Сталі підвищеної оброблюваності

Конструкційні сталі

Конструкційними називають сталі, які використовують для виробництва машин, конструкцій і споруд.

Розрізняють такі види конструкційних сталей:

- вуглецеві звичайної якості та якісні;

- підвищеної оброблюваності;

- цементовані;

- покращувальні;

- пружинно-ресорні;

- підшипникові;

- зносостійкі;

- високоміцні.

Вуглецеві сталі звичайної якості та якісні сталі розглянуті раніше.

На оброблюваність сталі роблять вплив різні чинники, основними з яких є: швидкість різання; зусилля різання; чистота оброблюваної поверхні; вид операції (точіння, фрезерування, свердлення, фрезерування та ін.).

Оброблюваність знижується при підвищенні твердості і міцності сталі. Збільшення змісту вуглецю в сталі унаслідок зміцнення приводить до зниження оброблюваності.

Розмір зерна, не впливаючи на твердість, знижує в'язкість. Знижена в'язкість сприяє отриманню сипкої, недовгої стружки і її легшому відділенню. Низьковуглецеві сталі і технічне залізо, не дивлячись на малий зміст вуглецю і малу міцність, погано обробляються через велику в'язкість і пластичність.

Велике значення має теплопровідність сталі. При низькій теплопровідності тепла, що виділяється при різанні, замало або зовсім не поглинається виробом і відбувається його концентрація в точках різання. Це приводить до розігрівання різальної кромки інструменту і зниження його стійкості. Мала теплопровідність характерна для аустенітних сталей, тому, не дивлячись на низьку твердість, вони погано обробляються.

Підвищення оброблюваності досягається введенням в сталь сірки, селену, теллуру, кальцію, свинцю, фосфору. Такі сталі називаються автоматними і маркірують буквою А. Наявність свинцю в цих сталях вказує буква С, селену - Е, кальцію - Ц, двозначна цифра після цих букв указує на зміст вуглецю в сотих частках відсотка.

Автоматним сталям характерні схильність до крихкого руйнування, знижена межа утомленості, анізотропія механічних властивостей, низька корозійна стійкість і тому їх використовують для виготовлення маловідповідальних деталей.

Автоматні сірчисті сталі А11, А20, А30, А35, А40Г містять до 0,30% сірки і до 0,15% фосфору. Для зниження схильності до червоноламкості в них збільшено зміст марганцю до 1,5%. Сірка в автоматних сталях знаходиться у вигляді сульфідів марганцю, які сприяють утворенню короткої і ламкої стружки і зменшують тертя між стружкою та інструментом. Фосфор, збільшуючи крихкість фериту, полегшує відділення і подрібнення стружки і сприяє отриманню гладкої блискучої поверхні різання.

Автоматні сталі АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ містять до 0,35% Рb і за оброблюваністю перевершують сірчисті. Свинець не розчиняється в сталі і присутній у вигляді дрібних відособлених включень, що при механічній обробці робить стружку більш ламкою. Окрім цього, від теплоти різання свинець плавиться і за рахунок змащування ефективно знижує тертя між інструментом і виробом. Проте при великих швидкостях різання свинець може випаровуватися, що приводить до схоплювання інструменту з оброблюваною деталлю. Свинець не погіршує міцності, але трохи зменшує пластичність і в'язкість.

Автоматні сталі А35Е, А45Е, А40ХЕ містять до 0,1% Se, який практично не знижує їх корозійної стійкості. Підвищення оброблюваності пов'язане з оточенням твердих оксидних включень селенідами і сульфоселенідами, що зменшує їх стираючу дію.

Автоматні сталі АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ40ХН3 й ін. містять кальцію до 0,008% з можливим додаванням свинцю, теллуру і селену. Кальцієві сталі обробляються твердосплавним інструментом при високих швидкостях різання.

