Деформационно-твердеющие сплавы (40КХНМ, 40КХНМВ, 40КХНМИ(R), 45КХВН, 40КНХМВТЮ, 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМВТЮФ)

Деформационно-твердеющие сплавы (40КХНМ, 40КХНМВ, 40КХНМИ(R), 45КХВН, 40КНХМВТЮ, 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМВТЮФ).

Общая характеристика. Сплавы этой группы обладают высокими упругими и прочностными характеристиками (σв до 300 кгс/мм2), усталостной прочностью, твердостью, сопротивлением износу, немагнитностью и коррозионной стойкостью во многих средах. Сплавы приобретают высокие прочностные и упругие свойства после закалки) на γ-твердый раствор, обязательной холодной деформации (не менее 30%) и последующего упрочняющего отпуска. Химический состав и физико-механические свойства сплавов приведены в табл. 213 и 214; нормируемые механические свойства — в табл. 215, сортамент— в табл. 216.


Химический состав деформационно-твердеющих сплавов, %

Механические и физические свойства деформационно-твердеющих сплавов

Механические и физические свойства деформационно-твердеющих сплавов

Нормируемые механические свойства деформационно-твердеющих сплавов

Сортамент деформационно-твердеющих сплавов

Сортамент деформационно-твердеющих сплавов

Назначение — упругие элементы преимущественно малого сечения — заводные пружины, керны, растяжки, приборные подшипники, торсионы, пишущие элементы, измерительные пружины и другие детали из холоднодеформированной проволоки и плющенки.

Окончательную термическую обработку готового изделия проводят при температурах от 300 до 600°С. В результате нее происходит упрочнение сплава и фиксация формы упругого элемента (термофиксация). Термическую обработку упругих деталей и заводных пружин рекомендуется проводить в вакууме и нейтральной атмосфере, например, в аргоне.

Монтаж упругих элементов в приборах можно осуществлять аргонодуговой сваркой, пайкой или механическим креплением.

Сплавы на основе системы Со—Cr—Ni

 

Сплав 40КХНМ. Максимальные упругие и прочностные свойства сплава 40КХНМ достигаются после закалки с 1100—1150°С, холодной деформации 70—75% и отпуска при 500—550°С (рис. 386).

Зависимость механических свойств сплава 40КХНМ от температуры отпуска и степени предварительной деформации

Стабильность прочностных свойств проволоки и ленты при повышенных температурах больше при малых степенях холодной деформации (рис. 387): при деформации 30—35% предел прочности остается практически постоянным до 500—550°С; при деформации 50—70% разупрочнение начинается при 400—450°С.

Предел прочности сплава 40КХНМ в зависимости от температуры испытания

Поэтому для пружин, работающих при высокой температуре, подбирают низкую степень предварительной холодной деформации. Прочность наклепанной проволоки сплава 40КХНМ сильно зависит от диаметра проволок (рис. 388). Получение проволоки из сплава 40КХНМ с высокой степенью обжатия (выше 70%) затруднено вследствие интенсивного упрочнения сплава в процессе деформации.

Зависимость предела прочности проволоки сплава 40КХНМ от степени деформации и температуры отпуска

Модуль нормальной упругости сплава 40КХНМ для проволоки диаметром 5,0 мм представлен на рис. 389.

Зависимость модуля упругости сплава 40КХНМ от температуры испытания

Структура сплава в закаленном (умягченном) состоянии состоит из γ-твердого раствора. Основное упрочнение сплава происходит за счет холодной деформации. Дополнительное упрочнение при отпуске происходит вследствие образования сегрегаций из атомов молибдена, хрома и углерода (атмосферы Сузуки). Выделение избыточных фаз выше 600°С сопровождается разупрочнением сплава. В отожженном состоянии (нагрев до 800—850°С, охлаждение в печи) сплав состоит из двух фаз: γ-твердого раствора и сложнолегированного карбида (Cr, Fe, Мо)23С6. Для заводных пружин степень деформации ленты должна быть ≥70%, а упрочняющий отпуск проводится при сравнительно низкой температуре — 375—400°С, что обеспечивает высокий крутящий момент пружин в сочетании с высокой циклической усталостью. «Живучесть» пружин из этого сплава во много раз выше, чем пружин из углеродистой стали (табл. 217). Вакуумная выплавка дает увеличение живучести пружин в 2 раза.

