Кремнистые стали

08.07.2019

Кремний принадлежит к числу элементов, сужающих v-область на диаграмме Fe-Si (рис. 5).

Железокремнистые сплавы, содержащие более 2,15 % Si, являются ферритными, не имеют критических точек и до расплавления находятся в состоянии a-фазы. Кремний и железо образуют три химических соединения - силициды железа, которые начинают появляться в сплаве при концентрации кремния выше 16 %, первое - Fе3Si2 (25,1), второе - FeSi (33,4 %) и третье - Fе2Si3 (55,6 %). Коэффициент диффузии кремния в a-железе зависит от его содержания и при максимальной концентрации увеличивается примерно в двадцать раз. Кремний сильно упрочняет феррит.

Сплавы железо - кремний - углерод могут быть перлитными, ферритными и полуферритными. Кремний снижает растворимость и диффузию углерода в v-железе. Точка эвтектоидного превращения под влиянием кремния сдвигается влево и вверх. Кремний незначительно изменяет характер превращений железоуглеродистых сплавов.

Кремний не оказывает влияния на температуру начала мартенситного превращения. Количество остаточного аустенита под влиянием кремния не увеличивается. Критические точки A3 и A1 при нагреве и при охлаждении с увеличением количества кремния смещаются в область более высоких температур. Кремний повышает прокаливаемость стали и увеличивает устойчивость против отпуска.

Кремний - дешевый легирующий элемент, который (как и медь) является графитизирующим. В литых сталях менее 0,2-0,3 % Si считается постоянной примесью, свыше 0,3-0,4 % Si рассматривают уже как легирующий элемент, специально вводимый в сталь для повышения прочности или получения каких-либо особых физико-химических свойств.

Кремний получил широкое применение для получения специальной графитизированной стали, в структуре которой после отжига образуются включения сажистого углерода отжига (графита). Графитизированную сталь применяют для изготовления изделий, работающих на износ. В порошковые материалы на железной основе кремний вводят для получения магнитно-мягких материалов, конструкционных и графитизируемых сталей. Кремний относится, к числу элементов, медленно растворяющихся в железной основе, поэтому получение гомогенного твердого раствора в порошковых железокремнистых материалах возможно лишь при применении повышенных температур и длительных выдержек, например 1300 °С в течение 20 ч.

Структура материала, спеченного при более низких температурах и при меньших выдержках, также представляет собой кремнистый феррит, но меньшей однородности. Кроме того, в структуре железокремнистых материалов содержатся включения различного вида, располагающиеся по границам зерен в виде сплошной или разорванной сетки, которые представляют собой дисилициды железа.

Механизм растворения кремния в железной основе можно представить следующим образом. До температуры 1150 °С кремний лишь частично растворяется в железной основе. Heрастворившиеся частицы кремния полностью сохраняют форму, которую они имели после прессования. На месте растворившихся частиц появляются области с повышенным содержанием кремния. Спекание при температурах 1150-1200 °С в течение 2 ч хотя и достаточно для растворения кристаллов кремния в железе, но не обеспечивает завершения процесса гомогенизации твердого раствора. Неоднократность твердого раствора по кремнию подтверждается результатами микрорентгеноспектрального анализа (рис. 6). Содержание кремния внутри контура растворившейся частицы в среднем в 5-10 раз больше его содержания за пределом контура, а на некотором удалении от областей, окружающих контуры, присутствие кремния вообще не улавливается.

В работах исследовано влияние исходного состава и режимов графитизации на механические и антифрикционные свойства порошковых сталей, которые для интенсификации процесса выделения свободного углерода легировали кремнием, кремнием и медью, кремнием и хромом. В качестве основы использовали отожженные порошки карбонильного и технического железа марок 6-2 и ПЖЗМ2. Режимы технологических обработок, механические и антифрикционные свойства сталей приведены в табл. 2-5.

Из табл. 2 и 3 видно, что легирование порошковой стали ЖГр1С2 на основе карбонильного и технического железа медью приводит к повышению прочности при растяжении, твердости и ударной вязкости, практически не влияет на предел прочности при изгибе и несколько уменьшает прочность при сжатии. Введение 10 % Cr в ту же сталь способствует снижению механических свойств.






Графитизация порошковых сталей независимо от марки железного порошка одновременно понижает механические (табл. 3,4) и положительно влияет на антифрикционные свойства (табл. 5,6), в частности на коэффициент трения, уменьшая его в 2-2,5 раза по сравнению со сталями, спеченными без структурно-свободного углерода. Исключение составляет хромокремнистая сталь ЖГр1,5С2Х10, у которой структура металлической основы и механические свойства не зависят от скорости охлаждения после спекания. Оптимальным комплексом механических свойств среди графитизированных сталей обладает кремниевомедистая сталь. Наименьший коэффициент трения и более высокое давление до схватывания у хромокремнистой стали.

Закалка и низкий отпуск графитизированных сталей, повышая прочность и твердость металлической матрицы, способствуют значительному увеличению допустимых рабочих нагрузок и дальнейшему снижению коэффициентов трения. Значения коэффициентов трения сталей на основе технического железа сопоставимы с таковыми для аналогичных порошковых сталей на основе карбонильного железа, а нагрузки до схватывания ниже в результате меньшей их прочности и твердости.

