Конструкционные машиностроительные улучшаемые стали

Такими сталями являются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,3…0,5%. Стали применяют после закалки и высокого отпуска (такую термическую обработку называют улучшением). Стали имеют высокие пределы текучести и выносливости и достаточный запас вязкости. Их применяют для большой группы деталей машин, работающих не только при статических, но и в условиях циклических и ударных нагрузок (валы, штоки, шатуны, шпиндели, шестерни и др.). Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении сквозной прокаливаемости, которая определяется количеством легирующих элементов (чем больше легирующих элементов, тем выше прокаливаемость). В условиях полной прокаливаемости механические свойства мало зависят от характера легированности и определяются в основном содержанием углерода, количество которого в улучшаемых сталях изменяется незначительно. Поэтому важной характеристикой при выборе сталей является прокаливаемость. Чем больше сечение детали, тем более легированную сталь необходимо выбирать.

Улучшаемые стали условно разделяют на группы. По мере увеличения номера группы растут степень легирования и, следовательно, размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость:

1. Углеродистые стали марок 40, 45 и др., обладающие небольшой прокаливаемостью, в сечениях до 12 мм при закалке в воде.

2. Хромистые стали 30Х, 40Х и др., применяемые для средненагруженных деталей небольших размеров. Прокаливаются на глубину до 20 мм. Введение бора увеличивается прокаливаемость.

3. Хромистые стали, дополнительно легированные марганцем, молибденом, титаном (30ХГТ, 30ХГС, 40ХГ и др.) для повышения прокаливаемости и улучшения технологических и механических свойств. Стали прокаливаются на глубину до 30 мм в масле и до 40 мм в воде. Стали, легированные хромом, кремнием и марганцем, сочетают хорошие технологические (хорошо штампуются, свариваются) и механические свойства.

4. Стали, легированные никелем до 1…1,5%. Они имеют повышенную прокаливаемость, высокую прочность и вязкость. Для улучшения свойств и повышения прокаливаемости стали дополнительно легируют молибденом, ванадием (40ХН, 40ХНМ и др.). Их применяют для деталей сечением до 70 мм.

5. Стали, содержащие никеля до 3% и дополнительно легированные Мо, W, V и др. элементами (30ХНЗ, 38ХН3МФ и др.). Их применяют для крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрацинонных и динамических нагрузках. Химический состав углеродистых улучшаемых сталей регламентируется по ГОСТ 1055-88, легированных по ГОСТ 4543-71.

Рессорно-пружинные стали общего назначения

Основным требованиями, предъявляемыми к деталям типа рессор и пружин, являются высокий предел упругости, высокое сопротивление усталости при достаточной пластичности. Для получения этих свойств стали должны содержать углерода ≥ 0,5% и быть подвергнуты закалке (в воде или масле) и среднетемпературному отпуску при 400-500⁰С (в зависимости от марки). Стали также должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью. В соответствии с ГОСТ 14959-79 в качестве рессорно-пружинных используются углеродистые стали марок 65, 70, 80, 85 и легированные качественные и высококачественные стали. Основные легирующие элементы – кремний, марганец, хром, ванадий. Наиболее часто используются кремнистые стали, например, 55С2, 70С3А и др., в основном для пружин вагонов, автомобильных валов и т.д.

Стали 60С2ХФА, 65С2ВА применяют для крупных высоконагруженных пружин и рессор. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, не склонная к перегреву и обезуглероживанию.

Химический состав сталей регламентирован по ГОСТ 4955-77.

Кроме сталей, применяемых для изготовления пружин в термически обработанном состоянии, в качестве пружинного материала применяют также высокоуглеродистые стали марок 65…85 (ГОСТ4955-77) и инструментальные стали У10, У12 в виде холоднотянутой (со степенью деформации не менее 70%) шлифованной проволоки (серебрянки). Пружины после холодной навивки подвергают отпуску при 250-320^оС для снятия напряжений и повышения предела упругости.

Подшипниковые стали

Стали применяются для изготовления элементов подшипников – тел качения (шариков или роликов), колец. Подшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью (HRC≥62), поэтому применяют высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода в среднем 1%. Стали должны иметь высокую прокаливаемость, т.к. элементы подшипника должны прокаливаться насквозь. Для достижения этого стали легируют хромом. Чем больше размер закаливаемой детали подшипника, тем больше должно быть содержание хрома в стали. К подшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений (оксидных, сульфидных) и карбидной ликвации, потому что нагрузка в подшипниках локальная и если в точках касания шарика (ролика) и кольца окажется включение, то может произойти местное разрушение (выкрашивание), и долговечность работы подшипника снизится.

