Конструкционные легированные стали

 

К конструкционным сталям относятся углеродистые и легированные стали. Введение ЛЭ в эти стали существенно повышает их конструкционную прочность, что связано с формированием более мелкого размера зерна и большей прокаливаемостью. Легирование существенно повышает сопротивление вязкому разрушению и температурный запас вязкости.

Конструкционные легированные стали делятся на строительные и машиностроительные. Конструкционные машиностроительные легированные стали применяются в тех случаях, когда должны быть обеспечены высокие механические свойства в изделиях больших сечений или сложной конфигурации в результате термической или химико-термической обработки.

В зависимости от содержания углерода и термической обработки эти стали можно классифицировать следующим образом:

- 0,10…0,25 % С - цементуемые стали, подвергаемые после цементации закалке с низким отпуском;

- 0,30…0,50 % С - улучшаемые стали, подвергаемые закалке с высокотемпературным отпуском;

- 0,5…0,7 % С - пружинные стали, подвергаемые закалке со средним отпуском;

- 0,95…1,15 % С – стали с высокой износостойкостью в условиях поверхностной усталости, шарикоподшипниковые стали, подвергаемые закалке с низким отпуском.

Цементуемые легированные стали предназначены для изготовления деталей типа поршневых пальцев, распределительных валов, шестерён и др., работающих под действием изгибающих и крутящих моментов, динамических и знакопеременных нагрузок в условиях трения и износа. Сердцевина таких деталей не подвергается действию больших нагрузок и поэтому сквозная прокаливаемость не всегда необходима, более того, требуется вязкая, не закалённая на мартенсит сердцевина. При таких нагрузках важно обеспечить высокую контактную выносливость.

Для повышения прочностных свойств в цементуемых сталях увеличивают содержание С до 0,25…0,3 %.

В приложениях 1 и 2 (см. лабор. раб. по Спец сталям) приведены наиболее широко используемые цементуемые стали, их химический состав, режимы термообработки и механические свойства.

Благодаря цементации в поверхностном слое содержание углерода повышается до 0,8…1,2 %, что позволяет подвергать эти стали закалке и после низкого отпуска получить высокую твёрдость и контактную выносливость этого слоя. ЛЭ вводятся в цементируемые стали в количестве 1…7 %. Основными из них являются Cr (1…2 %), Cr в сочетании с Ni (1…4 %) или с Mn. Хромоникелевые стали дополнительно могут легироваться Mo (до 0,4 %) или W(~1 %), а хромистые и хромомарганцовистые - небольшим количеством (до 0,1 %) V или Ti для получения в сталях мелкого зерна.

Введение ЛЭ позволяет увеличить прочность в результате упрочнения феррита или аустенита и за счёт образования в сердцевине более высокопрочных структур сорбита, тростита или бейнита.

После медленного охлаждения стали после цементации (в равновесном состоянии) науглероженный слой имеет микроструктуру, представленную на рис. 3.2. Аустенит поверхностного слоя с содержанием углерода более 0,8 % С превращается в перлит и вторичный цементит (заэвтектоидная зона). Слой, содержащий» 0,8 % С, имеет структуру перлита (эвтектоидная зона). При содержании в науглероженном слое меньше 0,8 % С аустенит превращается при охлаждении в феррит и перлит, образуя переходную зону. За толщину науглероженного слоя принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны.

Рис. 3.2. Микроструктура поверхностного слоя цементованной стали, ´ 200.

 

Закалка легированных сталей производится в масле ввиду более низкой критической скорости закалки. Это уменьшает опасность образования трещин и деформации изделий сложной формы.

Углеродистые (нелегированные) цементуемые стали имеют невысокую прочность (до 500 МПа) и низкую прокаливаемость, поэтому они не могут быть использованы для изготовления нагруженных деталей больших размеров и сложной конфигурации. В цементуемых же легированных сталях прочность достигает _в = 800…1500 МПа, s_0,2 = 650…1300 МПа при относительном удлинении d = 10…14 % и ударной вязкости КСU = 0,6…1,0 МДж/м².

Наиболее распространёнными являются цементуемые стали марок 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА (ГОСТ 4543-71).

