Конструкционные цементуемые стали
20Х, 15ХР, 20ХН, 20ХГР, 18ХГТ, 12ХН3А, 18ХН4В др.
Цементации обычно подвергают стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,15÷0,25%). Содержание легирующих элементов (марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и титан) 5÷6%.
| |
Таблица 5.1
Химический состав, применение легированных сталей
| Марка стали | Содержание элементов, % | Назначение стали | |||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Другие элементы | ||
| 12ХН3А | 0,09÷ 0,016 | 0,17÷0,37 | 0,3÷0,6 | 0,6÷0,9 | 2,15÷3,15 | - | Коленчатые валы, оси, штоки, диски, втулки, поршневые пальцы, ролики, шпиндели, и др. |
| 30ХГСА | 0,28÷ 0,35 | 0,9÷1,2 | 0,8÷1,1 | 0,8÷1,1 | - | - | Валики, шестерни, сварные конструкции, втулки, шатуны, фланцы и др. |
| 50ХФА | 0,46÷ 0,54 | 0,17÷0,37 | 0,5÷0,8 | 0,8÷1,1 | - | V 0,1÷0,2 | Тяжелонагруженные ответственные детали, пружины, работающие при температуре до 300 °С |
| 20Х13 | 0,16÷ 0,25 | До 0,8 | До 0,8 | 12,0÷14,0 | 0,6 | Cu 0,30 Ti 0,2 | Турбинные лопатки, клапаны гидравлических насосов |
 40Х13 | 0,36÷ 0,45 | Режущий мерительный и хирургический инструмент, пружины | |||||
| 12Х18Н10Т | 0,12 | До 0,8 | 2,0 | 17,0÷19,0 | 9,0÷11,0 | Si до 0,8 Тi 0,6÷0,8 | Конструкционный материал для самолётов, немагнитные части аппаратуры управления. Сварные аппараты и сосуды, работающие в агрессивных средах |
| ШХ15 | 0,95÷1,05 | 0,40÷0,65 | - | 1,30÷1,65 | - | - | Кольца и ролики подшипников качения |
| 110Г13Л | 0,9 | - | - | 11,5÷14,5 | - | Si 0,5÷1,0 | Черпаки, козырьки драг, зубья ковшей экскаваторов, гусеничные траки, стрелы и сердечники крестовин стрелочных переводов и т.п. |
| Р18 | 0,7÷0,8 | 3,8÷4,4 | - | - | 0,40 | 1,0÷1,4 V 1,0 Mo 17,0÷18,5 W | Режущий инструмент: резцы, свёрла, фрезы, развёртки, метчики |
| Х12 | 2,00÷2,20 | 0,10÷0,40 | 0,15÷0,45 | 11,50÷13,0 | 0,35 | Cu 0,30 W 0,20 V 0,15 | Холодные штампы высокой устойчивости против истирания; волочильные доски, глазки для калибрования, гибочные и формовочные штампы и т.д. |
| 5ХНМ | 0,5÷0,6 | - | - | 0,6÷0,8 | 1,4÷1,8 | 0,15÷0,3 Mo | Молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 тонн |
Таблица 5.2
Термическая обработка, название микроструктуры и механические свойства легированных сталей
| Марка стали | Термическая обработка | Название микроструктуры | Механические свойства | ||||||
| Закалкa t, °C | Охлаждающая среда | Отпуск t, °C | Охлаждающая среда | sВ, МПа. | s0,2, МПа. | δ, % | KCU, МДж/м2 | ||
| 12ХН3А | 1. 860 2.760÷810 | Масло | Воздух или масло | Феррит + сорбит (в сердцевине). Мартенсит отп. + карбиды (поверхность) | 0,9 | ||||
| 30ХГСА | Масло | Вода, масло | Сорбит отпуска | 0,5 | |||||
 50ХФА | 840÷860 | Масло | 380÷550 | Воздух | Троостит отпуска | 0,31 | |||
| ШХ15 | 840÷860 | Масло | 150÷170 | Воздух | Мартенсит отп. + карбиды | HRC 61÷65 | |||
| 12Х18Н10Т | Вода | - | - | Аустенит | |||||
| 110Г13Л | Вода | - | - | Аустенит +карбиды (литая). Аустенит (закаленная) | 800÷900 | 360÷380 | 34÷53 | 1,5-1,8 | |
| Р18 | Масло | 560, 3-х кратный нагрев | Воздух | Мартенсит отп. + карбиды + аустенит | HRC 62÷64 | ||||
| Х12 | Масло | Воздух | Мартенсит отп. + карбиды | HRC 61÷63 | 0,15÷0,2 | ||||
| 5ХНМ | 840÷860 | Масло | 560÷580 | Вода | Троосто-сорбит | 20÷22 | HRC 35÷38 |
сталей), что уменьшает коробление и устраняет опасность образования трещин (стали 15Х, 20Х).
Увеличение степени легирования позволяет получать после цементации и термической обработки высокий комплекс механических свойств не только в поверхностном цементованном слое, но и в сердцевине крупногабаритных изделий.
Существует несколько вариантов технологии окончательной термической обработки после цементации. Стали, склонные к росту зерна после цементации, подвергают закалке или нормализации с нагревом до температур 850÷880 °С для измельчения зерна сердцевины деталей. Вторую закалку проводят при температуре 760÷780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Стали, не склонные к росту зерна при цементации (18ХГТ, 25ХГТ и др.), подвергают непосредственной ступенчатой закалке с подстуживанием на воздухе. Отпуск проводят при температуре 160÷200 °С.
После цементации и окончательной термической обработки (закалки и низкого отпуска), обеспечивается получение поверхностной твердости 56÷64 HRC при сохранении вязкой сердцевины (35÷45 HRC). Это определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям. Цементацию широко применяют для упрочнения зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей и других деталей машин.
Сталь 12ХН3А относится к перлитному классу. После цементации, закалки и отпуска на поверхности структура стали состоит из мартенсита и карбидов. Структура сердцевины – феррит и сорбит.
Хром и марганец растворяются в феррите и в цементите. Повышают устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки, повышают прокаливаемость сердцевины, но уменьшают прокаливаемость цементованного слоя.
Никель, молибден повышают прокаливаемость цементованного слоя, пластичность мартенсита.
Никель несколько замедляет процесс науглероживания, увеличивает прочность, вязкость сердцевины изделия.
Ниобий, ванадий, цирконий, титан, алюминий образуют дисперсные карбиды и нитриды, которые способствуют измельчению зерна.
Бор повышает прокаливаемость и прочность стали, но снижает ее вязкость и пластичность.
Титан повышает устойчивость стали к перегреву.