4. Технологический процесс плавки

Главной характеристикой конструкционных сталей является их механиче­ские свойства при статической и динамической нагрузке. Иногда к ним предъявляют дополнительные требования, например устойчивость против коррозии, износостойкость и др. В некоторых случаях необходимыми свойствами обладает углеродистая сталь, а иногда сталь требуется леги­ровать тем или иными элементами. В электропечах выплавляют в основ­ном легированные, конструкционные качественные 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.

Углеродистые стали характеризуются низкой прокаливаемостью, 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 прокаливаемости улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний, ванадий и другие легирующие элементы. Высокую ударную вязкость придает стали никель. В сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую прокаливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромникелевые улучшаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий (оси, валы, муфты).

Недостатком хромникелевых улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется введением 0.2-0.4% Mo. При этом повышаются также и прочностные свойства стали.

Хромникелевые и хромникельмолибденовые стали широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий (шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цементированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает прочность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хрома и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода. В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.

Существенно повышает предел прочности, пластичность и вязкость сталей, легированных хромом и никелем, присадка вольфрама, которая, кроме того, устраняет склонность к отпускной хрупкости, поэтому наряду с хромникельмолибденовыми широко используют стали 30Х2Н2ВА, 35Х3ВА, 40Х4ВА, 18Х2Н4ВА.

Имеется группа конструкционных сталей, которые легируют алюминием. Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получить сталь с высокой твердостью на поверхности (до 70HRC), причем при содержании алюминия 0.5-1.5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.

Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из легированных алюминием конструкционных сталей можно получить, если одновременно сталь легировать хромом. Но при этом повышается склонность стали к отпускной хрупкости. Этот недостаток сталей, легированных хромом и алюминием, устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.

Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные стали, легированные только кремнием (1.5-2.0%). Повышая пределы прочности и текучести и способствуя образования волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемаргацовистых сталей, для этих целей применяют также хромокремнистые стали.

Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчивостью против отпуска характеризуются стали, содержащие кремний и легированные дополнительно хромом и марганцем. Такие стали (20ХГСА, 30ХГСА и др.) с 0.90-1.20% Si используют вместо хромникелевых и хромниельмолибденовых. Поскольку кремний увеличивает износостойкость, то такие стали применют для изготовления шестерен, зубчатых колес, различных валов и осей.

Таблица 2. Химический состав конструкционных марок стали (массовая доля в %)

Марка стали	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	прочее
				не более
10	0,07-0,14	0,17-0,37	0,35-0,65	0,035	0,040	0,15	0,25	-
40	0,37-0,45	0,17-0,37	0,5-0,80	0,040	0,040	0,25	0,25	-
20Х	0.17-0.23	0,17-0,37	0.50-0.80	0,035	0,035	0.70-1.00	0,30	0.30 Cu

.