Високоміцні сталі. Сталі для цементації і азотування.

Леговані низько відпущені сталі.

Ці сталі мають високий тимчасовий опір ( σв > 1700 МПа) і межу плинності ( σ0 , 2 > 1500 МПа) , які вони набувають після гартування і низького відпуску . Однак конструкційна міцність цих сталей зазвичай знижена через чутливість до концентраторів напруг і надрізів . При визначенні режиму відпуску цих сталей необхідно враховувати розвиток при температурі 200 ... 300 º С незворотною відпускної крихкості. Тому відпуск цих сталей проводять при температурі нижче області розвитку необоротної відпускної крихкості або вище 300 º С. Легування здійснюється для підвищення стійкості мартенситу при нагріванні , забезпечення необхідної прокаливаемости , підвищення опору крихкому руйнуванню. Приклади марок легованих низьковідпущенних сталей : 30ХГСН2А , 40ХСН2МА , 35ХГСА . При легуванні карбідообразующие елементами при інших рівних умовах використовують легуючі елементи , карбіду яких легко розчиняються при нагріванні під загартування .

40Хгсн2м2а

Дисперсійно -твердіючі сталі

Їх використовують для деталей , зміцнюючих за рахунок вторинного тверднення , яке проявляється при відпустці загартованих сталей зі структурою мартенситу завдяки виділенню карбідів при температурі 550 ... 650 º С. Зміст вуглецю в цих сталях не повинно перевищувати 0,3 ... 0,4 % , щоб не було значного зниження пластичності . Для оптимального зміцнення сталей при вторинному твердінні застосовують комплексне легування хромом , молібденом , ніобієм і ванадієм , при якому максимум вторинного тверднення досягається при Cr = 5 % , Mo = 1 ... 2 % , V = 0,5 %. Ефект зміцнення обумовлений виділенням дисперсних частинок карбідів хрому ( максимум твердіння при 500 º С); карбідів молібдену ( 550 º С); карбідів ванадію ( 600 º С). Вводити V > 0,5 % не рекомендується, тому збільшення вмісту карбіду ванадію призводить до зниження пластичності . Приклади високоміцних дисперсійно -твердіючих сталей : 40Х5М2СФ ; 40Х5М2СФБ ; 40Х5СФБ . Корисним є легування стали кремнієм . При Si = 0,7 ... 1,2 % підвищується інтенсивність вторинного твердіння.

Мартенситно - старіючі сталі

Мартенситно - старіючі сталі (МСС ) представляють собою клас Особово - високопрочних ( σв > 1800 ... 2200 МПа) конструкційних матеріалів . По міцності , в'язкості і технологічності МСС перевершують інші високоміцні матеріали. МСС містять 8 ... 20 % Ni і кілька легуючих елементів з ряду Ti , Mo , Al , Be , W , V , Mn , Si , що володіють обмеженою розчинністю в α - Fe. Приклади марок МСС : Н18К9М5Т , Н18К12М4Т2 , Н17К10В10М2Т . Ці стали практично не містять вуглецю (С < 0,03 %) і зміцнення в них досягається за два етапи : отримання мартенситной структури при загартуванню з 820 ... 940 º С і подальше старіння мартенситу при 480 ... 520 º С протягом 2 ... 3 ч. Нікель при старінні стали дуже впливає на ефективність зміцнення, зменшується розчинність легуючих елементів ( Ti , Al , Mo , V та ін) в α - фазі , що призводить до збільшення об'ємної частки виділяються при старінні відповідних інтерметалідних фаз ( Ni3Тi , NiAl , Fe2Mo , Ni3V і ін.) Кобальт , як легуючий елемент , не викликає старіння мартенситу Fe - Ni- сталі. Легування кобальтом деяких МСС призводить до додаткового зміцнення при нагріванні. Мартенсит МСС на відміну від мартенситу вуглецевих сталей володіє відносно малою міцністю, не вельми високими пластичністю і в'язкістю. Завдяки низькому коефіцієнту деформаційного зміцнення мартенситу цього класу сталей можна виробляти холодну деформування з великими ступенями обтиску (до 80 ... 90 %) без застосування проміжних отжигів . Старіння мартенситу призводить до суттєвого підвищення міцності і зниження пластичності і в'язкості. Найбільше зміцнення при старінні досягається при легуванні Ti , Be , Al. При введенні до складу МСС з відносно низькими пластичністю і в'язкістю ( сталі з Ti , Al , Si та ін ) 1,5 ... 2,0 % Мо їх міцність практично не змінюється , але істотно збільшується пластичність і в'язкість ( Мо як поверхнево- активний елемент ускладнює виділення уздовж кордонів зерен) . Важливими достоїнствами МСС є: незначна зміна розмірів після зміцнюючої обробки ( Δl / l = - 0,04 ... 0,07 %); у великих перетинах і навіть при охолодженні на повітрі відбувається повне перетворення аустеніту в мартенсит ; хороша зварюваність , штампуемость та обробка різанням. До важливих переваг виробів з МСС відноситься те , що зміцнення досягається в результаті нескладної термічної обробки. Однак МСС , що містять більше 0,4 ... 0,6 % Ti , схильні до теплового охрупчування при повільному охолодженні починаючи з 1210 ... 1100 º С або при ступінчастому охолодженні 900 ... 700 º С ( пов'язане з виділенням карбонитридов титану) . Для запобігання цього явища застосовують режим термічної обробки , що полягає в нагріванні при 1150 ... 1200 º С, при якому карбонітриди титану розчиняються в аустеніт , з наступним швидким охолодженням у воді, що дозволяє запобігти їх повторне виділення . Але після такої обробки різко збільшується розмір зерна аустеніту. Для подрібнення зерна необхідна триразова гартування з 900 ... 925 º С.

