Легированные конструкционные стали

Механические свойства сталей и, следовательно, конструктивная прочность повышается введением в их состав легирующих добавок, основные из которых – хром, никель, кремний и марганец. Другие легирующие элементы (вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор) вводят обычно в сочетании с основными для дополнительного улучшения свойств, обусловленного их влиянием на свойства феррита, прокаливаемость, устойчивость мартенсита при отпуске, дисперсность карбидной фазы и размер зерен.

Применяют легированные стали, как правило, с закалкой и отпуском, т. к. их положительные качества обнаруживаются только после термического упрочнения и состоят в следующем:

а) у всех термоупрочненных легированных сталей сопротивление пластической деформации σ_т выше, чем у углеродистых (при равном содержании углерода);

б) прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых (большинство легирующих элементов увеличивает устойчивость аустенита), поэтому нагруженные детали крупного сечения изготовляют из легированных сталей со сквозной прокаливаемостью;

в) повышенная устойчивость аустенита легированных сталей позволяет применять при закалке «мягкие» охладители – масло и снизить брак по закалочным трещинам и короблению в изделиях сложной формы;

г) легирование никелем, повышая вязкость стали и сопротивление ее хладноломкости, увеличивает эксплуатационную надежность деталей машин, поэтому тяжело нагруженные детали ответственного назначения изготовляет из сталей, содержащих никеля от 1–3% до 9–18%.

Таким образом, наиболее важной характеристикой легированных конструкционных сталей являются механические свойства и их распределение по сечению. При этом уровень механических свойств стали и ее закаливаемость (способность воспринимать закалку) зависят от содержания углерода, а прокаливаемость (глубина закаленной зоны), закаливаемость и несколько механические свойства (не считая никеля и молибдена, значительно улучшающих вязкость) – от состава и количества легирующих элементов.

К недостаткам легированных сталей относят:

а) склонность к обратимой отпускной хрупкости, дендритной ликвации и флокенообразованию;

б) повышенное количество остаточного аустенита после закалки, понижающего твердость и сопротивление усталости;

в) дефицитность и высокую стоимость легирующих элементов.

Производят легированные стали качественными, высококачественными и особовысококачественными. Но в основном выплавляют качественными, а по степени раскисления – спокойными.

Они идут на изготовление разнообразных деталей (валов, осей, шестерен, пружин и т. д.) практически во всех отраслях машиностроения и несколько меньше – на изготовление строительных конструкций.

Маркируют конструкционные легированные стали буквами и цифрами, по которым в большинстве случаев можно судить об их качественном и, в первом приближении, о количественном составе.

Основные легирующие элементы обозначают соответствующими буквами:

Ni – Н, Cr – Х, Со – К, Мо – М, Мn – Г, Cu – Д, В – Р, Nb – B, N – A, Si – С, W – B, Ti – Т, V – Ф, Al – Ю.

Цифры после буквы, соответствующей легирующему элементу, указывают на его содержание в целых процентах; если элемента менее 1,0–1,5% – число не ставится.

Количество углерода указывается двухзначным числом в начале марки стали и соответствует содержанию его в сотых долях процента (например, 40Х – углерода 0,40%, хрома – 1%).

Если сталь высококачественная, то в конце марки ставится буква А, если особовысококачественная – буква Ш (например: 40ХНМА – высококачественная легированная конструкционная сталь, 30ХГСШ – особовысококачественная конструкционная сталь).

Конструкционные легированные стали, как правило, подвергают термической обработке, в зависимости от режима которой их делят на используемые без термической обработки представляют отдельную группу – строительных и автоматных сталей; цементуемые (подвергаемые цементации); улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску).

Строительные стали предназначены для строительных конструкций (мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т. д.), которые обычно изготовляют сварными, поэтому свариваемость – основное свойство таких сталей.

Автоматные стали предназначены для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах и отличаются хорошей обрабатываемостью резанием из-за повышенного содержания серы (0,08–0,30%) и фосфора (0,06%), способствующих образованию ломкой «сыпучей» стружки.

Их маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие).

Наличие серы и фосфора, улучшая обрабатываемость, ухудшает качество стали: понижает вязкость, пластичность, усталостную прочность и коррозионную стойкость.

Эти стали используют для крепежных и мелких слабонагруженных деталей.

Улучшают обрабатываемость резанием: химические аналоги серы – селен и теллур, которые вводят в высоколегированные нержавеющие стали; небольшие добавки свинца (0,1–0,3%), не понижающие механические характеристики стали; микродобавки кальция (0,002–0,008%).

Конструкционные низколегированные стали (повышенной прочности) содержат до 0,22% углерода и до 2–3% недефицитных легирующих элементов (17ГС, 16Г2АФ, 14ХГС, 09Г2С). Они мало различаются по составу и свойствам; их структура (феррит + перлит) и служебные свойства формируются при производстве (например, контролируемой прокаткой).

Применяют низколегированные стали вместо углеродистых для конструкций, где необходим материал с высоким пределом текучести. Стали, легированные хромом, никелем и медью, имеют повышенную вязкость и коррозионную стойкость, а кремнием и марганцем – используют в котлостроении до 470°С; профилями с повышенным содержанием углерода (0,20–0,35%) – армируют железобетон.

Конструкционные цементуемые – низкоуглеродистые (не более 0,25–0,30% С) низко- и среднелегированные стали после цементации и нитроцементации, закалки и низкого отпуска имеют высокую поверхностную твердость (НRС 58–62) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине.

Они предназначены для деталей, работающих на износ при переменных и ударных нагрузках, т. е. работоспособность которых зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины.

Высокие служебные свойства в поверхностном слое (высокая твердость, контактная выносливость и предел усталости при изгибе) после цементации получают при его высокой закаливаемости, что зависит, прежде всего, от содержания углерода.

