Цементируемые и нитроцементируемые стали

Для изготовления деталей, работающих под действием дина­мических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют низкоуглеродистые стали, содержащие обычно не более 0,2 % С, подвергаемые цементации, закалке и низкому отпуску.

Твердость поверхности готовой детали должна составлять около 62-64 HRC, а сердцевины 20-40 HRC. В отличие от слабопрокаливающихся углеро­дистых сталей при цементации и термообработке легированных сталей происходит дополнительное упрочнение сердцевины. Это упрочнение тем больше, чем более легирована сталь.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины разли­чают три группы цементуемых сталей: с неуп­рочняемой, слабо- и сильно упрочняемой сердцевиной (табл. 12.13).

К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20.(ГОСТ 1050). Их применяют для малоответственных деталей с неупрочняе­мой сердцевиной и деталей небольших размеров. Под цементо­ванным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-перлитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали марок 15Х, 20Х, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пла­стичность и вязкость стали.

Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, имеющих боль­шое сечение или сложную конфигурацию, или для деталей, под­вергающихся действию больших знакопеременных напряжений. В состав этих сталей вводят никель: 20ХН, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, Вследствие его дефицитности никель иногда заменяют марган­цем, вводя кроме того небольшое количество титана или ванадия для измельчения зерна (18ХГТ). Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом или молиб­деном (например, сталь марки 18Х2Н4ВА или 18Х2Н4МА) допол­нительно стабилизирует переохлажденный аустенит, а следова­тельно, еще больше увеличивает прокаливаемость стали. В резуль­тате закалки в масле сердцевина деталей приобретает структуру мартенсита. Такие стали применяют для крупных тяжелонагру­женных деталей типа зубчатых колес, осей и др. Эти детали ус­тойчивы к динамическим нагрузкам.

Улучшаемые стали

Улучшаемые конструкционные стали  - среднеуглеродистые стали (0,3-0,5 % С), содер­жащие не более 5 % легирующих элементов, используемые после операции термоулучшения, состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в мас­ле. Температура отпуска составляет 550-650 °С.

После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки.

Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, ма­лую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.

В случае сквозной прокаливаемости после одинаковой термо­обработки свойства различных марок улучшаемых сталей близки между собой. Поэтому выбор той или иной марки улучшаемой стали в каждом конкретном случае обусловлен прокаливаемостью стали, сечением детали и сложностью ее конфигурации, наличием концентраторов напряжений.

Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на пять групп. С увеличением номера группы растет степень легирования и раз­мер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость (табл. 12.14.). В этой таблице порог хладноломкости указывает температура, при которой в изломе ударных надрезанных образ­цов имеется не менее 50 % волокнистой составляющей.

Обычное содержание кремния в улучшаемых сталях составляет 0,17-0,37 %, марганца 0,5-0,8 %, фосфора и серы менее 0,035 %.

К группе I относятся углеродистые стали марок 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D₉₅ до 10 мм, при котором дости­гается сквозная прокаливаемость, и содержащие в структуре не менее 95 % мартенсита.

Группа II представлена хромистыми сталями марок ЗОХ, 40Х. Критический диаметр D₉₅ = 15...20 мм. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода. Для них необходимо быстрое охлаждение после отпуска (в масло, воду).

В группу III входят хромистые стали, дополнительно легиро­ванные еще одним или двумя элементами ЗОХМ, 40ХГ, ЗОХГТ (D₉₅= 20...25 мм). Для увеличения прокаливаемости в хромистые стали допол­нительно вво дят марганец (40ХГ) и бор (40ХР); молибден (ЗОХМ) вводят для снижения отпускной хрупкости второго рода.

