Легированные стали

пластической деформации металл в области 250–200 (С охлаждают медленно или

подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду

удалиться из стали.

Цементуемые стали

Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая

при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из

низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем

цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения

применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно

нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим

содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали

добавляют хром, никель и др.

Изделия небольшого сечения и несложной. формы, работающие при

повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты,

поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих

около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается

концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С,

увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки

увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих

сталей ванадием (0,1(0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого

зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих

при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых

входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного

слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует

росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно

влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля

эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся

хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006–0,12 %):

18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения

зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного

закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.)

используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются

наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей.

С целью повышения прочности для цементуемых сталей применяют стали,

легированные бором (0,002–0,005 %): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях

экономии никеля применяют вместо стали 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать,

что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве.

Для уменьшения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно

легируют Тi или Zr.

Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемых

сталей, подвергают цементации на небольшую глубину.

3. Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали

(0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному

отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру

сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые

стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10

мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия

понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают

(в=600(700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м2. Если от деталей требуется более

высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после

закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой

поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы,

поршневые пальцы и т.д.).

Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более

25–30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей

прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки

меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость

против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми

конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше

прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог

хладноломкости.

Большинство легированных конструкционных сталей относится к

перлитному классу.

При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость

легирующего элемента и его дефицитность.

Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является

хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до

1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая

сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали,

понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он

оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее

прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает

порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны

как конструкционный материал.

Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин

вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение

0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость.

Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко

применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для

увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР).

Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в

хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения

склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25

% Мо.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль,

легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных

легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и

прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет (в=1650

МПа при КСU=0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей склонность к отпускной

хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения,

возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля

применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.

Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении

склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая

выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров

сечения.

Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от

заданной прочности и размера сечения детали:

1 - 30ХН3М; 2 - 30ХН3; 3 - 34ХМА; 4 - 33ХСА;

5 - 30Н3; 6 - 35ХА; 7 - 35СГ; 8 - сталь 30

4. Высокопрочные стали

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой

прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В

обычных конструкционных сталях предел прочности (в как правило, получают не

более 1100–1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически

становится хрупкой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической

обработки получают (в=1800(2000 МПа, называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из

таких способов–легирование среднеуглеродистых сталей (0,4–0,5 % С) хромом,

вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют

разупрочняющие процессы при нагреве до 200–300 (С. При этом получают мелкое

зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает

сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4 % С; 5 %

Сг; 1 % Мо и 0,5 % V, после закалки в масле и низкотемпературного отпуска

при 200 (С имеет (в=2000 МПа при (=10 %, (=40 % и КСU=0,3 МДж/м2.

Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на

структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая

закалка) приобретают высокую прочность–такая обработка сообщает сталям

меньшую чувствительность к надрезам. Прочность (в=1600(1850 МПа при

((15(12 % и КСU=0,4(0,2 МДж/м2.

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и

за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА,

40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют временное сопротивление разрыву до

2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5–2

раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем,

что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает

подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует

повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно

малой подвижностью дислокаций в мартенсите при значительном содержании в

нем углерода).

Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие

прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это

легированием специальной термической обработкой. Их достоинства–высокая

технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале

температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми

скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком

этих сталей является их склонность к ликвации.

Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям.

Основным легирующим элементом является никель (10–26 %). Кроме того,

различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7–9 % Со; 4,5–5 %

Мо; 5–11 % Сг; 0,1–0,35 Аl; 0,15–1,6 % Тi; иногда ~0,3–0,5% Nb; (0,2 % Si,

Mn; ~0,01 % S, Р каждого. Титан и алюминий вводят для образования

интерметаллидов.

В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное

количество углерода ((0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими

элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей; Кроме того, при этом

понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая

обработка таких сталей заключается в закалке с 800–860 (С, охлаждении на

воздухе и затем отпуске–старении.

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и

кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились

так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ,

10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Л2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.

Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси

самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных

хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для

криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают

высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью.

Таблица 3. Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей

5. Пружинно-рессорные стали

Основное требование к материалам, используемым для изготовления

пружин, рессор, торсионных валиков и т.д.–сохранение в течение длительного

времени упругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел

упругости ((уп), высокое сопротивление разрушению (Sk) и усталости при

пониженной пластичности.

Термически упрочняемые пружинно-рессорные стали обычно содержат

0,5–0,7 % С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением

витков применяют углеродистые стали по ГОСТ 1050–74. Для пружин более

ответственного назначения и при большем сечении витков применяют

легированные пружинные стали (ГОСТ 14959–79). Чаще всего пружинные стали

легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя

феррит, кремний создает высокое значение предела упругости.

Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ2, 50ХГ и др.) имеют

хорошую прокаливаемость, и их применяют для изготовления пружин из прутков

диаметром до 25 мм. Крупные наиболее ответственные пружины изготовляют из

сталей 65С2ВА, 60С2ХФА.

