Стали с высокой износостойкостью

Износостойкость сталей, т.е. свойство стали оказывать сопротивление изнашиванию, существенно зависит от условий трения.

В случае обычного трения поверхность металла наклепывается и сопротивляемость возрастает. Следовательно, способность металла к наклепу и определяет его износостойкость.

В случае абразивного износа, когда частицы абразива «вырывают» микрообъемы металла, стойкость против износа будет определяться сопротивлением стали хрупкому разрушению и ее твердостью.

Эффективными способами повышения стойкости против абразивного износа являются поверхностная закалка и другие методы повышения поверхностной твердости (цементация, азотирование, борирование и т.д.) При этом наилучшей структурой является мартенсит и карбиды, причем структура должна быть мелкокристаллической, т.е. более вязкой.

Высокой стойкостью против износа обладают графитизированные стали ЭН293 (С-1,5-1,75%; Si-0,75-0,95%; Mn–0,2-0,4%), ЭН336 (С-1,5-1,7%; Si- 0,7-1,0%, Mn-0,15-0,40%), которые после отжига имеют структуру зернистый перлит с определенным количеством мелких округлых графитовых включений. Эти включения в процессе изнашивания выходят на поверхность трения, разрушаются по плоскостям спайности и образуют тончайшие пластинки, которые выполняют роль твердой смазки в процессе сухого трения металла о металл.

В отожженном состоянии графитизированную сталь применяют как заменитель цветных металлов - латуни или бронзы. В термообработанном состоянии – для траков, калибров и других деталей, подвергающихся в работе большим давлениям и износу. Кроме того из графитизированной стали изготавливают литые коленчатые валы.

К этой же группе (износостойких) сталей относятся сталь Гадфильда (Г13), хорошо работающая при трении с высокими давлениями и ударными нагрузками: траки гусеничных машин, крестовины железнодорожных рельсов, черпаки экскаваторов, детали камнедробилок и др. Сталь Гадфильда содержит 1,0-1,4%С и 12-14%Mn, применяется в литом или реже в горячекатаном состоянии.

Термическая обработка стали Г13 заключается в закалке в воду с температуры 1050-1100⁰С, после чего образуется чисто аустенитная структура без избыточных карбидов. Такая структура обладает высокими вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности (σ_0,2=225-390МПа, δ=40-50% НВ180-220).

Высокая износостойкость при трении с давлением и ударами обеспечивается высокой упрочняемостью стали Гадфильда при пластическом деформировании. Пластическая деформация стали Г13 осуществляется путем механического двойникования аустенита. Двойники, с одной стороны, являются эффективными барьерами для движения дислокаций, т.е. упрочняют сталь, а с другой стороны - приводят к релаксации внутренних напряжений, предотвращая их локализацию и образования трещин.

Вместе с тем, для случая абразивного износа (когда нет высокого давления и наклепа) сталь Гадфильда не имеет преимуществ по сравнению со сталями такой же твердости.

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ801-78).

К шарикоподшипниковым сталям относятся высококачественные стали, способные противостоять сложным сосредоточенным и переменным напряжениям, возникающим в зоне контакта шариков и роликов с беговыми дорожками колец подшипников качения. Наряду с основным назначением эти стали используют, когда требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (детали высокого давления, храповые механизмы, пальцы, ролики и др.)

Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальных, а иногда низкоуглеродистые в цементованом состоянии.

Для уменьшения критической скорости закалки и возможности использовать в качестве закалочной среды масло шарикоподшипниковую сталь легируют хромом. При этом, чем меньше размер детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома.

Шарики и ролики диаметром 10-13,5 мм изготавливают из стали ШХ9 (Cr=0,9-1,2%), диаметром до 20мм их ШХ12, а большего диаметра из стали ШХ15. Ролики диаметром больше 30мм и кольца толщиной стенки больше 15мм изготавливают из стали ШХ15СГ, в которую кроме Cr для увеличения прокаливаемости вводится Si и Mn.

Из-за локальности нагрузки в шарикоподшипниках к подшипниковым сталям предъявляются весьма высокие требования в отношении чистоты по неметаллическим включениям и карбидной ликвации, поскольку последние могут вызывать местное разрушение – выкрашивание.

Термическая обработка деталей шарикоподшипника (шарики, ролики, кольца) состоит из двух операций – закалки с 830-840⁰С в масло и отпуска при температуре 150-160⁰С в течение 1-2 часов, что обеспечивает получение твердости больше 62HRC. Структура подшипниковых сталей после такой термообработки представляет отпущенный мелкоигольчатый мартенсит (скрытокристаллический) с равномерно распределенными избыточными карбидами и 5-10% остаточного аустенита, который в процессе эксплуатации может превращаться в мартенсит.