После термической обработки структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из мартенсита и повышенного количества (более 10 %) остаточного аустенита и имеет твёрдость 50…53 НRC. В случае высоколегированной стали для уменьшения количества более мягкого остаточного аустенита после закалки применяется обработка холодом. Так, например, окончательная термическая обработка деталей из стали 18Х2Н4ВА состоит из закалки, обработки холодом и последующего отпуска при 180…200 °С, при этом достигается твердость 58…62 НRC. Сущность термической обработки холодом заключается в охлаждении закалённой стали до М_к < 0 °С, с целью наиболее полного превращения остаточного аустенита в более твёрдый мартенсит. Обработка холодом применяется преимущественно для хромоникелевых сталей 12Х2Н4А, 12ХН2, 12ХН3А и др. после цементации и закалки.

Структура стали 12ХН3А после сложной термообработки (закалки с 860 °С в масле, закалки с 770 °С в масле и отпуска при 150 °С) представлена на рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3. Микроструктура цементованной стали 12ХН3А после двойной закалки и отпуска: а - поверхность, ´ 500; б - сердцевина, ´ 500.

 

Структура поверхностного слоя – мелкокристаллический мартенсит (рис. 3.3, а). Структура сердцевины представляет собой малоуглеродистый мартенсит (рис. 3.3, б). Мартенсит образовался в сердцевине вследствие сквозной прокаливаемости стали при данном сечении образца_. При этом закалка с 770…800 °С для сердцевины, содержащей 0,1…0,16 % С является неполной.

Улучшаемые легированные конструкционные стали. Улучшаемыми называются конструкционные стали, которые подвергаются термической обработке – улучшению, заключающейся в закалке с последующим высоким отпуском на структуру зернистого сорбита. В результате такой обработки эти стали обладают сочетанием высокой прочности и пластичности, обеспечивающие высокую надёжность изделий в работе при воздействии знакопеременных и динамических нагрузок. Поэтому улучшаемые стали являются наиболее распространёнными и применяются в зависимости от состава и свойств для изготовления шатунов, шестерён, осей, валов, дисков, роторов турбин и других тяжелонагруженных деталей.

В приложениях 3 и 4 приведены наиболее широко используемые улучшаемые стали, их химический состав, режимы термообработки и механические свойства.

Улучшаемые стали условно разделены на 5 групп.

К 1-й группе относятся углеродистые стали. Стали данной группы могут использоваться также в нормализованном состоянии. Ввиду малой прокаливаемости высокие механические свойства в них достигаются лишь в небольших сечениях (до 10 мм).

Ко 2-й группе относятся легированные стали преимущественно содержащие Cr и B, которые повышают прокаливаемость.

Стали 3-й группы кроме Cr дополнительно могут легироваться Mn, Mo (стали 40ХР, 30ХГС, 30ХМ, 30ХГТ). Ti в сталях этой группы способствует измельчению зерна.

В 4-ю группу входят стали с содержанием 1…1,5 % Ni. Они обладают повышенной прокаливаемостью, низким значением температуры хладноломкости и высокой конструкционной прочностью. Они прокаливаются до 40…70 мм.

Стали 5-й группы содержат 2…3 % Ni и дополнительно легированы Mo, W и рекомендуются для деталей сечением > 70 мм.

Среднее содержание углерода (0,30…0,50 %) в этих сталях необходимо для обеспечения достаточного эффекта упрочнения a – фазы за счёт дисперсных частиц карбидов в сорбите. В обычных углеродистых улучшаемых сталях из-за низкой прокаливаемости невозможно получить высокие свойства при сечениях изделий более 30 мм.

В состав легированных улучшаемых сталей вводят один или несколько упомянутых легирующих элементов. Суммарное их содержание не превышает 5…7 %. Поскольку основной целью введения ЛЭ является увеличение прокаливаемости, для изделий относительно небольших сечений применяют низколегированные стали, содержащие Cr (до 1,5 %), Mn, Si (по 1 %). Для изделий больших сечений целесообразно применять более легированные стали, содержащие до 1,5 % Cr, 3…4 % Ni и до 0,4 % Mo (или»1,0 % W). Такие стали обладают наибольшей прокаливаемостью. Особенно полезным ЛЭ в сталях для изделий, работающих в сложных условиях, является никель, который не только увеличивает прокаливаемость, но и повышает ударную вязкость и снижает критическую температуру хрупкости, особенно при дополнительном легировании Mo. Mo и W также уменьшают склонность стали к обратимой отпускной хрупкости, особенно сильно проявляющегося после отпуска при 550 ^оС. Кроме того, эти карбидообразующие элементы (Mo и W и др.) повышают температуру отпуска и позволяют получать более высокую пластичность. В отожженном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из феррита и перлита. Количество последнего больше, чем в углеродистых сталях с таким же содержанием углерода, вследствие уменьшения его концентрации в эвтектоиде.

Легированные улучшаемые стали подвергают закалке в масле, а затем отпуску. Механические свойства, которыми обладают легированные улучшаемые стали, находятся в следующих пределах: s_в = 700…1200 МПа; s_0,2 = 600…1100 МПа; y = 45…60 %; КСU = 0,5…1,2 МДж ¤ м².

Наиболее распространённые марки улучшаемых сталей: 40Х, 40ХС, 30ХГСА, 38ХА, 38ХН3МА, 40ХНМА и др. (ГОСТ 4543-71).

В качестве примера рассмотрим микроструктуру стали 30ХГСА (хромансиль) в равновесном состоянии, а также после закалки и высокого отпуска.

Химический состав стали: 0,28…0,35 % С; 0,9…1,2 % Si; 0,8…1,1 % Mn; 0,8…1,1 % Cr. Видно, что сталь содержит небольшое количество ЛЭ. В ней Mn, Si и Cr распределены между ферритом и цементитом, образуя легированные феррит и цементит.

На рис. 3.4, а показана микроструктура стали 30ХГСА после отжига при 860 °С, состоящая из перлита и феррита, а на рис. 3.4, б – микроструктура после закалки с 860 °С в масле и отпуска при 520 °С. Микроструктура представляет собой сорбит, сохранивший ориентировку мартенсита. Иногда этой стали после закалки даётся низкий отпуск при 200 °С. Тогда получается структура отпущенного мартенсита, обладающего более высокой прочностью, но меньшей ударной вязкостью, чем сорбит.

а б Рис. 3.4. Микроструктура стали 30ХГСА: а - после отжига при 860 °С, ´500; б - после закалки с 860 °С в масле и отпуска при 520 °С.

Легированные рессорно-пружинные стали. Специфические условия работы и особая форма рессор и пружин предъявляют высокие требования к сталям. От таких сталей не требуется высокая пластичность (относительное удлинение d = 5…10 % и сужение поперечного сечения y = 20…35 %), поскольку возникновение пластической деформации в них не допускается. Рессорно-пружинные стали характеризуются высоким отношением предела текучести к пределу прочности.

Для изготовления пружин, рессор и подобных им деталей выбирают конструкционные стали с повышенным содержанием углерода. Содержание С в них может быть повышено до 0,5…0,8 %, что позволяет существенно повысить предел прочности и предел упругости. Рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными ЛЭ в этих сталях являются Mn (»1 %) и Si (0,5....3 %), интенсивно повышающие упругие свойства. Дополнительно в эти стали вводят Cr, Ni, V и W. Прочность легированных рессорно-пружинных сталей достигает s_в = 1200…1900 МПа и даже выше.

Рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959-79 подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистая рессорно-пружинная сталь дешевле легированной, но отличается малой прокаливаемостью. Поэтому эти стали используют только для изготовления пружин малого сечения. По степени легированности и прочности эти стали можно разбить на три группы: 1) пониженной прочности; 2) средней прочности; 3) высокой прочности (приложение 5).

К первой группе относятся углеродистые стали (сталь 65, 70, 75, 85) с повышенным содержанием Mn (до 0,5…0,8 %), марганцовистая сталь 65Г и кремнемарганцовистая сталь 55ГС с 0,5…0,8 % Si и 0,6…0,9 % Mn.

Большинство сталей второй группы содержат 1,5…2,0 % Si за исключением сталей марок 50ХФА и 50ХФ2, которые дополнительно легируются Cr и V при пониженном содержании Si.

В сталях третьей группы при том же или более высоком содержании Si (70С3А содержит 2,4…2,8 % Si) и углерода содержатся также Cr, W, V и Ni. Высокие прочностные характеристики сталей второй и третьей групп объясняются введением Si при повышенном содержании углерода.

