Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали

Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска (улучшения). Стали содержат 0,3 – 0,5% С и их подвергают закалке при 820 – 880°С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 550 – 680°С. Они должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, – высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

Углеродистые улучшаемые стали марок 35, 40, 45 используют только для изделий небольших сечений или работающих при невысоких нагрузках. Для деталей, имеющих более крупные сечения, применяют легированные стали, обладающие большой прокаливаемостью. Для весьма крупных деталей применяют высоколегированные стали, которые могут обеспечить высокие механические свойства по всему сечению.

Хромистые стали. Для средненагруженных деталей применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х (0,8 – 1,1% Сr). С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость.

Прокаливаемость хромистой стали 30Х, 40Х и 50Х невелика. Критический диаметр для 95% мартенсита составляет 15 – 20 мм. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым: для мелких деталей в масле и для крупных в воде. Порог хладноломкости у хромистых сталей от 0 до – 100°С (первая цифра указывает температуру, выше которой излом полностью вязкий, а вторая – температуру, ниже которой излом полностью хрупкий).

Сталь 30Х рекомендуется для изготовления деталей, относительно небольших размеров (оси, валики, рычаги, болты, гайки). Стали 38Х и 40Х обладают повышенной прочностью и применяются для коленчатых валов, осей, шестерен, болтов ответственного назначения, а стали 45Х и 50Х – для изделий, работающих на износ без значительных ударных нагрузок (крупные шестерни, некоторые валы).

Введение бора (0,002—0,005%) увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости.

Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая. Кри­тический диаметр (95% мартенсита) при закалке в воде 30 – 45 и в масле 20 – 30 мм. Сталь с бором 35ХР (40ХР) имеет следующие механические свойства (не менее): s_0,2 =80 кгс/мм²; s_в = 95 – 100 кгс/мм²; d =12%; y=50% и а_н =9 кгс×м/см².

Введение 0,1—0,2% V (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 (шатуны, шестерни).

Хромомарганцевая сталь. Совместное легирование хромом (0,9 – 1,2%) и марганцем (0,9 – 1,2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Эти стали 40ХГ, 40ХГР можно применять для изделий сечением 20 – 40 мм. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от +20 до – 60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве. Введение в сталь титана (30ХГТ) обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву.

Хромокремнемарганцевая сталь. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС, содержащие соответственно 0,2; 0,25 и 0,3% С (среднее содержание) и 0,9 – 1,1% Сr, 0,8 – 1,1% Мn и 0,9 – 1,2% Si, обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью.

Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

После закалки в масле с 880°С и отпуска при 520 – 540°С сталь 30ХГС имеет следующие механические свойства (не менее): s_в= 110кгс/мм²; s_0,2 =85 кгс/мм²; d =10%; y = 45% и а_н =5 кгс×м/см². Сталь 30ХГС подвергают также изотермической закалке на нижний бейнит (рис. 3, а) в расплавленную соль при 280 – 310°С, сообщающей еще более высокие механические свойства (s_в =165 кгс/мм²; s_0,2 =130 кгс/мм²; d = 9%; y =40% и а_н =4 кгс×м/см²) и снижающей чувствительность к надрезам.

Однако стали хромансил, благодаря малой устойчивости переохлажденного аустенита (см. рис. 3,а) при закалке в масле имеют сравнительно небольшую прокаливаемость (критический диаметр 25 – 40 мм), чувствительны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Более высокая прокаливаемость, критический диаметр для закалки в воде >100мм и масле >75 мм и лучшая вязкость достигаются при введении 1,4 – 1,8% Ni в сталь хромансил (30ХГСНА). Эта сталь после изотермической закалки или закалки в масле (на воздухе) с низким отпуском при 200°С позволяет получить s_в = 165 кгс/мм²; s_0,2 = 140кгс/мм²; d = 9% и а_н =6 кгс×м/см².

