Конструкційні машинобудівні леговані сталі, що цементуються

Для цементації (нітроцементації) застосовують середньолеговані низьковуглецеві (не більше 0,25…0,30 % С) сталі. Деякі деталі двигунів працюють в умовах поверхневого зносу і зазнають при цьому динамічних навантажень. Такі деталі виготовляють з низьковуглецевих сталей, які містять 0,10…0,30 % С, застосовуючи до них цементацію. Цементовані вуглецеві сталі марок 10, 15, 20 застосовують для виготовлення деталей невеликих розмірів, що працюють в умовах зносу при малих навантаженнях, коли міцність серцевини не впливає на експлуатаційні якості (втулки, валики, осі, шпильки і т. п.). Після цементації, гартування у воді та низького відпуску поверхня сталі має високу твердість: 58…62 HRC (структура – мартенсит), а серцевина не зміцнюється, тому що в ній зберігається структура (ферит і перліт). Для досягнення високої твердості (58…62 HRC), контактної витривалості і границі втоми при вигині цементований прошарок після хіміко-термічної обробки повинен мати високу прогартовуваність. Після гартування прошарок повинен мати мартенситно-аустенітну структуру без продуктів перлітного і проміжного перетворень переохолодженого аустеніту. Крім того, сталь не повинна бути схильною до внутрішнього окиснення, формування надлишкових карбідів (карбонітридів). Утворення в поверхневому шарі немартенситних продуктів перетворення різко знижує границю витривалості.

Прогартовуваність серцевини повинна забезпечити високі механічні властивості, особливо границю текучості, і твердість 30…40 HRC. При циклічних навантаженнях опір цементованих і нітроцементованих деталей руйнуванню залежить від міцності серцевини. Підвищення міцності серцевини сприяє збільшенню контактної міцності. Якщо твердість вище 35 HRC, то допустимі контактні напруження при базі 10⁷ циклів складають 1900 МПа, а якщо 25…35 HRC – не перевищують 1750 МПа. Проте зближення міцнісних властивостей поверхневого шару і серцевини знижує рівень залишкових стискальних напружень на поверхні, а збільшення об'єму, що зазнає фазових і структурних перетворень при термічній обробці, підвищує деформацію і викривлення деталей після гартування. Обидва чинники приводять до зниження границі витривалості деталей. Для отримання високого опору крихкому руйнуванню і можливості використання безпосереднього гартування після цементації сталі повинні бути дрібнозернистими (бал 6…10).

Збільшення розміру зерна в цементованому шарі після термічної обробки зменшує контактну витривалість, границю витривалості при вигині і збільшує деформацію як результат термічної обробки.

Щоб забезпечити необхідну прогартовуваність шару і серцевини та мінімальну деформацію при гартуванні для виготовлення відповідальних деталей, використовують леговані сталі, що гартуються в маслі; вуглецеві сталі, що гартуються у воді, для таких деталей не використовуються.

Цементовані леговані сталі доцільно застосовувати для великих важконавантажених деталей, у тому числі для деталей, у яких необхідно мати високу твердість поверхневого шару та достатньо міцну в’язку серцевину. У таких сталях, незважаючи на невелику кількість вуглецю, завдяки значній кількості легуючих домішок значно легше отримати при термічній обробці більш високі міцність та в’язкість серцевини внаслідок утворення в ній структур бейніту та низьковуглецевого мартенситу. Тому з них виготовляють відповідальні деталі.

До даної групи належать низько- і середньолеговані сталі (20Х, 15ХФ, 25ХГТ, 12ХН3А та ін.) із вмістом вуглецю 0,1…0,3 %, що забезпечують після хіміко-термічної обробки, гартування і низького відпуску високу поверхневу твердість (58…62 HRC) при в'язкій, але достатньо міцній серцевині (σ_в = 700…1500 МПа, δ = 10…12 %, KCU = 0,6…1,0 МДж/м², 35…45 HRC). Ці сталі використовуються для виготовлення деталей машин і приладів (кулачків, зубчастих коліс та ін.), що зазнають змінних і ударних навантажень та одночасно схильні до спрацювання.

