Содержание углерода в машиностроительных улучшаемых сталях составляет

Обновлено: 18.05.2024

Конструкционные стали классифицируют на строительные (арматурные) и машиностроительные, а последние в свою очередь подразделяются на группы общего и специального назначения.

В качестве строительных сталей используют низкоуглеродистые (ГОСТ 380-2005) и низколегированные (ГОСТ 19281–89) стали.

Основным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772-88, согласно которому стали выпускаются марок С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345Д, С345К, С375, С375Д, С390, С390Д, С390К, С440, С440Д, С590, С590К.

Маркируются конструкционные строительные стали следующим образом. Буква С означает «строительная» сталь, цифра — предел текучести σ_т (МПа), буквы К — вариант химического состава, Д — повышенное содержание меди (0,15–0,3 % для повышения коррозионной стойкости), Т — упрочнение термообработкой.

Стали этой группы по химическому составу делятся на:

– низко- и среднеуглеродистые (ГОСТ 1050-88, ГОСТ 380-2005);

– низко- и среднелегированные (ГОСТ 4543-71),

а по способу упрочнения — стали без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое (цементуемые) и упрочняющие по всему объему (улучшаемые):

– без термической обработки: углеродистые 08кп, 10кп, 15кп, 08, Ст3 и легированные09Г2С, 09Г2. 16ГФР, 12ХМ и др.

– упрочняемые в поверхностном слое (цементуемые) (относятся нитроцементуемые, цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и с пониженной прокаливаемостью): углеродистые 15 и 20 и легированные12ХН3А, 12Х2Н4А,15Х, 15ХА, 15ХФ, 15ХР, 18Х2Н4В, 20Х, 20ХН, 20ХГР, 18ХГТ, 20ХГНР и др.

– упрочняемые по всему объему(улучшаемые): углеродистые 30, 35, 40, 45, 50, 55 и легированные 35Г2, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХС, 40ХФА, 25ХГСА; 30ХГТ, 30ХГС, 35ХГСА, 40ХН2МА, 30ХН3А, 30ХН2МФА, 38ХН3МФА.

По основному потребительскому свойству конструкционные машиностроительные стали специального назначения делятся на следующие группы: особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие), коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

Стали особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие)по химическому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколегированными (Ni, Со, Мо, Сr, Тi, Ве и др.): Н18К9М5, Н4Х12К15М4Т и др. Сочетание прочности и ударной вязкости — уникум.

Коррозионностойкие стали и сплавы (нержавеющие)(ГОСТ 5632–72) — стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5% Сr, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой.

Марочный состав: 20Х13, 10Х14Г14Н3, 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 06ХН28МДТ, 3Х21Н21М4ГБ и др.

Жаростойкие (окалиностойкие)сталии сплавы (ГОСТ 5632–72) — стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Эти стали и сплавы получают на базе системы Fe + Cr + Ni с небольшим количеством кремния.

Марочный состав: 30Х13Н7С2, 20Х20Н14С2, 12Х25Н16Г7АР, ХН60Ю, ХН78Т и др.

Жаропрочные стали и сплавы (ГОСТ 5632–72) — стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др.

Марочный состав: 11Х11Н2В2МФ, 12Х25Н16Г7АР и др.

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632–72) 08Х18Н10, 12Х18Н10Т и др. Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от 20 до –196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого снижения вязкости, характерного при хладноломкости.

Износостойкие стали (ГОСТ 5632–72). Основное потребительское свойство этих сталей — высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании при значительных ударных нагрузках. Эти стали 12Х18Н9Т, 30Х10Г10, Г13, 110Г13ХБР применяют чаще в литом или кованом (катанном) состоянии, т. к. их общее технологическое свойство — пониженная обрабатываемость резанием.

Пружинные стали и сплавы(ГОСТ 14959–79) — стали, обладающие высокими механическими свойствами, в первую очередь высокими пределами упругости и прочности при достаточной вязкости и пластичности. Пружинные стали 65, 70…85, 60Г, 65Г, 55ХГР, 50ХФА, 51ХФА, 50ХГФА, 70C2XA и др.

