10162

– аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азот-

ной кислотах, слабых щелочах;

– мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфор-

ной, уксусной и молочной кислотах.

Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до

60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаро-

стойкие, жаропрочные и криогенные.

Коррозионно-стойкие стали

Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин,

клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски,

валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

Жаропрочные стали

Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обла-

дают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (рото-

ры, лопатки, диски и др.).

Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей ис-

пользуются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном,

бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельны-

ми и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие харак-

90

теристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):

при 400-550°С – 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;

при 500-600°С – 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;

при 600-650'С – 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю,

ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.

Жаростойкие стали

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серо-

содержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах

(15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в нена-

груженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали харак-

теризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr

температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до

+1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюми-

нием.

Криогенные стали

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоко-

легированными (Сг, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребитель-

скими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, ха-

91

рактерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -

296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

В электропечах выплавляют в основном легированные конструкцион-

ные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назначения стали должно быть не более 0,025–0,04% для каждой из них.

Свойства конструкционной стали характеризуются низкой прокали-

ваемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемо-

сти улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам,

марганец, кремний, ванадий и другие легирующие элементы.

Высокую ударную вязкость конструкционной стали придает никель. В

сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую про-

каливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромоникелевые улуч-

шаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелона-

груженных изделий (оси, валы, муфты).

Недостатком хромоникелевых конструкционных улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется вве-

дением 0,20–0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочност-

ные свойства стали.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые конструкционные ста-

ли широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий

(шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цемен-

тированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает проч-

ность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хро-

92

ма и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода.

В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с вы-

сокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.

Сейчас наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочно-

сти, пластичности и вязкость конструкционных сталей, легированных с хромом и никелем, а также устраняет склонность к отпускной хрупкости.

Вместо хромоникельмолибденовых конструкционных сталей широко ис-

пользуют стали 30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое приме-

нение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила конструк-

ционная сталь 18Х2Н4ВА.

Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют алюминием. Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получать металл, свойства которого харак-

теризируются очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и

высоким сопротивлением истиранию, причем при содержании алюминия

0,5—1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.

Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из ле-

гированных алюминием сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом. Но при этом повышается склонность металла к отпускной хрупкости. Этот недостаток легированных хромом и алюмини-

ем сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.

В СНГ получили распространение конструкционные стали трех ма-

рок, содержащие от 0,4 до 1,1% Al: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА.

Склонную к отпускной хрупкости марку 38ХЮА применяют для деталей,

не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38ХМЮА и 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работаю-

щих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры, толкатели, шестерни),

а также изделий сложной конфигурации, от которых требуется высокая

93

поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел вынос-

ливости.

Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные ста-

ли, легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочно-

сти и текучести и способствуя образованию волокнистой структуры, крем-

ний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемарганцовистых сталей,

для этих целей применяют также хромокремнистые конструкционные стали.

Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчи-

востью против отпуска отличаются стали с кремнием, легированные до-

полнительно хромом и марганцем. Эти марки (20ХГСА, 3ОХГСА и др.),

содержащие 0,90—1,20% Si, используют вместо хромоникелевых и хромо-

никельмолибденовых. Так как кремний увеличивает и износостойкость,

такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, раз-

личных валов и осей.

Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали явля-

ются флокены.

Очень распространены также дефекты, вызванные ликвационными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде полос повышенной травимости или темных полос на серных отпечат-

ках. Обычно эти полосы наклонены с уширением книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширением кверху.

На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов ликвационная неоднородность проявляется в виде пятнистой ликвации или ликвационного квадрата.

Иногда в изделиях из конструкционных сталей выявляются дефекты в виде тонких нитей – волосовин, свидетельствующих о несплошности ме-

талла. Располагаются эти линии в направлении течения металла при горя-

94

чей обработке давлением. Волосовины встречаются на поверхности ката-

ных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в процессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.

Поверхностные волосовины являются следствием разных причин,

связанных главным образом с образованием плохой поверхности слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заготовок.

Внутренние волосовины образуются вследствие скопления неметал-

лических включений – продуктов раскисления, вытянутых в направлении течения металла в процессе горячей обработки давлением. Чаще всего это включения силикатов.

В слитках малоуглеродистой легированной конструкционной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются такие дефекты, как межкристаллические трещины. Эти дефекты конструк-

ционной стали усадочного происхождения расположены обычно по оси слитка, но не доходят до его головной и нижней зон. На поперечных тем-

плетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий – «пауков».

Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества металла, и

для их предотвращения в процессе выплавки и разливки стали принимают-

ся специальные меры.

4.5. Высококачественные конструкционные стали и область их

применения

К высококачественной конструкционной группе относятся практиче-

ски все виды легированных сталей, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками. Для придания особых свойств их под-

вергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки. Они исполь-

95

зуются в тяжелом и легком машиностроении, применяются в различных строительных конструкциях, востребованы при изготовлении всевозмож-

ных деталей для сельхозтехники.

Метод выплавки определяет содержание вредных примесей (серы,

фосфора, кислорода и др.), а, следовательно, и свойства этих материалов.

ВД – вакуумно-дуговой переплав;

Ш – электрошлаковый переплав;

ВИ – вакуумно-индукционная переплавка;

СШ – обработка синтетическими шлаками.

По химическому составу стали высококачественные – это главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не превышает 0,025% каждого. При обозначении высококачественной стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М – качест-

венная, а сталь 34ХН3МА – высококачественная. Наиболее применяемые высокопрочные – марки машиностроительных (конструкционных) сталей: 30ХГСНА; 30ХГСНМА; ЭИ643; ВЛ-1; 30ХГСА; 35ХГСА.

Высококачественные конструкционные стали:

– Цементуемые и улучшаемые стали для станкостроения, автомо-

бильной промышленности: валов, приводов, винтов;

– Азотированные стали для строения станков и установок (например,

составные части гидравлических установок);

–Износостойкие стали для подъѐмно-транспортного оборудования и техники безопасности: цепи, зажимы, решѐтки;

–Жаропрочные стали для производства арматуры, производства элек-

троэнергии: соединительные элементы.

При этом высококачественные конструкционные стали имеют более десятка различных подгрупп, классификация по которым осуществляется на основе их физико-химических свойств и области применения. Кроме этого, существуют стали, предназначенные исключительно для холодной

96

штамповки или же обладающие свойствами улучшения прочностных ха-

рактеристик при термической обработке.

Тем не менее, изделия, изготовленные из высококачественной конст-

рукционной стали, не рассчитаны на повышенные нагрузки. Для этих целей применяются различные виды особовысококачественной конструк-

ционной стали, которые обладают уникальными характеристиками.

4.6. Особовысококачественные конструкционные стали и область

их применения

В особовысококачественных сталях содержание углерода и легирую-

щих такое же, как и в соответствующих марках высококачественных ста-

лей. Содержание серы и фосфора наименьшее – до 0,015 и 0,025% соответ-

ственно. Особо высококачественные стали обозначаются через тире бук-

вой Ш (электрошлакового переплава) в конце марки. Например, 30ХГС-Ш.

Легированные высококачественные стали выплавляют в электропе-

чах. Особовысококачественные стали (например, шарикоподшипниковые типа ШХ, с содержанием и Р не менее 0,015%) после выплавки в электро-

печах подвергают обработке синтетическими шлаками и другим методам очистки.

К наиболее распространенной группе особовысококачественных кон-

струкционный сталей относятся так называемые мартенсито-стареющие сплавы, обладающие повышенным пределом выносливости. Стали особо

высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) по химиче-

скому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколеги-

рованными (Ni, Co, Мо, Cr, Ti, Be и др.). Эти стали характеризуются сле-

дующими потребительскими свойствами: в=1800...3000 МПа;

>10%, >40%; КСU=0,3...2,5кДж/м2.

Технологические свойства мартенситно-стареющих сталей – повы-

шенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластич-

97

ность в закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так, при дополнительном легировании хромом (12%) эти стали становятся стойкими против корро-

зии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др.).

Мартенситно-стареющие стали – особовысококачественные и из-за высокой стоимости применяются для деталей наиболее ответственного назначения: Н18К9М5 – Ш – шестерни, валы, корпуса ракет; Н10Х12Д2Т – Ш – детали химической аппаратуры, пружины; Н4Х12К15М4Т – Ш -

штампы горячего деформирования, детали теплоэнергетических установок и др. Основная их область применения заключается в изготовлении высо-

конагруженных деталей, а также тросов и крепежей.

К числу особовысококачественных видов также относятся шарико-

подшипниковые конструкционные стали и специальные сплавы, обладаю-

щие повышенной износостойкостью, жаростойкостью и пониженной чув-

ствительностью к коррозии.

Кроме этого, для работы в агрессивной среде нередко применяются двухслойные стали, в состав которых входит никель и хром.

Следует также отметить, что к особовысококачественным видам от-

носятся криогенные виды конструкционной стали, которые не утрачивают своих прочностных характеристик при низких температурах, поэтому могут использоваться в условиях вечной мерзлоты, а также для изготовле-

ния особо прочных емкостей, применяемых при транспортировке сжижен-

ных газов.

98

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие легирующие элементы применяются для раскисления стали?

2.С какой целью проводят легирование сталей?

3.Какие элементы являются вредными примесями и отрицательно влияют на механические свойства сталей и сплавов?

4.Где применяются высококачественные и особовысококачественные конструкционные стали?

5.Какие легирующие элементы повышают прочность сталей?

6.Какое содержание углерода в следующих марках строительных ста-

лей: Ст3пс, Ст4сп?

7.Какие легирующие элементы, и в каком количестве содержатся в следующих марках сталей: 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСШ, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, 10ХНДП; 12ХГДАФ; 10ХСНД; 16Г2АФ; 18Г2АФ; 12Г2СМФ; 12ГН2МФАЮ. 14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А?

8.Как влияет форма графита на механические свойства чугунов, и как они маркируются?

5.ВИДЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

5.1. Основы теории термической обработки

Термической обработкой называется технологический процесс, со-

стоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изде-

лий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структу-

ры и свойств в заданном направлении.

Современная классификация видов термической обработки, опреде-

ляемая типом фазовых и структурных изменений в металле, разработана А.А. Бочваром и охватывает все многочисленные разновидности термиче-

99