Глава 4. Машиностроительные материалы.

В качестве машиностроительных материалов применяют конструкционные стали всех категорий качества, графитизированные чугуны, сплавы на основе цветных металлов, неметаллические материалы, порошковые сплавы и некоторые типы композитов. Наиболее востребованными были и остаются стали, которые в зависимости от химического состава подразделяют на углеродистые и легированные. Легированные стали выплавляют только качественными и высококачественными.

4.1. Легированные конструкционные стали.

Это стали, в состав которых для получения требуемых свойств вводят специальные легирующие элементы. В зависимости от их суммарного содержания различают низколегированные (∑_Л.Э. до 3%), среднелегированные (∑_Л.Э. до 6%), и высоколегированные (∑_Л.Э. свыше 6%). Стали первых двух групп относятся к сталям общего назначения, стали третьей группы относятся к специальным. В сталях общего назначения основными легирующими элементами являются хром (до 1,8%), никель (от 1 до 4%), кремний (0,9…1,2%), марганец (0,8…1,2%). В комбинации с этими элементами в состав этих сталей могут также входить вольфрам (0,5…1,2%), медь (0,1…0,3%), ванадий (0,1…0,3%), алюминий (до 0,5%), молибден (0,2…0,4%), титан (0,06…0,12%), ниобий и бор (0,002…0,005%).

В зависимости от взаимодействия с углеродом различают карбидообразующие (Mn,Cr,Mo,V,W,Ti,Nb) легирующие элементы и не образующие карбидов (Ni,Cu,Si,Al). Кроме того, эти элементы могут входить в состав легированного цементита (Fe,Me)_mC_n, где Ме – легирующий элемент, а также входят в состав твердых растворов – феррита или аустенита.

При определенной концентрации легирующие добавки могут влиять на значения критических температур, определяющих температурную область существования указанных твердых растворов. Так, например, Ni и Mn при содержании их в стали до 10 и более % расширяют область существования аустенита в диапазоне температур от комнатной до температуры солидус. Это стали аустенитного класса; примерами таких сталей являются сталь 110Г13Л (≈13%Мn) и сталь 12Х18Н10Т (≈10%Ni). Обе стали обладают специальными свойствами:сталь 110Г13Л износостойкая, сталь 12Х18Н10Т – нержавеющая. К нержавеющим относится и сталь 12Х17 (≈17%Cr), но это уже сталь ферритного класса, так как хром при таком количестве расширяет область существования феррита в диапазоне температур от комнатной до температуры солидус.

Легированные стали общего назначения относятся к сталям перлитного класса. Основное преимущество этих сталей перед углеродистыми в большей прокаливаемости, что обеспечивает высокую конструкционную прочность изделий из этих сталей сечением более 20мм. Закалку можно проводить в масле или даже на воздухе (в зависимости от прокаливаемости), что особенно важно для изделий сложной конфигурации, склонных к образованию закалочных трещин и короблению.

В зависимости от режима упрочняющей обработки различают две группы легированных сталей: цементуемые и улучшаемые. К цементуемым относят малоуглеродистые (0,1…0,25%С) стали, подвергаемые цементации, закалке и низкотемпературному отпуску. Следует использовать для цементации наследственно мелкозернистые стали, дополнительно легированные титаном или молибденом (25ХГТ,25ХГМ). В результате достигается высокая твердость и прочность поверхностного слоя изделия в сочетании с вязкой сердцевиной. Поэтому цементацию применяют для деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания и ударных нагрузок (зубчатые колеса, валы-шестерни и т.п.).

Улучшаемыми называют среднеуглеродистые (0,3…0,5%С) стали, подвергаемые полной закалке и высокотемпературному отпуску (улучшению). Эти стали должны обладать достаточной прокаливаемостью для того, чтобы в результате улучшения получить по сечению детали однородную структуру – сорбит отпуска. Эта структура обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вязкости стали. Поэтому при выборе улучшаемой стали следует ориентироваться на показатель ее прокаливаемости – критический диаметр (Д_КР,мм), который должен быть не меньше сечения самой детали. Улучшение применяют для деталей, работающих в сложных условиях при разнохарактерных нагрузках, в том числе и ударных, в условиях низких температур и наличия в деталях концентраторов напряжений. К улучшаемым относят хромистые (40Х,50Х), хромоникелевые (40ХН,40ХН2МА), хромокремнемарганцевые (35ХГСА) стали. Для устранения опасности отпускной хрупкости охлаждение этих сталей после отпуска проводят в воде или масле. Износостойкость после улучшения невысока. Поэтому ряд деталей после улучшения подвергают поверхностной закалке с нагревом ТВЧ или азотированию (шестерни, пальцы, гильзы цилиндров Д.В.С. и т.п.).

Легированные конструкционные стали маркируют буквами русского алфавита с цифрами. Двузначная цифра в начале марки означает содержание углерода в сотых долях %, буквы справа от цифры означают легирующий элемент: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ю – алюминий. Цифры после буквы указывают примерное содержание данного легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры после буквы означает, что содержание данного элемента около 1%. Под это правило не подпадают титан, молибден, ванадий, медь, алюминий, ниобий и бор, содержание которых в сталях измеряется долями процента. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная, а в начале марки означает, что сталь автоматная (повышенной обрабатываемости).