Автоматные стали (сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резаньем) (ГОСТ 1414–75) повышенное содержание серы (0,05–0,3%), фосфора (0,05–0,16%) и часто марганца (0,6–1,55%). Автоматные стали получили свое наименование в связи с их обработкой на станках-автоматах с повышенной скоростью резания.

Марочный состав А11, А40Г, АС40, АС35Г2, АС12ХН, АС40ХГНМ, А35Е, А40ХЕ, АЦ20, АЦ30ХН.

В обозначении марки первая буква А указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента (например, А11). Присутствие свинца обозначается буквой С (например, АС35Г2), кальция — буквой Ц (АЦ40 и др.), селена — буквой Е (А35Е).

Подшипниковые стали(ГОСТ 801–78 и 21022–75). Основные потребительские свойства этих сталей — повышенные твердость (61–65 HRC), износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Марки: ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ (ГОСТ 801–78), ШХ15-ШД (ГОСТ 21022–75). Буква «Ш» в начале маркировки означает — шарикоподшипниковая, содержание хрома в данной стали приведено в десятых долях процента. В конце марки может быть указан способ производства: Ш — сталь, полученная методом электрошлакового переплава (ШХ15Ш), В — сталь, полученная вакуумированием (ШХ15В), ШД — вакуумно-дуговой переплав стали электрошлакового переплава.

Литейные стали(ГОСТ 977–88) содержат до 0,9% Мn, до 0,52% Si и не более 0,06% S и 0,08% Р. Литейные свойства сталей значительно хуже, чем чугунов и большинства литейных цветных сплавов.

Многие литейные стали имеют ту же марку, что и деформируемые, отличаясь лишь буквой Л в конце марки. Однако немало легированных сталей разработано специально в качестве литейных и не имеет аналога среди деформируемых (например, сталь 20ФЛ, 08ГДНФЛ).

Для изготовления отливок согласно ГОСТ 977–88 предусмотрены следующие марки сталей: 15Л, 20Л…50Л, 30ГСЛ, 20ФЛ, 35ХГСЛ, 40Х9С2Л35Х23Н7СЛ, 110Г13Л, 90Х4М4Ф2В6Л (Р6М4Ф2Л)

Стали повышенной обрабатываемости

Конструкционными называют стали, которые используют для производства машин, конструкций и сооружений.

Различают такие виды конструкционных сталей:

- углеродистые обыкновенного качества и качественные;

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные стали рассмотрены ранее.

На обрабатываемость стали оказывают влияние различные факторы, основными из которых являются: допускаемая скорость резания; усилия резания; чистота обрабатываемой поверхности; вид операции (точение, фрезерование, сверление, фрезерование и т. д.).

Обрабатываемость снижается при повышении твердости и прочности стали. Увеличение содержания углерода в стали вследствие упрочнения приводит к снижению обрабатываемости.

Размер зерна, не влияя на твердость, снижает вязкость. Пониженная вязкость способствует получению сыпучей, недлинной стружки и её более легкому отделению. Низкоуглеродистые стали и техническое железо, несмотря на малое содержание углерода и малую прочность, плохо обрабатываются из-за большой вязкости и пластичности.

Большое значение имеет теплопроводность стали. При низкой теплопроводности выделяющееся при резании тепло незначительно поглощается изделием и происходит его концентрация в точках резания, что приводит к разогреву режущей кромки инструмента и снижению его стойкости. Малая теплопроводность характерна для аустенитных сталей, поэтому, несмотря на низкую твердость, они плохо обрабатываются.

Повышение обрабатываемости достигается введением в сталь серы, селена, теллура, кальция, свинца, фосфора. Такие стали называются автоматными и маркируют буквой А. Присутствие свинца в этих сталях обозначает буква С, селена - Е, кальция - Ц, двузначная цифра после этих букв указывает на содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматным сталям характерны склонность к хрупкому разрушению, пониженный предел усталости, анизотропия механических свойств, низкая коррозионная стойкость и поэтому их используют для изготовления малоответственных деталей.

Автоматные сернистые стали А11, А20, А30, А35, А40Г содержат до 0,30% серы и до 0,15% фосфора. Для снижения склонности к красноломкости в них увеличено содержание марганца до 1,5%. Сера в автоматных сталях находится в виде сульфидов марганца, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки и уменьшают трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия. Фосфор, увеличивая хрупкость феррита, облегчает отделение и измельчение стружки и способствует получению гладкой блестящей поверхности резания.

