Углеродистые и легированные конструкционные (машиностроительные) стали

Лекция 15

Машиностроительные стали, идущие на изготовление различных деталей машин и механизмов, классифицируются по составу - углеродистые и легированные, обработке - цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску), назначению (строительные, пружинные, подшипниковые и др).

Разделение по обработке:

Цементуемые стали - низкоуглеродистые стали, содержащие обычно не более 0,2 % С, используемые для изготовления деталей, работающих под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, подвергаемые цементации, закалке и низкому отпуску.

Твердость поверхности готовой детали должна составлять около 20 — 40 HRC. В отличие от слабопрокаливающихся углеродистых сталей при цементации и термообработке легированных сталей происходит дополнительное упрочнение сердцевины. Это упрочнение тем больше, чем более легирована сталь.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, слабо- и сильно упрочняемой сердцевиной.

К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20. Их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной и деталей небольших размеров. Под цементованным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-перлитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали марок 15X, 20Х, содержащих около 1% Cr, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Из них изготавливают изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.). При содержании хрома до 1,5% в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fe, Cr)₃C, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.

Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, имеющих большое сечение или сложную конфигурацию, или для деталей, подвергающихся действию больших знакопеременных напряжений. В состав этих сталей вводят никель: 20ХН, 12XH3A, 12Х2Н4А. Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Вследствие его дефицитности никель иногда заменяют марганцем, вводя кроме того небольшое количество титана или ванадия для измельчения зерна (18ХГТ).

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом или молибденом (например, сталь марки 18Х2Н4ВА или 18Х2Н4МА) дополнительно стабилизирует переохлажденный аустенит, а следовательно, еще больше увеличивает прокаливаемость стали. В результате закалки в масле сердцевина деталей приобретает структуру мартенсита. Такие стали применяют для крупных тяжелонагруженных деталей типа зубчатых колес, осей и др. Эти детали устойчивы к динамическим нагрузкам.

Улучшаемые конструкционные стали - среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 — 0,5 % C и легирующие элементы обычно в количестве не более 5 %, подвергаемые операции так называемого улучшения, состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550 — 650⁰С.

После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки.

Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, малую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.

В случае сквозной прокаливаемости после одинаковой термообработки свойства различных марок улучшаемых сталей близки между собой. Поэтому выбор той или иной марки улучшаемой стали в каждом конкретном случае обусловлен прокаливаемостью стали, сечением детали и сложностью ее конфигурации, наличием концентраторов напряжений.

Улучшаемые стали могут бьпь условно разбиты на 5 групп. С увеличением номера группы растет степень легирования и размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость.

К группе I относятся углеродистые стали марок 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D_м до 10 мм.

Группа П представлена хромистыми сталями марок 30Х, 40Х. Критический диаметр D = 15 — 20 мм.

В группу III входят хромистые стали, дополнительно легированные еще одним или двумя элементами: марганцем (40ХГ) и бор ом (40ХР) - для увеличения прокаливаемости (D = 20 — 25 мм).

Высокими свойствами обладают принадлежащие к этой группе стали, называемые хромансилями: 20ХГС, 30ХГС. Эти стали хорошо свариваются при высокой прочности σ_В =1200 МПа. Их недостатком является склонность к отпускной хрупкости.

К группе IV относятся хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni: 40ХН, 40ХНМ. Их критический диаметр D = 40 мм. Эги стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости, чем стали предыдущнх групп.

Группу V составляют комплекснолегированные стали, содержащие 3— 4 % Ni: 38XH3M, 38ХН3МФА. Эти стали, хотя и сравнительно дороги, относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей. Критический диаметр D составляет 100 мм и более при низкой склонности к хрупкому разрушению. Из сталей этой группы изготовляют сложные по конфигурации детали, подвергаемые ударным нагрузкам. Их недостаток состоит в трудности обработки резанием.

Разделение по назначению:

Дата добавления: 2015-07-07