В разделе 2.1.3 отмечалось, что основой классификации углеродистых сталей по назначению (конструкционные и инструментальные) является зависимость их механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3). Эта тенденция сохраняется в общих чертах и для подавляющего большинства, т.е. наиболее дешевых, мало – и среднелегированных сталей (это стали перлитного класса, см. разд. 2.3.1).
Высокоуглеродистые ( ≥0,7 %С) легированные стали – инструментальные, стали с меньшим содержанием углерода - конструкционные.
Наиболее многочисленные группы конструкционных сталей – это цементуемые(0,10…0,25 %С)иулучшаемые(0,30…0,50 %С).
Цементуемые стали применяются в основном для деталей типа шестерен, которые после цементации (диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом), закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость и износостойкость наружного слоя (структуру высокоуглеродистого мартенсита) и сохраняют хорошую вязкость сердцевины, препятствующую хрупкому разрушению зубьев шестерни.
Улучшаемыестали используются для ответственных нагруженных изделий, работающих при динамических нагрузках, которые для получения оптимального сочетания прочности и ударной вязкости подвергают улучшению – закалке и высокому отпуску (см. разд. 2.2.2).
В марках конструкционных сталей число в начале марки указывает содержание углерода в сотых долях процента (как в качественных углеродистых конструкционных сталях). Далее следуют легирующие элементы, которые обозначаются русскими буквами, обычно – первыми в названии элемента. Например, Cr буквой Х, Ni – Н, Ti – Т, V– Ф, Co– К, Mo – М, W– В, но есть и исключения: В – Р, Al – Ю, Si – С, Mn – Г; буква А в конце марки означает сталь высокого качества (в таких сталях ограничено количество вредных примесей S и Р ≤ 0,025 % каждого из этих элементов).
Цифры после каждой буквы указывают содержание данного элемента в процентах, если цифра отсутствует, то среднее количество этого элемента – 1 %.Например, в стали 18Х2Н4МА – в среднем 0,18 % С; 2 % Cr, 4 % Ni, 1% Мо, ≤ 0,025 % S и ≤ 0,025 % Р.
В таблице 2.3.1 для примера приведены химический состав, механические свойства и критический диаметр Dкр (соответствует максимальному рабочему сечению детали) некоторых цементуемых и улучшаемых конструкционных сталей (ГОСТ4543–71). Механические свойства цементуемых сталей даны после закалки и низкого отпуска, улучшаемых – после закалки и высокого отпуска (т.е. в улучшенном состоянии).
Помимо цементуемых и улучшаемых к конструкционным принадлежат также:
1)строительные(низколегированные )стали, содержащие до 0,2 %С и небольшое количество недорогих легирующих элементов (обычно до 2...3 %Мn и Si), 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 17ГС и др. Они используются в машиностроении, строительстве, магистральных газо – и нефтепроводах и т. п.; обладают хорошей свариваемостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хладостойкостью. Изделия из этих сталей обычно не подвергаются термической обработке.
2)рессорно-пружинные стали содержат 0,5…0,7 %С и небольшое количество легирующих элементов (Mn, Si, V); например, 50С2, 60СГ, 60С2ХФА, 70С3А и др. После закалки и среднего отпуска (на структуру троостит отпуска) приобретают высокий предел упругости и предел текучести σ0,2 до
1200…1700 МПа; применяются в транспортном и станкостроении для рессор, пружин, различных упругих элементов.
3) подшипниковые стали содержат 0,95…1,05 %С, 0,4…1,7 %Cr, 1,7 %Mn, 0,85 %Si; например, ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС и др. Буква Ш обозначает шарикоподшипниковую сталь, цифры – содержание Cr в десятых долях процента.
После закалки и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с включениями мелких вторичных карбидов, обладают высокой твердостью (62…64 HRCэ) и износостойкостью; применяются для деталей подшипников качения.
Основная цель легирования этих сталей – повышение прокаливаемости (см. разд. 2.3.2). Чем больше легирующих элементов, тем больше критический
Таблица 2.3.1
Химический состав, механические свойства и критический диаметр
некоторых конструкционных легированных сталей
| Марка стали | Содержание элементов, % | Механические свойства | Dкр, мм | ||||||||
| С | Mn | Cr | Ni | Другие элементы | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % | Ψ, % | ΚСU, МДж/м2 | ||
| ЦЕМЕНТУЕМЫЕ | |||||||||||
| 18ХГТ | 0,17-0,23 | 0,8-1,1 | 1,0-1,3 | - | 0,03-0,09 Ti | 0,8 | |||||
| 20ХГР | 0,18-0,24 | 0,7-1,0 | 0,75-1,05 | - | - | 0,8 | 40-60 | ||||
| 25ХГМ | 0,23-0,29 | 0,9-1,2 | 0,9-1,2 | - | 0,2-0,3 Mo | 0,8 | 60-80 | ||||
| 12Х2Н4А | 0,09-0,15 | 0,3-0,6 | 1,25-1,65 | 3,25-3,65 | - | 0,9 | 100-120 | ||||
| 18Х2Н4МА | 0,14-0,20 | 0,25-0,55 | 1,35-1,65 | 4,0-4,4 | 0,3-0,4 Mo | 1,0 | ≥ 120 | ||||
| УЛУЧШАЕМЫЕ | |||||||||||
| 40Х | 0,36-0,44 | 0,5-0,8 | 0,8-1,1 | - | - | 0,6 | 25-35 | ||||
| 30ХГС | 0,28-0,35 | 0,8-1,1 | 0,8-1,1 | - | 0,9-1,2 Si | 0,4 | 50-75 | ||||
| 40ХН2МА | 0,37-0,44 | 0,5-0,8 | 0,6-0,9 | 1,25-1,65 | 0,15-0,25 Mo | 0,8 | 75-100 | ||||
| 38ХН3МФА | 0,33-0,4 | 0,25-0,5 | 1,2-1,5 | 3,0-3,5 | 0,35-0,45 Mo 0,1-0,18 V | 0,8 | ≥ 100 |
диаметр закаливаемых деталей, тем более крупный подшипник может быть изготовлен из данной стали.