Легирующие элементы оказывают косвенное влияние на свойства поверхностного слоя, изменяя в нем концентрацию углерода:

– карбидообразующие элементы увеличивают степень науглероживания и поверхностную твердость, повышая тем самым износостойкость и контактную выносливость (чрезмерно высокая твердость – HRC > 63 нежелательна из-за опасности хрупкого разрушения);

– никель и кремний снижают степень науглероживания и, следовательно, хрупкость слоя.

После закалки детали цементированный слой должен иметь мартенситно-аустенитную структуру без продуктов перлитного и промежуточного превращений аустенита, наличие которых резко снижает предел выносливости.

Работоспособность цементованных деталей при одинаковых свойствах поверхностных слоев зависит от свойств сердцевины:

– при невысокой твердости сердцевины в подслоевой зоне возможна пластическая деформация, которая вызовет перенапряжение поверхностного слоя и его преждевременное разрушение;

– повышение прочности сердцевины способствует увеличению контактной прочности, особенно при циклических нагрузках.

Степень упрочнения сердцевины увеличивается с повышением содержания в стали углерода и легирующих элементов. Поэтому цементуемые легированные стали в зависимости от структуры, получаемой в сердцевине (при охлаждении в масле), подразделяются на следующие группы:

а) среднепрочные низколегированные (I5X, 20Х, 15ХФ, I5XP, 20ХН) с упрочняемой сердцевиной, структура которой после закал- ки – троостит или бейнит.

При цементации этих сталей возможно образование цементитной сетки в поверхностном слое, что повышает его чувствительность к надрезам.

Стали этой группы применяют для небольших деталей (поршневых пальцев и колец, распределительных валиков, толкателей, копиров и т. п.), работающих при средних нагрузках, так как их прокаливаемость невелика (до 25 мм);

б) высокопрочные комплексно-легированные (20ХНР, 18ХГТ, I2XH3, 12X2Н3, 18Х2Н4В) и экономнолегированные с содержанием углерода до 0,25–0,30% (30ХГТ, 25ХГМ) с сильно упрочняемой сердцевиной вследствие образования в ней при закалке мартенсита.

Наиболее ответственные детали, эксплуатируемые с динамическими нагрузками, из высокопрочных цементуемых сталей:

– зубчатые колеса авиадвигателей и судовых редукторов – из I8X2H4MA;

– зубчатые колеса и валы автомобилей – из 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ;

– зубчатые колеса, червяки, кулачковые муфты – из 20ХГР, 20ХНР.

Ответственные детали, работающие при циклических и ударных нагрузках, а иногда при пониженных температурах (валы, штоки, шатуны и т. п.) изготовляют из улучшаемых среднеуглеродистых (0,3–0,5% С) низколегированных (до 5% легирующих элементов) сталей, подвергаемых термическому улучшению – закалке и высокому отпуску на сорбит.

Эти стали должны иметь высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой чувствительностью к надрезу в любом сечении детали, что достигается термическим улучшением при сквозной прокаливаемости, которая является их важнейшей характеристикой и определяется присутствием легирующих элементов.

В деталях небольшого сечения при одинаковом содержании углерода и разном количестве легирующих элементов улучшенные стали имеют близкие прочностные свойства, которые значительно отличаются в деталях крупных сечений.

Следовательно, не механические свойства, а прокаливаемость является критерием при выборе состава стали: чем больше сечение детали, тем более легированной должна быть сталь для ее изготовления.

Сложные по конфигурации детали, особенно подвергающиеся ударным нагрузкам, изготовляют из сталей, которые содержат никель.

Улучшаемые легированные стали условно делят по прокаливаемости на группы, с увеличением номеров которых повышаются степень легирования и размер сечения сквозной прокаливаемости:

а) хромистые стали прокаливаемостью до 20–25 мм (30Х, 40Х, 40ХР);

б) хромистые стали с марганцем, молибденом, кремнием, титаном прокаливаемостью до 40 мм (30ХМ, 30ХГТ, 30ХГС, 40ХГТР);

в) хромоникелевые (l,0–l,5% Ni) стали с бором, марганцем прокаливаемостью до 40–70 мм (40ХН, 40ХНР, 40ХНМ, 42ХМФ);

г) хромоникельмолибденовые (2–3% Ni) стали с ванадием прокаливаемостью свыше 70 мм (30ХН3, 30ХН2ВФ, 38ХНЗМФ).

Рессорно-пружинные стали составляют особую группу конструкционных сталей, у которых используются только упругие свойства из-за специфических требований, предъявляемых к изделиям из них.

Эти стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости при достаточных пластичности и вязкости, иметь повышенную релаксационную стойкость, хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость.

Указанные свойства рессорно-пружинных сталей достигаются повышенным содержанием в них углерода (чаще всего 0,5–0,7%), определенной степенью легированности и соответствующей термической обработкой (закалкой со средним отпуском).

Рессоры, пружины, упругие элементы механизмов работают при различных нагрузках, температурах и в разных средах (на воздухе и в коррозионно-активных), поэтому пружинные стали подразделяют:

– на стали общего назначения (с высокими механическими свойствами) – углеродистые (65, 70, 75, 85) и легированные (65Г, 60С2, 70СЗ, 50ХГ, 55ХГР, 50ХФА, 55ХГСФ, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА) стали;

– стали специального назначения с дополнительными химическими и физическими свойствами (немагнитные, коррозионно-стойкие, с высокой электропроводностью и др.), т. е. с особыми свойствами – мартенситные и аустенитные коррозионно-стойкие (30X13, 40X13, I2XI8H9T) и мартенситно-стареющие стали (Н18К9М5Т).