Структурные классы легированных сталей.
Стали классифицируются по нескольким признакам.
1. По структуре после охлаждения на воздухе выделяются три основных класса сталей:
· перлитный;
· мартенситный;
· аустенитный
Стали перлитного класса характеризуются малым содержанием легирующих элементов; мартенситного – более значительным содержанием; аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.
2. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):
· низколегированные – 2,5…5 %;
· среднелегированные – до 10 %;
· высоколегированные – более 10%.
3. По числу легирующих элементов:
· трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);
· четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и т.д.
4. По составу:
никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).
5. По назначению:
· конструкционные;
· инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);
· стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).
8.3. Маркировка и применение легированных сталей.
Легированные стали маркируют цифрами и буквами. Цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент.
| А – азот | К – кобальт | Т – титан |
| Б – ниобий | М – молибден | Ф – ванадий |
| В – вольфрам | Н – никель | Х – хром |
| Г – марганец | П – фосфор | Ц – цирконий |
| Д – медь | Р – бор | Ч – редкоземельный |
| Е – селен | С – кремний | Ю– алюминий |
Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в целых долях; отсутствие цифры указывает, что среднее содержание легирующего элемента 1,0 – 1,5%.
Для обозначения высококачественной легирующей стали в конце маркировки ставится буква «А». Если «А» в середине марки (16Г2АФ), то сталь легирована азотом. Если «А» в начале марки – сталь автоматная (А40 или АС35Г2 – автоматная, легирована свинцом и кремнием).
Буква «Л» в конце указывает на то, что сталь литейная (32Х06Л).
Следует подчеркнуть, что некоторые элементы – V, Ti, Nb, B, N и др. нередко присутствуют в стали в сотых долях процента, оказывая при этом существенное влияние (микролегирование), что находит отражение в марке стали 10Г2Б (0,02–0,05%Nb), 20ХГР (0,001–0,005B).
Некоторые стали специального назначения выделены в отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква и ставится впереди:
Ш – шарикоподшипниковая сталь
Е – электротехническая
Р – быстрорежущая
8.3.1. Конструкционные легированные стали.
Конструкционные легированные стали содержат не более 0,22%С (что обусловливает хорошую свариваемость, без образования холодных и горячих трещин) и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: Mn до 1,8%, Si до 1,2%, Cr до 0,8 %, а также до 0,8% Ni,до 0,5% Cu, до 0,15% V, до 0,03% Ti и др.
Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций – мостов, газо-, нефтепроводов, ферм, котлов и т.д. Низколегированные стали содержат 0,18% С и в небольших колическтвах Si, Mn, Cr, Ni, Nb и Cu.
К этим сталям относятся: 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д, 15Г2СФ, 10ХНДП и др.
Они имеют по сравнению с углеродистыми сталями более высокие пределы текучести и прочности, при сохранении хорошей пластичности; низкий порог хладноломкости.
Термической обработке данные стали обычно не подвергают, иногда после сварки – высокий отпуск ~680°С.
Цементуемые стали
содержат 0,1–0,3%С и 0,2–4,4% легирующих элементов.
Используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины.
Цементуемые легированные стали в отличии от цементуемых углеродистых применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).
Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.
Дополнительное легирование хромистых сталей ванадием (сталь 15ХФ, 20ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость, однако прокаливаемость также невелика, и как следствие, подвергаются изделия небольших размеров.
Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины. Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя. Стали мало чувствительны к перегреву. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевых сталей и позволяет проводить закалку крупных деталей с охлаждением в масле и на воздухе.
Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение.
Хромомарганцевые стали применяют вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ).
На ВАЗе широко применяют хромомарганцевоникелевую сталь 20ХГНМ, а также 19ХГН, 14ХГН.
Улучшаемые стали содержат 0,3–0,5%С и легирующих элементов не более 5%.
Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.
Улучшаемые легированные стали, по сравнению с улучшаемыми углеродистыми, применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.
Стали, прокаливающиеся в деталях с диаметром не более 25–35 мм.
Хромистые стали (30Х, 40Х, 50Х). Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым (вода, масло).
Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА).
Стали, прокаливающиеся в деталях с диаметром не более 50–75 мм.
Хромокремнистые (33ХС) и хромомарганцевые (40ХГ, 40ХГТР). Характеризуются высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости и росту аустенитного зерна (для исключения роста аустенитного зерна вводят титан).
Хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСНА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.
Стали, прокаливающиеся в деталях с диаметром не более 75–100 мм.
Хромоникелевые стали 40ХН3А, (если диаметр детали менее 75 мм применяют стали 45ХН, 30ХН3А) отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью. Никель обеспечивает запас вязкости, а в сочетании с хромом и молибденом – прокаливаемость.