Карбідо- і нітридотвірні елементи (Сr, Мn, Мо та ін.) сприяють підвищенню прогартовуваності, поверхневої твердості, зносостійкості і контактної витривалості. Нікель підвищує в'язкість серцевини і дифузійного шару та знижує поріг холодноламкості. Легування сталі ванадієм, титаном, алюмінієм, ніобієм приводить до утворення дисперсних нітридів (VN, TiN, AlN), карбідів (TiC, VC) або карбонітридів, наприклад V(N, C), що загальмовують ріст зерна аустеніту і таким чином сприяють його подрібненню. Зменшення ж зерна сприяє зниженню крихкості і підвищенню ударної в'язкості сталі, що дуже важливо при роботі в умовах динамічних і знакозмінних навантажень. Цементовані (нітроцементовані) леговані сталі за механічними властивостями поділяють на дві групи: сталі середньої міцності з границею плинності менше s_0,2 < 700 МПа (15Х, 15ХФ) і підвищеної міцності з σ_0,2 = 700…1000 МПа (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА та ін.).

Не рекомендується високий вміст легуючих елементів у сталях для деталей, що цементуються, оскільки він утруднює їх гартування безпосередньо після цементації. Гартування високолегованих сталей веде до утворення в структурі цементованого шару великої кількості залишкового аустеніту, що знижує міцність виробу.

Цементовані сталі повинні добре оброблятися різанням, тому попередня термічна обробка (звичайно ізотермічний відпал) повинна забезпечувати оптимальну мікроструктуру. При незадовільній мікроструктурі заготовок погіршується якість робочої поверхні, а внутрішні напруження, що виникають у процесі різання, збільшують деформацію деталей під час наступної хіміко-термічної обробки.

У табл. 10.3 наведені склад, режими термічної обробки і механічні властивості найчастіше застосовуваних цементованих сталей, призначених для виготовлення деталей, що працюють на знос в умовах знакозмінних та ударних навантажень. Режими термічної обробки і властивості сталей наведені відповідно до ГОСТ 4543-71, характерні тільки для зразків (при прийманні сталі) і не можуть бути використані стосовно до деталей. Як правило, реальні деталі після цементації (нітроцементації) обробляють за іншими режимами. Так, подвійне гартування після цементації застосовується рідко.

Таблиця 10.3.Хімічний склад і механічні властивості деяких цементованих (нітроцементованих) сталей

Сталь

Склад елементів, %

Режими термічної обробки

sв

s0,2

d

y

ан, МДж/м²

Макси- мальний робочий переpіз, мм

C

Mn

Cr

Ni

Інші елементи

tгарт, ˚С, середовище

tвідп, ˚С, середовище

МПа

%

Хромові сталі

20Х

0,17…0,23

0,3…0,8

0,7…1,0

–

–

1. 880, в, м. 2. 770…820, в, м.

180, пов., м.

0,6

Хромомарганцеві сталі

18ХГТ

0,17…0,23

0,8…1,1

1,0…1,3

–

0,03…0,09 Ті

1. 880…950, пов. 2. 870, м.

200, пов., м.

0,8

20ХГР

0,18…0,24

0,7…1,0

0,75…1,05

–

–

880, м.

200, пов., м.

0,8

40…60

25ХГТ

0,22…0,29

0,8…1,1

1,0…1,3

–

0,03…0,09 Ті

1. 880…950, пов. 2. 850, м.

200, в. м.

1300…1500

1000…1100

9…10

45…50

0,6…0,7

60…80

25ХГМ

0,23…0,29

0,9…1,2

0,9…1,2

–

0,2…0,3 Мо

860, м.

200, пов.

0,8

60…80

30ХГТ

0,24…0,32

0,8…1,1

1,0…1,3

–

0,03…0,09 Ті

1. 880…950, пов. 2. 850, м.

200, м.

0,6

60…80

Хромонікелеві сталі

12Х3А

0,90…0,16

0,3…0,6

0,6…0,9

2,75…3,15

–

1. 860, м. 2. 760…810, м.

180, пов., м.

0,9

60…80

12Х2Н4А (20Х2Н4А)

0,09…0,15 (0,16…0,22)

0,3…0,6

1,25…1,65

3,25…3,65

–

1. 860, м. 2. 760…800, м.

180, пов., м.

(1300)

(1100)

(9)

(45)

0,9 (0,8)

100…120 (–)

Хромомарганцевонікелеві сталі

15ХГН2ТА

0,13…0,18

0,7…1,0

0,7…1,0

1,4…1,8

0,03…0,09 Ті

1. 960, пов. 2. 840, м.

180, пов., м.

1,0

50…70

Хромонікельмолібденові сталі

18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА)

0,14…0,20

0,25…0,55

1,35…1,65

4,0…4,4

0,3…0,4 Мо(W)

1. 950, пов. 2. 860, пов.

200, пов., м.

(1050)

(800)

1,0

≥ 120

* Використані такі позначення: 1 – перше гартування; 2 – друге гартування; в. – вода; м. – масло; пов. – повітря.

Рис 10.1. Діаграми ізотермічного розпаду переохолодженого аустеніту цементованих сталей:

а – 15Х; б – 18ХГТ; в – 12Х2Н4А; г – 18Х2Н4ВА

Хромові сталі.Хром — порівняно дешевий елемент, який широко використовується для легування сталі. У конструкційних сталях він частково розчинений у фериті, частково в цементиті, утворюючи карбід (Fe, Сr)₃С. Хромові сталі 15Х і 20Х призначені для виготовлення невеликих виробів простої форми, що цементуються на глибину 1000…1500 мкм. У таких сталях у більшій мірі розвивається проміжне перетворення (рис. 10.1,а), і при гартуванні з охолоджуванням у маслі, що виконується після цементації, серцевина виробу має бейнітну структуру. Унаслідок цього хромові сталі порівняно з вуглецевими мають вищі міцнісні властивості при дещо меншій пластичності в серцевині і кращу міцність цементованого шару. Хромова сталь чутлива до перегріву (але менше, ніж вуглецева) через здатність хрому при цементації утворювати карбіди. В її поверхневому шарі може підвищитися вміст вуглецю. Хром мало впливає на прогартовуваність цементованого шару, він визначає схильність до внутрішнього окиснення.

Хромованадієві сталі.Легування хромової сталі 0,1…0,2 % V покращує її механічні властивості: в серцевині деталі σ_в = 750…800 МПа; σ_0,2 = 550…600 МПа; δ = 13…12 %; y = 50 %; а_н=0,80 МДж/м². Крім того, хромованадієві сталі менш схильні до перегріву. Через малу прогартовуваність їх використовують тільки для порівняно невеликих виробів (поршневі пальці, розподільні вали і т. ін.).

Хромонікелеві сталі.Для габаритних деталей відповідального призначення, що зазнають під час експлуатації значних динамічних навантажень, застосовують хромонікелеві і більш складнолеговані сталі, характерний склад і властивості яких наведені в табл. 10.3.

Одночасне легування хромом і нікелем підвищує міцність, пластичність і в'язкість серцевини та цементованого прошарку.

Хромонікелеві сталі малочутливі до перегріву при тривалій цементації і не схильні до перенасичення поверхневих шарів вуглецем. Висока стійкість переохолодженого аустеніту (див. рис. 10.1,в) в області перлітового і проміжного перетворень забезпечує високу прогартовуваність хромонікелевої сталі, а також дозволяє гартувати великі деталі з охолоджуванням у маслі, а в деяких випадках і на повітрі.

Легування хромонікелевих сталей вольфрамом (або молібденом) додатково підвищує стійкість переохолодженого аустеніту, а отже, і прогартовуваність. Зі сталі 18Х2Н4МА або аналогічної сталі з вольфрамом 18Х2Н4ВА (див. табл. 10.3) виготовляють великі деталі, які під час експлуатації зазнають значних навантажень.

Унаслідок високої стійкості переохолодженого аустеніту деталі перерізом до 150…200 мм зі сталі 18Х2Н4МА гартують при охолоджуванні на повітрі, що значно зменшує викривлення. Критичний діаметр гартування (95 % мартенситу) дорівнює 100 мм, а поріг холодноламкості – 80 °С.

Сталі 12ХН3А, 20ХН3А, 20Х2Н4А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА та інші (див. рис. 10.1,в,г) при гартуванні в маслі набувають у серцевині структуру нижнього бейніту або низьковуглецевого мартенситу, що приводить до значного зміцнення сталі. Унаслідок цементації підвищується стійкість переохолодженого аустеніту в поверхневому шарі, особливо в зоні проміжного перетворення, тому під час гартування в маслі на поверхні утворюється високовуглецевий мартенсит (58…62 HRC). Проте слід мати на увазі, що при насиченні сталі вуглецем знижується температура мартенситного перетворення в поверхневому шарі і зростає кількість залишкового аустеніту, особливо в сталях 18Х2Н4ВА і 20Х2Н4А. Залишковий аустеніт знижує твердість, опір зносу та границю витривалості. Зниження кількості залишкового аустеніту досягається обробкою холодом (від –100 до –120 °С) після гартування або застосуванням проміжного високого відпуску (600…640 °С) з подальшим гартуванням від можливо більш низької температури (трохи вищої від А₃). При високому відпуску з аустеніту виділяються леговані карбіди. При подальшому нагріванні під гартування значна частина карбідів залишається за межами твердого розчину, а менш легований аустеніт при охолоджуванні перетворюється на мартенсит, тому кількість залишкового аустеніту зменшується, а твердість підвищується. Сталь після такого високого відпуску характеризується меншою прогартовуваністю. При обробці холодом зменшується кількість залишкового аустеніту і підвищується твердість, проте відбувається деяке зниження границі витривалості, зносостійкості і в'язкості в порівнянні з обробкою, що передбачає проміжний високий відпуск.

Сталь 18Х2Н4ВА через високу стійкість аустеніту в перлітній області (див. рис. 10.1,г) мало знижує твердість при відпалі. Для можливості обробки різанням сталь піддають високому відпуску при 630…640 °С, після якого вона набуває твердості 269…217 НВ (2690…2170 МПа).

Хромомарганцеві сталі.Марганець — дешевий елемент, застосовується як замінник нікелю в сталі. Як і хром, марганець розчиняється у фериті і цементиті. Підвищуючи стійкість аустеніту, марганець знижує критичну швидкість гартування і підвищує прогартовуваність доевтектоїдної сталі, проте мало впливає на прогартовуваність цементованого шару; визначає схильність до внутрішнього окиснення.

Хромомарганцеві сталі застосовують у багатьох випадках замість дорогих хромонікелевих. Проте вони менш стійкі проти перегріву і мають меншу в'язкість у порівнянні з хромонікелевими. Уведення невеликих кількостей титану, який створює важкорозчинні в аустеніті карбіди TiC, зменшує схильність хромомарганцевих сталей до перегріву.

В автомобільній і тракторній промисловості, а також у верстатобудуванні для зубчастих коліс, валів та інших деталей застосовують сталі 18ХГТ і 25ХГТ. Ці сталі схильні до внутрішнього окиснення при газовій цементації, що знижує твердість цементованого шару і границю витривалості, тому широко застосовують сталь 25ХГМ, леговану молібденом. Молібден підвищує прогартовуваність шару, усуває шкідливий вплив внутрішнього окиснення та забезпечує максимальну поверхневу твердість.

Xромомарганцевонікелеві сталі.Підвищення прогартовуваності і міцності хромомарганцевих сталей досягається додатковим легуванням їх нікелем.

В автомобільній і тракторній промисловості застосовуються сталі 15ХГН2ТА, 25ХГНТА та ін. Ці сталі наближаються за своїми механічними і технологічними властивостями до хромонікелевих.

В автомобілебудуванні широко застосовують сталі 20ХГНМ (0,18…0,23 % С; 0,7…1,1 % Мn; 0,4…0,7 % Сr; 0,15…0,25 % Мо), а також 19ХГН і 14ХГН, що містять по 0,8…1,1 % Мn, Сr і Ni. Після гартування і низького відпуску ці сталі мають σ_в = 1100…1200 МПа, σ_0,2 = 850…950 МПа, δ = 7…8 % і а_н = 0,6…0,8 МДж/м².

Сталі, леговані бором.Для цементації (нітроцементації) використовують сталі, що містять 0,01…0,05 % В. Бор підвищує стійкість переохолодженого аустеніту в області перлітного перетворення і тому збільшує прогартовуваність сталі. Підвищення стійкості аустеніту пов'язано з тим, що бор розташовується переважно по границях зерен, гальмує утворення зародків перліту. Проте при підвищеній концентрації бору утворюється борид заліза, що зменшує стійкість аустеніту.

Бор підвищує прогартовуваність лише доевтектоїдних сталей, що містять менше 0,5…0,6 % С, але не покращує прогартовуваності цементованого шару.

Легування бором підвищує міцнісні властивості після гартування і низького відпуску, не змінюючи або дещо знижуючи в'язкість і пластичність. Бор робить сталь чутливою до перегріву, тому така сталь, як правило, повинна бути дрібнозернистою (бал 7…10). Легування боридної сталі титаном підвищує її стійкість проти перегріву. У промисловості для деталей, що працюють в умовах зносу при терті, застосовують сталь 20ХГР. Додаткове легування сталі 0,8…1,1 % Ni (20ХГНР) підвищує її прогартовуваність, пластичність і в'язкість.

Механічні властивості після гартування і низького відпуску сталі 20ХГНР наступні: σ_в = 1300 МПа, σ_0,2 = 1200 МПа, δ = 10 % і а_н = 0,9 МДж/м².