Высокими свойствами обладают принадлежащие к этой груп­пе стали, называемые хромансилями; 20ХГС, ЗОХГС. Эти стали хорошо свариваются при высокой прочности _в =1200 МПа и KCU =  0,4 МДж/м². Их недостатком является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

К группе IV относятся хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni: 40XH, 40ХНМ. Их критический диаметр D₉₅ = 40 мм.Эти стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости, чем стали предыдущих групп. Группу V составляют комплекснолегированные стали, содержащие 3-4 % Ni: 38ХН3М, 38ХН3МФА. Эти стали относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей: D₉₅ =100мм и более, при низкой склонности к хрупкому разрушению. Из этих сталей изготавливают сложные по конфигурации изделия, работающие при ударных нагрузках.

Для сталей типа 30ХГСН2А целесообразно для достижения высокопрочного состояния использовать изотермическую закалку.

Механические свойства стали 30ХГСН2А после стандартной термической обработки и изотермической закалки по разным режимам приведены в табл.12.15.При этом изотермическая закалка при 240°С позволяет при том же уровне прочности повысить величину относительного сужения, и уменьшить величину деформации материала, так как изотермическая обработка уменьшает величину остаточных напряжений.

Т а б л и ц а  12.15

                Механические свойства стали 30ХГСН2А

Механические свойства	Режимы обработки
	Закалка в масле, отпуск 240°С	Изотермическая  закалка при 200°С, отпуск 200°С	Изотермическая закалка при 240°С,  отпуск 200°С
0.2,МПа	1350	1190	1360
,%	45	55	58
Δ, мм*	0,9	0,14	0,05
*-ДЕФОРМАЦИЯ КОЛЕЦ Френча после разрезания

 

Часто изделия из улучшаемых сталей работают в условиях повышенного износа, примеры использования технологий поверхностного упрочнения, обеспечивающие необходимую износостойкость, приведены в разделе 20.

                                                                                                  Т а б л и ц а 12.13.

Химический состав и механические свойства некоторых цементуемых (нитроцементуемых) сталей (ГОСТ 4543-71)

 

Сталь	Содержание элементов, %									Режим термической обработки					sв	s	d	y	КСV   Мдж /м^2	рабочее сечение, мм**
	C		Mn			Cr		Ni/ Другие элементы		tзак ,^0С среда		tотп ,^0С среда			Мпа		%
Хромистая сталь
20Х	0,17-0,23			0,5-0,8		0,7-1,0			-/-	1.880, в.м. 2.770-820, в.м.		180, воз.м.			800	650	11	40	0,6	35
Хромомарганцевые стали
18ХГТ*     20ХГР   25ХГТ*     25ХГМ     30ХГТ*		0,18 -0,24     0,17-0,23     0,22-0,29     0,23-0,29   0,24-0,32			0,8-1,1     0,7-1,0     0,8-1,1     0,9-1,2   0,8-1,1		1,0-1,3     0,75-1,05   1,0-1,3     0,9-1,2   1,0-1,3		-/-   -/-   -/-   0,2 -0,3 Мо   -/-	1.880-950, воз. 2.870,м   880,м.     1.880-950, воз 2.850-860,м   880-950,воз   880-950,воз   850 м			200, воз.м.   200, воз.м     200,в.м     200, воз.   200м.	1000   1000     1300-1500     1200   1500		900   800     1000-1100     1100   1300	9   9     9-10   10   9	50   50     45-50     45   40	0,8   0,8     0,6-0,7   0,8   0,6	35   40-60     60-80   60-80   60-80
Хромникельевые стали
12ХНЗА     12Х2Н4А   (20Х2Н4А)		0,9-0,16     0,9-0,15   (0,16-0,22)			0,3-0,6     0,3-0,6		0,6-0,9     1,25-1,65		2,75-3,15/-   3,25-3,65/-		1.860,м 2.760- 810, м   1.860,м 2.760-800м	180, воз.м.     180, воз.м.			950   1150   1300	700   950   1100	11   10   9	55   50   45	0,9   0,9   0,8	60-80   100-120   -
Хромомарганцевоникелевые стали
15ХГН2ТА*		0,13-0,18			0,7-1,0		0,7-1,0		1,4-1,8/-		1.960, воз. 2.840, м	180 воз.м.			950	750	11	55	1,0	50-70
Хромоникельмолибденовая сталь
18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА)		0,14-0,2			0,25-0,55		1,35-1,65		4,0-4,4 /0,3-0,4 Mo(W) (0.8-1.2 W)		1. 950, м. 2 860, воз	200, воз.м.			1150 (1050)	850 (800)	12 (12)	50 (50)	1,0 (1.2)	120 и более (120 и более)

