Конструкционные (машиностроительные) цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые (0,1 –0,25% С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость HRC 58 – 62, а сердцевина HRC 20 – 40. Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой. Для изделий небольших размеров, работающих на износ и не требующих высокой прочности сердцевины, применяют углеродистые стали марок 10, 15, 20. Легированные стали используют для более сильно нагруженных и особенно крупных изделий, сердцевина которых должна иметь высокий предел текучести, а цементованный слой – высокую твердость и износостойкость.

Хромистые стали. Для изделий несложной формы (втулки, пальцы, валики, некоторые зубчатые колеса), цементуемых на глубину 1,0 – 1,5 мм, применяют хромистые стали марок 15Х, 15ХА и 20Х, содержащие 0,7 – 1,0% Сr.

В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение (рис. 1, а), и при закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение.

Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине: s_в =70 – 80; s_0,2 = 50 – 65 кгс/мм²; d =12 – 11%; y =45 – 40%; а_н =7 – 6 кгс×м/см² и лучшей прочностью в цементованном слое.

Рис.1. Диаграммы изотермического распада переохлажденного

аустенита стали 15Х (а) и 18ХГТ (б)

Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но меньше, чем углеродистая) и при цементации может получать повышенное содержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Критический диаметр для 95% мартенсита при закалке в воде 12 – 20 и при закалке в масле 5 – 12 мм.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1 – 0,2%) улучшает механические свойства. Они достигают в сердцевине: s_в =75 – 80; s_0,2 =55 – 60 кгс×м/см²; d = 13 – 12%; y =50%; a_H =8 кгс×м/см². Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий (поршневые пальцы, распределительные валики и т. д.).

Хромоникелевые стали. Для деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали, характерные составы и свойства которых приведены в табл. 2.

Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме того, повышает прочность и вязкость цементованного слоя.

Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пресыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 2) в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Критический диаметр при закалке в масле (для 95% мартенсита) 25 – 70 мм. Это же позволяет закалить крупные детали с охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или молибденом) дополнительно повышает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, и прокаливаемость. Сталь 18Х2Н4ВА или соответствующую ей сталь с молибденом 18Х2Н4МА (см. табл. 2) применяют для крупных тяжелонагруженных деталей, например, зубчатых колес, коленчатых валов, осей и т. д.

Вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита детали сечением до 150 – 200 мм из стали 18Х2Н4ВА (18Х2Н4МА) закаливаются при охлаждении на воздухе, что еще больше уменьшает коробление. Критический диаметр прокаливаемости 100 мм, а порог хладноломкости – 80°С.

Таблица 2

Химический состав и механические свойства после закалки и отпуска при 200 °С

легированных цементуемых сталей

	Химический состав,%*	s0,2	sв	d	y	ан
Марка стали	C	Mn	Cr	Ni	W	Ti	B	не менее	кгс·м/см^2
кгс/мм^2	%
Хромоникелевые стали
12ХН3А	0,09-0,16	0,3-0,6	0,6-0,9	2,75-3,15	-	-	-
12Х2Н4А	0,09-0,15	0,3-0,6	1,25-1,65	3,25-3,65	-	-	-
20Х2Н4А	0,16-0,22	0,3-0,6	1,35-1,65	3,25-3,65	-	-	-
Хромоникельвольфрамовая сталь
18Х2Н4ВА	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,8-1,2	-	-
Хромомарганцевая сталь с титаном
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	-	-	0,03-0,09	-
Хромомарганцевоникелевая сталь
15ХГН2ТА	0,12-0,18	0,7-1,0	0,7-1,0	1,4-1,8	-	0,03-0,09	-
Хромомарганцевая сталь
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05	-	-	-	0,002-0,005

* Во всех сталях присутствует 0,17 – 0,37% Si

Рис. 2. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для конструкционных цементуемых сталей: а – 12ХН3; б – 12Х2Н4; в – 18Х2Н4ВА в нецементованном (слева) и цементованном (справа) состояниях

Стали 12ХН3, 20ХН3, 20Х2Н4, 12Х2Н4, 18Х2Н4ВА и др. (см. рис. 2) при закалке в масле приобретают в сердцевине структуру нижнего бейнита или низкоуглеродистого мартенсита, что приводит к значительному упрочнению стали. В результате цементации повышается устойчивость переохлажденного аустенита в поверхностном слое, особенно в зоне промежуточного превращения (рис. 2).

Поэтому при закалке в масле на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, обладающий твердостью HRC 58 – 63. Однако следует иметь в виду, что при насыщении стали углеродом понижается температура мартенситного превращения в поверхностном слое (рис. 2) и возрастает количество остаточного аустенита, особенно в сталях 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4. При несоблюдении установленного режима обработки повышенное количество остаточного аустенита в цементованном слое может быть и в менее легированной стали 12ХН3А. Количество остаточного аустенита в цементованном слое увеличивается с повышением температуры закалки и концентрации углерода. Остаточный аустенит понижает твердость, сопротивление износу, предел прочности при изгибе и предел выносливости. Снижение количества остаточного аустенита достигается обработкой холодом (от – 100 до – 120°С) после закалки или применением промежуточного высокого отпуска (600 – 640°С) с последующей закалкой при возможно более низкой температуре. При высоком отпуске из аустенита выделяются легированные карбиды. При последующем нагреве под закалку значительная часть карбидов остается вне твердого раствора, а менее легированный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, и поэтому количество остаточного аустенита уменьшается, а твердость повышается. Сталь после такого высокого отпуска характеризуется меньшей прокаливаемостью при последующей закалке. При обработке холодом уменьшается количество остаточного аустенита и повышается твердость, однако происходит некоторое снижение предела выносливости, износостойкости и вязкости по сравнению с высоким отпуском.

