5.4. Легированные стали

Основными легирующими элементами являются кремний, никель, марганец, хром. Такие элементы, как вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан и бор, вводят в сталь в сочетании с хромом, нике­лем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. Однако высокие эксплуатационные характеристики 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 влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дис­персность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость 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 снижает вязкости стали.

Карбидообразующие элементы (Сг, Mo, V, W, Nb, Ti) влияют на природу и свойства карбидов в стали. Специальные карбиды леги­рующих элементов способны при нагреве растворяться в аустените, а на стадии отпуска, выделяясь из перенасыщеного твердого раствора в виде мелкодисперсных фаз, упрочнять сталь. Легирование сталей хромом, бором, молибденом повышает их прокаливаемость. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость комплексное легирование Сг + Mo, Cr + Ni, Cr + Ni + Mo. Большинство легирующих элемен­тов измельчают зерно, но особенно эффективно это делают ванадий, ниобий, титан, цирконий, алюминий.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные легирован­ные стали, применяемые в народном хозяйстве.

5.4.1. Конструкционные стали

Цементуемые стали обычно содержат 0,1...0,25 % углерода, а в ка­честве легирующих элементов - хром, марганец, бор, молибден, ва­надий, титан, никель в пределах от 0,002 (В) до 4,4 % (Ni). После це­ментации, закалки и низкого отпуска изделия из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (58...62 НКСЭ) и вязкую сердцевину с твердостью 15...30 HRC3. К углеродистым цементуемым сталям от­носятся стали 10, 15, 20. Характерными представителями легирован­ных цементуемых сталей являются:

□ стали средней прочности (15ХР, 15Х, 20Х, 20ХН), которые идут на изготовление небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках (зубчатые колеса, валы, кулачки и т. п.). Эти стали характе­ризуются небольшой прокаливаемостью, а детали, изготовленные из них, чувствительны к надрезам;

Q стали повышенной прочности (12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А, 18ХГГ, 18Х2НЗМА) идут на изготовление деталей средних и больших разме­ров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повы­шенных нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.). Эти стали малочувствительны к перегреву, хорошо прокалива­ются и имеют повышенную прочность сердцевины.

Улучшаемые стали содержат 0,3...0,5 % углерода, легирующих эле­ментов в сумме не более 5 % и используются после улучшения (закалки и высокого отпуска). Эти стали имеют высокую прочность и пластич­ность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к от­пускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, работающих под воздействием цикли­ческих и ударных нагрузок.

Хромистые стали (30Х, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовление ко­ленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15...25 мм), склон­ны к отпускной хрупкости. Прочность сталей 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 автомобилестроении.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Они при­меняются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием динамических нагрузок (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а пластичность - никель. Хромоникелевые ста­ли прокаливаются на большую глубину.

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

Высокопрочные стали - это стали, имеющие предел прочности <тв > 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним отно­сятся стали типа 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. В табл. 5.5 приведены механические свойства двух марок высокопрочных сталей после закалки с 900 °С и низкого отпуска при 250 °С.

Таблица 5.5

Механические свойства			высокопрочных сталей
Сталь		Механические свойства сталей
	ов, МПа	Ъ,9	/' 0	V,%	кси	, МДж/м2
30ХГСНА 40ХГСНЗВА	1850 2000	13 11		50 43		0,55 0,45

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 ств >2000 МПа и высокие показатели пластичности. После закалки и низкого отпуска уровень прочности таких сталей определяется в ос­новном содержанием углерода, увеличение которого свыше 0,4 % делает сталь хрупкой. В этой связи особый интерес вызывают мар-тенситно-стареющие стали, представляющие собой сплавы железа и никеля (8...20 %) с очень низким (до 0,03 %) содержанием углеро­да и дополнительно легированные титаном и алюминием, а также часто кобальтом и молибденом. Механические свойства сталей типа Н12К15М10 и Н18К9М5Т приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6 Механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Сталь		Механические		свойства сталей
	ств, МПа		5,%		м/,%	кси,	МДж/м2
Н18К9М5Т Н12К15М10	2100 2500		8 6		50 30		0,5 0,3

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 перенасыщенный 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 выделяются 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 надрезам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур - от криогенных до 450;..500 °С. Они обладают высокой технологичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо свариваются, 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 изготовления пру­жин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и текучести (а0 2 > 800 МПа) и сопротивлением усталости при достаточной пластичности (5 » 5 %, \j/ = 20...25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легированы одним или несколькими эле­ментами: 1,5...2,8 % кремния; 0,6...1,2 % марганца; 0,2...1,2 % хро­ма; 0,1...0,25 % ванадия; 0,8...1,2 % вольфрама; 1,4...1,7 % никеля. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и зака­ливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

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

Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троо-стит или деформационному упрочнению после патентирования. Патен-тирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65...0,9 % углерода, и заключается в ее высокотемпературной аустенизации для получения однород­ного аустенита и последующего пропускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450.. .550 °С.

Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности деталей, ра­ботающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землеройных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывет усталостное выкрашивание на рабочих поверхно­стях и излом деталей. Такой механизм изнашивания особенно актуа­лен для подшипников, элементы которых изготавливают из шарико­подшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % углерода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шарикоподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических включений. Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зернистого 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 включениями 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 изнашивания и больших ударных нагрузок, такие как корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничных тракто­ров, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали мар­ки 110ПЗЛ (сталь Гадфильда), которая содержит 1„.1,4 % углерода и 12... 14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, поэто­му изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (бу­ква Л в марке стали). Сталь 110ПЗЛ подвергают закалке с 1100 °С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую твердость (220...250 НВ) и высокую вязкость. Высокая износостойкость стали обеспечивается наклепом аустенита в поверхност­ном слое в процессе работы в условиях ударного воздействия. В ре­зультате твердость поверхности повышается до 600 НВ, а сердцевина остается вязкой.