Улучшаемые машиностроительные стали

Улучшаемые стали содержат 0,3-0,5% С и небольшое (<10%) количество легирующих элементов Cr, Mn, Si, Ni, Mo и др. Эти стали применяются для изготовления деталей с повышенными требованиями к прочности, износостойкости при высоких удельных нагрузках, имеющих переменный характер. После закалки и высокого отпуска стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью, высокое сопротивление хрупкому разрушению, в том числе и при отрицательных температурах (низкий порог хладноломкости).

Прочность деталей в целом определяется глубиной закаленного слоя, которая определяется легированием: сталь 40Х прокаливается в сечении на глубину до 35 мм, сталь 40ХН – до 75 мм, а сталь 38ХНЗМФА – больше 100 мм.

В зависимости от легирования улучшаемые стали делятся на 6 групп:

1. Хромистые стали 30Х, 40Х, 45Х и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Сталь 30Х имеет следующие свойства: σ_b=900 МПа, σ_0,2=700 МПа, δ=12%, ψ=45%.

2. Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0,9-1,2%) и марганцем (0,9-1,2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (например,40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до -60^оС), склонность к отпускной хрупкости и рост зерна аустенита при нагреве.

Сталь 40ХГТР имеет σ_b =1000 МПа, σ_0,2=800 МПа, δ=11%, ψ=45%.

3. Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) обладают высоким комплексом свойств. Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали марки хромансиль применяют в виде листов, труб для ответственных сварных конструкций в самолетостроении. Стали хромансиль склонны к обратной отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Сталь 30ХГС имеет σ_b =1100 МПа, σ_0,2=850 МПа, δ=10%, ψ=45%.

4. Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

Сталь 40ХН имеет σ_b =1000МПа, σ_0,2=800МПа, δ=11%, ψ=45%.

5. Хромоникелемолибденовые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали - в воде. Для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом(40ХН2ВА).

Сталь 40ХН2МА имеет σ_b =1100МПа, σ_0,2=950МПа, δ=12%, ψ=50%.

6. Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью, вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов (волосовидных трещин).Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.

Сталь 38ХН3МФА имеет σ_в=1200 МПа, σ_0,2=1100 МПа, δ=12%, ψ=45 %.

Таблица 3.1

Применение улучшаемых сталей

№№ п/п	Марка стали.	Назначение
	40Х	Детали, работающие при средних скоростях и удельных давлениях: шестерни, валы, шпиндели, червяки, роторы гидронасосов, рейки, кольца, втулки и другие детали.
	30ХГС	Ответственные детали средних размеров, работающие в условиях износа: рычаги, толкатели, силовые сварные конструкции, валы, детали рулевого управления и другие детали.
	40ХН	Ответственные детали, работающие при повышенных динамических нагрузках: валы, шпиндели, коленчатые валы, шестерни, болты, роторы, цилиндры и другие детали.
	40ХН2МА 38ХН3МФА	Наиболее ответственные крупные детали: валы, роторы турбин, детали крупных редукторов, тяжелонагруженные детали компрессорных машин и насосов, цилиндры, червяки и другие детали.

3.2 Цементуемые машиностроительные стали.

Цементуемые стали содержат 0.1- 0.25 % С и имеют невысокое (< 10%)

легирование Cr, Mn, Mo,Ni, V. Легирование обеспечивает высокую твердость поверхностного закаленного слоя HRc = 60 и достаточную прочность сердцевины σ_b= 1000МПа. Детали подвергаются цементации (насыщению поверхностного слоя углеродом), закалке и низкому отпуску. Цементуемые стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих на износ и испытывающих переменные и ударные нагрузки (зубчатые колеса, кулачки и.т.д.)

В зависимости от легирования низкоуглеродистые цементуемые стали делятся на 6 групп:

1. Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1,0-1,5 мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое. Стали чувствительны к перегреву, прокаливаемость их невелика.

Сталь 20Х имеет: σ_b =800МПа, σ_0,2=650МПа, δ=11%, ψ=40%.

2.Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1-0,2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Хромованадиевые стали менее склонны к перегреву и применяются для изготовления сравнительно небольших деталей ответственного назначения.

3. Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Сталь отличается повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины и высокой твёрдостью цементованного слоя. Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоёв углеродом.

Сталь12Х2Н4А имеет: σ_b =1150МПа, σ_0,2=950МПа, δ=10%, ψ=50%.

4. Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

В автомобильной и тракторной промышленности с танкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Сталь 25ХГМ имеет: σ_b =1200МПа, σ_0,2=1100МПа, δ=10%, ψ=45%.

5. Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромоарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

На ВАЗе широко применяются стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.

После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Сталь 15ХГН2ТА имеет: σ_b =950 МПа, σ_0,2=750 МПа, δ=11%, ψ=55%.

6. Стали легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь нечувствительной к перегреву.

В промыленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяется сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

Сталь 20ХГНР имеет: σ_b =1300МПа, σ_0,2=1200МПа, δ=10%, ψ=09%.

К недостаткам среднелегированных сталей, содержаших 3-4% никеля (например,12Х2Н4А ) относится высокая стоимость и более сложный цикл химико-термической обработки. Чтобы обеспечить высокую поверхностную твёрдость, стали необходимо подвергать обработке холодом, которая вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит (после закалки в сталях сохраняется большое количество, в некоторых случаях до60%, остаточного аустенита, что объясняется смещением точки \М_к ниже 0º С).