При использовании высокопрочных сталей 30ХГС, 30ХГСНА и др. необходимо учитывать, что они чувствительны к концентраторам напряжений, особенно после обычной закалки и отпуска, охрупчиванию в результате насыщения водородом (например, при гальванических покрытиях или травлении) и коррозии под напряжением.

Хромоникелевые стали. Благодаря большой устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 3, б, в), хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью [критический диаметр (95% мартенсита) при закалке до 100 – 300 мм], хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель обеспечивает наибольший запас вязкости, а в сочетании с хромом – большую прокаливаемость.

Кроме того, никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости.

Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

Чем больше в стали никеля, тем в большем сечении обеспечивается сквозная закаливаемость; при 3 – 4% Ni сквозная прокаливаемость практически достигается в сечении до 200 – 250мм. В улучшаемых сталях рекомендуется вводить £ 3,0% Ni. При большем содержании никеля получается много остаточного аустенита.

Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения 40 – 70 мм используют хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН и 50ХН (0,45 – 0,75% Сr и 1,0 – 1,4% Ni), обладающие высокими механическими свойствами (s_в =100 – 110 кгс/мм²; s_0,2 =80 – 90 кгс/мм²; d =11 – 9%; y = 45 – 40%; а_н =7 – 5 кгс×м/см²) и хорошей прокаливаемостью. Эти стали закаливают при 820°С (охлаждением в масле) и отпускают при 500 – 530°С с охлаждением в воде или в масле.

Рис. 3. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного

аустенита для конструкционных улучшаемых сталей:

а – 30ХГС; б – 40ХН; в – 40ХНМ; г – 38ХН3МФ

Сложнолегированные хромоникелевые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой многие детали из этой стали охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали – в воде. Однако даже охлаждение в воде для многих крупногабаритных деталей из глубокопрокаливающихся хромоникелевых сталей не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутренних частей, в которых развивается отпускная хрупкость. Для предотвращения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом. Детали из этих сталей высокого отпуска можно охлаждать на воздухе, а более крупные – в масле.

Широко применяется сталь 40ХНМ (рис. 3, в). Эта сталь после улучшения (закалка с 850°С в масле и отпуск при 620°С) имеет даже в крупных сечениях (s_0,2 ³85 кгс/мм²; s_в > 100 кгс/мм²; d ³12%; y ³55% и а_н ³10 кгс×м/см². Нередко в сталь, кроме молибдена (вольфрама), добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Примером сталей, легированных Cr, Ni, W, Мо и V, могут служить:

30ХН2ВФ (0,27 – 0,3% С; 0,6 – 0,9% Сr; 2,0 – 2,4% Ni; 0,5 – 0,8% W; 0,15 – 0,3°/о V);

38ХН3МФ (0,33 – 0,42% С; 1,2 – 1,5% Сr; 3 – 3,4% Ni; 0,35 – 0,40% Mo; 0,1 – 0,2% V) (см. рис. 3, г).

Большая устойчивость переохлажденного аустенита обеспечивает высокую прокаливаемость этих сталей 30ХН2ВФ и 38ХН3МФ (критический диаметр >100мм), что позволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень больших сечениях 1500 – 1000мм и более в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит. Указанные стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Механические свойства после закалки с 850 – 860°С в масле и высокого отпуска при 550°С сталей 30ХН2ВФ (38ХН3МФ) составляют: s_в =90 (120) кгс/мм²; s_0,2 = 80 (110) кгс/мм²; d =10 (12) % и а_н =9 (8) кгс×м/см² (в скобках – относится к 38ХН3МФА). Порог хладноломкости у стали 38ХН3МФА соответствует температуре от – 60 до – 140°С. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эту сталь можно использовать при 400 – 450°С.

Недостатком высоколегированных хромоникельмолибденовых сталей является трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. При обнаружении их хотя бы в одной поковке бракуют все поковки данной плавки. Стали применяют для наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованых роторов турбин, валы высоконапряженных трубовоздуходувных машин, детали редукторов и т. д.).

Дата добавления: 2014-12-23