Термическая обработка детали подшипника состоит из закалки в масло с температурой 830-840⁰С и низкого отпуска при температуре 150-160⁰С, что обеспечивает твердость не ниже 62 HRC. Структура стали – мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными карбидами.

Марки подшипниковых сталей обозначаются буквами ШХ, что расшифровывается как подшипниковая (шарикоподшипниковая) хромистая, цифра после буквы Х показывает содержание хрома в десятых долях процента. Дополнительно стали легируют кремнием и марганцем. Химический состав подшипниковых сталей соответствует ГОСТ 801-78.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. В результате воздействия коррозии механические свойства металлов резко ухудшаются. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл сухих газов (газовая коррозия) и жидких неэлектролитов (нефть и ее производные, и некоторые неорганические вещества – бром, расплав серы и др.) и электрохимическую коррозию, вызываемую действием жидких электролитов (влажная атмосфера, почва, вода, растворы солей, щелочей, кислот).

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающие электрохимический потенциал. Основным легирующим элементом в нержавеющих сталях является Cr, введение его в сталь в количестве 12-14% (по массе) скачкообразно повышает коррозионную стойкость в атмосфере и во многих других промышленных средах путем образования на поверхности защитной пленки оксида Cr₂O₃ и повышения электрохимического потенциала. Дополнительно коррозионную стойкость сталей повышают легированием никеля.

По составу нержавеющие стали разделяют на хромистые и хромоникелевые. Хромистые стали применяют трех типов: с 13% хрома (содержание углерода 0,08-0,4%), с 17% хрома и 25-28% хрома (содержание углерода 0,08-0,17%) следующих классов: ферритного (стали 08Х13, 12Х17, 15Х28 и др.), мартенситного (стали 20Х13, 30Х13, 40Х13 и др.) и промежуточного ферритно-мартенситного класса (сталь 12Х13).

Хромистые стали коррозионно-стойки во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, слабых растворах солей, щелочей, в азотной кислоте и некоторых органических кислотах.

Хромоникелевые нержавеющие стали, содержащие 18%Cr и 8-10% Ni, имеют структуру устойчивого аустенита (после охлаждения на воздухе) и соответствуют аустенитному классу (стали 12Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др.). Стали имеют умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах (в растворах азотной и серной кислот и др.) поэтому являются наиболее распространенными.

Для работы в слабоагрессивных средах в хромоникелевых аустенитных сталях часть дефицитного никеля заменяют более дешевым аустенитообразующим элементом – марганцем (сталь 10Х14Г14Н4Т и др.). Легирование сталей титаном или ниобием делает их стойкими к межкристаллитной коррозии. Наряду со сталями аустенитного класса используются стали промежуточных классов: аустенито-ферритного (сталь 12Х22Н5Т и др.) и аустенито-мартенситного (сталь 09Х17Н7Ю и др.).

Составы хромистых и хромоникелевых коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей соответствуют ГОСТ 5632-72.

Котельные стали

В соответствии с ГОСТ 5520-79 стали применяются для изготовления деталей паровых котлов (обечайки, днища, барабаны и др.), труб пароперегревателей питательной воды, а также сосудов, работающих под давлением при комнатных, пониженных и повышенных температурах. В соответствии с ГОСТ 5520-79 стали условно разделены на три группы:

Группа 1. Углеродистые качественные стали. Применяются при рабочих температурах до 300⁰С. Марки сталей 12К, 16К, 18К, 20К, 22К (число показывает содержание углерода в сотых долях процента, буква К – принадлежность к котельным сталям).

Группа 2. Низколегированные стали, применяются при рабочих температурах до 380⁰С. Марки сталей 16ГС, 09Г2С1, 17ГС и др.

Группа 3. Легированные стали для рабочих температур до 500-580⁰С. Марка сталей 12Х1МФ, 10Х2М и др.

В зависимости от нормируемых механических свойств стали изготавливаются по категориям (от 2-й до 22-й), которые устанавливаются потребителем. Химический состав сталей соответствует ГОСТ 5520-79.

Жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные стали

Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями понимают стали и сплавы, обладающие стойкостью против газовой коррозии, т.е. химического разрушения поверхности в газовых средах при высоких температурах (свыше 550⁰С). Сопротивление металла окислению при высоких температурах характеризует его жаростойкость (окалиностойкость). Окалиностойкость повышают легированием элементами (Cr, Al, Si), которые образуют на поверхности стали плотные оксидные пленки (Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) препятствующие контакту стали с газовой средой. Чем выше содержание хрома, алюминия, кремния в стали, тем выше окалиностойкость и тем выше может быть рабочая температура. Например, у стали 12Х17 окалиностойкость 900⁰С, у стали 15Х25Т – 1050⁰С. Поскольку все нержавеющие стали содержат хрома больше 13%, они являются и жаростойкими. Окалиностойкость сталей зависит от состава, но не зависит от структуры. Так, окалиностойкость ферритных и аустенитных сталей при одинаковом содержании хрома практически одинакова, например, стали 10Х23Н18 и 15Х25Т имеют одинаковую окалиностойкость 1050^оС. Составы окалиностойких сталей и сплавов соответствуют ГОСТ 5632-72.

Жаропрочными называют стали и сплавы, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Применяют их для многих деталей котлов, турбин, реактивных двигателей, атомных установок и др., работающих при высоких температурах. Повышение температуры влияет на все механические свойства; оно снижает пределы прочности и текучести и особенно склонность к упрочнению в процессе пластической деформации.

Если при высокой температуре металл нагружен постоянно действующим напряжением (даже ниже предела текучести при этой температуре) длительное время, то он в течение времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может привести к разрушению металла.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки. Оно может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало, если нагрузка действует длительное время. Поэтому в общем случае при повышенных температурах прочность металла определяется двумя факторами – температурой и временем.

Повышение жаропрочности сталей достигается: 1) легированием твердого раствора (феррита или аустенита), которое приводит к увеличению энергии связи между атомами в результате чего задерживаются процессы диффузии, а температура рекристаллизации возрастает; 2) созданием термической обработкой у стали структуры, состоящей из зерен твердого раствора (аустенита или феррита) и вкрапленных в них и по границам зерен дисперсных частиц карбидов или интерметаллидов, что затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Жаропрочные стали работают при температурах 500-750⁰С. При работе до 600⁰С применяют стали, основой которых является феррит, а избыточной фазой – карбиды. К ним относятся стали перлитного, мартенситного и ферритного классов, а также промежуточных классов.

Стали перлитного класса применяются в основном в котлостроении для изготовления элементов паровых котлов (паропроводы, пароперегреватели, крепежные и др. детали, работающие длительное время) при температурах не свыше 550-580⁰С. Марки сталей и их химический состав соответствуют ГОСТ 5520-79 и ГОСТ 20072-74, например 12ХМ, 10Х2М, 12Х1МФ и др.

Мартенситно-ферритные стали используются для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок. Стали по химическому составу сложнолегированные, в них кроме хрома (11-13 %) входят вольфрам, ванадий, молибден, ниобий и др., которые повышают жаропрочность за счет повышения температуры рекристаллизации (молибден) и образования карбидов (вольфрам, ванадий, хром и др.). Бор, цирконий, церий дополнительно повышают жаропрочность. Рабочие температуры сталей до 600⁰С. Марки некоторых сталей 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.

Стали мартенситного класса. По химическому составу это стали с различным содержанием углерода (0,1-0,4%) и легирующих элементов, применяются для изготовления деталей различного назначения и работающие при температурах до 600⁰С, например: 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ и др. Если к свариваемости не предъявляется особых требований, то применяют высокохромистые стали с высоким содержанием кремния (сильхромы), их применяют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Наиболее известные марки: 40Х9С2, 40Х10С2М и др.

Высокохромистые стали, легированные никелем, молибденом, ванадием, вольфрамом, применяют для изготовления крупных деталей энергетических установок: диски, роторы паровых и газовых турбин, бандажи и др.

Стали аустенитного класса. Аустенитные стали применяются для изготовления деталей, работающих при температурах до 750⁰С. Для получения аустенитной структуры все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество никеля. Для достижения высокой жаропрочности стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием, бором, титаном. Жаростойкость сталей обеспечивается легированием хромом. По способу упрочнения стали делят на две группы:

1. Не упрочняемые термической обработкой, имеющие структуру аустенита. Температура работы до 700⁰С (стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР и др.)

2. Упрочняемые термической обработкой и применяемые после закалки и отпуска (старения). Закалка обеспечивает получение высоколегированного аустенита. Старение предназначено для выделения из аустенита дисперсных частиц (карбидов или интерметаллидов), упрочняющих аустенит и т.о. повышающих жаропрочность сталей.

Стали с карбидным (45Х14Н14В2М и др.) и интерметаллидным упрочнением (10Х11Н23Т3МР и др.) работают при температурах до 750^оС.