Крутящий момент и живучесть пружин из сплава 40КХНМ вакуумной и открытой выплавки

Оптимальная степень холодной деформации сплава 40КХНМ зависит от конкретных свойств, необходимых в изделии. Например, для керновых опор, для которых необходимы высокая твердость (HRC 62—64) и износостойкость, степень деформации проволоки должна быть ≥83%, отпуск следует производить при 500—550°С, при этом сплав становится хрупким. Для медицинских изделий — сосудосшивающих скрепок и проволоки электрокардиостимуляторов, для которых необходима максимальная пластичность, следует применять умягчающую термическую обработку — закалку с 1100—1150°С. Обычно для большинства изделий используется деформация от 30 до 50%, отпуск при 400—500°С. Пружины из сплава 40КХНМ можно кратковременно перегревать до 700—800°С, так как рекристаллизация сплава происходит медленно.

Сплав 40КХНМИ(R). Изменение свойств сплава 40КХНМИ(R) в зависимости от степени деформации и температуры отпуска дано на рис. 390 и 391. Природа упрочнения сплава такая же, как у сплава 40КХНМ.

Изменение свойств холоднодеформированного сплава 40КХНМИ(R) от температуры отпуска

Изменение микротвердости и модуля нормальной упругости проволоки из сплава 40КХНМИ(R) от температуры отпуска

Благодаря наличию рения сплав обладает высокой твердостью и износостойкостью по сравнению со сплавами 40КХНМ и 40КХНМВ. Проволока диаметром 0,5 мм из сплава 40KXHMИ(R) после деформации с обжатием 83% и отпуска при 500—550°С имеет твердость, равную твердости закаленной углеродистой стали (HRC 62—64 или H200≥800 кгс/мм2), и сохраняет износостойкость при длительных динамических нагрузках. Сплав, легированный рением имеет более высокий модуль упругости, мало изменяющийся с увеличением степени деформации (рис. 392).

Зависимость модуля нормальной упругости сплавов 40KXHMИ(R)	и 40КХНМВ от степени деформации после отпуска при 500 и 600°С

Релаксационные кривые сплавов 40КХНМ, 40КХНМВ и 40KXHMB(R) представлены на рис. 393.

Релаксация напряжений деформированных и отпущенных сплавов

Наилучшие свойства имеет сплав 40KXHMИ(R). Применение сплавов для работы выше температуры начала разупрочнения 500—550°С не рекомендуется.

Сплав 40KXHMИ(R) относится к сложнодеформируемым сплавам. Температура начала горячей деформации (ковки и прокатки) — не ниже 1160—1200°С, температура конца деформации 900—1000°С. Умягчающую термическую обработку проводят при 1170—1190°С. Особенные трудности возникают на последней стадии производства проволоки диаметром 0,5 мм при волочении с обжатиями выше 80% для кернов.

 

Сплав 40КХНМВ. Обладает малым упругим последействием. Упругое последействие растяжек длиной 100 мм составляет 0,002—0,005%, т. е. на порядок меньше, чем у бериллиевой бронзы (0,02—0,05%). Сплав обычно применяют для упругих элементов в микронных сечениях, когда статическая прочность и малое упругое последействие определяют точность измерительного прибора, например, в геодезических и гироскопических устройствах, весоизмерительной технике. Пределы прочности и упругости сплава 40КХНМВ достигают 250—270 и 150—160 кгс/мм2 соответственно. Характер упрочнения сплава 40КХНМВ и режим деформации аналогичны сплаву 40КХНМ.

На рис. 394 дано изменение пределов прочности, упругости и упругого последействия от температуры отпуска трех сплавов этой группы. Наименьшее упругое последействие имеют сплавы 40KXHMИ(R) и 40КХНМВ.

Изменение предела прочности, предела упругости и величины упругого последействия сплавов в зависимости от температуры старения

Сплав 45КХВН. Обладает коррозионной стойкостью, высокой твердостью, абразивной износостойкостью и рекомендуется для пишущих изделий взамен литого сплава «стеллит». На рис. 395 представлено изменение механических свойств и относительной износостойкости сплава 45КХВН в зависимости от степени деформации и температуры отпуска.

