Конструкционные стали

В зависимости от требуемых механических свойств – прочности и вязкости, а также от назначения легированные конструкционные стали можно разделить на малоуглеродистые строительные (0,1 – 0,25 % С) и машиноподелочные (0,1 – 0,5 % С).

К строительным сталям, кроме простой углеродистой, относят и малолегированные стали, содержащие Сг, Si, Mn, Ni и Си суммарно в пределах 1 – 2 %. Применяются они как в состоянии поставки, так и после термической обработки. Строительные стали хорошо свариваются. В качестве примеров могут быть приведены стали марок 15ГС, 14ХГС, 20ХГС6 15ХСНА, 14Г2 и др. Эти стали относятся к перлитному классу.

Машиноподелочные стали делятся на две группы:

1. Цементуемые малоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 % и суммарным количеством легирующих элементов до 6 %. Изделия, изготовленные из этих сталей, перед термической обработкой подвергаются цементации, т.е. насыщению поверхности углеродом. В результате закалки и низкого отпуска цементованных изделий в них удается получить высокую твердость на поверхности, сочетающуюся с вязкой сердцевиной. Распространенными марками цементуемых сталей являются: 15Х, 20Х, 18Х1Т, 20ХН, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18ХНВА и др.

2. Улучшаемые среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3 – 0,6 % и суммарным количеством легирующих элементов до 6 %. В изделиях из легированных сталей в результате закалки и высокого отпуска на сорбит (500 – 600 °С) удается получить комплекс высоких механических свойств. Улучшаемые конструкционные стали обычно легируются одним или несколькими легирующими элементами – Мn, Cr, Si, Ni, Mo, W, Ti, V. Комплекс высоких механических свойств удается получить благодаря тому, что легирующие элементы упрочняют феррит, измельчают зерна аустенита и продуктов его распада, повышают отпускоустойчивость и увеличивают прокаливаемость. Так, например, в углеродистой стали марки 20 сквозную прокаливаемость в воде на твердость не ниже 50 единиц шкалы С по Роквеллу удается получить на образце диаметром 12 мм; в легированной же стали марки 40ХНМА сквозная прокаливаемость обеспечивается в сечениях диаметром 80 – 100 мм.

В качестве примера улучшаемых легированных марок стали могут быть приведены: ЗОХГСА, 45ХН, 40ХНМА, 37ХЗМА, 40ХГНВА, 40Х, 38ХМЮА.

Инструментальные стали

Для режущего инструмента применяют легированные стали с высоким содержанием углерода перлитного или карбидного класса, которые поставляются потребителю со структурой зернистого перлита.

Если режущий инструмент работает при скоростях резания, не вызывающих нагрева режущей кромки выше 200 – 250 °С, то для его изготовления могут быть использованы малолегированные инструментальные стали марок Х05, X, 9ХС, ХГ, ХВГ. Эти стали по структуре в отожженном состоянии относятся к заэвтектоидным и потому подвергаются неполной закалке. При этом в связи с присутствием в них Cr, W, Si, повышающих критическую точку а₁, температура нагрева под закалку у них выше, чем для углеродистых сталей. Преимущество малолегированных сталей, применяемых для режущего инструмента, перед углеродистыми заключается в повышенной прокаливаемости, уменьшении коробления (благодаря возможности закалки в масле и наличию остаточного аустенита), повышению режущей способности (благодаря повышению отпускоустойчивости) и износостойкости (вследствие наличия в структуре инструмента» более твердых легированных карбидов).

Если инструмент предназначается для высоких скоростей резания при больших съемах стружки, то применяется быстрорежущая сталь марок Р9, Р18, РК5, РК10.

Основное свойство инструментальных сталей – теплоемкость, способность сохранять твердость в нагретом состоянии. Углеродистые стали У8-У12 приобретают высокую твердость после закалки (62 – 64 HRС), однако нагрев выше 150 °С вызывает необратимое снижение твердости. Низколегированные стали, например, сталь ХВГ (0,9 – 1,05 % С, 0,9 – 1,2 % Cr, 1,2 – 1,6 % W, 0,8 – 1,1 % Mn), имеют глубокую прокаливаемость и более высокую теплостойкость. Высокая теплостойкость достигается при легировании W и Мо. Рассмотрим на примере стали Р18 влияние легирующих элементов и термической обработки на теплостойкость.

Сталь Р18 относится к группе быстрорежущих инструментальных сталей. Ее состав: 0,7-0,8 % С, 17-18,5 % W, 3,8-4,4 % Cr, 1-1,4 % V. После отжига структура стали состоит из сорбитной основы и большого количества (до 25 – 30 %) карбидов.

Высокая температура нагрева под закалку (1270 – 1290 °С) обусловлена необходимостью наиболее полного растворения карбидов для получения более легированного аустенита, а следовательно, и более устойчивого против отпуска мартенсита. Закалка с пониженных температур привела бы к недостаточному обогащению аустенита вольфрамом, вследствие чего теплостойкость стали была бы низкой. После нормальной закалки структура стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30 %) и нерастворившихся первичных карбидов. Твердость после закалки составляет 60-62 HRС.

Следующая операция термообработки – отпуск при температуре 560 – 580 °С. При отпуске из мартенсита и аустенита выделяются дисперсные карбиды вольфрама, хрома и ванадия. Объединенный углеродом и легирующими элементами аустенит при охлаждении после отпуска превращается в мартенсит. Для более полного превращения остаточного аустенита (А_ост) отпуск проводят 2 – 4 раза. Твердость при отпуске возрастает до 64 – 65 HRС. Повышение твердости при отпуске сталей, легированных сильными карбидообразующими элементами, носит название «вторичного твердения»; оно обусловлено выделением дисперсных карбидов из мартенсита. После термической обработки структура стали Р18 состоит из мартенсита отпуска, крупных первичных карбидов и большого количества выделившихся при отпуске дисперсных карбидов, мало-склонных к коагуляции. Такая структура является устойчивой при нагреве до 600 – 650 °С, что и обеспечивает высокую теплостойкость. Наличие первичных карбидов в структуре сообщает стали высокую износостойкость.

Для холодных штампов, от которых требуется особо высокая износостойкость, рекомендуются высокохромистые стали карбидного класса XI 2, XI 2М, Х12Ф1. Они закаливаются в масле от 1000 °С последующим отпуском при 250 °С.

Для горячих штампов, особенно крупных, у которых внутренняя полость, деформирующая металл, окончательно механически обрабатывается после термической обработки, применяются легированные стали со средним содержанием углерода. К числу марок легированной стали, применяемой для изготовления горячих штампов, относятся 5ХНМ, 6ХС, 5ХНВС, 5ХНС, 4Х8В2, 4ХС перлитного или мартенситного классов. Закалка заготовок горячих штампов проводится от 820 – 880 °С в масле, с последующим отпуском при 500 – 600 °С.

Для измерительного инструмента с повышенной износостойкостью применяются легированные стали марок ШХ15, ХГ, 9ХВГ, ХВГ, т.е. иногда те же, что и для режущею инструмента и холодных штампов.