Материаловедение и технология конструкционных материалов

жание углерода в сотых долях процента (например, 08, 10, 15, 20 и т.д. до 85). Химический состав некоторых марок сталей при­ веден в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Химический состав стали конструкционной углеродистой качественной (ГОСТ 1050—88)

Качественные стали производят и поставляют без термиче­ ской обработки, термически обработанными и нагартованными. Механические свойства гарантируются после нормализации, закалки и отпуска, нагартовки и отжига.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают различными механическими и технологи­ ческими свойствами. Из них изготавливают детали типа винтов, гаек, болтов, зубчатых колес, деталей автомобилей, кулачков, осей и др.

Основным недостатком этих сталей является их малая про­ каливаемость и склонность к перегреву при термической обра­ ботке.

Характерной особенностью автоматных сталей является их хорошая обрабатываемость резанием, что достигается за счет повышенного содержания в стали серы (до 0,30 %) и фосфора (до 0,15 %), а также за счет добавок свинца (0,15...0,30 % )или его аналога — селена в количестве до 0,1 %. Сера и фосфор об­ легчают процесс резания благодаря измельчению стружки, сви­ нец и селен — за счет эффекта внутренней смазки, снижающего

коэффициент трения в паре заготовка — инструмент. Роль внут­ ренней смазки выполняют сами элементы, которые из-за крайне низкой растворимости в железе находятся в стали практически в свободном состоянии в виде включений. Автоматные стали мар­ кируют буквой А, за которой следует двузначное число, указы­ вающее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы С и Е в обозначении стали указывают на наличие в ее со­ ставе соответственно свинца и селена. Широко используются следующие марки автоматных сталей: A ll, А12, А20, АЗО, АС40, АС14, АС20ХГНМ и др.

Автоматные стали по причине особенностей их химического состава обладают невысокими показателями пластичности и вяз­ кости. Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагруженных деталей на станках-автоматах (болты, винты, гайки, мел­ кие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей из них получается чистой и ровной. Изно­ состойкость может быть повышена цементацией и закалкой. Стали АЗО и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие нагрузки. У автоматных сталей, содержащих свинец (АС11, АС40), стойкость инструмента повышается

в1...3 раза, а скорость резания — на 25...50 %. Легированные хромистые и хромоникелевые стали с присад­

кой свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ) исполь­ зуются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности.

Углеродистые инст рум ент альны е ст али маркируются буквой У в начале и цифрами, указывающими на среднее содер­ жание углерода в десятых долях процента, и делятся на качест­ венные (У7, У8, У9...У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А...У13А). Из них можно изготавливать инструмент, который в процессе работы не разогревается выше 150 °С. Это ножовоч­ ные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент. Окончательная термическая обработка инструмента заключается в закалке и низком отпуске. Темпе­ ратура отпуска в зависимости от условий работы инструмента может находиться в пределах от 150 °С (напильники) до 350 °С (пилы для дерева).

Основными достоинствами инструментальной углеродистой стали по сравнению с легированными сталями являются:

□возможность закалки с низких температур (750...820 °С)

иполучения высокой твердости и износостойкости поверхност­ ного слоя при сохранении вязкой сердцевины, что важно для ручных метчиков и штампов для высадки, которые работают на износ и с динамическими нагрузками;

□низкая твердость в исходном (отожженном) состоянии, обеспечивающая хорошую обрабатываемость резанием и давле­ нием, что позволяет применять накатку, насечку, плющение

идругие высокопроизводительные методы изготовления инст­ румента;

□низкая стоимость.

Вместе с тем низкая теплостойкость, небольшая прокаливае­ мость (10...15 мм при закалке в воде и 2...8 мм — в масле), чув­ ствительность к перегреву и пониженная закаливаемость огра­ ничивают область применения этих сталей.

6.4.Легированные стали

Основными легирующими элементами являются кремний, никель, марганец, хром. Такие элементы, как вольфрам, молиб­ ден, ванадий, алюминий, титан и бор, вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучше­ ния свойств. Однако высокие эксплуатационные характеристи­ ки легированных сталей обнаруживаются только после закалки и отпуска, так как в отожженном состоянии их механические свойства практически не отличаются от свойств углеродистых сталей. Улучшение механических свойств обусловлено влия­ нием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прока­ ливаемость и размер зерна.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Однако упрочнение феррита приводит к снижению ударной вязкости, особенно если концентрация легирующих элементов больше 1 %. Исключение составляет никель, который не сни­ жает вязкости стали.

Карбидообразующие элементы (Cr, Мо, V, W, Nb, Ti) влияют на природу и свойства карбидов в стали. Специальные карбиды

сти, малую чувствительность к отпускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, работающих под воздействием циклических и ударных нагрузок.

Хромистые стали (ЗОХ, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовле­ ние коленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15...25 мм), склонны к отпускной хрупкости. Прочность ста­ лей увеличивается с увеличением содержания углерода, но при этом снижается пластичность.

Хромокремнемарганцевые стали (ЗОХГСА, 35ХГСА) имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются, имеют невысокую прокаливаемость и широко применяются в автомо­ билестроении.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокую проч­ ность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагруз­ кам. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием динамических нагрузок (шес­ терни, валы). Прочность стали придает хром, а пластичность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на большую глубину.

Лучшими показателями среди сталей обладают хромоникелъмолибденовые (40ХНМА, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМФА). Эти стали имеют высокую прочность при хорошей вязкости, высокую уста­ лостную прочность, глубоко прокаливаются. Из них изготавли­ вают сильно нагруженные детали, а также валы, роторы, турбины, работающие в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят путем закалки с 850 °С в масле и после­ дующего отпуска при 620 °С.

Высокопрочные стали — это стали, имеющие предел проч­ ности а„ > 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним относятся стали типа 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. В табл. 6.6 приведены механиче­ ские свойства двух марок высокопрочных сталей после закалки с 900 °С и низкого отпуска при 250 °С.

Указанная прочность сталей сохраняется благодаря низкому отпуску, а удовлетворительная пластичность обеспечивается высокой степенью чистоты и мелкозернистой структурой.

Общая тенденция развития техники и стремление к созданию легких, нематериалоемких машин требуют применения сталей, имеющих о„ >2000 МПа и высокие показатели пластичности. После закалки и низкого отпуска уровень прочности таких ста­ лей определяется в основном содержанием углерода, увеличение которого свыше 0,4 % делает сталь хрупкой. В этой связи осо­ бый интерес вызывают мартенситно-стпареющие стали, пред­ ставляющие собой сплавы железа и никеля (8...20 %) с очень низким (до 0,03 %) содержанием углерода и дополнительно ле­ гированные титаном и алюминием, а также часто кобальтом

имолибденом. Механические свойства сталей типа 03Н12К15М10

и03Н18К9М5Т приведены в табл. 6.7.

Эти стали закаливают с температур 800...860- °С на воздухе, так как никель и другие легирующие элементы стабилизируют твердый раствор, который благодаря этому переохлаждается до мартенситного превращения. Закалка фиксирует сильно пере­ насыщенный легирующими элементами, почти безуглеродистый (< 0,03 %) мартенсит, отличительными особенностями которого являются относительно невысокая прочность и очень высокая пластичность.

Основное упрочнение сталей достигается при последующем отпуске (старении) при 450...500 °С, когда из мартенсита выде­

ляются мелкодисперсные упрочняющие частицы интерметаллидных фаз (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др.), когерентно связанные с матрицей. В результате такого механизма упрочнения сплавы обладают высокой прочностью и малой чувствительностью к над­ резам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур — от криогенных до 450...500 °С. Они обладают высокой техноло­ гичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо сва­ риваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовле­ ния пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и теку­ чести (a0i2 S 800 МПа) и сопротивлением усталости при доста­ точной пластичности (8 = 5 %, \|/ = 20...25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легиро­ ваны одним или несколькими элементами: 1,5...2,8 % кремния; 0,6...1,2 % марганца; 0,2...1,2 % хрома; ОД...0,25 % ванадия; 0,8...1,2 % вольфрама; 1,4...1,7 % никеля. Эти элементы обес­ печивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, по­ вышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

Наиболее широко в промышленности применяются кремни­ стые стали типа 55С2, 60С2А, 70СЗА, из которых изготавли­ вают пружины вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и др. Однако кремнистые стали склонны к обезуглерожи­ ванию поверхности заготовок при горячей обработке, что сни­ жает предел выносливости. Поэтому для высоконагруженных рессор и пружин применяют стали марок 60С2ХА, 50ХФА, 60СГА, 60С2Н2А с прокаливаемостью до 50...80 мм. Дополни­ тельное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, ванадием, никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьша­ ет склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве.

Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троостит или деформационному упрочнению после патентирования. Патентирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65...0,9 % углерода, и заключается в ее высокотемпературной аустёнизации для получения однородного аустенита и последующего про­

пускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450...550 °С.

Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности дета­ лей, работающих в условиях интенсивного изнашивания (под­ шипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землерой­ ных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывает усталостное выкрашивание на рабочих поверхностях и излом деталей. Такой механизм изна­ шивания особенно актуален для подшипников, элементы кото­ рых изготавливают из шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % угле­ рода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шари­ коподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических вклю­ чений.

Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зерни­ стого перлита. Закалку осуществляют с температур 820...860 °С в масле, отпуск — при 150...170 °С с выдержкой в течение 2...3 ч. Время между закалкой и отпуском не должно превышать 3 ч для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали. После окончательной термической обработки твердость стали составляет 62...65 HRC3, структура — мартенсит с вклю­ чениями мелких карбидов и остаточный аустенит (8...15 %). Для стабилизации размеров деталей их обрабатывают холодом при температурах -70...80 °С.

Детали машин, работающие в условиях абразивного изна­ шивания и больших ударных нагрузок, такие как корпуса ша­ ровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничных тракторов, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали марки 110Г13Л (сталь Гадфильда), которая содержит 1... 1,4 % углеродаи 12...14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (буква Л в марке стали). Сталь 110Г13Л подвергают закалке с 1100 °С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую

Из легированных сталей изготавливают крупногабаритный инструмент, температура которого в процессе, работы не пре­ вышает 150.*.200 °С. Номенклатура инструмента — круглые плашки, крупные протяжки и зенкеры, обрабатывающие мягкие материалы, крупные вытяжные штампы, прошивные пуансоны и т.п. Сталь X используют главным образом для измерительного инструмента.

Штпамповые стали подразделяются на стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Инструмент для деформации металла в холодном состоя­ нии должен иметь высокую твердость (> 58 HRCJ. Для такого инструмента обычно используют стали со структурой низкоотпущенного мартенсита, содержащие около 1 % углерода. Штампы небольших размеров и простой конфигурации с относительно легкими условиями работы изготавливают из углеродистых ин­ струментальных сталей (штампы диаметром до 30 мм для высадки и вытяжки, деформирующие с небольшой скоростью, чеканоч­ ные с глубокой гравюрой для обработки мягких цветных ме­ таллов и т.п.). Для аналогичных штампов, отличающихся боле? сложной конфигурацией и более тяжелыми условиями работы, применяют легированные инструментальные стали.

Для штампов холодного деформирования, работающих в усло­ виях высоких динамических нагрузок, используются специаль­ ные инструментальные стали повышенной ударной вязкости (6ХЗМФС, 6ХС, 6ХВ2С и 7X3). Отличительный признак хими­ ческого состава этих сталей — пониженное содержание углеро­ да, что и является залогом их повышенной вязкости.

Особую группу холодноштамповых сталей образуют стали ледебуритного класса, отличающиеся повышенным содержа­ нием хрома (Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ). Высокохромистые стали обладают повышенной прокаливаемостью (до 250 мм) и износостойкостью (за счет присутствия в структуре стали большого количества особо твердых карбидов Сг32С3). Они ис­ пользуются для тяжелонагруженного холодноштампового ин­ струмента, работающего с повышенной скоростью. После закал­ ки с температур 950...1010 °С инструмент отпускают на твер­ дость 60. ..63 HRC3 при 150...160 °С, а на 57...58 HRC, — при 260...275 °С.

Стали для штампов горячего деформирования, или, как их еще называют, молотовые, должны обладать повышенной удар­