Стали, прокаливающиеся в деталях с диаметром более 100 мм.
Хромоникельмолибденованадивые стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400oС (т.е. можно использовать для деталей, работающих при указанных температурах); из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.
Рессорно-пружинные стали содержат 0,5–0,8%С. Повышенные значения предела упругости получают после закалки и отпуска на тростит.
Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных машин и механизмов. В работе они испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается.
Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.
Для сталей, используемых для пружин, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость, чтобы получить структуру тростита по всему сечению. Присутствие после закалки немартенситных продуктов распада ухудшает все пружинные свойства.
Для пружин малого сечения, испытывающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали 65, 70, 75.
Легированные кремнием, марганцем, хромом, ванадием, никелем обусловливает повышение прокаливаемости стали, предела ее выносливости, предела упругости.
Наиболее часто применяют кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Применяют для изготовления пружин вагонов автомобильных рессор, в станкостроении. Однако, кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхностных дефектов при горячей обработке, что снижает предел выносливости.
Дополнительное легирование хромом, марганцем, вольфрамом уменьшают эту склонность и увеличивают прокаливаемость, измельчают зерно. Стали марок 60С2ХА, 60С2ФА применяют для высоконагруженных пружин и рессор.
Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А.
Долговечность пружин и рессор резко снижается при наличии на поверхности различных дефектов (забоин, рисок, царапин и т.д.), играющих роль концентраторов напряжений. Срок их службы повышают посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок, в процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия.
Кроме рассмотренных пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения. Дополнительные требования, предъявляемые в таких случаях: коррозионная стойкость, немагнитность, теплостойкость и др. Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю), быстрорежущих (Р18) и других сталей и сплавов.
Шарикоподшипниковые стали
характеризуются высоким содержанием углерода (около 1 %) и наличием хрома
Подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций.
Высокое содержание углерода и хрома после закалки обеспечивает структуру мартенсит плюс карбиды, высокой твердости, износостойкости, необходимой прокаливаемости. Дальнейшее увеличение прокаливаемости достигается дополнительным легированием марганцем, кремнием.
Чем меньше размер подшипника, тем ниже содержание легирующих элементов. Например: ШХ6 применяют для деталей с максимальным размером до 10 мм, ШХ15СГ – свыше 30 мм.
Обозначение марки ШХ15СГ: сталь шарикоподшипниковая хромистая, содержание хрома в десятых долях и следом – легирующие элементы (1% C;1,5% Cr; 0,5% Si; 1% Mn).
Термическая обработка деталей шарикоподшипника (шарики, ролики, кольца) состоит из двух основных операций – закалки и низкого отпуска. Твердость не ниже 60HRC. Перед отпуском для уменьшения количества остаточного аустенита детали подшипника охлаждают до температур не выше 20–25°С. Это повышает стабильность их размеров. Для подшипников, которые должны иметь особо высокую стабильность размеров, иногда применяют обработку холодом при температурах
-70¸-80°С. Структура: отпущенный мартенсит с равномерно распределенными карбидами. Повышены требования в отношении чистоты и равномерности распределения карбидов, в противном случае может произойти выкрашивание.
Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки (подшипники прокатных станов), изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей глубокой цементацией на глубину 5…10 мм. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18.
Стали для изделий, работающих при низких температурах
Для изделий, работающих при низких температурах, необходимо применять стали с пониженным порогом хладноломкости. Особенно сильно понижены температурные пороги хладноломкости в никельсодержащих сталях. Эффективными материалами являются низколегированные малоуглеродистые стали, которые обладают хорошей свариваемостью.
В строительных металлоконструкциях наибольший эффект достигается при использовании термомеханически упрочненного проката.
Для обеспечения высокого комплекса механических свойств деталей машин используются малоуглеродистые стали, легированные элементами способствующими дисперсионному упрочнению и образованию мелкозернистой структуры после термической обработки, 10ХСНД, 15Г2СФ, 12ГН2МФАЮ.
Для работы при сверх низких температурах применяют криогенные стали и сплавы для изготовления емкостей для хранения и перевозки сжиженных газов, имеющих очень низкую температуру кипения (кислород – -183 oС,
водород – -253oС). Основными материалами для работы в подобных условиях являются аустенитные стали с повышенным содержанием никеля 10Х14Г14Н4Т, 10Х18Н10Т,03Х20Н16АГ6.
8.3.2. Инструментальные стали и сплавы.
Быстрорежущие стали, штамповые стали. Твердые сплавы.
Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).
Режущие кромки могут нагреваться до температуры 500…900oС, поэтому важным свойством является теплостойкость, т. е., способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).