Конструкционные стали.

Цементуемые стали обычно содержат 0,1...0,25 % углерода, а в качестве легирующих элементов - хром, марганец, бор, молибден, ванадий, титан, никель в пределах от 0,002 (В) до 4,4 % (Ni). После цементации, закалки и низкого отпуска изделия из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (58...62 HRC_э) и вязкую сердцевину с твердостью 15...30 HRC_э. К углеродистым цементуемым сталям относятся стали 10, 15, 20. Характерными представителями легированных цементуемых сталей являются:

□ стали средней прочности (15ХР, 15Х, 20Х, 20ХН), которые идут на изготовление небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках (зубчатые колеса, валы, кулачки и т.п.). Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью, а детали, изготовленные из них, чувствительны к надрезам;

□ стали повышенной прочности (Д2ХН3А, 20ХН3А, 20ХН4А, 18ХГТ, 18Х2Н3МА) идут на изготовление деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повышенных нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и другие). Эти стали малочувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются и имеют повышенную прочность сердцевины.

Улучшаемые стали содержат 0,3...0,5 % углерода, легирующих элементов в сумме не более 5 % и используются после улучшения (закалки и высокого отпуска). Эти стали имеют высокую прочность и пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, работающих под воздействием циклических и ударных нагрузок.

Хромистые стали (30Х, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовление коленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15...25 мм), склонны к отпускной хрупкости. Прочность сталей увеличивается с увеличением содержания углерода, но при этом снижается пластичность.

Хромокремнемарганцевые стали (30ХГСА, 35ХГСА) имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются, имеют невысокую прокаливаемость и широко применяются в автомобилестроении.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием динамических нагрузок (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а пластичность - никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на большую глубину.

Лучшими показателями среди сталей обладают хромоникельмо-либденовые (40ХНМА, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМФА). Эти стали имеют высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливаются. Из них изготавливают сильно нагруженные детали, а также валы, роторы, турбины, работающие в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят путем закалки с 850 ⁰С в масле и последующего отпуска при 620 ⁰С.

Высокопрочные стали - это стали, имеющие предел прочности σ_в>1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним относятся стали типа 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА.

Общая тенденция развития техники и стремление к созданию легких, нематериалоемких машин требуют применения сталей, имеющих σ_в>2000 МПа и высокие показатели пластичности. После закалки и низкого отпуска уровень прочности таких сталей определяется в основном содержанием углерода, увеличение которого свыше 0,4 % делает сталь хрупкой. В этой связи особый интерес вызывают мартенситно-стареющие стали, представляющие собой сплавы железа и никеля (8...20 %) с очень низким (до 0,03 %) содержанием углерода и дополнительно легированные титаном и алюминием, а также часто кобальтом и молибденом.

Эти стали закаливают с температур 800...860 ⁰С на воздухе, так как никель и другие легирующие элементы стабилизируют твердый раствор, который благодаря этому переохлаждается до мартенситного превращения. Закалка фиксирует сильно перенасыщенный легирующими элементами, почти безуглеродистый (<0,03 %) мартенсит, отличительными особенностями которого являются относительно невысокая прочность и очень высокая пластичность.

Основное упрочнение сталей достигается при последующем отпуске (старении) при 450...500 ⁰С, когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные упрочняющие частицы интерметаллидных фаз (Ni₃Ti, NiAl, Fe₂Mo, Ni₃Mo и другие), когерентно связанные с матрицей. В результате такого механизма упрочнения сплавы обладают высокой прочностью и малой чувствительностью к надрезам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур - от криогенных до 450...500 ⁰С. Они обладают высокой технологичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо свариваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.

Рессорно-пружжные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и текучести (σ₀,₂>800 МПа) и сопротивлением усталости при достаточной пластичности (δ≈5 %, ψ=20...25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легированы одним или несколькими элементами: 1,5...2,8 % кремния; 0,6..1,2 % марганца; 0,2...1,2 % хрома; 0,1...0,25 % ванадия; 0,8...1,2 % вольфрама; 1,4...1,7 % никеля. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

Наиболее широко в промышленности применяются кремнистые стали типа 55С2, 60С2А, 70С3А, из которых изготавливают пружины вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и другие. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхности заготовок при горячей обработке, что снижает предел выносливости. Поэтому для высоконагруженных рессор и пружин применяют стали марок 60С2ХА, 50ХФА, 60СГА, 60С2Н2А с прокаливаемостью до 50...80 мм. Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, ванадием, никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве.

Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троостит или деформационному упрочнению после патентирования. Патентирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65...0,9 % углерода, и заключается в ее высокотемпературной аустенизации для получения однородного аустенита и последующего пропускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450...550 ⁰С.

Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землеройных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывает усталостное выкрашивание на рабочих поверхностях и излом деталей. Такой механизм изнашивания особенно актуален для подшипников, элементы которых изготавливают из шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % углерода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шарикоподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических включений.

Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зернистого перлита. Закалку осуществляют с температур 820...860 ⁰С в масле, отпуск - при 150...170 ⁰С с выдержкой в течение 2...3 ч. Время между закалкой и отпуском не должно превышать 3 ч для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали. После окончательной термической обработки твердость стали составляет 62...65 HRC_э, структура - мартенсит с включениями мелких карбидов и остаточный аустенит (8...15 %). Для стабилизации размеров деталей их обрабатывают холодом при температурах 70...80 ⁰С.

Детали машин, работающие в условиях абразивного изнашивания и больших ударных нагрузок, такие как корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничных тракторов, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали марки 110П3Л (сталь Гадфильда), которая содержит 1...1,4 % углерода и 12...14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (буква Л в марке стали). Сталь 110ПЗЛ подвергают закалке с 1100 ⁰С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую твердость (220...250 НВ) и высокую вязкость. Высокая износостойкость стали обеспечивается наклепом аустенита в поверхностном слое в процессе работы в условиях ударного воздействия. В результате твердость поверхности повышается до 600 НВ, а сердцевина остается вязкой.