Стали и сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами (ГОСТ10994-74)

В ряде случаев требуются металлы и сплавы с коэффициентом линейного расширения (α) близким к 0, а в ряде случаев этот коэффициент должен быть весьма большим. Чтобы удовлетворить эти требования изготавливают сплавы строго определению состава (прецизионные сплавы).

Наименьшим из чистых металлом коэффициентом α обладает платина (при 0⁰С – 8,9×10^-6, при 800⁰С – 9,9×10^-6) и Fe (11,3×10^-6 и 14,8×10^-6 соответственно), наибольшим –Al (22,8×10^-6 при 0⁰С и 27, 9×10^-6 при 600⁰С).

Введение в металл второго элемента вызывает изменение α следующим образом:

- если оба компонента образуют гетерогенную смесь, то α изменяется адаптивно;

- если компоненты образуют твердый раствор, то α изменяется по криволинейному закону, но внутри предельных значений, соответствующих чистым компонентам.

Исключение составляют системы Fe-Ni и Fe-Pt. Так, в железо – никелевых сплавах с 25%Ni α увеличивается почти в два раза по сравнению с Fe, а при 36% Ni α уменьшается в 8 раз.

Наиболее известными сплавами с заданными α в определенном интервале температур являются: инвар (Н36), содержащий 36%Ni и практически не расширяющийся в интервале от –80⁰С до +100⁰С; суперинвар (Н31К6), содержащий Ni (31%) и Со (6%) и имеющий α=1,0×10^-6 в интервале от 0 до 60⁰С; платинит Н48, который имеет α=9×10^-6, т.е. как у платины и стекла и поэтому используется для пайки металла со стеклом.

Для пружин точных приборов, камертонов и других подобных изделий требуются материалы с не изменяющимися с температурой модулем упругости – модулем Юнга (Е), модулем сдвига (G), модулем касательной упругости.

К этой группе относятся также стали с низким температурным коэффициентом модуля упругости. Из них изготавливают пружины точных приборов, пружины часовых механизмов, камертоны, сильфоны, резонаторы и т.д., которые должны иметь постоянные модули упругости в определенном интервале температур.

Обычно применяют дисперсионно твердеющие элинвары, имеющие постоянство модуля упругости, это сплавы, содержащие 36-38% Ni, 7-9% Cr, 0,4-0,8% C, остальное Fe. После закалки с 950⁰С в воде сплав имеет аустенитную структуру с высокой пластичностью δ=50% и сравнительно низкой прочностью σ_В=650-700МПа. После старения при температуре 600⁰С σ_В возрастает до 1500МПа, а δ уменьшается до 10%. Такое упрочнение достигает благодаря выделению из аустенита интерметаллидов.

Температурный коэффициент элинваров колеблется в пределах 18-23×10^-6 1/⁰С, что примерно в 10 раз меньше чем у углеродистых сталей и в 20 раз меньше, чем у аустенитной стали.

Тема 4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, содержащие в своем составе 0,7-1,5% С и обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов.

Углеродистые стали для режущего инструмента.

Твердость режущей кромки сверел, метчиков, разверток, резцов, фрез и другого режущего инструмента после закалки и отпуска должна быть в пределах HRC 60-65 и значительно превышать твердость обрабатываемого металла.

Для обработки резанием применяют углеродистые стали, с теплостойкостью до 200⁰С, легированные стали с теплостойкостью до 260-280⁰С и быстрорежущие стали с теплостойкостью до 640⁰С.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) называют еще сталями с пониженной прокаливаемостью. Поэтому стали типа У7, У10, У12, У11 применяют для режущих инструментов небольших размеров (диаметром 10-12 мм) или для более крупных инструментов (диаметром 15-30мм), которые при закалке в воде не прокаливаются полностью (напильники, зенкеры, короткие развертки и т.д.)

К достоинствам углеродистых инструментальных сталей можно отнести дешевизну, хорошую обрабатываемость резанием и давлением в отожженном состоянии. К недостаткам – узкий интервал закалочных температур и необходимость (из-за малой устойчивости переохлажденного аустенита) закалки с охлаждением в воде или водных растворах щелочей (солей), что приводит к короблению и деформации инструмента и способствует образованию трещин.

Поэтому режущий инструмент сложной формы с резкими переходами и большим соотношением длины к диаметру из углеродистых сталей не изготавливают.

Температура закалки этих сталей –780-800⁰С, что позволяет получить структуру мартенсита закалки с нерастворенными частицами вторичного цементита и сохранить мелкое зерно. Для снятия напряжений и сохранения высокой твердости (HRC 60-63) инструмент отпускают при температуре 150-170⁰С.

Для уменьшения коробления и предотвращения образования трещин при закалке часто применяют закалку в двух охладителях (через воду в масло) и ступенчатую закалку.

Углеродистые инструментальные стали используются также для изготовления инструментов, которые в процессе эксплуатации подвергаются динамическим нагрузкам, ударам, толчкам, а следовательно должны обеспечивать определенный запас вязкости – зубила, клейма, кузнечный и деревообрабатывающие инструменты и т.д., которые подвергаются отпуску при температурах 250-325⁰С для получения твердости НRС 48-55.