Примечание.1 – первая закалка, 2 – вторая закалка, в – вода, м- масло, воз. – воздух.

*стали содержат 0,03-0,09Ti

**Максимальное

Та б л и ц а  12.14.

Химический состав, термическая обработка и механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей

 

Сталь	Содержание элементов, %									Режим термической обработки				sв		s0,2		d		y	КСV, Мдж /м^2	Порог Хладоломкости ^0С
	C			Mn	Cr			Ni/ Другие элементы		tзак ,^0С среда		tотп ,^0С среда		Мпа				%				tB	tH
Стали, прокаливающиеся в сечениях до 25-35 мм
30Х     40Х     40ХФА	0,24-0,32 0,36-0,44 0,37-0,44			0,5-0,8   0,5-0,8     0,5-0,8	0,8-1,1   0,8-1,1   0,8-1,1			-   -   - -   - / 0,1-0,18V		860, м.   860, м.   880, м.		500, в.м.   500, в.м.   650, в.м.		900   1000   900			700   800   750	12   10   10		45   45   50	0,7   0.6   0.9	0   0   0	-100   -100   -100
Стали, прокаливающиеся в сечениях до 50-75 мм
40ХГТР*     30ХГС     40ХН	0,38-0,45 0,28-0,35 0,36-0,44		0,7-1,0   0,8-1,1     0,5-1,8			0,8-1,1   0,8-1,1     0,45-0,7	-/0,03-0,09 Ti   -/0,9-1,2Si   1,0-1,4/   -			840  м   880  м   820  м			550 ,в.м. 540 ,в.м   550 ,в.м		1000     1100     1000		800     850     800	11     10     11		45     45     45	0,8     0,45     0,7	40     20     -30	-60     -60     -100
Стали, прокаливающиеся в сечениях до 75 –100 мм
30ХНЗА     40ХН2МА	0,27-0,33   0,37-0,44		0,3-0,6     0,5-0,8			0,6-0,8     0,6-0,9			2.75-3.15/-     1.25-0.65/ 0.15-0.25 Mo	720 м     850 м		530 в.м.     620 воз			1000   1100		800   950	10   12		50   50	0,8   0,8	-40   -40	-120   -120
Стали, прокаливающиеся в сечениях более100 мм
36Х2Н2МФА*   38ХН3МФА		0,33-0,4   0,33-0,4	0,25-0,5   0,25-0,5			1,3-1,7   1,2-1,5			1,3-1,7/0,2-0,3 Mo,   3,0-3,5/ 0.35-0.45 Mo		850 м   850 м		600 воз   600 воз		1200     1200		1100     1100		12     12	50     50	0,8     0,8	-60     -60	-120     -140

 

* стали содержат 0,1-0.18V

 

 

Высокопрочные стали.

Высокопрочными называют стали с временным сопротивлением более 1600 МПа. Высокопрочное состояние может быть достигнуто при использовании закалки и низкого отпуска среднеуглеродистых комплекснолегированных сталей. Однако применение низкоотпущенных сталей, обладающих низкой пластичностью и вязкостью, возможно лишь при отсутствии динамических нагрузок в процессе эксплуатации изделий. Сталь в высокопрочном состоянии после термической обработки на структуру бейнита или отпущенного мартенсита имеет более высокие значения усталостной прочности в том случае, если плавка проводилась в вакууме (табл.12.16)

Т а б л и ц а  12.16

 

Влияние технологии выплавки (на воздухе и в вакууме) на циклическую прочность стали (0,36% С, 0,37%Mn, 1.69%Cr, 3.75 %Ni, 0.31 % Mo; 0.39% Si; 0.009%P; 0.005 %S; 0.0097%N).

