Изменение структуры стали в процессе эксплуатации

Широко применяется в гидромашиностроении высокопрочная шарикоподшипниковая сталь AISI-52100. Она часто закаляется до 62 единиц по Роквеллу (шкала С). Такая прочность ограничивает ее применение рабочими температурами ниже 150° С. Мартенситные стали той же прочности могут применяться в любом температурном диапазоне после отпуска и стабилизации при температуре, превышающей максимальную рабочую приблизительно на 40-100° С. Если температура отпуска приближается к максимальной рабочей, то со временем твердость стали уменьшается до твердости пропорциональной рабочей температуре.

Обычно эти стали отпускаются до твердости, соответствующей температуре 200 – 315° С. Твердость стали зависит от рабочей температуры и срока службы конструкции. Характер приведенных на графике кривых определяется обработкой стали, в частности температурой нормализации, жидкостью для охлаждения при закалке и режимом стабилизации. Любые изменения структуры стали в процессе эксплуатации, так же как изменение технологического процесса при термообработке меняют ее плотность. По данным Коэна, переход аустенита в мартенсит сопровождается изменением объема на 4,2%. При обычной технологии термообработки часто сохраняется до 6% аустенита. Переход аустенита в мартенсит приводит к увеличению образца диаметром 25 мм приблизительно на 75 мк. Совершенно очевидно, какие тяжелые последствия вызовет изменение размеров плунжера поршня диаметром 25 мм, если величина его радиального зазора должна составлять 7,5-12,5 мк. В деталях сложной формы такие фазовые изменения редко происходят равномерно по всему объему. Это приводит к их деформации, истиранию и в конце концов к выходу из строя. Термообработку стали AIS1-52100 необходимо выполнять очень осторожно, так как в противном случае образуются метастабильные кристаллические структуры, которые изменяются в течение неопределенного времени в процессе эксплуатации изделия.

Железные сплавы

При закалке аустенит превращается в мартенсит. Если, например, закалку прекратить, подвергнув деталь отпуску при комнатной температуре перед обычной закалкой жидким азотом, то часть аустенита останется переохлажденной. Даже в процессе отпуска эти кристаллы аустенита не подвергаются фазовым изменениям и находятся в состоянии неустойчивого равновесия до тех пор, пока изменившиеся рабочие условия (температура или напряжения) не заставят их снова перейти в мартенситную фазу, устойчивость которой при более низких температурах выше. Фазовый переход сопровождается изменением плотности и геометрической формы детали, о которых уже говорилось раньше.

Наличие всего 2% остаточного аустенита приводит к такой деформации полностью обработанных деталей, что они становятся совершенно непригодными. Во время термообработки таких деталей рекомендуется поддерживать скорость охлаждения при закалке приблизительно постоянной и вести закалку при температуре -75° С. Перед отпуском или отжигом для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит часто применяется цикл последовательного нагревания и охлаждения. Необходимо помнить, что многие детали гидравлических механизмов выполняются по классу точности калибров, поэтому при их изготовлении необходимо использовать все наиболее совершенные методы термообработки, старения и стабилизации.

Для конструирования агрегатов, работающих при высоких температурах, необходимы металлы, обладающие высокой прочностью и твердостью при температурах выше 120° С, которая для стали AISI-52100 является предельной. В этих случаях могут применяться инструментальные и многие сорта турбинных сталей. Однако для изготовления прецизионных гидравлических агрегатов пригодны только очень немногие марки стали. Инструментальные стали часто не обладают достаточной прочностью, чтобы гарантировать сохранение требуемых конструктивных зазоров, а турбинные стали редко обладают необходимой в гидромашиностроении твердостью. До настоящего времени лишь небольшая группа инструментальных сталей нашла применение в изготовлении шарикоподшипников и гидравлических механизмов, что объясняется строжайшим контролем за качеством при прокатке.