Рис. 4. Схема изменения прочности пружинных сталей в зависимости от

температуры отпуска

Режим термической обработки назначают в зависимости от состава стали

и условий работы пружин. Наиболее высокая упругая прочность достигается в

результате среднего отпуска на тростит. При этом отношение (уп/(в

становится близким к единице (рис. 4).

Для повышения выносливости пружин и рессор широко применяют

дробеструйную обработку.

6. Шарикоподшипниковые стали

Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе работы

испытывают высокие удельные переменные нагрузки. Поэтому стали,

используемые для их изготовления, должны иметь высокую прочность,

износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к

шарикоподшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию

неметаллических включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей,

ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено

характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты являются

концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных

слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание

неметаллических включений, что резко снижает долговечность подшипника.

Для изготовления шариковых и роликовых подшипников применяют

высокоуглеродистую сталь, легированную хромом (табл. 4).

Таблица 4. Химический состав, %, шарикоподшипниковой стали

Маркировку ШХ следует расшифровывать как шарикоподшипниковую

хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях

процента.

Шарики и ролики небольших диаметров изготавливают из стали ШХ9. Из

стали ШХ15–шарики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15–30 мм, а

также кольца всех размеров; ролики диаметром более 30 мм и кольца с

толщиной стенки: более 15 мм–из стали ШХ15СГ.

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников, работающих при

больших ударных нагрузках (например, подшипников прокатных станов),

применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию,

получая цементованный слой глубиной 5–10 мм.

7.Износостойкие стали

Износ деталей машин и аппаратов является сложным процессом. Типовыми

случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом

случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость

существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае,

когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость

определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть

повышена химико-термической обработкой.

Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до

1,75 %) и до 1,6 % Si. Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть

углерода в этих сталях после графитизирующего отжига (напоминающего отжиг

для получения ковкого чугуна) выделяется в виде графита. После термической

обработки структура стали состоит из зернистого перлита с некоторым

количеством мелких округлых включений графита. При неабразивном износе

графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Кроме

того, эти стали обладают антивибрационными свойствами.

Графитизированную сталь применяют для изготовления штампов, матриц,

коленчатых валов, шаров, лопастей, дробеструйных аппаратов и т.д.

Высокомарганцовистые стали содержат около 1 % С и 12–13 % Мn,

обозначают их так: сталь Г13Л (1,2 % С; 13 % Мn; (0,5 % Si) и сталь Г13Л

(1,2 % С; 12 % Мn и 1 % Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь

имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn)3С. Выделяясь по

границам, карбиды снижают вязкость и прочность стали. Поэтому обычно

изделия подвергают закалке с 1050–1100 (С в воде, получая структуру

однородного марганцовистого аустенита ((в=800(1000 МПа; (=40(50 %;

НВ=200(250). Характерной особенностью марганцовистого аустенита является

его повышенная склонность к наклепу. При деформации на 60–70 % твердость

стали Г13 увеличивается до НВ 500 (рис. 6), что объясняется большими

искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже

образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Рис. 4. Влияние степени деформации на твердость стали Г13(1) и углеродистой

стали 40 (2)

Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей,

испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки и износ

одновременно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо

обрабатывается режущим инструментом, изделия из нее изготавливаются главным

образом литьем.

Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей,

зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок

и др.

8. Строительные стали

Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то

основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость.

Поэтому строительные стали содержат до 0,25 % С. При более высоком

содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше

критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае

наблюдается объемный эффект, что способствует образованию холодных трещин в

зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал

кристаллизации металла шва, способствует образованию горячих трещин в

металле шва.

В качестве строительных сталей используют главным образом

углеродистые стали обыкновенного качества марок Ст3, Ст4, имеющие

(т=200(270 МПа.

Прочность строительных сталей повышается в результате легирования.

Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то

целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими

элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная

сталь содержит до 1,75 % Мn и до 0,7 % Si. Предел текучести увеличивается

до 360(380 МПа.

Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических

свойств, имеют еще одно преимущество–пониженную критическую температуру

перехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до –40 (С, а стали

10ХСНЛ и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до –60 (С.

9. Автоматные стали

Для неответственных деталей, производимых в большом количестве на станках-

автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые

автоматные стали (ГОСТ 1414–75). В таких сталях допускается повышенное

содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью,

благодаря чему стружка образуется короткая и ломкая, а поверхность

обработанных сталей получается чистой и ровной. При изготовлении деталей из

автоматных сталей можно допускать большие скорости резания.

Добавки свинца ((0,25 %) улучшают обрабатываемость резанием (АС11, АС40).

Автоматные стали подвергают диффузионному отжигу, при температуре 1100–1150

(С для устранения ликвации серы, тем самым исключается возможность

красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда

нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме

свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г,

АС20ХГНМ и др.).

Таблица 5. Химический состав, %, автоматных сталей

Страницы: 1, 2