 

№	Технология  выплавки	Термическая Обработка (структура)	sв МПа	sR МПа
1	Выплавка на воздухе	Мартенсит отпуска (tотп - 440°С)	1900	712-792
	Выплавка в вакууме			816..896
2	Выплавка на воздухе	Бейнит	1500	625-725
	Выплавка в вакууме			694..763

 

Достижение высокопрочного состояния без снижения работоспособности конструкций достигается при использовании термомеханической обработки и новых высокопрочных материалов таких как мартенсито- стареющие стали(МСС) и ПНП- стали (пластичность наведенная превращением).

Комбинированное термомеханическое воздействие.

 Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) обеспечивает повышение прочности стали, в том числе усталостной, по сравнению с закалкой и отпуском без снижения пластичности, в ряде случаев пластичность может возрастать (табл.12.17).

Т а б л и ц а 12.17

 

Влияние обработки и структуры на свойства стали (0,36% С, 0,37%Mn, 1.69%Cr, 3.75 %Ni, 0.31 % Mo; 0.39% Si; 0.009%P; 0.005 %S; 0.0097%N).

 

Вид обработки стали	s0,2, МПа	sв, МПа	sR, Мпа	d, %	y, %	Твердость HV
ВТМО	1495	1580	920	11,9	56,2	457
Закалка + отпуск	1377	1520	820	11,8	50,9	455
ВТМО*	1540	2068	1010	12,1	54,0	576
Закалка + отпуск*	1543	1974	840	11,2	49,3	557

*- сталь выплавлена в вакууме.

 

Более значительно при применении ВТМО по сравнению с закалкой и отпуском возрастает предел текучести и усталостная прочность. Выплавка в вакууме значительно позволяет повысить предел прочности стали,в меньшей степени предел текучести и не влияет на усталостную прочность высокопрочной стали(табл.12.18).

Т а б л и ц а  12.18.

Механические свойства высокопрочных сталей.

 

Стали (уровень sв,МПа)	обработка	s0.2, Мпа	sR, МПа	sв, МПа	d,%	y,%	Твердость HV
1400	ВТМО,отпуск 400^0С –30мин	1315	-	1382	11,6	60,8	433
	845^0С-30мин закалка в масле	1240	-	1349	11,1	57,7	423
2000	ВТМО,отпуск 200^0С-30мин	1602	820	1982	12,1	54,8	570
	845^0С-30мин закалка в масле	1416	700	1925	9,0	25,6	582
2000 (плавка в вакууме)	845^0С-30мин закалка в воде	1587	700	2007	11,8	43,9	574

Сталь вакуумной плавки имеет более высокие механические свойства, по сравнению со свойствами стали обычной выплавки, но и в этом случае ВТМО обеспечивает дополнительное повышение механических свойств по сравнению со стандартной термической обработкой.

ВТМО коррозионностойких аустенитных сталей типа (08-12)Х18Н10Т даже при охлаждении проката на воздухе позволяет повысить предел текучести до 500 МПа при относительном удли­нении около 50 %.

Термомеханическая обработка применяется для повышения свойств инструментальных и мартенситностареющих сталей, а также некоторых титановых сплавов, в частности сплавов с эф­фектом памяти формы на основе никелида титана.

Мартенситностареющие стали.