Автоматные свинцовосодержащие стали (АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ) содержат до 0,35% Рb и по обрабатываемости превосходят сернистые. Свинец не растворяется в стали и, присутствуя в виде мелких обособленных включений, делает стружку более ломкой. Кроме этого, от теплоты резания свинец плавится и, оказывая смазывающее действие, эффективно снижает трение между инструментом и деталью. Однако при больших скоростях резания свинец может испаряться, что приводит к схватыванию инструмента с обрабатываемой деталью. Свинец не ухудшает прочностных свойств, но незначительно ухудшает пластичность и вязкость.

Автоматные селеносодержащие стали (А35Е, А45Е, А40ХЕ) содержат до 0,1% Se, который практически не снижает их коррозионную стойкость. Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов, которые окружают твердые оксидные включения, устраняя их истирающее действие.

Автоматные кальцийсодержащие стали (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ40ХН3 и др.) содержат кальция до 0,008% с возможным добавлением свинца, теллура и селена. Кальциевые стали обрабатываются твердосплавным инструментом при высоких скоростях резания.

3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

- углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

- низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

- легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: s_в до 750 МПа, δ до 12%, КСU - 0,6. 0,7 МДж/м 2 .

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

3.2.3 Среднеуглеродистые стали для улучшения

Эти стали содержат 0,3. 0,5%С и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний в общем количестве не более 3-5%), а также до 0,3% элементов, которые способствуют получению мелкого зерна аустенита (ванадий, титан, ниобий, цирконий).

Наибольшее распространение для машиностроения получили конструкционные стали, легированные 0,8. 1,2% Cr. Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали. Хром способствует получению в стали высокой и равномерной твердости. Температурный интервал хладноломкости хромистых сталей 0. -100 о С. При 0 о С наблюдается вязкий излом, а при -100 о С излом становится полностью хрупким.

Хромистые стали легируют дополнительно:

- марганцем для повышения прокаливаемости, но марганец способствует росту зерна и, как следствие, повышает порог хладноломкости;

- молибденом (0,15 - 0,45%) для повышения прокаливаемости и снижения порога хладноломкости, а также для повышения статической, динамической и усталостной прочности стали;

- ванадием (0,1 . 0,3%) для уменьшения размера зерна и повышения вязкости;

- бором (до 0,003%) для повышения прокаливаемости, но при этом повышается порог хладноломкости;

- титаном (до 0,1%) для измельчения зерна.

Введение в хромистые стали никеля значительно повышает их прокаливаемость. Дополнительная добавка молибдена в хромоникелевые стали снижает отпускную хрупкость, к которой склонны хромоникелевые стали.

Термическая обработка таких сталей включает закалку в масле и высокий отпуск (550 - 650°С). Нагрев для закалки проводят до температуры на 30. 50°С выше А_С3. Для большинства сталей это температура около 850°С.

Среднеуглеродистые легированные стали при закалке охлаждают в масле, что дает возможность получать мартенситную структуру при значительно меньшем уровне внутренних напряжений.

При высокотемпературном отпуске (550 - 650°С) среднеуглеродистых сталей следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска, которое предотвращает развитие отпускной хрупкости второго рода. В тех случаях, когда после отпуска невозможно осуществить быстрое охлаждение (например, для крупногабаритных деталей), следует использовать стали, легированные молибденом, который замедляет развитие отпускной хрупкости второго рода.

Улучшаемые стали могут быть условно разделены на 5 групп. С ростом номера группы растет количество легирующих элементов, увеличивается прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.

К первой группе относятся углеродистые стали 35, 40, 45. Максимальное сечение деталей ( Д_кр.), которые прокаливаются на мартенсит, не превышает 10 мм. Переходная температура хладноломкости (t₅₀, о С) равняется -20 о С.