Высокие антифрикционные свойства и достаточная механическая прочность кремнистых сталей позволили рекомендовать их для изготовления деталей, работающих в условиях трения и износа. На ПО "Машзавод им. Ф.Э.Дзержинского" (г. Пермь) проведены стендовые испытания порошковых колец к мотопиле "Урал-2", изготовленных из спеченных заготовок, которые были получены на участке порошковой металлургии ПО "Машзавод им. Октябрьской революции" (г. Пермь) из порошковой стали ЖГр1, 5С2Д2. Порошковые кольца были установлены на двигатель мотопилы "Урал-2" для ресурсных испытаний согласно ГОСТ 18516-73 при 4-мин режиме: 2 мин работы под нагрузкой и 2 мин на холостом ходу.

Условия испытания были следующими:


Для работы двигателя использовали топливную смесь из бензина Б-70 и масла АС-8 в пропорции 20:1.

Порошковые поршневые кольца, изготовленные из материала ЖГр1,5С2Д2, выдержали ресурсные стендовые испытания и остались в работоспособном состоянии. Из материала ЖГр1С2 на основе технического железа был изготовлен поршень амортизатора автомобиля "Москвич-412". Деталь прессовали при давлении 490 МПа и спекали в водороде при 1150 °С в течение трех часрв. Режим работы поршня амортизатора на износном стенде в течение 200000 циклов с частотой 1,8 дикла/с и величиной хода 60 мм соответствует скорости перемещения поршня 0,345 м/с и приравнивается условно к пробегу автомобилем 20000 км. Испытания показали, что износ порошковой стали ЖГр1С2 был в пределах допуска и не превышал износ поршней из ковкого чугуна.




Графитизированная порошковая сталь ЖГр1С2Д2 была использована для изготовления деталей автомобиля ГАЗ-52 -вкладышей подшипника карданной муфты и опорных роликов выжимной лапки сцепления в автомобиле "Москвич-412" - сухарей шаровой опоры рулевого управления. Сталь была получена механическим сухим перемешиванием компонентов, прессованием (при давлении 780 МПа), спеканием (2 ч при температуре 1200 °С в токе осушенного водорода с точкой росы -40 °С) с последующей графитизацией (3 ч при 850 °С в углеродсодержащей засыпке) и закалкой (при 820 °С в воде) с низким отпуском (2 ч при 180 С в масле).

Детали автомобиля ГАЗ-52, изготовленные из закаленной графитизированной порошковой стали ЖГр1С2Д2, показали высокую износостойкость материала и надежность его в работе. Износ подшипников карданной муфты составил 0,02-0,04 мм после 20000 км пробега автомобиля, а износ подшипников сцепления - 0,05 мм после 70000 км пробега. Срок службы подшипников из порошковой стали ЖГр1С2Д2 в два раза больше по сравнению со сроком службы деталей серийного производства из стали ШХ15 в условиях сухого трения. Испытания сухарей шаровой опоры рулевого управления автомобиля "Москвич-412", изготовленных из закаленной графитизированной порошковой стали ЖГр1С2Д2, показали, что радиальный износ деталей составил 0,07-0,11 мм после 60000 км пробега автомобиля. Срок службы данного узла автомобиля увеличился в два раза при одновременном снижении затрат на его обслуживание.

Сравнительные испытания закаленных графитизированных порошковых сталей ЖГр1С2Д2, ЖГр1С2Х5, ЖГр1С2М5 и ЖЧ25Х3 проводили в режиме граничного трения в среде турбинного масла 22 при нагрузке P = 320 Н, скорости скольжения Vc = 0,5 м/с, времени т = 2 ч. В качестве образцов испытывали ролик и ползун с диаметрами соответственно 40 и 3 мм. Износ определяли по величине изношенного слоя цилиндрического штифта ползуна.

Проведены исследования порошковых материалов для изготовления втулок коробки перемены передач трактора Т-130. Определяли механические, антифрикционные свойства и износостойкость сталей ЖГр1С2Д2, ЖГр1С2Д2Х2, ЖГр1С2Д2Х5, ЖГр1С2Д2Х10. Антифрикционные испытания проводили на машине трения СМЦ-2 при различных нагрузках и скорости скольжения 7 м/с. Испытания проводили по схеме диск - колодка в масле с использованием в качестве контртела стали 20ХГНР (HRCэ 57 - 58). Одновременно испытывали чугун СЧ 21-40, из которого в настоящее время изготавливают втулки КПП (табл. 6).

Если у чугуна схватывание происходит при нагрузке 3,67 МПа, то у порошковых сталей этого не наблюдается даже при нагрузке 5,15 МПа. Введение хрома несколько ухудшает антифрикционные свойства, образцы разогреваются тем интенсивнее, чем больше хрома содержится в стали.

Проведены испытания тех же материалов на износ при трении скольжения по схеме открытой пары трения диск -палец. Результаты испытания представлены в табл.7.

На основании проведенных исследований в качестве материала для втулок КПП была рекомендована порошковая сталь ЖГр1С2Д2.



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна