Конструкційні леговані сталі

Конструкційні сталі в залежності від комплексу обробок для одержання оптимальних службових властивостей деталей, а також за призначенням поділяються на такі групи:

1) сталі, що цементуються;

2) сталі, що поліпшуються;

3) ресорно-пружинні сталі;

4) високоміцні сталі;

5) кулькопідшипникові сталі;

6) зносостійкі сталі.

Сталі, що цементуються. До цієї групи належать низько- та середньолеговані сталі з вмістом вуглецю від 0,1 до 0,25%, які забезпечують після цементації (чи ціанування), гартування та низького відпускання високу поверхневу твердість (HRC 58…62) при в¢язкій, але достатньо міцній серцевині (HRC 35…45, КСU = 0,6…1,0 МДж/м²). Такі сталі використовують для виготовлення деталей машин, що працюють в умовах змінних і ударних навантажень і одночасно на зношення.

Основними легуючими елементами сталей цієї групи є Cr, Mn, Ni, Mo, Ti, V, B, W тощо. Карбідо- та нітридоутворючі елементи (Cr, Mn, Mo та ін.) підвищують прогартовуваність, поверхневу твердість, стійкість до зношення і контактну витривалість. Nі підвищує в’¢язкість серцевини та поверхневого шару і знижує поріг холодноламкості. Легування сталі ванадієм, титаном, алюмінієм п ризводить до утворення дисперсних нітридів (VN, TiN, AlN), карбідів (TiC, VC), що сприяє подрібненню зерна. А це забезпечує зниження крихкості та підвищення в’язкості сталі, що дуже важливо при роботі в умовах динамічних і знакозмінних навантажень. Бор підвищує прогартовуваність і міцність сталі, але знижує її в’язкість і пластичність.

Леговані сталі, що цементуються, за механічними властивостями поділяють на дві групи: сталі середньої міцності з s_0,2 <700 МПа (15Х, 15ХФ) і підвищеної міцності з s_0,2 =700…1100 МПа (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА та ін.).

Сталі, що поліпшуються. До цієї групи відносять сталі, які використовують після поліпшення (гартування+високе відпускання). Ці сталі (40Х, 40ХН, 40ХФА,. 30ХГСА тощо) містять 0,3…0,5 % С і 1…6 % легуючих елементів. Сталі загартовують з 820…860 °С у маслі, а високе відпускання проводять при температурах 500…560°С з подальшим охолодженням у воді, маслі або на повітрі (залежно від складу сталі). Структура сталі після такої обробки – сорбіт відпуску. Сталі цієї групи застосовують для виготовлення відповідальних деталей (валів, шатунів, штоків та інших деталей), які працюють в умовах циклічних або ударних навантажень. Тому сталі, що поліпшуються, повинні мати високі значення s_0,2, d, y, КСU тамалу чутливість до надрізу. Основними легуючими елементами сталей цієї групи є Cr, Ni, V, Mn, Si, Mo, W, B. Легуючі елементи підвищують міцність і прогартовуваність сталі. Крім того, ванадій (~0,15 %) сприяє подрібненню її зерна і підвищенню в¢язкості, Мо і W усувають відпускну крихкість.

Ресорно-пружинні сталі. Основні вимоги до сталей цієї групи - це забезпечення високих значень s _пр, s_т(s_0,2), s_-1, а також необхідної пластичності та опору крихкому руйнуванню.

Сталі для пружин і ресор містять 0,5...0,75 % вуглецю. Їх легують кремнієм (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %) і нікелем (до 1,7 %). Широке застосування мають кремнисті сталі 55С2, 60С2А, 70С3А. Кращі технологічні властивості, ніж у кремнистих сталей, має сталь 50ХФА, яку широко використовують для виготовлення ресор і клапанних пружин.

Термічна обробка легованих ресорно-пружинних сталей складається з гартування (t_н =850…880 °С) та середнього відпускання (t_н =400…480°С).

Для сталей, які використовуються для пружин і ресор, необхідно забезпечити наскрізну прогартовуваність деталей для отримання після відпускання структури трооститу по всьому перерізу. Високі пружні та міцнісні властивості пружинної сталі досягаються також при ізотермічному гартуванні. Суттєве підвищення границі витривалості ресор досягається їх поверхневим наклепом (дробоструменева чи гідроабразивна обробка), у процесі чого в поверхневому шарі деталей утворюються залишкові напруги стиску.

Високоміцні сталі. Це сталі, що мають границю міцності 1500…2000 МПа і більше, достатній запас пластичності та в’язкості. До високоміцних сталей належать:

- середньовуглецеві комплексно-леговані сталі, які використовують після гартування з низьким відпусканням або після термомеханічної обробки (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 38ХН3МА);

-мартенситностаріючі сталі (03Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т);

-метастабільні аустенітні (ТРІП, ПНП) сталі (ТRІР - Траnsformation Induced Plasticity, ПНП - пластичність, наведена перетворенням).

Термомеханічна обробка забезпечує середньовуглецевим сталям типу 30ХГСН2А і 40ХН2МА високу міцність (s_в= 2000…2800 МПа) при достатній пластичності (d =8…6 %) і в’язкості (КСU= 0,30…0,15 МДж/м²).

Мартенситностаріючі сталі зміцнюються за рахунок мартенситного (g ® a) перетворення, яке супроводжується фазовим наклепом, і штучного старіння при 450…500°С, коли з мартенситу виділяються дисперсні частинки інтерметалідів типу Ni₃Ti, NiTi, Fe₂Mo тощо. Механічні властивості після старіння: s_в= 2000 МПа, s_0,2= 1800 МПа, d= 12 %, Y= 50 %, КСU= 0,50 МДж/м². В’язкість руйнування К_1с= 50…70 МПа×м^1/2. Основним легуючим елементом мартенситностаріючих сталей є нікель. Ефективність старіння підвищують додатковим легуванням сталі титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом. Підвищення в’язкості цих сталей забезпечується низьким (£0,03 %) вмістом вуглецю.

Мартенситностаріючі сталі використовують у літако- і ракетобудуванні, а також у кріогенній техніці - завдяки високій пластичності і в’язкості при низьких температурах.

У метастабільних аустенітних (ТРІП, ПНП) сталях поєднання високої міцності та пластичності забезпечується підбором певного складу сталі, режимів термічної обробки та температурного деформування. До цієї групи належать сталі, що містять 0,2…0,3 % С, 8…10 % Сr, 8…25 % Ni, 2…6 % Mo 1…2,5 % Mn, до 2 %Si, наприклад, 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1. Склад сталі повинен бути таким, щоб точка М_п лежала нижче 0°С. Для отримання підвищеної міцності такі сталі після гартування з 1000…1100 °С піддають пластичному деформуванню з великими ступенями деформації (50…80 %) в інтервалі температур 450…600 °С. У результаті відбувається наклеп аустеніту, а також його збіднення вуглецем і легуючими елементами внаслідок виділення карбідів і додаткове дисперсійне зміцнення. Після гартування, наклепу і деформаційного старіння аустеніту ТРІП-сталі набувають оптимальних механічних властивостей: s_в= 1800…2000 МПа, s_0,2= 1400…1700 МПа, d> 20 % (до 100…150 %) тощо.

Кулькопідшипникові сталі повинні мати високу твердість, міцність, стійкість проти зношення та контактну витривалість. Це досягається підвищенням якості сталі шляхом позапічної обробки синтетичними шлаками, електрошлакового чи вакуумно-дугового переплавлення. В якості кулькопідшипникових використовують високовуглецеві (~1 % С) хромисті сталі (ШХ4, ШХ15). Для деталей великих перерізів такі сталі додатково легують Мn та Si, що дозволяє збільшити їх прогартовуваність (ШХ15СГ). Як попередню термічну обробку застосовують сферодизуюче відпалювання, а в якості заключної - гартування у маслі з нагріванням до температур 840…860 °С і низьке відпускання при 150…170 °С. Після такої обробки структура сталі складається з мартенситу і дрібних частинок карбідів, а твердість досягає HRC 61…63. Для підшипників, що працюють в агресивних середовищах, використовують нержавіючу сталь 95Х18.

Стійкі до зношення сталі. Стійкість деталей до зношення звичайно забезпечується підвищеною твердістю поверхні. Представником цієї групи є високомарганцева аустенітна сталь 110Г13Л (1,10 % С, 13 % Мn, Л - ливарна). Ця сталь після гартування у воді з нагріванням до температур 1050…1100 °С отримує однофазну аустенітну структуру і має низьку твердість (180…220 НВ) і високу пластичність (d = 34…53%, Y= 34…43%). Але при такій низькій твердості деталі, виготовлені з цієї сталі, успішно працюють на зношування в умовах абразивного тертя, яке супроводжуються дією високого тиску і великих динамічних навантажень (характерно для траків гусениць, щок дробарок, стрілок рейок, зубів ковшів екскаваторів тощо). Це пояснюється підвищеною схильністю цієї сталі до наклепу. Висока стійкість сталі до зношення досягається не тільки деформаційним зміцненням аустеніту, але й утворенням мартенситу з гексагональною (ε) або ромбоедричною (έ) гратками. Твердість сталі після деформування на 70 % підвищується до 530 НВ.

Вироби, які працюють в умовах кавітаційного зношування, виготовляють із сталей 30Х10Г10, 0Х14Г12М.

Інструментальні сталі

Інструментальні сталі поділяють на чотири типи:

- пониженої прогартовуваності (переважно вуглецеві);

- підвищеної прогартовуваності (леговані);

- штампові;

- швидкорізальні.

До особливої групи інструментальних матеріалів належать тверді сплави.

Леговані інструментальні сталі. До цієї групи належать сталі, які містять 1...3 % легуючих елементів і мають підвищену прогартовуваність (наприклад, 9ХС, ХВГ, ХВ5). Інструменти з цих сталей загартовують у маслі. Після гартування проводять низьке відпускання. Твердість після такої обробки – НRС 65...62 (в залежності від температури відпускання). Сталі цієї групи використовують для інструментів, які нагріваються у процесі роботи до температур не вище 200…250 °С.