Сталь 18Х2Н4ВА из-за высокой устойчивости аустенита в перлитной области (см. рис. 2, в) не снижает твердости при отжиге. Для возможности обработки резанием сталь подвергают высокому отпуску при 630 – 640°С, после которого она получает твердость НВ 269 – 217.

Для изготовления ответственных зубчатых колес, валов и других деталей, в том числе работающих в условиях Севера, предложены экономнолегированные стали 18ХНМФА (18ХН1МФА) следующего химического состава: 0,16 – 0,21% С; 0,8 – 1,2% Сr; 0,6 – 0,9% Ni (1,2 – 1,6% Ni); 0,45 – 0,65% Mo и 0,08 – 0,14% V.

Стали имеют повышенную прочность, прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению. Механические свойства сталей соответственно: s_в ³ 110 кгс/мм² (120 кгс/мм²); s_0,2 ³ 90 (³100 кгс/мм²) d =10%; y ³50% и а_н ³ 10 кгс×м/см².

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо более дорогих хромоникелевых сталей для зубчатых колес, валов и других деталей. Эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Введение небольших количеств титана (0,03 – 0,09%) уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву. В связи с этим более широкое применение получила хромомарганцевая сталь с титаном марки 18ХГТ (см. табл. 2). Сталь 18ХГТ цементуют при 910 – 930 °С, закаливают с 870°С с охлаждением в масле и подвергают отпуску при 180 – 200°С. Сталь 18ХГТ сохраняет мало остаточного аустенита и получает после закалки высокую твердость в цементованном слое (HRC 58 – 61).

К недостатку можно отнести сравнительно небольшую устойчивость переохлажденного аустенита в стали 18ХГТ (см. рис. 1, б), а следовательно, и прокаливаемость; ее критический диаметр для 95% мартенсита при закалке в воде составляет 25 – 40 и при закалке в масле 10 – 25 мм. Сталь 18ХГТ используют для зубчатых колес автомобилей (коробка передач). Порог хладноломкости для полностью вязкого излома +20°С. Для изготовления зубчатых колес и валов коробки передач грузовых автомобилей применяют стали 25ХГТ и 25ХГМ (0,23 – 0,29% С; 0,9 – 1,2% Мn; 0,9 – 1,2% Сr и 0,15 – 0,25% Мо), упрочняемые цементацией или нитроцементацией. Стали подвергают непосредственной закалке с цементационного нагрева. Для деталей с макси­мальной твердостью >HRC 60 (зубчатые колеса модуля 3 – 4 мм) рекомендуется сталь 25ХГМ (зерно № 5 – 8). После закалки с 850 – 860°С в масле и низкого отпуска при 190 – 210°С стали приобретают следующие механические свойства: s_в= 130 – 150 кгс/мм²; s_0,2 = 110 кгс/мм²; d = 10 – 9%; а_н =8 – 6 кгс×м/см².

Молибден повышает прокаливаемость цементованного слоя и обеспечивает максимальную твердость на поверхности.

Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается также дополнительным легированием их никелем. Такие менее легированные хромомарганцевоникелевые стали, например 18ХГН и 15ХГН2Т (см. табл. 2), приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Стали, легированные бором. Для цементации используют так­же стали, содержащие бор (в количестве 0,001 – 0,005%). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали.

Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, присутствуя преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита.

Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных ста­лей, содержащих £ 0,5 – 0,6% С, но не улучшает прокаливаемость цементованного слоя.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (№ 7 – 10). Легирование бористой стали титаном (цирконием) повышает ее устойчивость против перегрева. В промышленности для деталей небольших сечений, работающих в условиях износа при трении (втулки, пальцы, толкатели и т. д.), применяют сталь 15ХР состава: 0,12 – 0,17% С; 0,7 – 1,0% Сr; 0,002 – 0,005% В, а для нагруженных шестерен – сталь 20ХГР, содержащую 0,18 – 0,24% С; 0,7 – 1,0% Мn; 0,8 – 1,1% Сr; 0,002—0,005% В.

Дополнительное легирование стали 20ХГР никелем в количестве 0,8 – 1,1% (20ХГНР) повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость, поэтому сталь 20ХГНР применяют для некоторых деталей вместо хромоникелевых сталей типа 12ХНЗА. Механические свойства после закалки и низкого отпуска при 200 °С сталей 15ХР и 20ХГР находятся в следующих пределах: s_в =75 – 100 кгс/мм²; s_0,2 =55 – 80 кгс/мм²; d =15 – 9% и а_н =9 – 8 кгс·м/см². Более высокие механические свойства у стали 20ХГНР: s_в = 130 кгс/мм²; s_0,2 = 120 кгс/мм²; d =10% и а_н=9 кгс×м/см².

Дата добавления: 2014-12-23