Зависимость микротвердости, предела прочности и относительной износостойкости проволоки из сплава 45КХВН от температуры отпуска

Характер упрочнения аналогичен сплаву 40КХНМ. Сплав обладает повышенной твердостью, прочностью и износостойкостью по сравнению со сплавами 40КХНМ, 40КХНМВ и 40КХНМИ(R) (рис. 396).

Изменение микротвердости и предела прочности в зависимости от температуры отпуска, а также микротвердости и износостойкости от степени деформации сплавов

Высокая абразивная износостойкость связана с наличием в сплаве высокого содержания вольфрама (до 20%), дающего труднорастворимые карбиды в сильно упрочненном γ-твердом растворе. Для достижения максимальной твердости сплава необходима предварительная холодная деформация (не менее 70%) с последующим отпуском 600—700°С; для обеспечения высокой абразивной износостойкости — степень деформации около 20%, отпуск 400°С.

Сплав обладает высоким модулем упругости (25000—26000 кгс/мм2), который также является показателем высокой износостойкости (рис. 397).

Зависимость модуля нормальной упругости сплава 45КХВН от температуры испытания

Немагнитные сплавы (текстурованные) для заводных пружин на основе системы Со—Ni—Сr

Сплавы 40КНХМВТЮ, 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМВТЮФ обладают более высокой пластичностью по сравнению со сплавами типа 40КХНМ, что позволяет получить проволоку из этих сплавов с очень высокими степенями обжатия (80—90%). При этом в проволоке в направлении волочения возникает кристаллографическая аксиальная текстура: <111> — сильная и <100>—слабая.

Создание преимущественной кристаллографической текстуры дает скачкообразное повышение предела упругости проволоки (рис. 398).

Зависимость предела упругости проволоки диаметром 0,3 мм сплава 40КНХМВТЮ от степени деформации и температуры отпуска

Перед холодной деформацией проволока должна быть закалена: для сплава 40КНХМВТЮ — с температуры 1150—1180°С, для сплавов 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМТЮФ — с 1180—1200°С. Текстурованная проволока подвергается плющению. В пружинной плющенной ленте сохраняется преимущественная текстура <111> (110) в плоскости плющения, соответствующая направлению плющения.

Основное упрочнение сплавов получается при деформации проволоки, деформация при плющении относительно невелика, поэтому крутящий момент пружин также зависит в основном от степени деформации проволоки перед плющением и температуры отпуска (рис. 399).

Зависимость крутящего момента пружин на четвертом витке из сплава 40КНХМВТЮ от температуры термофиксации при различной степени деформации проволоки

После навивки пружины подвергают низкотемпературному отпуску (350—450°С), во время которого пружинная лента дополнительно упрочняется и одновременно фиксируется в заданной форме (спиральная или S-образная), т. е. происходит термофиксация.

На рис. 400—402 приведены механические свойства сплавов 40КНХМВТЮ, 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМВТЮФ.

Предел прочности плющенки (0,12х1,5 мм) сплавов в зависимости от температуры отпуска

Зависимость предела упругости сплавов от температуры отпуска

Зависимость крутящего момента и хрупкости пружин сплавов, от температуры термофиксации

При отпуске наряду с повышением прочности и крутящего момента пружин возрастает хрупкость. Поэтому выбор оптимальной температуры отпуска пружин зависит от соотношения между величиной крутящего момента, хрупкости и характеристикой живучести пружин (число циклов до поломки пружин при ускоренных испытаниях методом завод — спуск). На рис. 403, 404 представлена зависимость механических свойств холоднокатаной пружинной ленты от степени деформации и температуры отпуска сплавов.

Зависимость σb, σт сплава 40КНХМВТЮ и δ от температуры отпуска при различной степени деформации

Зависимость предела прочности сплавов от температуры отпуска

В массовом производстве в настоящее время применяют сплав 40КНХМВТЮ, пружины из которого обладают очень высокой циклической усталостью (более 20000 циклов), во много раз большей чем у пружины из углеродистой стали (4000—6000 циклов). При одинаковой величине крутящего момента живучесть пружин может быть увеличена на 25—30% при вакуумной выплавке сплава.

Применение сплавов 40КНХМВТЮФ и 40КНХМ10ВТЮ для заводных пружин с повышенным крутящим моментом повышает точность хода часов, дает возможность уменьшить толщину пружины и габариты часового механизма при увеличении длины пружины и продолжительности хода часов от одного завода.

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения