охлаждении будет значительно ниже в сравнении с превращением в 1-м цикле, поскольку в результате предварительной стабилизации аустенита повышается работа образования зародышей мартенсита. Вследствие отдыха аустенита в 1-м цикле, распределение дефектов кристаллического строения становится менее благоприятным для образования новых зародышей мартенсита.
При нагреве во 2-м цикле новые упругоискаженные области, возникшие в аустените в процессе у-а превращения при низкой температуре, также будут способствовать зарождению новых кристаллов мартенсита аналогично процессам в 1-м цикле нагрева. При этом, однако, скорость процессов оказывается значительно ниже, так как величина новых упругоискаженных областей будет меньше, чем в 1-м цикле. При повторном цикле нагрева вновь проходят процессы отдыха и стабилизации мартенсита. Происходит также некоторый дополнительный распад мартенсита (более полное прохождение 1-й стадии отпуска). В результате 2-го цикла ТЦО дополнительно уменьшается количество остаточного аустенита и значительно повышается устойчивость закаленной структуры при последующих изменениях температуры. Таким образом, после нового цикла ТЦО повышается стабильность остаточного аустенита и мартенсита.
Эффективность ТЦО ограничивается несколькими циклами обработки «холод-тепло» (3-б циклов), дальнейшее увеличение числа циклов неэффективно. Как и следовало ожидать, наибольший эффект достигается после 1-го цикла обработки. Однако экспериментальные данные показали, что для повышения сопротивления микропластическим деформациям весьма существенны также последующие несколько циклов обработки, при которых проходит дополнительный распад остаточного аустенита и более полная стабилизация структуры.
В результате 3--6-кратной ТЦО образуется устойчивая структура мартенсита с минимальным количеством остаточного аустенита, также хорошо стабилизированного. Более стабильная структура обеспечивает повышение сопротивления микропластическим деформациям в закаленной стали.
Изложенное свидетельствует об эффективности многократной обработки холодом, чередующейся с низкотемпературным отпуском, для стабилизации размеров изделий из стали, закаленной на высокую твердость. Зарубежные фирмы, применяющие указанную обработку, гарантируют более высокую стабильность мерительного инструмента, чем это требует ГОСТ 9038-90 и чем фактически наблюдается на плоскопараллельных концевых мерах отечественного изготовления.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Выбор и обоснование конструкционного материала для изготовления детали. Влияние химического состава стали на механические свойства, глубину прокаливаемости. Маршрутная технология предварительной и окончательной термической обработки. Контроль качества.
курсовая работа , добавлен 20.11.2008
Группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации "своих" специфических комплексов вязкостно-прочностных свойств. Способы отпуска закаленной стали. Влияние отпуска на прочность и пластичность стали. Основные сравнительные свойства для стали 45.
статья , добавлен 24.06.2012
Повышение механических свойств стали путем введения в нее легирующих элементов. Классификация стали в зависимости от химического состава. Особенности сварки углеродистых и легированных сталей. Причины возникновения трещин. Типы применяемых электродов.
курсовая работа , добавлен 06.04.2012
Описание электропечи и установки внепечной обработки. Определение производительности участка. Изучение технологии выплавки и разливки шарикоподшипниковой стали. Подготовка печи к плавке. Расчет металлошихты, расхода ферросплавов для легирования стали.
курсовая работа , добавлен 21.03.2013
Характеристика, цели и особенности производства, классификация материалов: чугуна, стали и пластмассы. Сравнительный анализ их физико-химических, механических и специфических свойств; маркировка по российским и международным стандартам; применение в н/х.
курсовая работа , добавлен 04.01.2012
Изготовление металлографического шрифа. Дилатометрический анализ, термическая обработка. Испытание материала образцов на ударную вязкость и сопротивление разрыву. Рентгеноструктурный анализ. Определение марки стали, оптимальных режимов термообработки.
курсовая работа , добавлен 07.05.2011
Анализ механических свойств стали 19ХГН, ее химический состав. Рассмотрение технологического эскиза детали "Корпус". Основные особенности выбора технологических баз. Этапы проектирования станочного приспособления и расчета операционных размеров.
дипломная работа , добавлен 24.09.2012
Характеристика материала и сварки стали 20Х12ВНМФ как разновидности жаропрочной высоколегированной стали. Виды сварки: ручная дуговая, под флюсом, электрошлаковая, в среде защитных газов. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке.
курсовая работа , добавлен 17.12.2014
Понятие и сущность отпуска закаленной стали. Анализ изменений, происходящих при третьем превращении в структуре матрицы стали и в карбидной фазе: механизмы зарождения и роста цементита, кинетика и последовательность изменений в кристаллической структуре.
контрольная работа , добавлен 24.11.2010
Анализ макроструктуры материала. Фрактограмма вязкого ямочного излома стали. Выявление микроструктуры сплава. Метод Лауэ, рентгенгониометрия. Химическая неоднородность, ликвация. Возможные варианты разрушения фрезы зубчатой, изготовленной из стали Р18.
Уже примерно с сотню лет хромистые малолегированные стали используются как инструментальные, подшипниковые и износостойкие. Также, данную группу можно отнести и к классическим сталям, использующимся за границей. Долгое время среди нашихножоделов большей популярностью пользовались марганцовые и углеродистые стали типа 65Г или У8, однако с приходом 2000 года сталь ШХ 15 и произведенные на ее основе авторские материалы стали одним из лидером на рынке. Все из-за того что получаемые изделия обладают высокими характеристиками, а сырье технологично и доступно.
Что же, рассмотрим сталь ШХ15 подробнее. Данная сталь является классическим представителем в классе хромистых низколегированных сталей. В качестве главного легирующего элемента используется углерод и хром.
Эти стали очень сильно распространены и используются в виде основного материала в производстве подшипников. ШХ15 могут пройти легирование молибденом, обладать увеличенным значением кремния и марганца (а порой и хрома) с целью улучшению прокаливаемости, алюминия, кобальта и кремния для повышения теплостойкости.
Главным отличием от высокохромистых сталей, о которых речь шла раньше, в сталях этой группы количество хрома достаточно мало, и поэтому он не образует собственные карбиды, оставаясь в твердом растворе и также входя в состав цементита. Если говорить про структурные признаки, то эти стали заэвтектоидные, то есть все карбиды мелкие. Именно этим определяется высокая контактная выносливость и однородность данных сталей. Равно как и другие «углеродистые» стали, ШХ15 отлично держат тонкую кромку.
Данная сталь стала основной для таких авторских материалов, как, например, «Углеродистая Углеродистая Сталь». В данных авторских материалов булатоподобные структуры, а также соответствующие им узоры получают при помощи режимов горячей деформации. Большое количество булатов на сегодняшний день были созданы основываясь на ШХ15.
Также как и другие стали данного типа, эта сталь обладает чувствительностью к таким технологическим аспектам производства, как, например, термообработка и горячая деформация. Также, именно для этой группы авторские методы могут обладать наибольшей эффективностью, так как увеличивают стойкость конечного продукта в несколько раз.
Данный класс сталей показывает свои преимущества во время обработки, показывая достаточно высокую твердость, то есть примерно HRC 61-63. Также при этом обеспечивается высокая стойкость к износу (нужно отметить, что для данных сталей этот параметр очень сильно зависит от твердости), а также высокая стойкость к смятию, однако при этом сохраняется на достаточном уровне пластичность и вязкость.
В большинстве случаев прочность на изгиб при необходимом уровне твердости не превышают значение в 2200-2400 Мпа, когда ударная вязкость составляет 0,2-0,3 МДж/м2.В итоге прочность немного ниже, нежели чем у хромистых сталей с высокой легированностью, но при этом пластичность чуть выше, а ударная вязкость примерно равна.
Оптимальным режимом для закалки является 810-820°, в случае закалки при помощи водного раствора, и 830-850° в случае закалки при помощи масла.
Если говорить об оптимальной температуре отпуска, то это примерно 150-160°, а значение результирующей твердости будет примерно 61-64 HRC.
Как было сказано раньше, характеристики изделий из ШХ15 отлично повышаются при правильной термообработке и горячей деформации.