Конструкционные легированные стали

Конструкционные легированные стали

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.3. Микроструктура цементованной стали 12ХН3А после двойной закалки и отпуска:

а - поверхность, ´ 500;

б - сердцевина, ´ 500.

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

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

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

Улучшаемые стали условно разделены на 5 групп.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

1. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры — это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают:

кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.

По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления,

например Ст5Гпс3 означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории.

В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.

Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).

Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.

Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.

Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обык­новенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содер­жанием кремния (Si) и марганца (Мn).

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содер­жание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полу­спокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).

Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).

Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.

Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, А30, А40Г.Из стали А12 изготовляют неответственные детали, из стали других марок — более ответ­ственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изго­товление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.

Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

Табл. Механические свойства качественной конструкционной стали

Марка	Предел прочности растяжения σв	Относительное удлинение, δв	Твердость, НВ	Назначение
	МПа	%
				Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации
				Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси
				Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы
		14.		Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины
60Г 70Г				Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения

Дата добавления: 2014-01-15