 В сталях с интерметаллидным упрочнением (мартенситностареющих сталях) упрочнение достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превращения и старения мартенсита. Основным легирующим элементом является никель в количестве 17-26%, в состав стали входят также титан, алюминий, молибден, ниобий и кобальт. Широкое распространение имеет сталь 03Н18К9М5Т, содержащая не более 0,03% С, 17-19% Ni, 7-9% Co, 4-6% Mo, 0,5% Ti. Сталь подвергается закалке (нагрев при температуре 800-850°С, охлаждение на воздухе), в закаленном состоянии сталь имеет структуру мартенсита со следующими свойствами: _в = 1200 МПа; ₀₂ = 1000 МПа;  =20 %; = 75 %; KCU = 2,0 МДж/м². В закален­ном состоянии сталь хорошо обрабатывается давлением, резанием и хорошо сваривается.

Мартенситностареющая сталь получает основное упрочнение при старении, т. е. отпуске при 450-520 °С., что связано с выделением из мартенсита дисперсных частиц интерметаллидов типа Ni₃Ti, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti, Al) и др. Если интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и имеют очень ма­лые размеры, то в этом случае достигается наибольшее упрочне­ние. Легирование кобальтом увеличивает эффект старения. Хром упрочняет мартенсит. Меха­нические свойства после старения: _в = 1900-2100 МПа, _0,2 = 1800-2000 МПа,  = 12 %,  = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м². При высокой прочности сталь сохраняет высокое сопротивление хрупкому разрушению. Вязкость разрушения К_1е мартенситностареющих сталей составля­ет 50-70 МПа-м^1/2. При том же значении предела текучести вяз­кость разрушения обычных легированных сталей не превышает 30 МПа • м^1/2. При температуре -196 °С сталь имеет свойства: _в = 2400 МПа,  = 10 %, KCU = 0,30 МДж/м². Сталь ОЗН18К9М5Т теплоустойчива до 450°С. Мартенситностареющие стали с 10-12%Cr обладают хорошей коррозионной стойкостью. Стали для повышения износостойкости и выносливости азотируют.

Мартенситностареющие стали применяют в самолетостроении, ракетостроении, т, е. в тех отраслях, в которых важна удельная прочность, а также в криогенной технике, где они нашли приме­нение благодаря высокой пластичности и вязкости при низких температурах.

Высокопрочные ПНП-стали. Высокопрочные ПНП (пластичность наведенная превращением)-стали относятся к классу аустенитных сталей. Одна из применяемых марок содержит: 0,3 % С, 8-10 % Сг; 8-10 % Ni; 4 % Мо; 1-2,5 % Мn; до 2 % Si. После закалки от 1000-1100 °С при комнатной температуре сталь  с аустенитной структурой при комнатной температуре (точки М_д и М_я лежат ниже О °С) подвергают деформации при 450-600 °С. При деформации происходит наклеп аустенита, выделение из него углерода и легирующих элементов с образованием дисперсных карбидов (дисперсионное упрочнение). Вследствие обеднения аустенита этими элементами точка М_д сме­щается в область положительных температур, а точка М_н остается ниже комнатной температуры. В результате такой обработки ПНП-стали приобретают высокую прочность ( _в  1800 МПа, _0.2 1400 МПа) при высокой пластичности (5 > 30 %).

Высокая пластичность обусловлена различием температурных уровней начала мартенситного превращения М_н и начала образо­вания мартенсита деформации М_д Так как ПНП-стали имеют точку М_н ниже, а точку М_д выше комнатной температуры, то при испытаниях на растяжение когда происходит локализация деформации, аустенит только на этом участке превращается в мартенсит и упрочняется, вследствие чего деформация сосредоточивается в со­седних объемах. Превращение аустенита в мартенсит не дает лока­лизоваться деформации, шейка в образце при испытании на рас­тяжение не образуется.

Рессорно- пружинные стали.

 

Матерал для упругих элементов (пружин, рессор и др.) должен иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости, текучести), высокий предел выносливости и повышенная релаксационная стойкость с сохранением упругих свойств в течение длительного времени, при достаточной пластичности и вязкости (для изделий, работающих при динамических нагрузках).

Высокие упругие свойства обеспечиваются при содержании 0,5 – 0,7% С и получении трооститной структуры за счет закалки и среднего отпуска при температуре 350-470 °С. Углеродистые пружинные стали после термической обработки на троостит име­ют _0.2> 800 МПа, легированные _0.2 > 1000 МПа. Стали для пружин и рессор должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью (после закалки мартенситная структура должна быть по всему объему) так как присутствие после закалки продуктов промежуточного превращения или остаточного аустенита ухудшает механические свойства.

Для повышения со­противления пластическим деформациям важную роль играет получение мелкозернистой структуры.

Пружины малого сечения, испытывающие невысокие напряжения изготавливают из углеродистых сталей 65,70,75,80 и закаливают в масле. В случае сечений 5-8мм и более закалку проводят в воде. Химический состав некоторых пружинных сталей приведен в табл.12.19.

Т а б л и ц а  12.19

Химический состав пружинных сталей, % (ГОСТ 14959-79)

 

Марка стали	C	Мn	Si
65 70 65Г 60С2 70СЗА 60СГ 40ХФА	0,62-0,70 0,67-0,75 0,62-0,70 0,57-0,65 0,66-0.74 0,57-0,65 0,37-0,44	0,5-0,8 0,5-0,8 0,9-1,2 0,6-0,9 0,6-0,9 0,8-1,0 0,5-0,8	0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 1,5-2,0 2,4-2,8 1,3-1,8 0,17-0,37

 

Средние свойства углеродистых рессорно-пружинных сталей после термообработки: _0.2 = 800-1000 МПа, _в = 1000-1200 МПа,  = 5-8 %,  = 25-30 %, предел выносливости при изгибающей нагрузке 500-650 МПа, при кручении 300 МПа.

Изотермическая обработка пружинных сталей может повысить их свойства.

Свойства стали 65С2ВА после стандартной термической обработки и изотермической обработки приведены в табл. 12.20.

                                                                                             Т а б л и ц а  12.20.

Влияние режимов то на механические свойства стали 65С2ВА.

Механические свойства	Режим закалки	Значения механических свойств сталей при температурах отпуска,°С
		260	340	380	440	510
0.2,МПа	В масле	1740	1770	1740	1730	1480
	Изотермическая при270°С	1580	1850	1780	1580	1410
	Изотермическая при230°С	1780	1940	1920	1810	1750
,%	В масле	14	11	15	31	39
	Изотермическая при270°С	32	45	47	37	32
	Изотермическая при230°С	30	35	35	35	33

 

Таким образом изотермическая закалка обеспечивает получение более высоких свойств пружинной стали 65С2ВА.

Величина пре­дела выносливости уменьшается при наличии поверхностных дефектов и обезуглероживании. После дробеструйной обработ­ки в поверхностных слоях создаются остаточные сжимающие напряжения, что увеличивает выносливость. Предел усталости в результате поверхностного наклепа повышается в 1,5-2 раза.

Стали для пружин и рессор обычно легируют кремнием и мар­ганцем, иногда в сочетании с другими элементами (табл. 12.20), Введение кремния задерживает распад мартенсита при отпуске. Кремний и марганец упрочняют феррит и увеличивают прокаливаемость стали.

При легировании рессорно-пружинных сталей кремнием и дру­гими элементами прочность возрастает до _в = 1300-1800 МПа, _0.2 = 1100-1600 МПа при δ = 5-8 %, \|/ = 20-35 %.

Пружины изготовляют и из холоднотянутой шлифованной проволоки и ленты из высокоуглеродистых сталей У7, У8,У9,У10. Необходимые свойства достигаются патентированием и последующей протяжкой при степени деформации не менее 70%. Пружины после холодной навивки подвергаются отпуску при 210-320°С для снятия внутренних напряжений, повышения предела упругости. Сталь, поступающая в виде проволоки диаметром от 6 до 0,15мм с уровнем прочности _в = 1360-2200 МПа.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температурах не более 200 °С. При нагреве до 300 °С используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких тем­пературах - из более теплостойких сталей.