Таблица 3.2

Применение некоторых цементируемых сталей

	20Х, 20ХФ	Небольшие детали, работающие при малых и средних нагрузках: шестерни, шатуны, шпиндели, втулки и другие детали.
	12Х2Н4А	Крупные детали ответственного назначения, испытывающие значительные нагрузки: валы турбин, роторы, шестерни, червяки и т. д.
	25ХГМ	Ответственные детали в крупносерийном и массовом производстве: зубчатые колеса автомобилей, коленчатые валы, шатуны, пальцы и т.д.
	15Х2НЧТА	Крупные детали особо ответственного назначения: зубчатые колеса авиадвигателей, судовых редукторов, коленчатые валы, шестерни, шатуны, муфты и т. д.

Высокопрочные стали

К высокопрочным сталям, нашедшим применение в машиностроении, относятся мартенситостареющие и ТРИП-стали.

Мартенситостареющие стали – безуглеродистые (C<0,03%С) сплавы железа с 8-25% Ni, легированные Co, Cr, Ti, Al, Mo и другими элементами. Применение мартенситостареющих сталей обеспечивает высокую конструктивную прочность изделий в широком диапазоне температур (от криогенных до 500⁰С) при высокой технологичности. Мартенситостареющие стали обладают неограниченной прокаливаемостью, хорошо свариваются, легко деформируются и обрабатываются резанием. Имеют наивысший среди сталей предел упругости (σ_у=1600 МПа) и высокий предел прочности (σ_b =240 МПа) при достаточно высокой вязкости (α_н=2 МДж/м²), низкий порог хладноломкости. Большой недостаток мартенситостареющих сталей – высокая стоимость, поэтому применяется сталь для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике и т.д.

Широкое применение в технике получила мертенситостареющая сталь Н18К9М5Т (С=0,03%, N=18%, Co=9%, Mo=5%, Ti=0,6%), имеющая после закалки и старения: σ_B =2100 МПа, σ_0,2=1900 МПа, δ=8%, ψ=50%, α_н=0,5 МДж/м².

В машиностроении применяются и менее легированные мартенситостареющие стали с кобальтом Н12К8М3Г2 и без него Н10Х11М2Т (σ_b =1500 МПа, α_м=0,5 МДж/м²).

Метастабильные высокопрочные аустенитные стали с высокой пластичностью называют ТРП-сталями или ПНП-сталями. Эти стали содержат 8-14% Cr, 8-32%Ni, 0,5-2,5%Mn, 2-6% Mo, до 2% Si (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1).

Механические свойства ПНП-сталей: σ_b =1500÷1700 МПа, σ_0,2=1400÷1550 МПа, δ=50÷60%. Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости.

Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных, ответственных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Рессорно-пружинные стали

Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ14959-79) предназначены для изготовления упругих элементов общего назначения (пружин, рессор, торсионов и т.д.). Такие стали должны обладать высоким пределом упругости и выносливости. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5÷0,7%С), которые подвергают закалке и среднему отпуску (420-520⁰С) для получения структуры троостит или нижний бейнит. Стали относятся к перлитному классу и легируются Si, Mn, Cr, V, Ni.

Для пружин малого сечения применяют углеродистые стали 65Г, 70, 85. Сталь 85 имеет: σ_b =1150 МПа, σ_0,2=1100 МПа, δ=8%, ψ=30%.

Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали.(ГОСТ14959-79).

Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность и релаксационную стойкость, применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Сталь 65С2ВА имеет σ_b =1900 МПа, σ_0,2=1700 МПа, δ=5%, ψ=20%. Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, которая не склонна к перегреву и обезуглероживанию.

Износостойкие стали

К инзносостойким относятся следующие группы сталей:

- шарикоподшипниковые стали;

- графитизированные стали;

- аустенитная высокомарганцовистая сталь;

- литые карбидные сплавы.

Шарикоподшипниковые стали

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ801-78) применяются для изготовления подшипников качения (ролики, шарики, кольца). К сталям для подшипников предъявляются требования максимального сопротивления контактной усталости и истиранию, поэтому сталь должна обладать высокой твердостью и малым количеством металлургических дефектов. Неметаллические включения в стали служат концентраторами напряжений и вызывают преждевременное разрушение от усталости.

Шарикоподшипниковые стали содержат около 1%С, легируются Cr, Mn, Si, Ni и подвергаются термообработке (закалке и низкому отпуску (Т< 200⁰С), после чего обеспечивается твердость HRC60-66.

Наибольшее распространение получила сталь ШХ15 (С=1%, Cr=1,5%), из которой делаются шарики и ролики диаметром более 18 мм. Более мелкие шарики и ролики делаются из сталей ШХ6, ШХ9.

Крупногабаритные подшипники с диаметром более 550 мм изготавливаются из стали 20Х2Н4А и подвергают цементации на глубину 5-10 мм. Для работы в агрессивных средах применяются коррозионностойкие стали типа 95Х18 (С=0,95%, Cr=18%).

Графитизированная сталь

Графитизированная сталь применяется для изготовления волочильного инструмента, матриц для холодной вытяжки, траков гусениц, штампового инструмента, так как сталь отличается высокой износостойкостью в условиях истирания при больших давлениях. Закаленная графитизированная сталь сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна, так как имеет в своем составе 2% углерода и 2% кремния, который способствует графитизации цементита. Графитизация проводится путем ступенчатого отжига деталей. Структура графитизированной стали состоит из феррито-цементитной смеси и графита. Графит играет роль смазки, поэтому снижается коэффициент трения и не происходит схватывание детали с контртелом.

В отожженном состоянии графитизированная сталь применяется для изготовления вкладышей подшипников, поршней, поршневых колец, коленвалов и других деталей, работающих на трение.