Пружинные стали подвергают закалке с 820…830 °С преимущественно в масле (стали 50С2 и 55С2 иногда закаливаются в воду) с последующим среднем отпуском при 410…480 °С на структуру троостита.

Наиболее распространёнными являются рессорно-пружинные стали марок 65Г, 55С2, 60С2А, 70С3А, 60С2ХА и др. (ГОСТ 14959-79).

Рассмотрим более подробно структуру некоторых пружинных сталей.

Марганцовистая сталь 65Г. Диаграммы изотермического превращения аустенита в марганцовистой стали различных марок по форме кривых не отличаются от диаграмм углеродистой стали, но линии превращения в области температур 500…600 °С сдвинуты вправо, что указывает на повышенную устойчивость аустенита (рис. 3.5, а). Поэтому марганцовистая сталь даже без термической обработки (в состоянии проката) или после нормализации имеет тонкую структуру перлитного типа и повышенные по сравнению с углеродистой сталью прочность, упругость и твёрдость. Более глубокая прокаливаемость марганцовистой пружинной стали обеспечивает её более высокую прочность, упругость и твёрдость. Она хорошо обрабатывается резанием, штампуется в холодном состоянии. В то же время, к недостаткам марганцовистых сталей можно отнести их склонность к росту зерна при нагреве и отпускную хрупкость. Эти недостатки устраняются дополнительным легированием.

а б Рис. 3.5. Диаграммы изотермического превращения аустенита: а - марганцовистая сталь 65Г; б - кремнистая сталь 55С2

Кремнистая конструкционная сталь. Кремний является дешёвым ЛЭ. Кремнистая конструкционная сталь марок 55С2 и 60С2 содержит 1,5…2 % Si, широко применяется для изготовления рессор и пружин. После термической обработки она приобретает высокую твёрдость и упругие свойства. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита стали этих марок (рис. 3.5, б) также отличается небольшим сдвигом линий превращения аустенита вправо (хотя и менее выражено). Кремнистые стали марок 55С2 и 60С2 по прокаливаемости одинаковы с марганцовистыми. Однако увеличение содержания Si в стали до 2…2,5 % повышает температуру перехода её в хрупкое состояние, вызывает резкое понижение вязкости, повышая хрупкость.

Кремнистая сталь 60С2 для автомобильных рессор. До термической обработки в состоянии проката микроструктура этой стали состоит из перлита с незначительными включениями феррита (рис. 3.6, а). После закалки с 860 °С в масле и отпуска при 500 °С получается в структуре тростит или сорбит отпуска с твёрдостью 415…363 НВ (рис. 3.6, б).

а б Рис. 3.6. Микроструктура рессорно-пружинных стали 60С2, х 750: а – после прокатки, б – после термической обработки.

Рессорно-пружинные стали должны иметь сквозную прокаливаемость, одинаковую структуру и свойства по всему сечению, высокие пределы упругости или пропорциональности, текучести и выносливости, повышенную релаксационную стойкость.Марки некоторых рессорно-пружинных сталей и их химический состав приведены в приложении 6.

Сталь шарикоподшипниковая. Сталь подшипниковая (ГОСТ 801-78) предназначена для изготовления деталей подшипников качения (колец, шариков, роликов), а также для изделий, от которых требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (кулачки, детали насосов высокого давления и др.).

Сталь для подшипников качения должна иметь высокую твёрдость, износостойкость и сопротивляемость контактной усталости. Такими свойствами обладают высокоуглеродистые хромистые стали высокого качества при крайне малом количестве неметаллических включений и незначительную карбидную неоднородность.

Выпускаются следующие марки подшипниковых сталей: ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. В обозначении марки стали буквы обозначают: “Ш”-шарикоподшипниковая, “Х”- хромистая. Цифра показывает содержание хрома в десятых долях. Содержание углерода в этих сталях составляет (0,95…1,15 %), который обеспечивает высокую твёрдость в рабочем состоянии. Эти стали легируются Si и Mn для повышения прокаливаемости, однако ЛЭ в марке стали указываются только при их превышении более 0,4 % Si и Mn в отдельности.

Стали, имеющие в обозначении марок буквы С и Г обозначают, что они легированы Si (до 0,85 %) и Mn (до 1,7 %). Хром повышает твёрдость и износостойкость стали и также обеспечивает высокую прокаливаемость. Причём, хром уменьшает критическую скорость закалки и увеличивает прокаливаемость стали тем в большей мере, чем выше его содержание. Кроме того, в присутствии Cr в стали образуется легированный цементит (Fe, Cr)₃ C, повышается степень дисперсности его частиц и, в определённой степени, увеличивается массовая доля частиц цементита в термически обработанной стали. Для ещё большего увеличения прокаливаемости в сталь ШХ15 дополнительно добавляют Si (0,4…0,65 %) и Mn (0,9…1,2 %). Сталь этого состава обозначается как ШХ15ГС.

Отдельные детали подшипников (шарики, ролики, кольца) получают ковкой, штамповкой, раскаткой, а затем обработкой резанием. Поэтому перед обработкой резанием эти детали подвергают смягчающему отжигу при температуре 790…810 °С в течение 2…6 ч с охлаждением до 650…550 °С в печи, затем на воздухе. Эти детали подвергаются так же нормализации с нагревом до 920…950 °С с кратковременной выдержкой (10…25 мин), при которой устраняется крайне опасная сетка вторичного цементита и при необходимости получается тонкопластинчатый перлит. Затем следует высокий отпуск при 650…700 °С с выдержкой 1…3 ч и охлаждением на воздухе. Эту операцию проводят в случае, когда при работе подшипников возникают очень высокие контактные напряже-ния. Окончательная термическая обработка деталей подшипников состоит из закалки в масле и низкотемпературного отпуска. Температура нагрева под закалку для сталей ШХ15 и ШХ15СГ – 830…880 °С, с выдержкой 20…80 мин в зависимости от сечения с охлаждением в масле. Отпуск на твердость не ниже 61…65 HRC, производится при 150…160 °С с продолжи-тельностью 2…3 ч в зависи-мости от размера детали.

Рис. 3.7. Микроструктура стали ШХ15 после закалки и низкого отпуска (мартенсит, карбиды), х 500.

Структура стали в рабочем состоянии – мелкокристаллический мартенсит с равномерно распределенными включениями карбидов типа (Fe,Cr)₃C. Такая структура стали ШХ15 после закалки и низкого отпуска представлена на рис. 3.7. После такой термической обработки сталь ШХ15 имеет следующие характеристики: s_в = 2500…2600 МПа; КСU = 200…250 кДж/м² (для образцов без надреза).

Перечисленные марки сталей имеют различную прокаливаемость. Сталь ШХ15 рекомендуется для изготовления деталей подшипников с толщиной стенки не более 20 мм, сталь ШХ15СГ – для изделий с размером сечения более 20…30 мм. Из ШХ15 изготавливают так же другие детали (валики, кулачки, копиры, оси рычагов) высокой износостойкости, твердости и контактной прочности.

Для изготовления подшипников, втулок, осей, ножей высшего качества, работающих в агрессивных средах (морская вода, влажный пар, растворы некоторых кислот и щелочей), рекомендуется коррозионностойкая сталь 95Х18 мартенситного класса (режим термообработки – закалка в масле с температуры 1000…1050 °С, отпуск при 140…150 °С с выдержкой 2…4 ч на твердость не ниже 56 HRC).

Подшипники, испытывающие в процессе работы большие динамические нагрузки (подшипники с диаметром наружного кольца 500 мм и более), изготавливают из цементуемых сталей 18ХГТ, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А. При этом толщина цементованного слоя зависит от условий их службы в этих подшипниках.

К износостойким сталям относится высокомарганцовистая сталь марки 110Г13Л, известная под на­званием стали Гадфильда. Она содержит 0,9...1,2 % С; 11,5...14,5 % Мn; 0,4...0,9 % Si, <0,3 % Сr и небольшое количество се­ры, фосфора, хрома, никеля и меди. Высокая износостой­кость этой стали сочетается с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Для получения такого сочетания свойств детали из стали 110Г13Л подвергают закалке при 1050…1100 °С в воде.

Свойства ее после закалки: σ_в = 800…1000 МПа; φ = 40…50 %; δ = 35…45 %.

Сталь 110Г13Л используют для отливок, работающих в условиях ударно-абразив­ного износа, в частности для зубьев ковшей, экскавато­ров, траков гусеничных машин, железнодорожных стре­лок и крестовин, бронеплит и дробилок и т. п.