Вторую группу составляют хромистые стали марок 30Х и 40Х. Для этих сталей Д_кр и t₅₀, о С составляют, соответственно, 20 мм и – 40 о С. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

Для сталей третьей группы (30ХМ, 40ХГ, 40ХГТ) критический диаметр увеличивается до 25 мм, а переходная температура хладноломкости снижается до -50 о С. В эти стали для повышения прокаливаемости дополнительно вводят марганец, а для снижения отпускной хрупкости – молибден. Такие стали, легированные, кроме этого, еще и кремнием, называют хромансилами (20ХГС, 30ХГС). Эти стали хорошо свариваются, имеют прочность s_в = 1200 МПа и ударную вязкость КСU = 0,4 МДж/м 2 .

Четвертую группу составляют хромоникелевые стали, которые содержат до 1,5% Ni (40ХН, 40ХНМ). Критический диаметр в этих сталях превышает 40 мм, а переходная температура хладноломкости достигает -70 о С.

К пятой группе относят комплекснолегированные стали, которые содержат до 4%Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА). Критический диаметр этих сталей больше 100 мм, а t₅₀, о С - ниже -100 о С. Из этих сталей изготавливают сложные по конфигурации и большие по сечению детали, которые закаливаются в масле.

3.2.4 Рессорно-пружинные стали

Основными требованиями, которые предъявляются к деталям типа рессор и пружин являются высокий предел текучести (до 1700 МПа), высокое сопротивление усталости при достаточной пластичности. Повышение значения предела текучести пружинных сталей достигается закалкой с последующим среднетемпературным отпуском при 400. 480°С.

Стали для пружин и рессор должны обеспечивать сквозную прокаливаемость для получения структуры мартенсита по всему сечению детали. Наличие после закалки немартенситных продуктов распада аустенита и остаточного аустенита ухудшает пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям. Наличие обезуглероженного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости и выносливости.

Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5…0,7%, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом и ванадием.

Для пружин малого сечения, испытывающих при работе незначительные нагрузки, используют углеродистые стали 65, 70, 75, 65Г,75Г.

Кремнистые стали (55С2, 60С2, 70С3) применяют для изготовления пружин вагонов, автомобильных рессор, торсионных валов и др. Кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит, что обеспечивает хорошие свойства. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, что снижает предел выносливости. Кроме этого, они трудно обрабатываются резанием.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, кремнием, вольфрамом, никелем увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обезуглероживанию. Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие прокаливаемость до 50 мм, применяются для изготовления крупных тяжелонагруженных пружин. Сталь 60С2Н2А прокаливается до 80 мм и используется при изготовлении ответственных пружин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок.

Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью, после чего предел выносливости увеличивается в 1,5…2 раза.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температурах не больше 200 о С. Для пружин с температурой эксплуатации до 300 о С используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах до 500 о С - из стали 3Х2В8Ф, до 600 о С - из стали Р18.

Для работы в агрессивных средах пружины изготовляют из хромистых коррозионностойких сталей типа 40Х13, 95Х18.

Содержание углерода в улучшаемых сталях составляет около

Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:

Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
Среднелегированные. Количество вводимых элементов в пределах от 3% до 10%.

При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На данном этапе необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали преобладает внутренняя структура – мартенсит.

Структура улучшаемой стали

Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.

Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.

Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:

Прочностные характеристики: ϬВ – предел прочности;
Ϭ0,2 – предел текучести;
KCU – ударная вязкость;

Характеристики пластичности: δ% — относительное удлинение;
ψ% — поперечное сужение;

Ϭ-1 – усталостная прочность;

Технология проведения улучшения

При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.

Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.

Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Хромистые стали

Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость.

Прокаливаемость сталей невелика и для ее увеличения легируется бором (0,002…0,005%). Критический диаметр стали 35ХР при закалке в воде составляет 30…45 мм, а в масле 20…30 мм.

Введение 0,1…0,2 % ванадия (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Значение механических свойств некоторых улучшаемых сталей после термообработки приведены в таблице 10.

Применение улучшения

После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые требуют увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Использование углеродистых сталей обусловлено дешевизной изготовления и технологичностью.

Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала

Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.

Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.

Другие классификационные признаки

По способу раскисления

Различают три вида сталей: кипящие, полуспокойные, спокойные. При равном содержании углерода эти сплавы имеют одинаковые характеристики прочности и разные – пластичности.