3.2.2 Низьковуглецеві сталі для цементації

Для виготовлення деталей, які працюють за умов тертя, ударних і змінних навантажень, застосовують низьковуглецеві сталі, які містять до 0,2 % вуглецю і піддаються цементації з подальшим гартуванням і низькотемпературним відпуском. Сталі для цементації підрозділяються на три групи:

- вуглецеві сталі з серцевиною, яка не зміцнюється під час подальшої термічної обробки;

- низьколеговані сталі, в яких серцевина зміцнюється в невеликих межах;

- леговані сталі з сильно зміцнюваною серцевиною при термічній обробці.

До сталей першої групи відносяться сталі 10, 15, 20. Внаслідок низької прогартовуваності їх застосовують для мало відповідальних деталей з не зміцнюваною серцевиною. Навіть після гартування з охолоджуванням у воді шари, які розташовані під цементованим шаром, мають ферито-перлітну структуру, і, відповідно, низьку твердість і міцність.

До сталей другої групи відносяться низьколеговані сталі 20Х, 20ХР, 20ХН, які після цементації піддають гартуванню в маслі, що дозволяє одержати бейнітні структури за перетином деталі і наступні механічні властивості: s_в до 750 МПа, δ до 12%, КСU - 0,6...0,7 МДж/м2.

До сталей третьої групи відносяться сталі типу 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, які після охолоджування в маслі гартуються на мартенсит. Якщо після гартування в цементованому шарі зберігається велика кількість залишкового аустеніту, то такі сталі піддають обробці холодом, а потім низьким відпуском.

3.2.3 Середньовуглецеві сталі для поліпшення

Ці сталі містять 0,3...0,5%С і легуючі елементи (хром, нікель, молібден, вольфрам, марганець, кремній в загальній кількості не більш 3…5%), а також до 0,3% елементів, які сприяють отриманню дрібного зерна аустеніту (ванадій, титан, ніобій, цирконій).

Найбільше поширення для машинобудування набули конструкційні сталі, леговані 0,8...1,2% Cr. Вони мають більшу прогартовуваність, ніж вуглецеві сталі. Хром сприяє отриманню в сталі високої і рівномірної твердості. Температурний інтервал холодноламкості хромистих сталей 0...-100^оС. При 0^оС спостерігається в'язкий злам, а при -100^оС злам стає повністю крихким.

Хромисті сталі легують додатково:

- марганцем для підвищення прогартовуваності, але марганець сприяє зростанню зерна і, як наслідок, підвищує поріг холодноламкості;

- молібденом (0,15…0,45%) для підвищення прогартовуваності і зниження порогу холодноламкості, а також для підвищення статичної, динамічної і втомної міцності сталі;

- ванадієм (0,1...0,3%) для зменшення розміру зерна і підвищення в'язкості;

- бором (до 0,003%) для підвищення прогартовуваності, але при цьому підвищується поріг холодноламкості;

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

Введення в хромисті сталі нікелю значно підвищує їх прогартовуваність. Додаткова добавка молібдену в хромоникельові сталі знижує відпускну крихкість, до якої схильні ці сталі.

Термічна обробка таких сталей включає гартування в маслі і високий відпуск (550…650°С). Нагрів для гартування проводять до температури на 30...50°С вище А_С3. Для більшості сталей це температура біля 850°С.

Середньовуглецеві леговані сталі при гартуванні охолоджують в маслі, що дає можливість одержувати мартенситну структуру при значно меншому рівні внутрішніх напруг.

При високотемпературному відпуску (550…650°С) середньовуглецевих сталей слід передбачати швидке охолоджування після відпуску, яке запобігає розвитку відпускної крихкості другого роду. У тих випадках, коли після відпустки неможливо здійснити швидке охолоджування (наприклад, для великогабаритних деталей), слід використовувати сталі, леговані молібденом, який уповільнює розвиток відпускної крихкості другого роду.

Покращувальні сталі можуть бути умовно розподілені на 5 груп. Із зростанням номера групи зростає кількість легуючих елементів, збільшується прогартовуваність і опір крихкому руйнуванню.

До першої групи відносяться вуглецеві сталі 35, 40, 45. Максимальний перетин деталей (Д_кр.), які прогартовуються на мартенсит, не перевищує 10мм. Перехідна температура холодноламкості (t₅₀,^оС) дорівнює -20^оС.

Другу групу складають хромові сталі марок 30Х і 40Х. Для цих сталей Д_кр і t₅₀,^оС складають, відповідно, 20 мм і – 40^оС. Недоліком сталей цієї групи є схильність до відпускної крихкості другого роду.

Для сталей третьої групи (30ХМ, 40ХГ, 40ХГТ) критичний діаметр збільшується до 25мм, а перехідна температура холодноламкості знижується до -50^оС. У ці сталі для підвищення прогартовуваності додатково вводять марганець, а для зниження відпускної крихкості – молібден. Такі сталі, леговані, окрім цього, ще і кремнієм, називають хромансилами (20ХГС, 30ХГС). Ці сталі добре зварюються, мають міцність s_в = 1200 МПа і ударну в'язкість КСU = 0,4 МДж/м².

Четверту групу складають хромонікелеві сталі, які містять до 1,5% Ni (40ХН, 40ХНМ). Критичний діаметр в цих сталях перевищує 40 мм, а перехідна температура холодноламкості досягає -70^оС.

До п'ятої групи відносять комплексно леговані сталі, які містять до 4%Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА). Критичний діаметр цих сталей більше 100мм, а t₅₀,^оС - нижче -100^оС. З цих сталей виготовляють складні за конфігурацією і великі за перетином деталі, які гартуються в маслі.

3.2.4 Ресорно-пружинні сталі

Основними вимогами, які висуваються до деталей типу ресор і пружин є висока межа текучості (до 1700 МПа), високий опір утомленості при достатній пластичності. Підвищення значення межі текучості пружинних сталей досягається гартуванням з подальшим середньотемпературним відпуском при 400...480°С.

Сталі для пружин і ресор повинні забезпечувати крізну прогартовуваність для отримання структури мартенситу за всім перетином деталі. Наявність після гартування не мартенситних продуктів розпаду аустеніту і залишкового аустеніту погіршує пружинні властивості. Чим дрібніше зерно, тим вище опір сталі малим пластичним деформаціям. Наявність зневуглецьованого шару на готових пружинах різко знижує межі пружності і витривалості.

Для виготовлення пружин і ресор застосовують конструкційні сталі з підвищеним вмістом вуглецю 0,5…0,7%, додатково леговані кремнієм, марганцем, хромом і ванадієм.

Для пружин малого перетину, які при роботі визнають незначні навантаження, використовують вуглецеві сталі 65, 70, 75, 65Г,75Г.

Кремнисті сталі (55С2, 60С2, 70С3) застосовують для виготовлення пружин вагонів, автомобільних ресор, торсійних валів й ін. Кремній підвищує прогартовуваність, затримує розпад мартенситу при відпуску і значно зміцнює ферит, що забезпечує хороші властивості. Проте кремнисті сталі схильні до зневуглецювання, що знижує межу витривалості. Окрім цього, вони важко обробляються різанням.

Додаткове легування кремнистих сталей хромом, кремнієм, вольфрамом, нікелем збільшує їх прогартовуваність і зменшує схильність до зневуглецювання. Сталі 60С2ХФА і 65С2ВА, що мають прогартовуваність до 50 мм, застосовуються для виготовлення крупних тяжко навантажених пружин. Сталь 60С2Н2А прогартовується до 80 мм і використовується при виготовленні відповідальних пружин, що працюють в умовах значних динамічних навантажень.

Для зменшення чутливості до концентраторів напруг готові пружини і листи ресор піддають поверхневому наклепу обдуванням дробом, після чого межа витривалості збільшується в 1,5…2 рази.

Пружини з вуглецевих, марганцевих, кремнистих сталей працюють при температурах не більше 200^оС. Для пружин з температурою експлуатації до 300^оС використовують пружини із сталі 50ХФА, а при вищих температурах до 500^оС - із сталі 3Х2В8Ф, до 600^оС - із сталі Р18.

Для роботи в агресивних середовищах пружини виготовляють з хромистих корозійностійких сталей типа 40Х13, 95Х18.

Дата добавления: 2014-01-07