Для работы в агрессивных средах пружины изготовляют из хромистых коррозионностойких сталей типа 40X13, 95X18 и др. В некоторых случаях для работы в агрессивных средах и в крио­генных условиях целесообразно применять мартенситностареющие стали.

Подшипниковые стали

 Шарикоподшипниковая сталь должна обла­дать высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с высо­ким пределом контактной усталости,поэтому применяют высокоуглеродистые стали. К сталям предъявляют тре­бования по минимальному содержанию неметаллических вклю­чений, развитию карбидной ликвации и пористости, так как эти дефекты, находясь в поверхностном слое, становятся кон­центраторами напряжений и вызывают преждевременное разрушение(выкрашивание).

Стали маркируют буквой Ш - шарикоподшипниковая, X -хромистая и цифрой, указывающей содержание хрома в десятых долях процента. Содержание углерода в подшипниковых сталях составляет около 1 %. Хром вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости.Химический состав подшипниковых сталей приведен в табл. 12.21.

Термическая обработка состоит из закалки от 830-840 °С в масле и низкого отпуска при температуре 150- 160 °С. После тер­мообработки твердость должна быть не менее 62 HRC.Структура стали-мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными карбидами.

Сталь ШХ4 обычно используют для изготовления шариков диа­метром до 13,5 мм, роликов диаметром до 10 мм, ШХ15 – шариков 22,5, роликов 15 мм, ШХ15СГ - шариков до 30 мм. В структуре стали ШХ15 частопосле закалки присутствует до 10-15% остаточного аустенита, чтобы избежать нежелательного изменения объема из-за протекания в процессе эксплуатации его превращения вмартенсит,прцизионные подшипники подвергают обработке холодом.

 

 

Та б л и ц а 12.21

Химический состав подшипниковых сталей, % (ГОСТ 801-78)

 

Марка стали	С	Сr	Мn	Si
ШХ4 ШХ15 ШХ15СГ ШХ20СГ	0,95-1,05 0,95-1,05 0,95-1,05 0,90-1,00	0,35-0,55 1,3-1,65 1,3-1,65 1,4-1,7	0,15-0,30 0,2-0,4  0,9-1,2 1,4-1,7	0,17-0,37 0,17-0,37 0,40-0,65 0,55-0,85

При изготов­лении роликов большего диаметра применяют сталь ШХ20СГ. Подшипники, используемые для работы в агрессивных средах, изготовляют из нержавеющей стали 95X18.

Долговечность сферических подшипников в значительной ме­ре определяется отклонением от сферической формы, приводя­щим к биениям. Эти отклонения тщательно контролируются.

В невесомости под действием сил поверхностного натяжения порции расплавов получают практически идеальную круглую форму. Кроме того, можно внутрь жидкой капли впрыскивать газ и получать полые шары. Внутри шара под действием тех же по­верхностных сил газовый пузырь в невесомости займет централь­ное положение. Полые шары более выносливы, так как способны упруго деформироваться под нагрузкой без разрушения. Их дол­говечность в 5-8 раз больше, чем сплошных.

В космосе можно изготовлять полые многослойные шары, по­следовательно покрывая сферу разными расплавами.

Износостойкие стали.

 

Износостойкость обеспечивается достижением высокой поверхностной твердости. К износостойким относится и аустенитная сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда); из нее литьем изготовляют дета­ли, от которых требуется высокая износостойкость в условиях ударных нагрузок.

К таким деталям относятся железнодорожные крестовины, траки гусеничных машин, щеки дробилок, зубья ковшей экскава­торов и т. д.

Сталь 110Г13Л содержит, %: С 0,9-1,4; Мп 11,5-15,0; Si 0,5-1,0. После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (Fe, Mn)₃C. При нагреве карбиды рас­творяются в аустените, поэтому после закалки от температуры 1100 "С в воде сталь получает чисто аустенитную структуру с  твердостью 200 НВ. Механические свойства, закаленной на аустенит стали 110 Г13Л следующие: σ =780-980 МПа, σ = 255-390 МПа, =40-50%.

Марганцевый аустенит хорошо наклепывается, особенно при ударных нагрузках, и после деформации в процессе эксплуатации приобретает твердость до 50-55 HRC. Характерно применение ста­ли 110Г13Л для тюремных решеток в начале XX века. Решетки представляли собой двухслойный пру­ток, в середине которого была сталь 110Г13Л. При попытке пере­пилить такую решетку внутренний слой упрочнялся и дальней­шая резка становилась невозможной.

При чисто абразивном износе (например, трении по песку) эффективного наклепа стали 110Г13Л не происходит, что приво­дит к повышенному износу детали. Кроме того, недостатком стали 110Г13Л является плохая обрабатываемость резанием, поэтому де­тали из нее чаще всего изготавливают литьем без механической об­работки.

12.5.10 Судостроительные стали.

     В определение " судостроительная сталь" в настоящее время входят материалы не только для корпусов судов, но и для подводных кораблей, батискафов, морских буровых платформ и прибрежных сооружений, работающих при низких температурах.

При освоении нефтяных запасов Баренцева моря и Северного Сахалина требуются стали с уникальными свойствами так как это связано с изкотемпературными условиями эксплуатации(до – 40 - 50°С), сложной ледовой обстановкой и глубоководным расположением платформ и трубопроводов высокого давления.

Значительной проблемой является и строительство ледовых мор­ских буровых платформ. Масса сварных металлоконструкций каждой платформы составит 40-50 тыс. т. Металлоконструкции будут находить­ся в сложных условиях эксплуатации, испытывая динамические воздей­ствия от ветроволновых нагрузок, низкие температуры, гигантские дав­ления от контакта с ледовыми полями с соответствующим высоким уровнем износа металла.

Опыт эксплуатации атомных ледоколов и судов ледового плавания по­казал, что только за одну навигацию износ обшивки ледокола может дос­тигать 20-30 % (10-15 мм).Для ледовых буровых платформ необходимо использовать особо прочные хладостойкие стали с s_в ³800- 1000 МПа и надежные сварочные материалы.

Создание высокопрочных надежных судостроительных сталей требует использования новых критериев оценки качества металла, разработки но­вейших технологических процессов производства стали и сварочных мате­риалов. Необходимо применение стали с минимальным содержанием вред­ных примесей и неметаллических включений, специальной термомеханической обработки, термической обработки и др.

Современное судостроение широко использует коррозионностойкие стали. Ряд таких ответственных судовых конструкций, как гребные винты и валы, изготавливают из нержавеющих сталей и сплавов цветных метал­лов. С целью экономии дефицитных легирующих в судостроении расши­ряется применение двухслойного листа.

Для оценки качества металла применяют более строгие критерии: определение ударной вязкости при низких температурах, определение волокнистой составляющей в изломе, испытание на изгиб широких об­разцов и др.

Марки сталей. В соответствии с ГОСТ 5521-93 в России стальной прокат для судо­строения изготавливают из стали нормальной прочности и повышенной прочности. Стали нормальной прочности по классификации Регистра и Между­народной ассоциации классификационных обществ (МАКО) обозначаются марками А, В, D и Е и имеют минимальный предел текучести 235 МПа.

Стали повышенной прочности выпускаются следующих марок- А275, D275, Е275 (s₀,₂ > 265МШ); А32, D32, Е32 (s _0.2 > 315 МПа); А36, D36, Е36 (s_0,2 > 355 МПа); А40, D40, Е40 (s_0,2 > 390 МПа).