Машиностроительные
стали
1
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
К машиностроительным сталям относятся конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов изделий.
Требования: |
высокая |
конструкционная |
||
прочность, хорошие |
технологические свойства, |
|||
иногда специальные |
свойства: износостойкость, |
|||
теплоустойчивость, |
определенные физические |
|||
свойства и т.д. |
|
|
|
|
Классификация машиностроительных сталей: |
||||
по составу (углеродистые, легированные), |
||||
по |
обработке |
(улучшаемые, |
нормализуемые, |
|
цементуемые, |
азотируемые, |
мартенситно- |
||
стареющие и т.д.), |
|
|
2(пружинные, |
|
по |
назначению |
|||
Углеродистые качественные стали
Отожженные стали - феррито-перлитная структура.
Структура закаленной стали зависит от содержания углерода и температуры нагрева под закалку.
Углерод, растворенный при нагреве под закалку в аустените, понижает температурный интервал мартенситного превращении. При содержании в аустените более 0,5 % С температура Мк будет
ниже Тком., поэтому после закалки в стали наряду с
мартенситом присутствует остаточный аустенит. Количество растворенного в аустените углерода определяет тетрагональность и твердость мартенсита, а также количество остаточного
аустенита. |
3 |
Основным |
недостатком углеродистой стали |
Требуемые мех. свойства достигаются при последующем отпуске стали. С повышением Тотп.
прочностные характеристики непрерывно уменьшаются, а пластичность и вязкость стали непрерывно увеличиваются.
Качественные углеродистые стали - стали марок 09, 10, 15, 20, 25…75, 80, 85. К углеродистым относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1 %) марок 15Г, 20Г,4 25Г,…65Г,
Стали для холодной штамповки
Стали для холодной штамповки:
мягкие низкоуглеродистые нестареющие холоднокатаные стали;
двухфазные феррито-мартенситные стали.
Нестареющие холоднокатаные стали должны иметь минимальное содержание примесей, низкую прочность и твердость, высокую пластичность. Холоднокатаный лист из этих сталей должен иметь высокое качество поверхности и не быть склонным к деформационному старению.
Чем больше протяженность площадки текучести на диаграмме растяжения, тем более склонна сталь к деформационному старению. Ответственными за деформационное старение являются находящиеся в твердом растворе атомы внедрения, в первую очередь атомы азота. Поэтому, чтобы сделать сталь нестареющей, необходимо азот вывести из твердого раствора, связав его нитридообразующими элементами. 5
Нитридообразующие элементы - алюминий и ванадий.
Нитриды AlN и VN образуются в сталях в процессе отжига холоднодеформированной стали. Однако часть азота остается в
твердом растворе. Для исключения деформационного старения лист перед штамповкой подвергают дрессировке.
Дрессировка представляет собой небольшую пластическую деформацию (до 2%) отожженной стали, в результате которой происходит вырыв закрепленных дислокаций из атмосфер Котрелла. Поэтому сталь после дрессировки не имеет площадки текучести и становится несклонной к деформационному старению. Время между окончанием дрессировки и началом штамповки не должно превышать 10 суток.
Для изделий с относительно небольшой вытяжкой применяют сталь 08кп, для более сложных изделий – сталь 08Ю (0,02…0,05% Al) или -08Фкп (0,02…0,04% V). Сталь 08кп склонна к деформационному старению, а 08Ю и 08Фкп нестареющие. После отжига холоднокатаный лист подвергают дрессировке.
Перед штамповкой лист имеет низкую прочность ( Т 190…210 МПа; В=260…360 МПа) и высокую пластичность ( =42…50%), что обеспечивает хорошую штампуемость.
6
Двухфазные стали обладают низким значением предела текучести, высокими значениями временного сопротивления, равномерного и общего удлинения, скорости деформационного упрочнения. Двухфазная феррито-мартенситная (иногда феррито- бейнитная) структура стали получается при определенном охлаждении из межкритического интервала температур (между АС1 и
АС3) после специального нагрева или после горячей прокатки.
Свойства стали определяются количеством мартенсита и размером зерна феррита. Оптимальные свойства достигаются при содержании 20…30% мартенсита. При этом сталь имеет наиболее высокое отношение В/ Т 2. При увеличении доли мартенсита прочность
растет, тогда как пластичность падает. Рост прочности сопровождается при этом снижением температуры вязко-хрупкого перехода.
Низкие значения предела текучести двухфазных сталей (12ХМ) и отсутствие площадки текучести после термической обработки связаны с большим количеством свободных дислокаций в феррите, появившихся в результате образования мартенсита и деформации окружающей ферритной матрицы.
7
В качестве двухфазных сталей для холодной штамповки используют малоуглеродистые низколегированные стали с 0,06… 0,12%С, 1…2% Mn, 0,5…1,5% Si, с небольшими добавками ванадия или подобные стали с содержанием 0,5%Cr и 0,1…0,4% Mo. Легирование стали необходимо для получения при термической обработке мартенсита и мелкого зерна феррита.
Свойства после термообработки: Т=300…450 МПа, В=600…850 МПа, =20…30%, а после штамповки Т=450…600 МПа.
8
Улучшаемые легированные стали
Содержание углерода - 0,25…0,5%, содержание ЛЭ - 1…6%. Применяют для наиболее ответственных деталей машин и
механизмов после закалки и отпуска.
Тотп. выбирается в зависимости от требований свойств. Наиболее
часто применяют закалку с высоким отпуском при 550…680°С (улучшение). Образуется структура сорбита отпуска. Иногда используют низкий отпуск, структура – мартенсит отпуска.
Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости. Поэтому основное назначение легирования этих сталей – повышение прокаливаемости.
Все ЛЭ, кроме кобальта, повышают прокаливаемость стали. Особенно эффективно комплексное легирование Mn, Ni, Mo, но т.к. они дорогие, то наиболее часто применяют легирование Cr, Mn, Ni, Mo, V.
Сильное влияние на увеличение прокаливаемости конструкционных сталей оказывает содержание бора 0,003%. Бор, как поверхностно активный элемент, концентрируясь на границах зерен аустенита, препятствует зарождению здесь феррита.
9
Хромистые и хромованадиевые стали.
30Х, 35Х, 40Х, 50Х, 40ХФА, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ.
Наименее легированные стали. Прокаливаемость до 20…25 мм. Cr оказывает упрочняющее воздействие на структуру сорбита
отпуска за счет появления мелкодисперсных хромосодержащих карбидов, упрочняет ферритную матрицу (твердорастворное упрочнение).
Однако, для получения мелкозернистой структуры в стали вводят ванадий (40ХФ). V находится в карбидах и сдерживает рост зерна.
Применяют также нитридное упрочнение (35Х2АФ, 40Х2АФЕ): значительно повышается стабильность размера аустенитного зерна в пределах 6…15 мкм, что позволяет повысить температуру закалки.
Это приводит к повышению содержания Cr в твердом растворе и к значительному повышению прокаливаемости – до 40…50 мм при закалке в масле соответственно к повышению прочности после высокого отпуска.
10