Для раскисления кипящих сталей (кп) применяют марганец. Для них характерны: значительная химическая и структурная неоднородность слитка. Благодаря малому содержанию кремния, стали поддаются холодной штамповке. Не применяются для создания изделий для эксплуатации в холодных климатических условиях.
Полуспокойные (пс). Раскисляются марганцем, в ковше – алюминием.
Спокойные (сп). Для раскисления применяются кремний, марганец, алюминий. Выход годного составляет примерно 85%. Для слитка характерна плотная однородная структура.

По качеству

Углеродистые стали обыкновенного качества – их маркировка осуществляется по ГОСТу 380-2005. Они обозначаются индексом Ст и цифрой – номером марки. Чем больше номер, тем выше содержание углерода, больше твердость и меньше пластичность. В конце ставится обозначение способа раскисления: кп, пс, сп. Используются в изготовлении неответственных строительных конструкций, крепежных элементов, труб, листов, фланцев.
Качественные углеродистые конструкционные стали обозначают двузначными числами, равными количеству углерода в сотых долях процента. В конце указывается индекс раскисления (кроме спокойных сталей).

Прокаливаемость

Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.

Марка стали	Проведение закалки при температуре, °С	Критический диаметр, мм
		Среда интенсивного охлаждения
		вода	масло
45	840…850	до 9	до 25
45Г2	840…850	до 18	до 34
40ХН2МА	840…850	до 110	до 142
38Х2МФА	930	до 72	до 86

Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.

Хладноломкость

Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.

Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля

График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.

Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.

Зависимость порога хладноломкости от размера зерна

График показывает зависимость от размера зерна:

Хромоникелемолибденованадиевые стали

Кроме молибдена, добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Стали марок 38ХН3МФ и 36Х2Н2МФА применяют для деталей больших сечений (1000…1500 мм и более). В сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска — сорбит. Стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эти стали можно использовать при температурах 400…450 0С при изготовлении наиболее ответственных деталей турбин, компрессоров, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных турбовоздуходувных машин, детали редукторов и т.д.).

Пружинно — рессорные стали > Дальше >

Механические свойства после улучшения

У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:

ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
HRC (твердость) – 40…50.

Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.

Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:

ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
ψ% (поперечное сужение) – 41%;
HВ (твердость) – 241.

Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.

Улучшение стали при изготовлении деталей

Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.

Технологический процесс выглядит так:

Получение заготовки объемной штамповкой.
Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
Механическая обработка.
Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
Шлифование зубьев.

Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:

степень легирования;
диаметр и размер заготовки;
переходы, являющиеся источниками напряжений;
прилагаемые динамические нагрузки;
условия работы;
требуемая твердость.

Углеродистые стали

По химическому составу различают
углеродистые
и
легированные
стали

Углеродистые стали — это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

По качеству
По способу раскисления (см. ниже)

По качеству

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, …, Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полуспокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

Группа А поставляются только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пластичность.
Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.
Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, …, 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозначении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода

качественные углеродистые стали подразделяются:

низкоуглеродистые (до 0,25 % С),
среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С)
высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления

КипящиеСодержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества – высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки –повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом.

Полуспокойные Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта –90-95%.

СпокойныеСодержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного – около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

Улучшаемые стали

В машиностроении для получения заданных свойств детали и изделия часто подвергают закалке (обычно от температур 820-880 ºС в зависимости от химического состава стали) и последующему высокому отпуску при температуре 550-680 ºС. После такой термообработки получается структура сорбит отпуска, которая обеспечивает высокую конструктивную прочность деталей и изделий – достаточно высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. Стали, подвергаемые закалке с высоким отпуском – улучшению – называются улучшаемыми сталями. Обычно такие стали содержат 0,3–0,5 % углерода. В отожженном состоянии они имеют структуру легированный феррит и эвтектоид.

Требования, предъявляемые к улучшаемым сталям, следующие: повышенная прочность (σ_0,2 = 800-950 МПа, σ_в = 950-1200 МПа); высокая пластичность (d = 12-20 %; ψ = 40-55 %); высокая вязкость (KCU = 0,7-1,0 МДж/м 2 ); малая чувствительность к концентраторам напряжений; в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, – высокий предел выносливости; повышенная прокаливаемость; экономичность легирования.