Швидкорізальні сталі. На відміну від інших інструментальних сталей, швидкорізальні сталі мають високу теплостійкість (червоностійкість), тобто здатність зберігати мартенситну структуру при підвищених температурах (до 600…650 °С). Основними легуючими елементами швидкорізальних сталей, які забезпечують їх теплостійкість, є W i Mо. Підвищує теплостійкість (до 645…650 °С) і твердість після термічної обробки (НRC 67…70) Со, уменшій мірі - V. Ванадій, утворюючи дуже твердий карбід VC, підвищує стійкість інструменту до зношення, але погіршує здатність до шліфування.

До найрозповсюдженіших швидкорізальних сталей належать марки Р18, Р9, Р6М5. Ці сталі рекомендуються для всіх видів інструментів при обробці вуглецевих і легованих сталей. Для обробки високоміцних, нержавіючих, жароміцних сталей і сплавів застосовують сталі, які містять кобальт:Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р9К5тощо.

Швидкорізальні сталі відносяться до ледебуритного класу. Їх фазовий склад у відпаленому стані представляє собою легований ферит і карбіди. Кількість карбідної фази в сталі Р18 досягає 25…30 %, а в сталі Р6М5 – 22 %. У структурі литої швидкорізальної сталі є складна евтектика, яка розміщується по границях зерен.

Для надання швидкорізальній сталі високої твердості і теплостійкості її піддають гартуванню і багатократному відпусканню.

Температура гартування сталі Р18 становить 1270 °С, а Р6М5 – 1220 °С. Такі високі температури необхідні для більш повного розчинення карбідів в аустеніті і отримання після гартування більш стійкого мартенситу. Структура швидкорізальної сталі після гартування складається з високолегованого мартенситу, що містить 0,3…0,4 % С, надлишкових карбідів і залишкового аустеніту, кількість якого становить 25…30 % у сталі Р18 і 28..34 % - у сталі Р6М5. Залишковий аустеніт знижує твердість і різальні властивості сталі. Для усунення залишкового аустеніту інструмент піддають триразовому відпусканню при 550…570°С з витримкою при цій температурі 45…60 хв. Вміст аустеніту зменшується до 2 %, а твердість підвищується з HRC 62 до HRC 64. Інколи для зменшення вмісту залишкового аустеніту безпосередньо після гартування інструмент охолоджують до -80 °С, після чого проводять одно- або двократне відпускання при 550…570 °С.

Штампові сталі застосовують для виготовлення штампів холодного та гарячого деформування, пуансонів, матриць, фільєр, прес-форм для лиття під тиском.

Сталі для штампів холодного деформування повинні мати високу твердість та стійкість до зношення, високу в’язкість, а сталі для штампів гарячого деформування - додатково повинні мати високу теплостійкість, термостійкість і теплопровідність. Для штампів холодного деформування застосовують сталі Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1 тощо, а для штампів гарячого деформування - 7Х3, 5ХНМ, 4ХМФС, 3Х2В8Ф тощо. Сталі для штампів холодного деформування піддають гартуванню і відпусканню на твердість в межах HRC 58…63 (в залежності від призначення). Сталі для штампів гарячого деформування піддають гартуванню і відпусканню на твердість в межах HRC 38…50.

Інструментальні тверді сплави одержують методом порошкової металургії. Вони складаються з карбідів таких тугоплавких металів, як вольфрам, титан і тантал (WC, TiC, TaC), які зв’язуються кобальтом. У промисловості застосовують тверді сплави трьох груп:

- вольфрамові, які складаються з карбіду вольфраму (WC) і кобальту (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10);

- титановольфрамові, до складу яких входять карбіди вольфраму і титану (WC, TiC) ікобальту (Т30К4, Т15К6, Т14К8 тощо);

- титанотанталовольфрамові, до складу яких входять карбіди вольфраму, титану і танталу (WC, TiC, ТаС) ікобальту(ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 тощо).

Літери, які стоять на початку марки, позначають групу: В - вольфрамова, Т - титановольфрамова, ТТ – титанотанталовольфрамова. Літера К позначає кобальт, а число за цією літерою - вміст кобальту в цілих відсотках. Число, яке стоїть за літерою Т, вказує на вміст карбіду титану в цілих відсотках, а за двома літерами ТТ - на сумарний вміст карбідів титану і танталу в цілих відсотках.

Структура твердих сплавів - це частинки карбідів, навколо яких розташовано кобальт. При високому вмісті ТіС (Т30К4) структура сплаву складається із твердого розчину карбіду вольфраму в карбіді титану і кобальту, тому що карбід вольфраму повністю розчиняється у карбіді титану. Зі збільшенням вмісту кобальту у сплаві стійкість до зношення знижується, а експлуатаційна міцність підвищується.

Характерною особливістю твердих сплавів є їх висока червоностійкість, яка досягає 800…1000 °С, і твердість - HRA 87…92, а недоліками - підвищена крихкість і мала міцність на розтяг.