Помимо рассмотренных выше наиболее распространенных групп сталей к конструкционным относятся также высокопрочные, износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали, а также стали (и железосодержащие сплавы) с особыми физическими свойствами. С этими материалами (многие из них встречаются в контрольных работах) можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе [1…4, 8].
Теперь – несколько слов о классификации и маркировке инструментальных легированных сталей. Выше уже отмечалось, что к инструментальным углеродистым и легированным сталям относятся в основном стали с большим содержанием углерода ( ≥ 0,7 %С), поскольку после закалки и низкого отпуска они должны обладать высокой твердостью (60…65 HRCэ) и износостойкостью. Это стали для режущего и измерительного инструмента (ГОСТ 5950–2000) большинство из них содержит небольшое количество легирующих элементов (в сталях повышенной прокаливаемости до ≈ 5 %). Цифры в начале марки этих сталей показывают содержание углерода в десятых долях процента, например, в марках 9ХС, 11ХФ, 13Х – 0,9; 1,1 и 1,3 %С соответственно. Если среднее содержание углерода ≈ 1 %, то цифра в начале марки обычно отсутствует Х, ХВГ, ХВ4.
Наилучшими свойствами в группе сталей для режущего инструмента обладают быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73). В результате сильного легирования карбидосодержащими элементами – (W, Mo, Cr, V) они приобретают высокую теплостойкость – способность сохранять высокую твердость (до 58 HRCэ) и износостойкость при длительном нагреве до ≈ 620 оС.
В марках этих сталей (Р18, Р6М3, Р6М5, Р9К5,…) после буквы Р (от англ. rapid – быстрый, скорый) число показывает содержание основного легирующего элемента W в процентах.
В результате сильного легирования в закаленных быстрорежущих сталях остается много (до 30 %) остаточного аустенита, поэтому для его устранения используют обработку холодом или трехкратный отпуск при t ≈ 560 оС (см. раздел 2.3.2). Твердость быстрорежущих сталей после такой термообработки 63…65 HRCэ. Инструмент из этих сталей используют для обработки на высоких скоростях резания, а также труднообрабатываемых материалов (например, высоколегированных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой).
Помимо сталей для режущего и измерительного инструмента по назначению различают штамповые стали для холодного и горячего деформирования металлов.
Для холодного деформирования в первую очередь требуется высокая твердость инструмента, поэтому используются в основном те же стали, что и для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000) с содержанием углерода ≈ 1 % (Х, ХВСГ, Х6ВФ, Х12М), имеющие твердость 60…63 HRCэ после закалки и низкого отпуска. В тех случаях, когда от инструмента требуется повышенная вязкость (ударные нагрузки) используют стали с меньшим (0,5…0,7 %) содержания углерода (6ХВ2С, 7ХГ2ВМ).
В гораздо более тяжелых условиях работают стали штампов горячей обработки давлением.Их структуры, механические и эксплуатационные свойства не должны изменяться (ухудшаться) при нагревании до 400…600 оС. Помимо тепло – и окалиностойкости эти стали должны обладать разгаростойкостью– устойчивостью к образованию поверхностных ("разгарных") трещин, стимулируемых многократными циклами нагрев « охлаждение. Комплекс этих свойств достигается применением сталей с пониженным содержанием углерода (0,3…0,6 %С) – 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 5ХНМ, обрабатываемым на структуру троостита или сорбита отпуска (температура отпуска » 500…630 оС) и твердость 42…50 HRCэ.
В заключение отметим, что данный раздел 2.3 содержит многочисленные примеры влияния химического состава (легирования) на структуру и свойства сплавов.
Внимание!
Освоив этот раздел[26] (раздел 2.3) и не забыв, конечно, основные положения разделов 2.1 и 2.2, Вы делаете решительную заявку на вступление в «Клуб знатоков металловедения», способных выбирать стали (главные материалы промышленности!) для изделий различного назначения. В этом Вы убедитесь, ответив по традиции на вопросы для самопроверки.