Легирующие элементы, прежде всего, должны обеспечить высокую прокаливаемость и требуемые механические свойства после отпуска. Свойства во многом определяются влиянием легирующих элементов на упрочнение феррита, размер аустенитного зерна, устойчивость переохлажденного аустенита, устойчивость против отпуска и др. Один и тот же элемент может влиять на несколько факторов, через них определяя механические свойства стали. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, кремний, молибден, ванадий, бор и др. Все легирующие элементы, кроме кобальта, если они растворены в аустените, повышают прокаливаемость. Наибольшая прокаливаемость достигается при совместном легировании хромом, никелем и молибденом. Сильно повышает прокаливаемость бор. Его вводят в сталь в количестве от 0,001 до 0,005 %. Механизм влияния малых добавок бора на прокаливаемость, по-видимому, состоит в том, что бор, как поверхностно-активный элемент, концентрируясь на границах зерен аустенита, препятствует зарождению здесь феррита при g®a превращении.

Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti) могут оказывать двоякое влияние на прокаливаемость. Они увеличивают прокаливаемость, если растворены в аустените и уменьшают ее, если связаны в карбиды или карбонитриды. Обычно в конструкционные улучшаемые стали эти элементы вводят в небольших количествах (~ 0,1 %) с целью обеспечения мелкозернистой структуры, поэтому их влияние на прокаливаемость относительно невелико.

Все легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его прочностные свойства (твердорастворное упрочнение). Особенно упрочняют феррит кремний, марганец, молибден, никель. Никель не только увеличивает прокаливаемость и повышает прочность феррита, но и повышает ударную вязкость, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению, т.к. он уменьшает блокировку дислокаций атомами углерода и азота, т.е. увеличивает их подвижность, способность к скольжению. Карбидообразующие элементы: хром, молибден, вольфрам затрудняют разупрочнение стали при отпуске, задерживая распад мартенсита, коагуляцию карбидов, полигонизацию и рекристаллизацию ферритной матрицы. В результате после высокого отпуска наблюдается полигональная структура феррита с малыми размерами субзерен и дисперсные специальные карбиды. Такая структура обеспечивает достаточно высокую прочность при высокой пластичности и вязкости. Кроме того, молибден и вольфрам снижают склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Для улучшения обрабатываемости резанием в стали добавляют селен и кальций (например, сталь 40Х2АФЕ с добавкой селена).

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки. При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению однородная – мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом могут быть продукты распада аустенита по бейнитной и перлитной ступени (верхний и нижний бейнит, феррито-перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства (практически по всем показателям) достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться. Особенно сильно это может сказываться на параметрах, характеризующих сопротивление стали хрупкому разрушению (например, температуре перехода из вязкого в хрупкое состояние) и вязкому разрушению (работе развития трещины).

Рекомендуемые материалы

На рисунке 3.4 приведены значения температуры порога хладноломкости после разных исходных структур для хромомолибденовой стали.

Рисунок 3.4 – Влияние содержания углерода на порог хладноломкости улучшенной хромоникелевой стали при разной исходной структуре (B.C. Меськин):

1 – перлит; 2 - бейнит; 3 - мартенсит

Подбором температуры отпуска временное сопротивление стали при всех исходных структурах было достигнуто одинаковым (σ_в » 700 МПа). При этом наиболее низкий порог хладноломкости имела сталь, закаленная на мартенсит, сталь со структурой верхнего бейнита после отпуска имела порог хладноломкости на 50 ºС выше, а со структурой перлита – еще на 100 ºС выше. При всех исходных структурах повышение содержания углерода приводит также к повышению порога хладноломкости. В ряде работ установлено, что исходная структура нижнего бейнита (до 50 %) в смеси с мартенситом даже повышает сопротивление хрупкому разрушению – порог хладноломкости снижается по сравнению с чисто мартенситной структурой. Вероятно, это обусловлено однородным распределением карбидов и мелкоигольчатой структурой нижнего бейнита, в результате чего создаются препятствия при распространении трещины скола. Поэтому нижний бейнит в таких количествах не ухудшает сопротивление стали вязкому разрушению.

