Износостойкие стали. 
Материаловедение в машиностроении

Условия работы пар трения настолько разнообразны, что ни одна из механических характеристик, взятая в отдельности, не может служить надежным критерием при выборе износостойких материалов. Износостойкость сталей зависит не только от их свойств, но и от условий изнашивания, они и определяют оптимальную структуру и свойства сталей.

Стали высокой твердости

Высокая твердость увеличивает сопротивление пластической деформации, что приводит к повышению износостойкости, поскольку в процессе трения происходит пластическая деформация поверхностных слоев материалов трущейся пары (см. 2.6 и рис. 2.20). Увеличение твердости весьма эффективно повышает сопротивление материала абразивному изнашиванию, уменьшая вероятность процессов микрорезания.

Высокие значения твердости могут быть достигнуты при использовании целого ряда сталей и технологий их упрочнения.

Объемной и поверхностной закалке подвергают стали с высоким содержанием углерода — инструментальные (У10, У12, 8ХФ и др.), объемной — шарикоподшипниковые (ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ) (см. 6.5.2). Следует отметить, что при одинаковой твердости более высокую износостойкость имеют заэвтектоидные стали, в структуре которых после закалки наряду с мартенситом имеются карбиды.

Высокая твердость поверхностных слоев может быть достигнута применением химико-термической обработки -.

Рис. 10.1. Зависимость вязкости разрушения от предела текучести:

1 — трипстали; 2 — мартеиситностареющие стали; 3 — среднеуглеродистые стали цементации, азотирования с использованием соответствующих сталей (см. 5.6.1).

Аустенитная сталь

В процессе трения в поверхностных слоях материалов могут происходить структурные изменения. Поэтому сопротивление изнашиванию зависит не только от исходных свойств материала, но и от свойств образовавшихся структур.

При работе пары трения в условиях высоких давлений и динамических нагрузок поверхность материала может упрочняться вследствие наклепа под действием пластической деформации. Это, естественно, приведет к снижению интенсивности изнашивания. К наклепу более склонны стали с аустенитной структурой, получение которой при 20 °C возможно, если точка Мн лежит ниже этой температуры. Это достигается в сталях, легированых компонентами, расширяющими область существования аустенита, в частности марганцем.

К сталям такого типа относится сталь Гадфилъда (110Г13Л), в которой содержится 1,2% углерода и 13% марганца. Сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием, изделия из нее получают в основном методами литья. Структура стали в литом состоянии — аустенит и карбиды (Fe, Мп)3С.

Максимальная износостойкость этой стали достигается в результате наклепа. Изделия из стали подвергают закалке от температуры 1050…1100 °С, при таком нагреве карбиды растворяются в аустените. Быстрое охлаждение в воде предотвращает выделение карбидов, фиксируется однофазная структура — аустенит.

После закалки сталь имеет следующие свойства:? = 800… …900 МПа; ?0,2 = 310…350 МПа;? = 25… 15%; твердость — 180…200 НВ. Твердость в закаленном состоянии низкая. Высокую износостойкость сталь приобретает под действием высоких давлений и ударных нагрузок, упрочнение происходит в результате наклепа. Как указывалось выше, склонность к наклепу характерна для структуры аустенита (рис. 10.2).

При отсутствии значительных нагрузок, вызывающих наклеп, сталь Гадфильда не обладает износостойкостью. Поэтому ее применяют для деталей, работающих в условиях высоких давлений и ударных нагрузок, например для траков гусеничных машин, черпаков экскаваторов, трамвайных крестовин и т. д.

Графитилированные стали имеют высокую износостойкость, поскольку в их структуре присутствует графит, играющий роль твердой смазки, наличие которой предотвращает или снижает вероятность схватывания (см. 2.6 и рис. 2.20).

В литом состоянии структура сталей — пластинчатый перлит и карбиды, графита нет. Графит образуется в результате графитизирующего отжига вследствие распада карбидов (аналогично графитизации в чугунах). Графитизация возможна из-за повышенной концентрации в сталях кремния — 0,8…1,6%, являющегося графитизатором; кроме того, стали содержат 1,3…1,7% С, 0,2…0,5% Мп.

Режимы отжига: нагрев до 820…840 °С, выдержка в течение 5 ч, охлаждение до 700…720 °С, выдержка от 5…15 ч, охлаждение с печью до 600 °C, затем — на воздухе. После отжига структура стали — зернистый перлит и мелкие включения графита округлой формы, образовавшегося вследствие распада карбидов.

Сталь применяется в отожженном состоянии, а также после закалки и низкого отпуска; при этом достигается высокая твердость (~ 63 HRC). В отожженном состоянии — для изготовления вкладышей подшипников скольжения вместо медных сплавов, а также для поршней, поршневых колец, литых коленчатых валов и т. д. В упрочненном состоянии — для изготовления износостойких деталей, например волочильных матриц для операций холодной вытяжки.

Рис. 10.2. Влияние степени деформации на твердость (склонность к наклепу) сталей Гадфильда (Г13) и 40.