МСС доцільно використовувати , перш за все , для виготовлення виробів , які повинні володіти високою питомою міцністю в поєднанні з високою експлуатаційною надійністю. Наприклад , в аерокосмічній і ракетній техніці , для зубчастих передач двигунів літаків і вертольотів , в машинобудуванні - матриці , штампи , прес-форми , робочі осі і оправлення для металорізальних верстатів , чутливі пружні елементи приладів.

Цементуємі сталі – низьковуглецеві сталі з вмістом вуглецю 0,08 ... 0,25 % , що забезпечує отримання в'язкої серцевини. Для деяких високонавантажених деталей (зубчасті колеса тощо) вміст вуглецю в сталі може бути підвищено до 0,35 %. При легуванні цементуемих конструкційних сталей , як правило , здійснюється комплексне легування декількома елементами . Наприклад , стали 18ХГТ , 30ХГТ , 20ХГР , 12ХН3А , 18Х2Н4МА . Добавки молібдену до 0,3 ... 0,5 % в хромонікелеєві і Хромомарганцевие стали збільшують прокаливаемость цементованного шару ( стали 25ХГМ , 20ХНМ ) . Бор ( 0,001 ... 0,005 %) збільшує прокаливаемость серцевини. Широко застосовується легування цементуемих сталей елементами , що затримують зростання зерна аустеніту при нагріванні ( титаном або ванадієм ) . Сприятливо легування цементуемих сталей нікелем , який підвищує в'язкість цементованного шару і серцевини і знижує температуру хладноломкости (сталі 12ХН3А , 18ХГСН2МА ) . Введення кремнію дозволяє підвищити ударно- втомну витривалість хромонікелевих цементуемих сталей.

Цементацію проводять в газовій , рідкої і твердої середовищах. Цементація є трудомістким і тривалим процесом. Глибина цементованной зони може бути різною для різних деталей і становить 0,3 ... 2,5 мм залежно від розмірів і призначення виробу . Вплив легуючих елементів на глибину цементованного шару визначається їх впливом на коефіцієнт дифузії і концентрацію вуглецю в поверхневому шарі. Оптимальний вміст вуглецю після цементації в поверхневому шарі становить 0,8 ... 0,9 %.

Цементацію проводять в аустенітної області ( 920 ... 980 º С) , іноді при 980 ... 1050 º С ( високотемпературна цементація для сталей з спадково дрібним зерном) . Після цементації термічна обробка виробів полягає в загартуванні (з 840 ... 860 º С) і низькотемпературному відпустці ( 180 ... 200 º С).

У легованих сталях після цементації і гарту крім мартенситу і карбідів присутній також залишковий аустеніт . Після цементації , загартування і низького відпустки основна структура поверхневого шару, що містить 0,8 ... 0,9 % С, - нізкоотпущенний мартенсит з дрібними сфероїдальну карбидами , добре чинить опір зносу , твердість поверхні 750 ... 950 HV . Серцевина деталі , що містить 0,08 ... 0,25 % С, залишається в'язкою. Цементації звичайно піддають деталі машин , які повинні мати зносостійку робочу поверхню і в'язку серцевину : зубчасті колеса , вали і пальці , розподільні валики , кулачки і т.п.

Азотіруемие стали: 38Х2МЮА , 30Х3ВА , 30ХН2ВФА , 20Х3МВФА , 25Х2МФА та ін Найбільш висока поверхнева твердість при азотуванні досягається в хромомолібденових сталях , додатково легованих алюмінієм , типовим представником яких є сталь 38Х2МЮА , що містить , % : 0,35 ... 0,42 С; 1,35 ... 1,65 Cr ; 0,7 ... 1,10 Al і 0,15 ... 0,25 Мо . Комплексне легування Cr , Mo Al дозволяє підвищити твердість азотированного шару до 1200 HV . Молібден також усуває відпускну крихкість , яка може виникнути при повільному охолодженні від температур азотування .

Азотування - процес дифузійного насичення азотом поверхневої зони деталей при температурі 500 ... 600 º С. До азотування деталі піддають гарту , високому відпуску ( поліпшенню ) і чистової обробки . Азотування конструкційних сталей проводять для підвищення їх твердості , зносостійкості , теплостійкості і корозійної стійкості (колінчаті вали , гільзи циліндрів та ін.) Процес азотування тривала операція . Так при звичайному азотуванні стали 38Х2МЮА дифузійну зону товщиною 0,5 мм отримують при 500 ... 520 º С за 55 годин витримки. Таку ж товщину зони можна отримати за 40 год , якщо застосувати двоступінчастий режим азотування : 510 º С, 15 год і 550 º С, 25 ч. Висока твердість і зносостійкість азотіруемих конструкційних сталей забезпечується нитридами легуючих елементів ( CrN , MoN , AlN ) , однак через наявність вуглецю при азотуванні фактично утворюються карбонітридним фази . Азотування підвищує теплостійкість конструкційних легованих сталей. Наприклад , робочі температури азотіруемих деталей із сталей 38Х2МЮА і 25Х2МФА складають 400 ... 490 º С

Процес одночасного насичення стали вуглецем і азотом в газовому середовищі називається нитроцементацией . Нітроцементація проводять при більш низьких температурах ( 850 ... 870 º С) у порівнянні з цементацією . Нітроцементаціі зазвичай піддають леговані сталі з вмістом до 0,25% С ( наприклад , стали 18ХГТ , 25ХГМ та ін.) Термічна обробка після нитроцементации - гартування з низьким відпусткою.

20ХНМ 18Х2Н4