Существенное снижение характеристик сопротивления разрушению вызывает исходная структура верхнего бейнита и продуктов распада аустенита в перлитной области. Резко повышается порог хладноломкости и уменьшается работа распространения трещины. Это связано с тем, что верхний бейнит и перлит после отпуска имеют в структуре грубые неоднородно распределенные карбидные включения, в результате чего скол может непрерывно распространяться на значительные расстояния, составляющие несколько зерен. Наличие в стали небольшого количества стабилизированного остаточного аустенита, не распадающегося при отпуске на феррит и карбид, расположенного между пластинами мартенсита в виде тонких прослоек, как показано в ряде исследований, значительно повышает вязкость разрушения (К_1С) высокопрочных сталей.

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543-71, ряд сталей изготовляется по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, молибден, бор, ванадий и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,25-0,5 %.

Легированным конструкционным сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии свойств достигается металлургическими способами (уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др.). Эти стали чувствительны к флокенам, наиболее чувствительны к образованию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлитно-мартенситные стали.

Хромистые стали: 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в несколько больших сечениях (до 20–25 мм в масле), чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска на воздухе. Легирование хромом не увеличивает склонности к росту зерна аустенита. Однако с целью получения мелкозернистой структуры в стали вводят ванадий (40ХФ), который, находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение. Поэтому для получения одинаковой прочности сталь 40ХФ при улучшении необходимо отпустить на 30-50°С выше, чем сталь 40Х. Это имеет большое значение для более полного снятия остаточных напряжений в изделиях и повышения их предела усталости.

Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали мелкозернистые (зерно № 10-12), глубокопрокаливающиеся, имеют высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска (200 ºС), так и после улучшения (отпуск 600-650 ºС). Такие свойства обусловлены легированием стали азотом и нитридообразующими элементами – ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном (40Х2АФЕ).

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют несколько большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Эти стали можно применять при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ, 30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью (до 40 мм). С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03–0,09 %). Легирование ванадием (сталь 35ХГФ) также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Сталь 35ХГФ обеспечивает замену хромоникелевой стали 40ХН и применяется, как и другие стали этой группы, для машиностроительных деталей ответственного назначения (валы, шатуны, шестеренки и т.д.).

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Широкое распространение (особенно в авиастроении) получили стали типа 30ХГСА (хромансиль), обладающие хорошей свариваемостью. Хромансили применяют после закалки и низкого отпуска или после улучшения (отпуск 520–540 ºС). Недостатком этих сталей является относительно небольшая прокаливаемость (до 25-40 мм), сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию (последнему способствует кремний).

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Особенностью хромомолибденовых сталей является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Сталь 30Х3МФ имеет прокаливаемость и свойства, подобные таковым хромоникелевой стали 30ХН2МА. Благодаря ванадию сталь 30Х3МФ является мелкозернистой.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали (20ХН3А, 20Х2Н4А, 40ХН, 30ХН3А и др., 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением порядка 100–1000 мм). Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена. Поэтому такие стали обеспечивают после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий. В сечениях 80-100 мм некоторые стали имеют такие структуры и при охлаждении на воздухе. Высокая вязкость сталей обусловлена прежде всего влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушению. Никель значительно понижает порог хладноломкости закаленной и высокоотпущенной стали.

Стали с 3–4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости. К ним относятся стали 20ХНЗА, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХНЗМА. Однако хромоникелевые стали имеют существенный недостаток: они сильно склонны к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка. Молибден и вольфрам взаимозаменяемы в таких сталях, последние могут изготовляться с полной или частичной заменой молибдена на вольфрам из расчета: одна часть молибдена заменяется тремя частями вольфрама. Так, хромоникельвольфрамовые стали должны содержать: 38ХНЗВА 0,5–0,8 % W; 12X2H4BA 0,8–1,2 % W. Стали с молибденом и вольфрамом равноценны по свойствам, в том числе и по склонности к отпускной хрупкости.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХНЗМФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали являются наилучшими из всех известных конструкционных машиностроительных сталей. В последнее время разработаны конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса, имеющие хорошее сочетание характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости. К таким сталям относится сталь 15Х3Г3МФ, имеющая после закалки (920 °С, масло) и отпуска (200 °С) такие свойства: σ_в = = 1300–1400 МПа, σ_0,2 = 980–1070 МПа, ψ = 57–60 %, d =12–14%, KCU = 0,87– –1,1 Дж/м 2 .

