Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей

       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 (0,1¾0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.           

                                               2Цементуемые стали

       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 s_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 s_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. 

                                                 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 s_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 s_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 s_в=2000 МПа при d=10 %, y=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 s_в=1600¸1850 МПа при d»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  пластичность. 

                                             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 (s_уп), высокое сопротивление разрушению (S_k) 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.

       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 s_уп/s_в становится близким к единице (рис. 4).

       Для повышения выносливости пружин и  рессор широко применяют дробеструйную  обработку. 

                                        6. Шарикоподшипниковые стали