Для упрочнения поверхности и повышения усталостной прочности изделий после улучшения применяют следующие виды обработок: закалку с нагревом токами высокой частоты, поверхностную пластическую деформацию (обкатка роликами, обработка дробью), лазерное упрочнение, азотирование и др.

Азотирование представляет собой процесс поверхностного насыщения стали азотом. Наиболее распространен процесс азотирования в газовых средах на основе аммиака. Как правило, процесс азотирования осуществляется при температуре до 600 °С (низкотемпературное азотирование). Азотирование конструкционных сталей производят для повышения их твердости, износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

Перед азотированием изделия подвергают закалке и высокому отпуску. Строение диффузионного слоя азотированных сталей определяется диаграммой Fe-N (рисунок 3.5).

При азотировании стали в области температур ниже эвтектоидной (590 °С) диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ′(Fe₄N) и a. В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются главным образом нитридами легирующих элементов (TiN, MoN, AlN). Однако из-за наличия углерода в легированных конструкционных сталях при азотировании фактически образуются карбонитридные фазы.

Рисунок 3.5 – Диаграмма состояния системы Fe-N

Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слоя h и поверхностную твердость (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Влияние легирующих элементов на глубину азотируемого слоя (азотирование при 550 °С, 24 ч)

(а) и поверхностную твердость (б) (Ю.М. Лахтин)

Уменьшение глубины азотированного слоя при легировании обусловлено уменьшением коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффициент диффузии азота. Из азотируемых конструкционных легированных сталей наиболее широко применяют сталь 38Х2МЮА. Однако в последнее время разработан ряд новых конструкционных сталей, подвергаемых азотированию: 30Х3ВА, 30ХН2ВФЛ, 40ХНВА, 20Х3МВФА и др.

Наиболее высокая поверхностная твердость при азотировании достигается в Сr-Мо сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА. Подобные стали для азотирования применяются в США: нитраллой – Nitr135M, в Англии – EN-41, в Германии – 32АlСrМо4, в Швеции – 2940.

Для деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, применяют стали 28Х2Н4ВА, 38ХН3МА, 30Х3ВА, 20ХГН2МФ и др.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей. Так, предел усталости коленчатых валов авиационного двигателя из стали 18Х2Н4ВА после азотирования повышается на 25-60 %. При наличии концентраторов напряжений азотирование в большей степени влияет на предел усталости сталей. Такое влияние азотирования на предел усталости сталей связывают с образованием в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений.

Азотирование повышает теплостойкость сталей, например, рабочие температуры азотируемых деталей из сталей 38Х2МЮА и 25Х2МФА составляют 400-490 °С, а из стали 25Х2М1Ф 490-510 °С. Однако при длительных выдержках в условиях высоких температур твердость азотированного слоя может снижаться.

Когда азотирование применяется только для получения коррозионностойкого покрытия изделий, можно использовать простые углеродистые стали с содержанием углерода в широких пределах (от 0,1 до 1,0 %). При этом получают тонкие нитридные или карбонитридные слои толщиной 0,015-0,030 мм в зависимости от назначения детали.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие стали относятся к улучшаемым?

2. Какие требования предъявляются к улучшаемым сталям?

3. Какими элементами легируют улучшаемые стали и какова роль каждого элемента?

4. Какая структура получается после закалки с высоким отпуском и какими свойствами она обладает?

5. Как влияют легирующие элементы на прокаливаемость стали?

6. Как влияет исходная структура (после закалки) на механические свойства высокоотпущенных сталей?

7. Дайте характеристику основных групп улучшаемых сталей.

8. Какие преимущества имеют улучшаемые стали микролегированные азотом?

9. Какими способами можно повысить поверхностную прочность изделий после улучшения?

10. Какой процесс называется азотированием стали?

11. Каковы состав, структура и свойства азотированных улучшаемых сталей?

12. Какие преимущества и недостатки имеет азотирование по сравнению с цементацией?

13. Назовите области применения улучшаемых сталей.

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.

2. Ляхович Л.С. Специальные стали: Учеб. пособие для вузов / Л.С. Ляхович. – Минск: Высш. шк., 1985. – 208 с.

3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Воронин и др. – М.: Металлургия, 1981. – 424 с.

Читайте также: